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RÉSUMÉ
Cet article traite des deux principales techniques LIDAR employées pour la télédétection des gaz atmosphériques : les méthodes Raman et DIAL (Differential Absorption Lidar). Les enjeux associés à la mesure des espèces chimiques dans l’atmosphère, ainsi que les fondamentaux de la méthode lidar, sont d’abord exposés. Les techniques Raman et DIAL sont ensuite détaillées. Les bases physiques de la spectroscopie Raman et de la spectroscopie d’absorption sont présentées, ainsi que la manière de les mettre à profit dans des systèmes lidars. Des exemples de lidars Raman et DIAL opérationnels sont commentés à titre illustratif. L’article propose pour terminer une discussion comparative des deux méthodes.
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Nicolas CÉZARD : Directeur de recherche - ONERA/DOTA, Université de Toulouse, Toulouse, France
INTRODUCTION
La surveillance des gaz dans l’atmosphère recouvre des enjeux extrêmement variés, selon les espèces chimiques observées. On peut notamment citer la climatologie, la météorologie, l’environnement, la santé publique, la sécurité industrielle, la défense, l’énergie, et même l’économie et la finance ! Cependant, le milieu atmosphérique, transparent à l’œil nu, insaisissable matériellement, et étendu dans les trois dimensions de l’espace, n’est pas un milieu facile à étudier. Bien sûr de nombreux instruments sont capables de mesurer la concentration d’une grande diversité d’espèces chimiques in situ. Mais bien qu’extrêmement utiles, de telles mesures sont par définition ponctuelles, très limitées dans l’espace. C’est pourquoi il est particulièrement intéressant de développer des outils permettant de caractériser le milieu atmosphérique à distance.
Pour cela, la technique LIDAR (Light Detection and Ranging) dispose d’un potentiel remarquable. Il s’agit d’une technique de télédétection analogue au RADAR (RAdio Detection And Ranging), mais pour laquelle l’émetteur, le plus souvent un laser, fonctionne dans le domaine des fréquences optiques. La longueur d’onde émise étant très petite (< 20 µm), elle est capable d’interagir avec les molécules de gaz et les particules de poussière en suspension dans l’atmosphère. En captant la très faible fraction de lumière rétrodiffusée par les molécules et les aérosols atmosphériques, il est possible d’accéder, par divers procédés, à un grand nombre de propriétés atmosphériques, et notamment à la concentration des gaz en présence. De plus, l’interaction laser-matière étant continue au fil de la propagation du rayon laser dans l’atmosphère, la technique lidar permet des mesures non seulement à distance, mais également résolues spatialement le long de l’axe de visée. La technique lidar est donc susceptible de délivrer beaucoup plus d’informations qu’une instrumentation in situ.
Les deux principales techniques lidar permettant de mesurer à distance le profil de concentration d’un gaz sont le lidar Raman, et le lidar DIAL (Differential Absorption Lidar). Cet article propose une introduction à ces deux techniques. Les bases physiques de la spectroscopie Raman et de la spectroscopie d’absorption sont exposées, ainsi que la manière de les mettre à profit dans des systèmes lidars. Des exemples de systèmes opérationnels et de mesures de concentrations de gaz sont également commentés à des fins d’illustrations. Enfin, une discussion est proposée, visant à faire ressortir les avantages et les inconvénients respectifs de ces deux méthodes.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles, notations et symboles utilisés.
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- Version archivée 1 de août 1997 par Jean CORNILLAULT
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7. Glossaire
LIDAR (Light Detection and Ranging)
Également appelé radar laser, capteur qui émet, dans le domaine optique, un flux directif en direction d’une cible et qui analyse le flux rétrodiffusé pour mesurer certains paramètres physiques. Cela permet de caractériser soit la cible, soit le milieu se trouvant entre le laser et la cible.
DIAL (Differential Absorption Lidar)
Capteur qui permet de mesurer la concentration (ou le rapport de mélange) d’un gaz atmosphérique, en effectuant l’analyse différentielle du signal lidar reçu à deux longueurs d’onde distinctes (ON, absorbée par le gaz cible ; OFF, non absorbée). Il est parfois possible de mesurer plusieurs espèces moléculaires, en émettant des longueurs d’ondes additionnelles.
IP-DIAL (Integrated-Path Differential Absorption Lidar)
Parfois nommé aussi IPDA (Integrated Path Differential Absorption), lidar DIAL « à chemin intégré ». Cela signifie que la quantité mesurée est l’intégrale de la concentration du gaz cible sur l’ensemble du chemin optique séparant le lidar de la cible rétrodiffusante.
RR-DIAL (Range-resolved Differential Absorption Lidar)
Par opposition à l’IP-DIAL, lidar fournissant une information résolue en distance. La quantité mesurée est l’intégrale de la concentration du gaz cible sur différentes « cases distances » qui se succèdent dans l’espace tout au long de la ligne de visée laser. On obtient ainsi un profil de concentration, avec une résolution spatiale fixée par l’extension des « cases distances ».
diffusion Raman
Processus de diffusion inélastique de la lumière au sein d’un milieu (gazeux notamment), pour lequel le saut de fréquence est distinctif de chaque espèce de gaz. Ce phénomène forme la base de la spectroscopie Raman, et du lidar Raman.
absorption moléculaire
Interaction lumière-matière via laquelle des molécules de gaz absorbent de la lumière à des fréquences optiques bien distinctes, en fonction de la nature des molécules. Ce phénomène forme la base de la spectroscopie d’absorption moléculaire, et du lidar DIAL.
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Bilan des gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère, d’après les observations effectuées à l’échelle du globe en 2019. - Bulletin sur les gaz à effet de serre – N° 16, par l’Organisation Météorologique mondiale (OMM) (2020).
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(2) - SALEH (B.E.A.), TEICH (M.C.) - In Fundamentals of Photonics. - P. 678 and p. 922 (1991).
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(3) - SCHOTLAND (R.M.) - The determination of the vertical profile of atmospheric gases by means of a ground based optical radar. - In Proc. Third Symp. on Remote Sensing of Environment, U. Michigan (1964-1965).
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(4) - MELFI (S.H.), LAWRENCE (J.D.), Jr., McCORMICK (M.P.) - Observation of Raman scattering by water vapor in the atmosphere. - Appl. Phys. Lett. 15, p. 295-297 (1969).
-
(5) - COONEY (J.A.) - Remote measurements of atmospheric water vapor profiles using the Raman component of laser backscatter. - J. Appl. Meteorol. 9, p. 182-184 (1970).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Raymetrics : https://raymetrics.com
Spectral Sensor Solutions : https://www.s-3llc.com
QLM : https://qlmtec.com/
National Physics Laboratory (NPL) : https://www.npl.co.uk/products-services/environmental/absorption-lidar-dial
Physical Sciences Inc. (PSI) : http://www.psicorp.com/products/laser-based-sensors/lidar-systems
HAUT DE PAGE1.2 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
ONERA : https://www.onera.fr
LMD : https://www.polytechnique.edu/fr/le-laboratoire-de-meteorologie-dynamique-lmd
LSCE : https://www.lsce.ipsl.fr
LATMOS : https://www3.latmos.ipsl.fr
ILM : https://ilm.univ-lyon1.fr
LOA : ...
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