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Lidars

Thématiques INSU : Océan-Atmosphère / Atmosphère

Le rôle principal de la Division Technique est de réaliser l’étude (mécanique, électronique, informatique, calculs), le développement et la fabrication interne et sous-traitée d’instruments de type lidar, de fournir un dossier permettant sa certification avionique, d’assurer la logistique, l’installation et la mise en œuvre de l’instrument en France et à l’étranger lors de campagnes aéroportées.

Deux lidars, LEANDRE 2 et LNG, ont été certifiés, puis mis en œuvre dans les deux avions, ATR 42 et Falcon 20, opérés par l’unité SAFIRE, durant des campagnes aéroportées en France et à l’étranger.

LEANDRE 2 (Lidar Vapeur d’eau)

Description technique

L´instrument national LEANDRE 2 est un lidar à absorption différentielle, embarqué sur avion pour la mesure de la vapeur d´eau dans la basse et moyenne troposphère.
LEANDRE 2 a été développé à l´IPSL en collaboration avec la Division Technique de l´INSU et du CNES pour répondre au besoin en mesure à haute résolution spatio-temporelle de la distribution de la vapeur d´eau dans la basse troposphère (0 à 7 km) afin d’améliorer les connaissances actuelles concernant :

  • la dynamique de la couche limite atmosphérique, y compris le processus d´entraînement,
  • les échanges d´humidité entre surface et atmosphère,
  • la formation nuageuse et les interactions aérosol-nuage-rayonnement,
  • l´initiation de la convection en terrain plus ou moins complexe.
LEANDRE 2 dans le Falcon 20

Son émetteur est un laser Alexandrite accordable qui émet deux impulsions laser voisines : l’une est accordable sur une raie d’absorption de la vapeur d’eau dans un domaine spectral compris entre 727 et 770 nm, l’autre sert de référence.
Son domaine spectral contient 7 bandes d’absorption de la vapeur d’eau d’intensités différentes. De la mesure des énergies rétro diffusées, on déduit le champ de la vapeur d’eau, la température et la pression.
LEANDRE 2 est un des 3 systèmes DIAL aéroportés existant dans le monde avec ceux de la NASA et du DLR.

Spécifications techniques

  • Domaine spectral : 727 nm –770 nm
  • Energie : 2 x 50 mJ
  • Durée d’impulsion : 225 ns
  • Durée entre 2 pulses : 50 μs
  • Taux de répétition : 10 Hz
  • Diamètre télescope : 300 mm
  • Echantillonnage : 14 bits /10 MHz

Campagnes

HYMEX (Hydrological cycle in Mediterranean Experiment) en sept/octobre 2012. Cette campagne a été la dernière campagne du lidar LEANDRE 2, dont les éléments datant de plus de 20 ans étaient devenus trop difficiles à maintenir. Un nouvel instrument de mesure de la vapeur d’eau fait l’objet actuellement d’une demande ANR.

LNG (lidar rétrodiffusion) et HRS (haute résolution spectrale)

Description technique

Le LNG (Léandre Nouvelle Génération) est un lidar rétrodiffusion aéroporté. Il remplace depuis 2006 Leandre 1 (Lidar Embarqué pour l’étude des Aérosols, Nuages, Dynamique, Rayonnement et Espèces minoritaires). Son développement a été réalisé par la DT et le LATMOS dans le cadre du programme RALI (RAdar-LIdar), association d’un lidar et d’un radar dont l’objectif principal est la restitution des paramètres microphysiques, radiatifs et dynamiques des nuages.
Le LNG fonctionne sur trois longueurs d’ondes : l’ultraviolet (355 nm), le visible (532 nm) et l’infrarouge (1064 nm).

