Objectifs scientifiques

Ce projet, démarré en 2019, a pour vocation le développement d’un lidar à absorption différentielle (DIAL en anglais) pour la mesure de la distribution de la vapeur d’eau dans l’atmosphère. Il doit être un instrument à caractère national, donc communautaire, et qui puisse être embarqué sur les avions de recherche français opérés par l’UMS SAFIRE. Ce lidar de nouvelle génération, à la pointe des connaissances techniques actuelles, est basé sur une technologie à diode laser robuste et éprouvée, initialement développée au NCAR et dont la maitrise sera alors disponible au sein de l’INSU via la DT et les laboratoires participants. Les cibles scientifiques visées par la communauté intéressée par l’utilisation du μDIAL sont résumées ci-dessous :

  • L’origine et le transport de la vapeur d’eau alimentant les systèmes convectifs mésoéchelles (SCM), en particulier à la suite de la mise en évidence récente de seuils sur le rapport de mélange de vapeur d’eau dans le déclenchement de ces systèmes (HyMeX) ;
  • L’étude des variations fines de la vapeur d’eau dans les basses couches, et leur interaction avec l’organisation spatiale de la convection et des nuages ;
  • La localisation des intrusions sèches dans la troposphère libre et leur influence sur la formation de SCM secondaires ;
  • L’interaction entre les cycles couplés de la vapeur d’eau, des nuages et des aérosols ;
  • Le transfert d’énergie (chaleur latente) dans la basse et moyenne troposphère, principalement aux interfaces surface/atmosphère et couche
    limite/troposphère libre ;
  • Les échanges de vapeur d’eau à l’interface haute troposphère/basse stratosphère (UTLS) ;
  • L’assimilation dans les modèles météorologique à méso-échelle (e.g. AROME) ;
  • Le rôle de la vapeur d’eau sur le climat régional et urbain ;
  • L’impact climatique de la vapeur d’eau qui vient amplifier l’effet des gaz à effet de serre émis par l’activité anthropique ;
  • La relation entre précipitations, circulation atmosphérique et changement climatique.
Description technique

Toute l’originalité de cet instrument est dans l’utilisation d’une source diode laser commerciale peu énergétique amplifiée et dans une réception avec un filtrage interférentiel spectralement très étroit, pour compenser la faible énergie émise dans un domaine spectrale où la lumière du ciel vient parasiter le signal rétrodiffusé par le milieu atmosphérique.

Les avantages de ce futur instrument sont :

  • Une technologie qui repose sur du matériel « disponible dans le commerce »,
  • Une fiabilité éprouvée des composants à faible énergie laser (μJ),
  • Une maintenance réduite,
  • Un encombrement et une consommation électrique réduits,
  • Un domaine spectral dans le proche infrarouge pour lequel des détecteurs performants sont disponibles dans le commerce,
  • Un fonctionnement en comptage de photons,
  • Une adaptation sur les avions de la flotte gérée par SAFIRE et au sol.

Ses limitations sont :

  • Une faible énergie émise (μJ), donc une portée limitée à environ 4 km et une nécessité de moyenner dans le temps (5 minutes), ce qui réduit la résolution spatiale horizontale,
  • Un filtrage spectral très étroit dépendant de la température, la nécessité d’un asservissement en température des composants optiques (filtres interférentiel / Fabry-Pérot) à 0,01°C (confinement + Peltier),
  • Une architecture de télescope à champ étroit pour limiter le fond de ciel (alignement initial délicat).
Rôle de la DT

La DT est impliquée dans les parties acquisition (comptage sortie APD), synchronisation des signaux on/off, contrôle-commande de l’ensemble, enregistrement, et interface homme-machine. Elle travaille donc en interaction directe avec le LSCE (Laboratoire des Sciences du Climat et l’Environnement) qui est en charge du projet, des parties optiques et de l’intégration mécanique.

Schéma de fonctionnement

L’émission est composée de deux diodes laser, une dite λ-on (centrée sur une raie de vapeur d’eau à 828.x nm) et une dite λ-off (centrée hors raie de vapeur d’eau, à 828.y nm). Ces deux voies émettent en continu.

Le système d’acquisition sélectionne alternativement, via des switches optiques, une de ces deux diodes laser. Cette voie optique est injectée dans un amplificateur optique. Cet amplificateur optique est piloté par une alimentation de courant pulsée à 9 kHz et on obtient alors une émission pulsée qui passe successivement de λ-on puis λ-off.

La détection est basée sur la technologie de comptage. Il y a deux voies, Near et Far. Pour chaque voie, il y a un module APD qui délivre un signal TTL lorsque des photons arrivent sur leur entrée optique.

Carte d’acquisition

Le système d’acquisition conçu et développé par la DT réalise ainsi le comptage des pulses TTL émis par ces modules APD. Cela permet donc d’avoir un profil équivalent en altitude en fonction du temps d’arrivée des signaux TTL. Aussi, ce système d’acquisition, qui contrôle les switches optiques (comme décrit au paragraphe précédent), produit des profils dits On et Off, lié à λ-on et λ-off.

Le système de contrôle-commande du lidar, conçu et développé par la DT, a pour rôle la gestion des interfaces numériques de l’instrument.

Il est en interface avec le système d’acquisition pour lire plusieurs fois par seconde les comptages obtenus. L’ensemble des informations est enregistré et présenté à l’affichage graphique pour l’utilisateur.

Interface graphique

Résumé de l’activité jusqu’en 2023
Il y a toujours 3 partenaires principaux pour le développement du μDIAL : la DT-INSU, le Laboratoire Charles Fabry (LCF) et le LSCE. Le lidar dans sa version sol est totalement assemblé. Il est en attente afin de tester la carte d’acquisition et d’effectuer l’alignement complet sur l’atmosphère, alignement qui sera suivi par des mesures comparatives avec un lidar Raman vapeur d’eau bien validé. En particulier :

  • La version 1 de la carte d’acquisition et de contrôle/commande du lidar est finalisée et a été testée en laboratoire par la DT et implantée sur l’électronique du lidar.
  • La réalisation du télescope n’a pas été effectuée à la DT pour cause de manque de personnel et a été sous-traitée à la société Sky Vision.
  • L’amplificateur a été intégré et testé sur la ligne d’émission par le LCF et le LSCE.
Télescope réceptionné pour μDIAL et qui doit être intégré au lidar

Contacts DT :
Nadir Amarouche , contrôle-commande, acquisition post front end.
Gabriel Degret , acquisition front end, synchronisation émission laser, comptage FPGA.

Contact LSCE : Patrick Chazette