Topic description
La mesure de vitesse d'air à haute altitude par lidar est très importante pour des applications
aéronautiques (notamment pour les futurs avions basse consommation) et spatiale : Cal/val et futures
missions des satellites de la famille d'Aeolus dont l'utilité est maintenant essentielle pour les prévisions
météorologiques. Cette mesure, réalisée par lidar UV moléculaire à détection directe, est un sujet coeur de métier à l'ONERA au DOTA/SLS. Nous développons depuis plusieurs années une solution comportant un analyseur spectral innovant de type interféromètre quadri Mach-Zehnder (QMZ) qui est le meilleur compromis entre précision de mesure et robustesse. Si nos premiers développements ont été réalisé pour des besoins aéronautiques, un tel système semble une solution particulièrement avantageuse pour les futures versions du satellite AEOLUS 2 [D. Bruneau and J. Pelon, Atmos. Meas. Tech.,14, –, ]. Elle permettrait une amélioration des performances de mesure de vitesse et la mesure simultanée du vent et des propriétés radiatives des nuages avec un même analyseur ce qui constituerait un gain important par rapport au système actuel.
Un point essentiel pour rendre le système spatialisable, particulièrement dans le cas d'un interféromètre, est de rendre tout désalignement impossible. C'est pourquoi nous avons conçu récemment une nouvelle version monolithique du QMZ constitué de plusieurs prismes collés entre eux. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'étudier les possibilités d'utiliser le QMZ comme analyseur spectral pour les futures versions d'AEOLUS. Pour cela, un premier défi de cette thèse sera d'intégrer cet élément dans le lidar actuel, et de modifier l'architecture du lidar pour réaliser des mesures de vent à longue distance (jusqu'à 10-20 km d'altitude). Les résultats seront alors comparés avec les besoins et les performances d'AEOLUS. Un second défi sera de mesurer les propriétés radiatives des nuages à partir des sorties de cet analyseur. En fin de thèse, l'ajout d'une voie dépolarisée pourra être envisagé pour étudier plus précisément les propriétés des aérosols.
La thèse comporte 3 étapes. La première étape consistera à déterminer, via un code de modélisation lidar existant, une configuration permettant une mesure de vent à longue distance. En effet, le lidar est
actuellement configuré pour réaliser des mesures à courte distance devant un avion. Cela passera notamment par l'utilisation de photomultiplicateurs et une modification probable des algorithmes de traitement de signal pour passer à du comptage de photon. Lors de cette étape, l'étudiant évaluera aussi, par simulation, les performances de mesure des propriétés radiatives de nuages. La seconde étape consistera à étudier expérimentalement les performances de l'interféromètre monolithique, à l'intégrer dans le lidar puis à modifier l'architecture du lidar pour réaliser des mesures de vent à longue distance et des propriétés radiatives des nuages. Enfin, lors de la troisième étape, les performances du lidar seront caractérisées d'abord sur atmosphère par comparaison avec des mesures obtenues avec un lidar vent hétérodyne et ensuite en comparant les résultats avec les simulations réalisées. Lors des différentes étapes les performances obtenues seront évaluées en regard des besoins d'AEOLUS.
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High altitude air velocity measurement by lidar is very important for applications
aeronautics (particularly for future low-consumption aircraft) and space: Cal/val and future
missions of the Aeolus family satellites whose usefulness is now essential for forecasts
meteorological. This measurement, carried out by direct detection molecular UV lidar, is a core business subject at ONERA at DOTA/SLS. For several years, we have been developing a solution comprising an innovative spectral analyzer of the quad Mach-Zehnder (QMZ) interferometer type which is the best compromise between measurement precision and robustness. If our first developments were carried out for aeronautical needs, such a system seems a particularly advantageous solution for future versions of the AEOLUS 2 satellite [D. Bruneau and J. Pelon, Atmos. Meas. Tech.,14, –, ]. It would allow an improvement in speed measurement performance and the simultaneous measurement of wind and the radiative properties of clouds with the same analyzer, which would constitute a significant gain compared to the current system.
An essential point to make the system spatializable, particularly in the case of an interferometer, is to make any misalignment impossible. This is why we recently designed a new monolithic version of the QMZ made up of several prisms glued together. Thus, the objective of this thesis is to study the possibilities of using the QMZ as a spectral analyzer for future versions of AEOLUS. For this, a first challenge of this thesis will be to integrate this element into the current lidar, and to modify the architecture of the lidar to carry out long-distance wind measurements (up to 10-20 km altitude). The results will then be compared with the needs and performance of AEOLUS. A second challenge will be to measure the radiative properties of clouds from the outputs of this analyzer. At the end of the thesis, the addition of a depolarized channel could be considered to study the properties of aerosols more precisely.
The thesis has 3 stages. The first step will consist of determining, via an existing lidar modeling code, a configuration allowing long-distance wind measurement. In fact, lidar is
currently configured to perform short-range measurements in front of an aircraft. This will notably involve the use of photomultipliers and a probable modification of signal processing algorithms to move to photon counting. During this stage, the student will also evaluate, by simulation, the performance of measuring the radiative properties of clouds. The second step will consist of experimentally studying the performance of the monolithic interferometer, integrating it into the lidar and then modifying the architecture of the lidar to carry out long-distance wind measurements and the radiative properties of clouds. Finally, during the third stage, the performance of the lidar will be characterized first on the atmosphere by comparison with measurements obtained with a heterodyne wind lidar and then by comparing the results with the simulations carried out. During the different stages, the performances obtained will be evaluated with regard to the needs of AEOLUS.
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Début de la thèse : 01/10/
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