Description

La mesure de vitesse d’air à haute altitude par lidar est très importante pour des applications
aéronautiques (notamment pour les futurs avions basse consommation) et spatiale : Cal/val et futures
missions des satellites de la famille d’Aeolus dont l’utilité est maintenant essentielle pour les prévisions
météorologiques. Cette mesure, réalisée par lidar UV moléculaire à détection directe, est un sujet coeur de métier à l’ONERA au DOTA/SLS. Nous développons depuis plusieurs années une solution comportant un analyseur spectral innovant de type interféromètre quadri Mach-Zehnder (QMZ) qui est le meilleur compromis entre précision de mesure et robustesse. Si nos premiers développements ont été réalisé pour des besoins aéronautiques, un tel système semble une solution particulièrement avantageuse pour les futures versions du satellite AEOLUS 2 [D. Bruneau and J. Pelon, Atmos. Meas. Tech.,14, 4375–4402, 2021]. Elle permettrait une amélioration des performances de mesure de vitesse et la mesure simultanée du vent et des propriétés radiatives des nuages avec un même analyseur ce qui constituerait un gain important par rapport au système actuel.
Un point essentiel pour rendre le système spatialisable, particulièrement dans le cas d’un interféromètre, est de rendre tout désalignement impossible. C’est pourquoi nous avons conçu récemment une nouvelle version monolithique du QMZ constitué de plusieurs prismes collés entre eux. Ainsi, l’objectif de cette thèse est d’étudier les possibilités d’utiliser le QMZ comme analyseur spectral pour les futures versions d’AEOLUS. Pour cela, un premier défi de cette thèse sera d’intégrer cet élément dans le lidar actuel, et de modifier l’architecture du lidar pour réaliser des mesures de vent à longue distance (jusqu’à 10-20 km d’altitude). Les résultats seront alors comparés avec les besoins et les performances d’AEOLUS. Un second défi sera de mesurer les propriétés radiatives des nuages à partir des sorties de cet analyseur. En fin de thèse, l’ajout d’une voie dépolarisée pourra être envisagé pour étudier plus précisément les propriétés des aérosols.
La thèse comporte 3 étapes. La première étape consistera à déterminer, via un code de modélisation lidar existant, une configuration permettant une mesure de vent à longue distance. En effet, le lidar est
actuellement configuré pour réaliser des mesures à courte distance devant un avion. Cela passera notamment par l’utilisation de photomultiplicateurs et une modification probable des algorithmes de traitement de signal pour passer à du comptage de photon. Lors de cette étape, l’étudiant évaluera aussi, par simulation, les performances de mesure des propriétés radiatives de nuages. La seconde étape consistera à étudier expérimentalement les performances de l’interféromètre monolithique, à l’intégrer dans le lidar puis à modifier l’architecture du lidar pour réaliser des mesures de vent à longue distance et des propriétés radiatives des nuages. Enfin, lors de la troisième étape, les performances du lidar seront caractérisées d’abord sur atmosphère par comparaison avec des mesures obtenues avec un lidar vent hétérodyne et ensuite en comparant les résultats avec les simulations réalisées. Lors des différentes étapes les performances obtenues seront évaluées en regard des besoins d’AEOLUS.

Compétences requises

Master 2 ou école d'ingénieur en physique ou traitement du signal Expérience avérée en réalisation de systèmes optiques utilisant des lasers et en programmation informatique.

Bibliographie

[1] Reitebuch, O., Lemmerz, C., Nagel, E., Paffrath, U., Durand, Y., Endemann, M., Fabre, F., and Chaloupy, M.: The airborne demonstrator for the direct-detection Doppler wind lidar ALADIN on ADM-Aeolus, 2009: I. Instrument design and comparison to satellite instrument, J. Atmos. Ocean. Tech., 26, 2501–2515, 2009.
[2] Bruneau, D., Pelon, J., Simultaneous measurements of particle backscattering and extinction coefficients and wind velocity by lidar with a Mach-Zehnder interferometer: principle of operation and performance assessment, Appl. Opt. 42, 1101-1114 (2003)
[3] Bruneau, D., Blouzon, F., Spatazza, J., Montmessin, F., Pelon, J., & Faure, B. (2013). Direct-detection wind lidar operating with a multimode laser. Applied optics, 52(20), 4941-4949
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[5] N. Cézard, A. Dolfi-Bouteyre, J. P. Huignard, P. H. Flamant, “Performance Evaluation of a dual fringe-imaging Michelson interferometer for air parameter measurements with a 355-nm Rayleigh-Mie lidar”, Appl. Opt. 48 2321-2332 (2009)
[6] Jonas Herbst and Patrick Vrancken, “Design of a monolithic Michelson interferometer for fringe imaging in a near-field, UV, direct-detection Doppler wind lidar”, Applied Optics 55 (25), 6910-6929, (2016).
[7] Boulant, T., Michel, T., & Valla, M. (2024). Optimization of a direct-detection UV wind lidar architecture for 3D wind reconstruction at high altitude. Atmospheric Measurement Techniques, 17(24), 7049-7064
[8] Didier Bruneau and Jacques Pelon, « A new lidar design for operational atmospheric wind and cloud/aerosol survey from space », Atmos. Meas. Tech., 14, 4375–4402, 2021
[9] Boulant, T., Valla, M., Mariscal, J. F., Rouanet, N., & Michel, D. T. (2023, October). Robust molecular wind lidar with Quadri Mach-Zehnder interferometer and UV fiber laser for calibration/validation and future generation of Aeolus. In Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XXVIII (Vol. 12730, pp. 183-190). SPIE
[10] Michel, D.T. et al. (2024). Heterodyne and Direct Detection Wind Lidar Developed at ONERA. In: Singh, U.N., Tzeremes, G., Refaat, T.F., Ribes Pleguezuelo, P. (eds) Space-based Lidar Remote Sensing Techniques and Emerging Technologies. LIDAR 2023.

Mots clés

Lidar vent, lidar moléculaire, AEOLUS, Détection directe, interféromètre quadri Mach-Zehnder