Les diverses techniques de mesure par LIDAR

Au cours des travaux menés dans cette thèse, les deux techniques de mesure par LIDAR seront abordées, à savoir :

1. la mesure de concentration résolue spatialement DiAL ; 2. la mesure de concentration intégrée sur la ligne de visée.

Ces deux techniques permettent de réaliser des mesures de concentration de gaz à distance à partir d'une mesure de l'absorption pour deux longueurs d'onde ou d'un spectre d'absorption. Ainsi, l'objectif de ce paragraphe est de présenter ces deux techniques en considérant les hypothèses suivantes :

 un champ d'émission adapté au champ de réception ;

 le coefficient de rétrodiffusion, la transmission atmosphérique et la transmission du système optique sont constants dans chaque tranche atmosphérique sondée ;

 une mesure DiAL à deux longueurs d'onde uniquement dites "ON" et "OFF" (avec et hors absorption).

Ainsi, on se place dans un cas simple de mesure de concentration avec deux longueurs d'onde dites "ON" et "OFF".

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La mesure de concentration résolue spatialement DiAL

Cette technique consiste à collecter la partie du signal rétrodiffusé par les particules contenues dans l'atmosphère sur des portées supérieures au kilomètre, et en déduire la concentration d'un gaz à une distance donnée par une mesure de l'absorption différentielle [DiAL] de ce gaz adressé à deux longueurs d'onde. Ainsi, l'émetteur génère deux longueurs d'onde que l'on désignera par λon et λoff comme représenté sur la Figure 8. La première, λon, est située dans une raie d'absorption isolée, c'est-à-dire sans interférents, de la molécule adressée. La seconde longueur d'onde, λoff, est choisie en dehors de toute absorption. Ainsi, à partir de l'équation (Eq. 11), les puissances moyennes des signaux rétrodiffusés aux deux longueurs d'onde λon et λoff s'expriment de la manière suivante : l'ensemble des processus de diffusion latérale et d'absorption moléculaire autre que l'absorption de l'espèce mesurée aux longueurs d'onde λon et λoff. d'absorption de l'espèce d'intérêt qui dépend des conditions de pression et température de l'atmosphère à la distance r.

Par ailleurs, la longueur d'onde a été choisie ici afin que l'absorption pour toutes les molécules présentes (la molécule sondée et les interférents) soit nulle :

(Eq. 15)

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On en déduit alors l'expression de la concentration moyenne Nav(r) sur une tranche atmosphérique d'épaisseur Δr, correspondant la résolution spatiale de l'instrument, située à une distance r.

(Eq. 17)

Dans l'hypothèse où λon et λoff sont suffisamment proches l'une de l'autre, alors les termes de rétrodiffusion et d'extinction résiduelle sont considérés égaux en première approximation. L'expression de la concentration moyenne Nav(r) sur une tranche atmosphérique d'épaisseur Δr, correspondant la résolution spatiale de l'instrument, située à une distance r s'exprime de la manière suivante :

(Eq. 18) La mesure LIDAR résolue spatialement permet de réaliser des profils de concentrations le long de la ligne de visée pour les espèces d'intérêt avec une résolution spatiale ΔR limitée par la durée de l'impulsion laser.

Ce type de technique nécessite de disposer d'un émetteur très énergétique, en régime nanoseconde permettant d'obtenir une bonne résolution spatiale sur la ligne de visée de l'ordre de plusieurs dizaines de mètres, et d'un module de réception permettant de détecter le faible flux rétrodiffusé par l'atmosphère.

En supposant l'atmosphère figée entre les deux tirs, l'erreur statistique relative sur la concentration déduite de l'équation (Eq. 18) s'exprime sous la forme suivante :

(Eq. 19)

Les biais de mesure associés à une mesure lidar résolue spatialement ont été largement décrits dans la littérature [Cahen – 1981 ; Ansmann - 1985]. Nous en présentons un résumé dans le Tableau 2. Par exemple dans le cas d’une mesure LIDAR résolue spatialement, la dépendance en longueur d’onde des coefficients d’extinction et de rétrodiffusion peuvent introduire une erreur dans l’estimation de la concentration en espèce.

24 Biais de mesures Causes

Extinction et rétrodiffusion résiduelles

Les coefficients d'extinction et de rétrodiffusion varient avec la longueur d'onde émise.

Section efficace Elle dépend de la température, de la pression et des propriétés spectrales du faisceau laser utilisé.

Positionnement spectral

Un décalage en fréquence de l'émission laser par rapport à la raie d'absorption induit une mauvaise estimation de la section

efficace d'absorption.

Pureté spectrale La portion d’énergie laser émise en dehors de la raie d’absorption de la molécule sondée par rapport à l’énergie totale émise.

