B.1.1 Description des systèmes de mesure
Les deux lidars rétrodiffusion mis en oeuvre pendant la campagne ECLAP sont de conception similaire. Un schéma synotique de lidar rétrodiffusion est présenté figure B.1. Cinq modules
prin-Reseau
Station H.P Imprimante Sauvegarde DAT LIDAR Echantillonnage Detection Photo-multiplication Unite P.C Faisceau Laser Telescope Laser Nd-Yag RETRODIFFUSION SYSTEMEFIG. B.1 – Systèmes de mesures utilisés
cipaux composent l’instrument : un laser, un télescope et un boîtier optique (pour la réception et le filtrage du signal optique rétrodiffusé), un système de détection, un système d’échantillonnage du signal détecté et une unité informatique (traitement et stockage des données). Les principales caractéristiques techniques des lidars de Jussieu et Palaiseau sont réunies dans le tableau B.1.
180 ANNEXE B. INSTRUMENTS ECLAP
Instrument Jussieu Palaiseau
Type de laser Nd-Yag Nd-Yag
Télescope Cassegrain 36cm (mobile) Cassegrain 36cm (fixe)
Fréquence de tir 20 Hz 10 Hz
Longueur d’onde 532 nm 532 nm
Angle de site 41. 90.
Résolution verticale 4.64m 30.m
Altitude mini de recouvrement 150m 150m
Altitude max de mesure 4750m 30720m
Taux d’acquisition 4.6s (32 tirs) 13s (100 tirs)
Continuite des mesures Fichiers de 14mn Fichiers de 13s
Fréquence de numérisation 50 MHz (8bits) 5 MHz (12bits)
Nombre de voies d’acquisition 2 1
Unité informatique PC 486/33 MHz PC 486/33 MHz
Format de sauvegarde cassettes DAT cassettes DAT
TAB. B.1 – Caractéristiques des deux lidars
Le laser
On utilise un laser Nd-Yag faible énergie dont l’émission à 1064 nm est doublée en fréquence. La longueur d’onde de mesure (532 nm) permet de détecter à la fois le signal rétrodiffusé par les molécules et par les particules. La fréquence de tirs est de 10 Hz à Palaiseau et 20 Hz à Jussieu. Le faisceau laser est émis au travers d’un expandeur divergent par un jeu de miroirs situé près du télescope. Les axes d’émission et de réception sont confondus.
Le télescope de réception
Le téléscope est de type Cassegrain. A Jussieu, le téléscope a un diamètre de 36 cm. Il est monté sur un bloc motorisé qui permet son orientation. Dans le cas des mesures effectuées, l’angle choisi pour les tirs est de 49
par rapport à l’horizontale. Le faisceau du Nd-Yag est renvoyé, par un jeu de 9 miroirs, vers l’atmosphère suivant l’axe du téléscope. A Palaiseau le télescope a un diamètre de 60 cm. Il est fixe et pointe le zénith. Les champs de vue sont de plusieurs milliradians, pour permettre des observations à basse altitude. La zone d’altitude dans laquelle le signal ne peut fournir d’information est déterminée par le recouvrement géométrique du faisceau laser d’émission et du champ de réception, et est de 150 m pour les deux systèmes. Le signal rétrodiffusé est focalisé sur le détecteur. Un photomultiplicateur (p.m) est utilisé sur les deux systèmes. Le courant anodique est converti en tension à l’aide d’une résistance de charge avant d’être échantillonné.
La numérisation du signal
A Jussieu, le système de numérisation utilisé est un oscilloscope numérique Tektronix 2430A. Le signal électrique issu du photo-multiplicateur, chargé par une résistance de 270 ohms, est numérisé à 50 MHz sur 8 bits et moyenné sur un nombre choisi de tirs (pour ECLAP, 32). A Palaiseau le signal est numérisé à 5 MHz sur 12 bits avec un échantillonneur Lecroy. Par l’intermédiaire d’une carte GPIB, les signaux numérisés sont transférés à l’unité centrale. Les signaux sont moyennés sur N tirs (N=32 à Jussieu, N=100 à Palaiseau) dans l’échantillonneur soit un profil toutes les 4,6 secondes à Jussieu et toutes les minutes à Palaiseau compte tenu du temps de transfert entre l’échantillonneur et le PC (de type 486/33Mhz).
B.1.2 Traitement des données lidar ECLAP
Les deux lidars de Jussieu et Palaiseau, de principe identiques, ont des procédures d’acquisition des données différentes. Après pré-formatage des données brutes, et dans le but de limiter les
erreurs dûes au traitement, les filières d’analyse informatique ont été choisies identiques pour les deux lidars (ces traitements, ainsi que la mise en forme de toutes les données pour une diffusion extérieure souple sont explicitées en Annexe B.4, p. 185).
