ISO 28902-2:2017

NORME ISO
INTERNATIONALE 28902-2
Première édition
2017-07
Qualité de l’air — Météorologie de
l’environnement —
Partie 2:
Télédétection du vent par lidar Doppler
pulsé hétérodyne basée sur le sol
Air quality — Environmental meteorology —
Part 2: Ground-based remote sensing of wind by heterodyne pulsed
Doppler lidar
Numéro de référence
©
ISO 2017
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principes essentiels du lidar Doppler pulsé hétérodyne . 4
4.1 Présentation générale . 4
4.2 Détection hétérodyne . 5
4.3 Analyse spectrale . 7
4.4 Variables cibles .10
4.5 Sources de bruit et d’incertitudes .10
4.5.1 Bruit de Schottky de l’oscillateur local .10
4.5.2 Bruit du détecteur . . .11
4.5.3 Bruit d’intensité relatif (RIN) .11
4.5.4 Chatoiement .11
4.5.5 Fréquence du laser .11
4.6 Assignation de la portée .12
4.7 Limites connues .12
5 Spécifications et essais du système .12
5.1 Spécifications du système.12
5.1.1 Caractéristiques de l’émetteur .12
5.1.2 Caractéristiques de l’émetteur/récepteur .13
5.1.3 Paramètres d’échantillonnage du signal .14
5.1.4 Caractéristiques du système de pointage .14
5.2 Relation entre caractéristiques et performances du système .15
5.2.1 Facteur de mérite .15
5.2.2 Compromis entre temps et bande passante .17
5.3 Fidélité et disponibilité des mesurages .17
5.3.1 Exactitude de mesure de la vitesse radiale .17
5.3.2 Disponibilité des données .17
5.3.3 Portée opérationnelle maximale .18
5.4 Modes opératoires d’essai .19
5.4.1 Généralités .19
5.4.2 Validation du mesurage de la vitesse radiale .19
5.4.3 Évaluation de l’exactitude par comparaison avec d’autres instruments .20
5.4.4 Validation de la portée opérationnelle maximale .21
6 Planification du mesurage et instructions relatives à l’installation .23
6.1 Exigences relatives au site.23
6.2 Conditions limites pour usage général .24
6.3 Maintenance et essai de fonctionnement.24
6.3.1 Généralités .24
6.3.2 Maintenance .24
6.3.3 Essai de fonctionnement .24
6.3.4 Incertitude .24
Annexe A (informative) Lidar Doppler à ondes continues.26
Annexe B (informative) Extraction du vecteur vent .27
Annexe C (informative) Applications .32
Annexe D (informative) Champs d’application typiques et exigences correspondantes .36
Bibliographie .38
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: w w w . i s o .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 146, Qualité de l’air, sous-comité SC 5,
Météorologie, en collaboration avec l’Organisation météorologique mondiale (OMM), en tant que norme
commune ISO/OMM dans le cadre de l’Accord sur les arrangements de travail signé par l’OMM et l’ISO
en 2008.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 28902 se trouve sur le site web de l’ISO.
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Introduction
Les lidars («Light Detection And Ranging»), signifiant lidars atmosphériques dans le domaine
d’application du présent document, se sont révélés être des systèmes intéressants pour la télédétection
par laser des polluants atmosphériques et de plusieurs paramètres météorologiques tels que les
nuages, les aérosols, les gaz et (lorsque la fonctionnalité Doppler est disponible) le vent. Les mesures
sont effectuées sans contact direct et dans n’importe quelle direction à l’aide d’un rayonnement
électromagnétique. Les systèmes lidar complètent les technologies de mesure in situ classiques. Ils
peuvent être utilisés pour plusieurs applications qui ne peuvent pas être correctement mises en œuvre
avec des méthodes de mesure in situ ou ponctuelles.
Plusieurs méthodes permettent d’utiliser les lidars pour mesurer le vent atmosphérique. Les quatre
méthodes les plus couramment utilisées sont le lidar Doppler cohérent, pulsé ou à ondes continues, le
lidar Doppler à détection directe et le lidar Doppler à résonance (couramment utilisé pour les mesurages
de la couche de sodium mésosphérique). Pour de plus amples informations, se reporter aux Références
[1] et [2].
Le présent document décrit l’utilisation de systèmes lidars Doppler pulsés hétérodynes. Certaines
informations générales sur le lidar Doppler à ondes continues sont données dans l’Annexe A. Une Norme
internationale sur cette méthode est en préparation.