Tableau 2 : Les biais de mesures présents lors d'une mesure LIDAR résolue spatialement en détection directe.

Ces biais de mesure introduisent des erreurs systématiques au moment de l'inversion de spectre dans l'estimation de la concentration en espèce. Il n’est pas toujours simple de connaître ces biais de mesure. Ainsi, des hypothèses simplificatrices sont souvent prises pour la conception du code d'inversion. Cependant si les biais de mesure sont connus, il est possible d'en tenir compte et de les compenser lors de l'inversion.

La mesure de concentration intégrée sur la ligne de visée dite IP-DiAL pour Integrated Path DiAL

Cette méthode de mesure consiste à mesurer la concentration moyenne en espèces sur toute la ligne de visée en utilisant la rétrodiffusion par une cible dure. Cette cible peut être topographique comme par exemple l'écho de sol ou l'écho sur le couvert végétal ou bien une cible spécifique. La cible est caractérisée par son albédo c'est-à-dire sa capacité à réfléchir un rayonnement incident. Par exemple, au cours d'une étude, l'albédo de la surface de l'océan a été mesuré et varie entre 0,03 et 0,4 suivant les conditions d'éclairement de l'océan par le soleil et la distribution d'aérosols [Jin - 2004]. Par conséquent, le coefficient de rétrodiffusion des particules atmosphériques mesuré dans [Sugimoto - 1990], de l'ordre de 6.10^-7m^-1.sr^-1 à 2 µm, est inférieur de plusieurs ordres de grandeurs à l'albédo d'une cible dure. L'utilisation d'une cible permet donc d'obtenir des puissances rétrodiffusées supérieures de plusieurs ordres de grandeur à celles obtenues à partir de la rétrodiffusion volumique par les particules de l'atmosphère.

Dans le cadre d'une mesure IP-DiAL effectuée sur une distance r et réalisée avec deux longueurs d'onde la puissance moyenne rétrodiffusée par l'atmosphère aux deux longueurs d'onde λon et λoff s'exprime comme suit [Grant - 1982] :

(Eq. 20)

(Eq. 21)

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avec a(λon, r) le coefficient d'absorption totale à la longueur d'onde λon, ξ(λ, r) le coefficient d'extinction résiduelle incluant l'ensemble des processus de diffusion latérale et d'absorption moléculaire autre que l'absorption de l'espèce mesurée aux longueurs d'onde λon et λoff et ρon et ρoff l'albédo de la cible mesurée aux longueurs d'onde λon et λoff respectivement.

Par ailleurs, en réalisant les mêmes hypothèses que pour le paragraphe précédent, on en déduit alors l'expression de la concentration moyenne Nav(r) sur une tranche atmosphérique d'épaisseur Δr, correspondant la résolution spatiale de l'instrument, située à une distance r.

(Eq. 22)

Alors sous l'hypothèse où λon et λoff sont suffisamment proches l'une de l'autre, les termes d'albédo de la cible et d'extinction résiduelle sont considérés égaux en première approximation. De plus, en supposant que la section efficace d'absorption σa(λon, r) est constante sur le trajet optique du faisceau, on en déduit à partir l'équation précédente l'expression de la concentration moyenne Nav de l'espèce considérée le long de la ligne de visée sur une portée r :

(Eq. 23) Avec cette méthode de mesure, il est nécessaire de mettre en place une référence afin de corriger les fluctuations en puissance de l'émetteur au cours de la mesure. En effet, nous disposons d'une information uniquement à la distance de la cible. Ainsi, la normalisation se fait en mesurant l'énergie émise par l'émetteur avant propagation au travers de l'atmosphère.

Biais de mesures Causes

Extinction résiduelle Le coefficient d'extinction varie avec la longueur d'onde émise.

Albédo de la cible L'albédo de la cible varie avec la longueur d'onde émise.

Section efficace d'absorption

Elle dépend de la température, de la pression et des propriétés spectrales du faisceau laser utilisé.

Positionnement spectral

Un décalage en fréquence de l'émission laser par rapport à la raie d'absorption induit une mauvaise estimation de la section efficace d'absorption.

Pureté spectrale La portion d’énergie laser émise en dehors de la raie d’absorption de la molécule sondée par rapport à l’énergie totale émise.

Tableau 3 : Les biais de mesures présents lors d'une mesure LIDAR intégrée colonne en détection directe.

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concentration en espèce. De la même manière que pour le paragraphe précédent, si les biais de mesure lidar sont connus, il est possible alors possible d'en tenir compte et de les compenser lors de l’inversion de spectre.

Ces techniques de mesure à deux longueurs d'onde mono-espèce peuvent être généralisées à des mesures d'absorption différentielle multi-longueurs d'onde et multi-espèces où le nombre de longueurs d'onde à émettre dépendra du nombre d'espèces adressées.