Raman lidar and GPS coupling for atmospheric water vapor measurement and accurate positioning
Couplage lidar Raman et GPS pour le sondage de la vapeur d'eau atmosphérique et le positionnement précis
Résumé
The IGN (Franch Mapping Institut) water vapor Raman lidar has been developed in order to correct the wet delay of GPS signals. Today, the goal is to open up to other applications such as meteorology and climatology. Regardless the applications, high accuracy is and will be completed with a reliable calibration of the instrument. The latest campaign, during which the IGN Raman was experimented, was Demevap. Several lidar calibration techniques were compared, and results showed a common drift all along the campaign. The work presented here starts with a detailed investigation of the Demavap absolute signals. This first step allowed listing different likely sources of errors and instabilities in the system which lead to fluctuations of the calibration coefficient. Among them, we chose to study thoroughly three subsystems which appear to have a major influence on the calibration coefficient variations: the temperature dependence of the Raman cross sections induced by the use of narrowband interference filters, the effect of the optical configuration of the detection part of the lidar and problems linked to the electronic part of the detection. We strive to highlight and quantify the variations by means of numerical simulations, models and laboratory experiments. Furthermore, we proposed theoretical, empirical and instrumental solutions for the mitigation of these variations. Eventually, long term calibration coefficient stability of the overall system will be assessed with regular water vapor profile recordings and calibration measurements spread over several months.
Développé initialement pour la correction du retard humide des signaux GPS, le lidar Raman vapeur d’eau de l’Institut National de l’information Géographique et forestière (IGN) pourrait aujourd’hui servir pour d’autres applications telles que la climatologie et la météorologie. Cependant, quelle que soit l’application visée, il est primordial d’assurer une très bonne précision de la mesure. Un étalonnage fiable et stable de l’instrument est alors requis. Lors de la dernière campagne de mesures (Démévap) qui consistait à inter-comparer différentes techniques d’étalonnage, une dérive du coefficient d’étalonnage du lidar a été observée. Ce travail revient alors sur cette dérive et explore, dans un premier temps, les signaux enregistrés durant cette campagne. En découle alors un inventaire de sources d’erreurs et de variations pouvant expliquer ces résultats. Trois sources majeures de variations seront ensuite étudiées de manière approfondie : la dépendance en température des sections efficaces Raman induite par l’usage de filtres étroits, l’impact du choix des optiques de transmission et détection du signal et les problèmes liés à l’électronique de détection. À l’aide de simulations numériques, modélisations et tests en laboratoire, on s’est efforcés de mettre en évidence et de quantifier les variations. Des solutions permettant de minimiser ces instabilités ont aussi été proposées et testées. Finalement, le système lidar a été remonté entièrement et une campagne de validation des améliorations a été menée à Saint-Mandé. Sur une période de cinq mois, on a pu contrôler la stabilité instrumentale et étudier l’étalonnage du lidar à l’aide de capteurs d’humidité placés au sol.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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