Le systeme Lidar IGN-SA
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Caractéristiques techniques

Le Lidar IGN-SA se compose
– d’un laser de type Yag dont le faisceau émis, après passage dans des multiplicateurs, a une longueur d’onde de 355 nm.
– d’un télescope de type Cassegrain, de 30 cm de diamètre qui recueille les photons rétrodiffusés.
– d’un canal externe, chargé de mesurer les signaux diffusés (Rayleigh-Mie) sans l’effet du système optique de réception.
– d’un boîtier d’acquisition qui filtre le signal reçu puis compte les photons récoltés.
– d’une chaîne informatique Licel qui échantillonne et stocke les données.
– d’une chaîne de traitement (actuellement sous Matlab).

Le Lidar IGN-SA
Fig 4.1 : Le Lidar IGN-SA


Principe de la mesure Lidar

Un Lidar (LIght Detection And Ranging) est un système utilisant le même principe que le Radar, seul le domaine spectral dans lequel il fonctionne  (longueur d’ondes plus petites) diffère.Le Lidar émet une onde électromagnétique. Elle interagit avec les différents composants qu’elle rencontre. Une partie de cette onde est rétrodiffusée et collectée par le Lidar. A partir de cette composante rétrodiffusée, on peut alors déduire des informations quant au diffuseur (sa concentration par exemple) et sa distance par rapport au système.

Lors de la propagation de l’onde émise par le Lidar, on peut envisager deux types de diffusions par les composants rencontrés.
– Une diffusion élastique qui se produit sans échange d’énergie entre les photons incidents et la molécule rencontrée. Le photon est alors diffusé sans changement de fréquence. C’est le cas de la diffusion de Rayleigh (lorsque la taille du diffuseur est largement inférieure à la longueur d’onde utilisée) ou de celle de Mie (lorsque la taille du diffuseur est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde utilisée).
– Une diffusion inélastique, beaucoup plus faible, appelée aussi diffusion Raman. Celle-ci est à l’origine d’un décalage de la fréquence de l’onde incidente  nur. Les photons sont alors diffus´es selon 2 fréquences : n0nr (décalage vers les hautes fréquences - correspond aux raies anti-Stockes) et n0nr (décalage vers les basses fréquences - correspond aux raies Stockes). Ce décalage de fréquence est caractéristique de la molécule rencontrée et permet donc de la discriminer.

Le Lidar IGN-SA fonctionne en mode Raman (2 canaux « internes »).  Il peut fonctionner également en mode Rayleigh-Mie (un canal externe, fixé au télescope, et un « interne ») mais ce mode de fonctionnement n’est pas pleinement exploité actuellement. On s’intéresse aux photons récoltés pour les longueurs d’ondes l = 408 nm (vapeur d’eau) et l = 387 nm (azote, le rapport de mélange de l’azote dans l’air étant constant, on peut se limiter à sa mesure).

Principe de la mesure Lidar
Fig 4.2 : Principe de la mesure Lidar

Le signal rencontrant les molécules de vapeur d'eau ou d'azote va être rétrodiffusé à leurs longueur d'onde Raman respectives. Le télescope va alors récolter le signal rétrodiffusé. Ce signal est transmis via fibre optique au boîtier de détection (Fig 3.2). À l'intérieur de ce boîtier, les différentes longueurs d'onde qui nous intéressent vont être séparées, puis dirigée vers leur voie de détection respective.

Boîtier de détection du système
Fig 4.3 : Boîtier de détection du système

Trois photomultiplicateurs vont transformé les signaux reçus en impulsion électrique, et les transmettre à une chaîne de traitement Licel. Les photomultiplicateurs des voies azote (voie 3) et vapeur d'eau (voie 4) fonctionnent en mode comptage de photon, nous permettant ainsi de détecter le signal Raman, malgré sa faible amplitude. Le photomultiplicateur de la voie Rayleigh-Mie (voie 1) fonctionne quant à lui en mode analogique (signal plus fort).

Les photons récoltés aux longueurs d'onde 387 nm et 408 nm vont être comptés par bins (portes) de 50 ns (correspondant à un pas de 7,50 m) pour chacun des Ntirs tirs et ce, pendant t secondes (durée d’un fichier d’enregistrement).

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