Lidar LNG dans le Falcon 20
Lidar LNG dans l’ATR 42




Spécifications techniques

Emission : laser Nd : YAG déclenché, monomode longitudinal par injection (60 mJ à 355 nm ; 10 mJ à 532 nm ; 80 mJ à 1064 nm ; répétition 20 Hz).
Réception : télescope ouverture 300 mm,
4 voies : 355 nm polarisations parallèle et perpendiculaire, 532 nm et 1064 nm.
Option : Haute Résolution Spectrale à 355 nm.
Détection, acquisition : photomultiplicateurs à 355 nm et 532 nm, photodiode à avalanche à 1064 nm. Digitalisation analogique à 25 MHz sur 16 bits.

HRS : Interféromètre Mach-Zehnder (optique et électronique de détection)




La Haute Résolution Spectrale (HRS) est une option de détection qui permet la pénétration dans un nuage de glace de grande extension verticale en présence d’une variation importante des propriétés physiques. Elle permet de s’affranchir de la nécessité de disposer d’une région de diffusion connue pour déterminer la fonction de phase des particules et l’extinction nuageuse. Pour pouvoir effectuer cette séparation, il faut que le laser à l’émission ait un spectre monomode de grande pureté spectrale. Le rapport entre les différents signaux permet de restituer l’extinction optique totale, l’extinction optique des aérosols, la fonction de phase du changement par les aérosols en plus de tous les paramètres mesurés par le lidar rétrodiffusion.
Ce développement innovant repose sur l’analyse des signaux délivrés par un interféromètre de Mach‐Zehnder relié au LNG par une fibre optique à la voie 355 nm en polarisation parallèle.
Le LNG est actuellement le seul lidar aéroporté disposant d’une HRS à 355 nm, longueur d’onde utilisée par les lidars spatiaux des futures missions ADM, pour la mesure du vent (lancement prévu en 2015) et Earthcare, pour la caractérisation des nuages.

Campagnes

FENNEC (mai/juin 2011), Fuerteventura (Canaries), Falcon 20

TRAQA (juin 2012), Toulouse, campagne préparatoire au projet ChArMEx, ATR 42

ChArMEx (juin 2013), Cagliari (Sardaigne), Falcon 20

Techno, HRS (octobre 2014), Toulouse, Falcon 20 : vol techno de validation de la HRS en vue des campagnes de validations du satellite ADM-Aeolus.

Suite à la campagne FENNEC, durant ces dernières années, un gros travail a été fait par la DT (F.Blouzon, O.Aouji, J.Spatazza) et le LATMOS (D.Bruneau) pour améliorer le rapport signal/bruit de l’électronique d’acquisition, la thermique, l’optique et la mécanique de l’interféromètre HRS du lidar LNG.

Autres activités

Lidar MARBLL

MARBLL

En soutien au laboratoire LATMOS, la DT a participé à la R&T CNES pour la réalisation d’un démonstrateur Lidar Doppler MARBLL (MARs Boundary Layer Lidar) : études et fabrication mécanique, étude et fabrication de l’électronique d’acquisition et du programme d’acquisition.
MARBLL a pour but d’effectuer des mesures de rétrodiffusion et de vent par lidar depuis le sol de Mars.

Spécifications techniques
Emission : laser Nd : KGW déclenché, multimode, refroidissement passif.
30 mJ à 1067 nm ; rafale de 100 tirs à 10 Hz toutes les minutes.
Réception : télescope ouverture 100 mm ; interféromètre de Mach-Zehnder à 4 voies.
Détection, acquisition : photodiode à avalanche, digitalisation analogique à 25 Mhz sur 16 bits.

IAOOS
Partenaire de l’Equipex IAOOS, la Division Technique a, pour la partie lidar, étudié la structure mécanique du micro-lidar qui est soumise à de fortes contraintes climatique (design mécanique, calcul de structure et de comportement thermique, prototypes et tests de terrain). Elle a également étudié une carte cerveau très basse consommation et fonctionnant à basse température assurant le contrôle, l’acquisition, le filtrage, la réduction des données du micro-lidar et leurs transmissions vers le cerveau central.
- Voir aussi l’article Equipex IAOOS.

Structure, modélisation, et électronique du lidar de IAOOS

Contact : Frédéric Blouzon