Air Data measurements using airborne rayleigh lidar sensing.
Etude de faisabilité d'un lidar Rayleigh-Mie pour la mesure à courte distance de la vitesse de l'air de sa température et de sa densité.
Résumé
Lidar (Light Detection and Ranging) is a useful tool for determining physical and chemical properties of the atmosphere. For aeronautics it could be used as an airborne instrument to characterize the atmosphere standing ahead an aircraft. Short-range applications include turbulence detection and flight optimization. The lidar technique consists in emitting a laser beam in the atmosphere, then collecting and analysing the backscattered signal. Two kinds of signal generally coexist, that have very different spectral properties. The Rayleigh signal is backscattered from air molecules, while the Mie signal is backscattered from heavier particles like dusts and aerosols. This work aims at evaluating the feasibility of a Rayleigh-Mie lidar, able to take advantage of both kinds of signals simultaneously. The scientific goal is to measure the air speed, its temperature and its density, at short-range (20-50 m). The main point of this study concerns spectral analysis methods. We propose a system using two fringe-imaging Michelson interferometers, and compare its performance to the more classical Fabry-Perot interferometer. The feasibility of wind speed measurements by a fringe-imaging Michelson interferometer is demonstrated experimentally. To that purpose, a 355-nm lidar system has been realized, and a signal processing method for fringe analysis has been developed. We show that robust measurements can be performed in daytime, insensitive to laser frequency drifts and to thermo-mechanical disturbances of the interferometer.
Le lidar (acronyme de Light Detection and Ranging) est un instrument couramment utilisé de nos jours pour la caractérisation des propriétés physico-chimiques de l'atmosphère. Dans le domaine de l'aéronautique, on pourrait l'employer pour caractériser l'atmosphère amont d'un aéronef porteur. Parmi les applications courte-portée, citons l'optimisation du vol ou la détection de turbulence. Le principe du lidar consiste à émettre un faisceau laser dans l'atmosphère pour analyser le signal rétrodiffusé. En général, deux types de signaux coexistent, aux propriétés spectrales très différentes : le signal Rayleigh, diffusé par les molécules de l'air, et le signal Mie, diffusé par les particules plus massives (poussières, aérosols...). Ce travail de thèse évalue la faisabilité d'un lidar mixte Rayleigh-Mie, capable d'exploiter simultanément les deux types de signaux. L'objectif est la mesure à courte portée (20-50 m) des paramètres de vitesse, température et densité de l'air. Le point d'étude essentiel concerne la méthode d'analyse spectrale du signal : un système utilisant deux interféromètres de Michelson à imagerie de franges est notamment proposé, et ses performances comparées avec celle de l'interféromètre de Fabry-Perot, plus classique. La faisabilité de la mesure de vitesse par interféromètre de Michelson à imagerie de franges est expérimentalement démontrée. Pour cela, un système lidar à 355 nm a été développé, et une méthode de traitement de signal spécifiquement conçue pour l'analyse des franges. On montre que des mesures robustes peuvent être réalisées en plein jour, insensibles aux dérives de fréquence du laser et aux perturbations thermo-mécaniques de l'interféromètre.
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