Utilisation du lidar Raman pour la mesure de la vapeur d’eau atmosphérique

Une onde lumineuse traversant un milieu gazeux peut être transmise, absorbée ou diffusée. Le principe de la technique lidar est basé sur la récupération et l’analyse de la diffusion créée par un faisceau laser interagissant avec les différents composants de l’atmosphère. Dans cette première partie, on rappellera les différents types de diffusions observées dans l’atmosphère, puis on détaillera les équations régissant les lidars, et en particulier les lidars basés sur la diffusion Raman. Enfin on présentera l’instrument de travail conçu par l’IGN, ainsi que son fonctionnement et ses performances.

Diffusions dans l’atmosphère

La diffusion d’une onde lumineuse a pour origine l’interaction des photons avec les particules rencontrées lors de leur propagation dans un milieu. Un photon se propageant dans l’atmosphère peut subir deux types de diffusions : la diffusion élastique et la diffusion inélastique.

La diffusion élastique résulte d’une interaction d’un photon avec une particule sans qu’il y ait échange d’énergie. On distingue alors deux types de diffusion élastique suivant la taille de la particule diffusante. La diffusion dite de Rayleigh d’une part, qui concerne les particules de taille inférieure à la longueur d’onde incidente et pour laquelle le rayonnement diffusé a une intensité proportionnelle à ?−4 0 (avec ?0 longueur d’onde incidente). D’autre part la diffusion de Mie qui affecte les particules de taille égale ou légèrement supérieure à la longueur d’onde incidente et pour laquelle l’intensité du rayonnement diffusé est inversement proportionnelle à ?0.

Dans des proportions plus faibles, le photon incident et une particule peuvent procéder à un transfert d’énergie, c’est la diffusion inélastique. Celle que l’on observe dans l’atmosphère est la diffusion de Raman (découverte par Raman and Krishnan (1928)). L’intensité issue de la diffusion Raman est beaucoup plus faible que celle qui est issue de la diffusion Rayleigh étant donné qu’elle ne représente qu’un photon diffusé sur un million contre un pour mille pour la diffusion élastique. Cependant, elle présente un intérêt puisqu’on observe un décalage de la fréquence de l’onde incidente qui dépend de l’espèce diffusante.

Lorsque l’onde incidente d’énergie hν0 impacte une molécule il y a transfert d’énergie vers celle-ci qui évolue alors vers un état plus excité . Lorsqu’elle se désexcite, la molécule émet un photon diffusé dont la fréquence est décalée par rapport celui du photon incident (E = h(?0 ± ??)). Le sens du décalage observé dépend de l’état énergétique initial de la molécule rencontrée. Si celle-ci est à l’état fondamental , elle a, à l’issue de l’interaction, une probabilité plus grande d’avoir gagné un niveau d’énergie, et par conséquent de diffuser une onde décalée vers les plus petites fréquences ou les plus grandes longueurs d’onde  . Ce décalage est nommé décalage de Stokes. Dans le cas où la molécule rencontrée serait déjà dans un état excité, le décalage en fréquence de l’onde incidente se fait vers les plus grandes fréquences , autrement appelé décalage anti-Stokes. D’après la distribution de Boltzmann, aux températures rencontrées dans l’atmosphère la quasi totalité des molécules sont à l’état fondamental, l’intensité des raies Stokes du spectre Raman va donc être plus importante et le spectre Stokes plus facilement détectable.

C’est sur ces propriétés de diffusion qu’est basée la technique du lidar (LIght Detection And Ranging) qui utilise un laser comme source lumineuse incidente et qui enregistre les signaux rétrodiffusés des molécules à étudier. Concernant le lidar Raman de l’IGN, on enregistre les signaux rétrodiffusés des molécule de vapeur d’eau et d’azote, et leurs décalages Raman sont respectivement Δ?? = 3662 cm−1 et Δ?? = 2331 cm−1 .

Sondage de l’atmosphère par lidar

Principe du lidar rétrodiffusion

Le lidar a vu le jour dans les années 1960 grâce à l’avènement de la technique laser. Un lidar est relativement facile à mettre en œuvre. Classiquement, il est composé d’un émetteur laser pulsé, d’un récepteur de signal diffusé (télescope), d’un système de détection ainsi que d’un convertisseur analogique/numérique des signaux détectés.

L’efficacité de transmission et de détection des éléments du système est notée ?. La composante G(R) permet de prendre en compte la géométrie du système instrumental. Tous les termes explicités précédemment sont théoriquement connus et contrôlés par l’utilisateur. Les deux derniers termes traduisent l’impact de l’atmosphère lors de la propagation de l’impulsion. La capacité de l’atmosphère à diffuser l’onde incidente dans la direction opposée à celle-ci est représentée par ?(R) et les pertes dues à l’absorption de l’onde au cours de la propagation sont prises en compte dans le terme T(R).

