Systèmes LIDAR pour la caractérisation à distance des propriétés physico-chimiques de l’atmosphère
Résumé
Characterizing physical and chemical properties of the atmosphere is of paramount importance for many research missions at ONERA, especially for Defense, Aeronautics, Space, and Environnment studies. The LIDAR technique (Light Detection and Ranging) offers remarkable potential for that purpose. This remote sensing technique is similar to RADAR, but it is based on laser emiters in the optical frequency domain. It can therefore interact with very small objects, such as gas molecules and atmospheric aerosols. Capturing the faint signal backscattered by those tracers, it is possible to measure many physical and chemical atmospheric properties, such as wind speed, temperature, density, as well as the nature and concentration of gas species and aerosols.
In this document, I present research activities that I have conducted on atmospheric Lidar systems at ONERA's Optics Departement (DOTA), since 2004. The document focuses on three major sientific domains ( atmospheric optics, optronic technologies, signal processing), and showcases several results obtained during my research, especially concerning wind speed and chemical species remote sensing (CH4, CO2, H2…).
La caractérisation des propriétés physico-chimiques de l’atmosphère est une nécessité pour bon nombre des missions de recherches de l’ONERA, dans les domaines de la Défense, de l’Aéronautique, de l’Espace, et de l’Environnement. 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, mais adaptée au domaine optique, et donc basée sur une émission laser. La longueur d’onde émise étant très petite (<20 µm), elle est capable d’interagir avec les molécules de gaz et les aérosols atmosphériques. En captant la très faible fraction de lumière rétrodiffusée, il est possible d’accéder, par divers procédés, à un grand nombre de propriétés de l’atmosphère, comme la vitesse du vent, la température de l’air, sa densité, ou encore la nature et concentration des gaz et aérosols en présence.
Au cours de cette soutenance HDR, je présenterai différents travaux de recherche sur les lidars atmosphériques, que j’ai pu mener au Département d’Optique et Technique Associées (DOTA) de l’Onera, depuis 2004. La présentation abordera trois domaines scientifiques principaux (optique atmosphérique, technologies optroniques, et traitement de l’information), et illustrera plusieurs avancées obtenues, en particulier dans les domaines de la mesure de vent et d’espèces moléculaires d’importance majeures (CH4, CO2, H2…). J’exposerai également les perspectives futures de mes travaux de recherche.
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