B.1.3 Détermination du signal corrigé
Le calcul de RSCS = (S - Of) r
est numériquement instable si Of est imprécisement déterminé. Pour les deux lidars, la relation suivante est appliquée :
-/ 5 2 % (B.1)
où5 5 5 .5 est la résolution verticale (4,64 m à Jussieu et 30 m à Palaiseau) et5 =100 m représente la zone verticale choisie pour effectuer le calcul de Of. La zone verticale s’étend de
5 à "
5 . On a de plus, choisi ici
= 3000 m pour les deux sites, et
$ = 4500 m à Jussieu et
$ = 10000 m à Palaiseau.
L’écart-type (noté ici SD) est calculé à partir des fluctuations temporelles du signal, tel que :
'% % % , (B.2)
pour un niveau d’altitude , sur mesures, avec le signal corrigé instantané % et moyen sur valeurs 2'% . Pour éliminer les divergences possibles lors du calcul de
(comme l’influence du bruit instrumental), le critère suivant est appliqué sur le signal :
Si alors , avec une constante réelle dépendante de la numérisation du système.
B.1.4 Principe de l’inversion de profils lidar
Nous n’entrerons pas dans les détails des procédures complexes d’inversion de profils lidars. Pour notre étude, l’inversion des profils lidars de Jussieu et Palaiseau sera un outil pour le calcul de l’épaisseur optique sur ces deux sites. Cependant, il est nécessaire de définir les notions suivantes pour l’interprétation des résultats présentés dans la suite.
L’onde lumineuse émise par le lidar va être atténuée pendant la traversée d’une masse d’air, sur une distance ! . En notant ,l’intensité de l’onde avant la traversée, on a la relation
3 ( !
où est l’intensité restante après la traversée, et ( le coefficient d’extinction. Cette extinction combine à la distance ! de la source, les effets de la diffusion et de l’absorption caractérisant la masse d’air traversée. La transmission atmosphérique est de l’ordre de . A une distance de l’émetteur (équivalente à une altitude , étant dans notre cas, en visée au zénith), on peut exprimer
( en fonction de sa contribution moléculaire(
et particulaire ( 1 , tel que :
( % (
% ( 1 % (B.3)
La transmission atmosphérique peut donc s’écrire telle que :
% 3 ( % !$ 1 % 3 ( 1 % ! (B.4)
182 ANNEXE B. INSTRUMENTS ECLAP On voit que l’on doit calculer (
% et( 1 '%. L’équation 2.6 montre que dans notre cas (lidar monochromatique), le signal recu dépend de l’extinction ( et de la rétrodiffusion) . Tout comme l’extinction se décompose en sa contribution moléculaire)
et particulaire) 1 , tel que :
) % )
% )$1 % (B.5)
Cela nous amène à définir les fonctions de phase : fonctions dépendantes de l’altitude et liant la rétrodiffusion à l’extinction, tel que :
( % * '%) % ( 1 % * 1 %) 1 % (B.6)
La théorie de Rayleigh définit la fonction de phase moléculaire constante *
% * . Par contre, la fonction de phase particulaire* 1 % varie a priori avec l’altitude. Cette variation sera uniquement due à la prise en compte des effets d’humidité : un aérosol va être entouré de plus ou moins d’eau condensée en fonction de l’humidité et donc plus ou moins absorbé le rayonnement lidar. Dans notre cas, l’inversion de profil lidar ne servira que pour l’estimation des particules par ciel clair et sec : on choisit donc * 1 '% *
. Cette valeur étant une approximation typique d’un milieu continental (Dupont (88)).
Pour retrouver) à partir du signal corrigé, on applique l’inversion de Klett (81), telle que :
) % 2'% ! % % ) % 2 %!8 % !$ * 1 (B.7) où : !8 % 3 * 1 * ) % ! (B.8)
Pour notre calcul, nous devons, de plus, connaitre la rétrodiffusion moléculaire )
. Pour cela, un modèle d’aérosols avec dépendance en latitude, longitude et période de l’année est utilisé. Les figures B.2 et B.3 présentent des exemples de profils acquis à 9h49 et 12h58, le 13 Mars 95 à Jussieu (période sèche). L’algorithme mis en place calcule la pente de l’extinction moléculaire (dans la troposphère libre) ainsi que la pente de l’extinction totale (moléculaire et particulaire) dans la couche mélangée.