Pour le sondage de l’atmosphère différents types de lidars existent. Ils diffèrent par leur application et le type de diffusion qu’ils collectent et analysent. Les principales techniques lidar sont présentées ci-dessous.
– Le lidar basé sur la rétro-diffusion élastique : il mesure la rétro-diffusion Rayleigh  et Mie et fournit des données sur les aérosols et les nuages.
– Le lidar DIAL (à absorption différentielle) : technique consistant en l’émission de deux faisceaux de longueur d’onde différentes, l’une devant être fortement absorbée par la molécule dont on souhaite connaître la concentration et l’autre faiblement absorbée. Le différentiel des deux, comparé à des données de laboratoire, permet d’obtenir la concentration de l’espèce recherchée.
– Le lidar Doppler : enregistre la composante de la vitesse des molécules le long du faisceau laser à partir de la valeur du décalage de fréquence de l’onde collectée par rapport à l’onde incidente.
– Le lidar Raman : grâce au décalage spécifique de la longueur d’onde incidente dépendant de la molécule impactée, le lidar Raman permet d’enregistrer des profils de n’importe quel composant chimique -et susceptible de diffuser en Ramancontenu dans l’atmosphère. Cependant, comme la diffusion Raman représente une faible part de la diffusion totale, cette technique est limitée aux molécules présentant des concentrations relativement importantes (ozone, vapeur d’eau, dioxyde de carbone…).

Dans le contexte de cette étude, qui est de mesurer la vapeur d’eau atmosphérique, on a choisit de développer un lidar Raman vapeur d’eau. Dans la partie qui suit on présentera les différentes équations les régissant.

Le lidar Raman pour la mesure de la vapeur d’eau atmosphérique 

Les premiers lidars Raman vapeur d’eau ont vu le jour dans les années 1970 d’après les travaux de Melfi et al. (1969) et Cooney (1970). Si les mesures sont plus facilement réalisées de nuit (Vaughan et al., 1988; Whiteman et al., 1992), l’utilisation diurne du lidar est possible grâce aux lasers à courtes longueurs d’onde (< 300 nm, Cooney (1970); Renaut et al. (1980)). Les mesures nocturnes permettent d’atteindre des altitudes de l’ordre de 12 km (Aspey et al., 2006), alors que les mesures diurnes sont limitées à la basse troposphère (Goldsmith et al., 1998; Chazette et al., 2014).

Table des matières

Introduction
1 Utilisation du lidar Raman pour la mesure de la vapeur d’eau atmosphérique
1.1 Diffusions dans l’atmosphère
1.2 Sondage de l’atmosphère par lidar
1.2.1 Principe du lidar rétrodiffusion
1.2.2 Le lidar Raman pour la mesure de la vapeur d’eau atmosphérique
1.2.3 Revue des méthodes d’étalonnage
1.3 Le lidar Raman de l’IGN
1.3.1 Description de l’instrument
1.3.2 Les réglages
1.3.3 Analyse des signaux mesurés
1.3.4 Performances du lidar Raman IGN
2 Recherche des sources d’erreurs et d’instabilité du système durant la campagne Démévap
2.1 Présentation
2.1.1 Ojectifs
2.1.2 Les mesures avec le lidar Raman de l’IGN
2.1.3 Méthodes d’étalonnage testées
2.2 Impact des réglages sur les signaux mesurés
2.2.1 Signaux et réglages
2.2.2 Calibration N2
2.2.3 Variations à court terme des signaux
2.3 Liste des sources d’erreurs et d’instabilités de l’étalonnage
3 Étude et réduction des sources d’erreurs et d’instabilités de l’étalonnage du lidar Raman de l’IGN
3.1 Dépendance en température des sections efficaces Raman
3.1.1 Théorie
3.1.2 Application aux filtres du lidar IGN
3.1.3 Impact de la correction sur les résultats de Démévap
3.1.4 Influence d’un tilt et de la variation de température du filtre
3.1.5 Conclusions
3.2 Étude des sources d’instabilités optiques du système de détection
3.2.1 Deux éléments critiques : fibres et PMT
3.2.2 Inventaire des sources d’instabilités
3.2.3 Optimisation de l’optique du boitier : élimination du vignettage
3.2.4 Quantification de la variabilité de l’étalonnage du boitier de détection
3.2.5 Conclusions
3.3 Étude des instabilités des PMT
3.3.1 État de l’art du fonctionnement d’un photomultiplicateur
3.3.2 Étude des bruits parasites des PMT du lidar IGN
3.3.3 Tests et réglage du système de comptage de photons
3.3.4 Alimentation des PMT
4 Protocoles de réglages et validation finale du système
4.1 Configuration du système et protocoles de réglages
4.1.1 Modifications instrumentales
4.1.2 Ajustement de l’alignement
4.1.3 Réglage du tirage
4.2 Étude du fond de ciel
4.3 Parasites
4.4 Calibrations N2
4.5 Étalonnage des profils lidar de rapport de mélange de vapeur d’eau
4.5.1 À partir des capteurs au sol
4.5.2 À partir des ZWD des GPS
4.6 Conclusions
Conclusion

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