NORME INTERNATIONALE ISO 28902-2:2017(F)
Qualité de l’air — Météorologie de l’environnement —
Partie 2:
Télédétection du vent par lidar Doppler pulsé hétérodyne
basée sur le sol
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie les exigences et les modes opératoires d’essais de performance relatifs
aux techniques de lidar Doppler pulsé hétérodyne et présente leurs avantages et limites. Dans le
présent document, le terme «lidar Doppler» s’applique uniquement à des systèmes lidars pulsés
hétérodynes permettant d’extraire des mesures du vent à partir de la diffusion d’une lumière laser sur
des aérosols dans l’atmosphère. Les performances et les limites sont décrites sur la base de conditions
atmosphériques normalisées.
Le présent document décrit la détermination de la vitesse du vent sur la ligne de visée (vitesse radiale
du vent).
NOTE La détermination du vecteur vent à partir de mesures individuelles sur la ligne de visée n’est pas
décrite dans le présent document car elle est hautement spécifique à une configuration de lidar particulière. Un
exemple d’extraction du vecteur vent est donné dans l’Annexe B.
Le présent document ne traite pas de l’extraction du vecteur vent.
Le présent document peut être utilisé dans les champs d’application suivants:
— points météorologiques, par exemple pour l’aviation, la sécurité aéroportuaire, les applications
maritimes et les plates-formes pétrolières;
— production d’énergie éolienne, par exemple évaluation d’un site et détermination de la courbe de
puissance;
— mesurages de routine des profils de vent dans les stations météorologiques;
— surveillance de la dispersion des polluants dans l’atmosphère;
— gestion des risques industriels (surveillance directe des données ou par assimilation des données
dans des modèles de flux à micro-échelle);
— processus d’échanges (émissions de gaz à effet de serre).
Le présent document s’adresse aux fabricants de lidars Doppler pulsés hétérodynes ainsi qu’aux
organismes en charge des essais et de la certification de leur conformité. Le présent document fournit
également des recommandations aux utilisateurs pour un usage adéquat de ces instruments.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse http:// www .iso .org/ obp
3.1
taux de disponibilité des données
rapport entre le nombre de données de mesure effectivement acquises ayant une qualité de données
prédéfinie et le nombre attendu de données de mesure pendant une période de mesure (3.10) donnée
3.2
résolution en portée affichée
intervalle spatial constant entre les centres de deux portes de mesure (3.13) successives
Note 1 à l’article: La résolution en portée affichée est également la taille d’une porte de mesure sur le dispositif
d’affichage. Elle est déterminée par la longueur de la porte de mesure et le recouvrement entre des portes
successives.
3.3
résolution en portée effective
variable liée à l’application décrivant un intervalle de portée intégré pour lequel la variable cible est
fournie avec une incertitude définie
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.14]
3.4
résolution temporelle effective
variable liée à l’application décrivant un intervalle de temps intégré pour lequel la variable cible est
fournie avec une incertitude définie
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.12, modifiée.]
3.5
coefficient d’extinction
α
mesure de l’opacité atmosphérique, exprimée par le logarithme népérien du rapport de l’intensité
lumineuse incidente à l’intensité lumineuse transmise, par longueur unitaire du trajet lumineux
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.10]
3.6
durée d’intégration
temps nécessaire à la détermination de la vitesse dans la ligne de visée
3.7
portée maximale d’acquisition
R
MaxA
distance maximale jusqu’à laquelle le signal lidar est enregistré et traité
Note 1 à l’article: Elle dépend du nombre de points d’acquisition et de la fréquence d’échantillonnage.
3.8
portée minimale d’acquisition
R
MinA
distance minimale à partir de laquelle le signal lidar est enregistré et traité
Note 1 à l’article: Si la portée minimale l’acquisition n’est pas indiquée, elle est supposée être égale à zéro. Elle
peut être différente de zéro lorsque la réception est masquée pendant l’émission des impulsions.
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3.9
portée opérationnelle maximale
R
MaxO
distance maximale jusqu’à laquelle le signal lidar permet de déterminer une vitesse de vent fiable
Note 1 à l’article: La portée opérationnelle maximale est inférieure ou égale à la portée maximale d’acquisition.
Note 2 à l’article: La portée opérationnelle maximale est définie le long d’un axe correspondant à l’application.
Elle est mesurée verticalement pour un profileur de vent. Elle est mesurée horizontalement pour les lidars à
balayage capables de mesurer dans la totalité d’un hémisphère.
Note 3 à l’article: La portée opérationnelle maximale peut être augmentée en prolongeant la période de mesure
et/ou en réduisant la résolution en portée.
Note 4 à l’article: La portée opérationnelle maximale dépend des paramètres lidar, mais aussi des conditions
atmosphériques.
3.10
période de mesure
intervalle de temps entre les première et dernière mesures
3.11
portée opérationnelle minimale
R
MinO
distance minimale à laquelle le signal lidar permet de déterminer une vitesse de vent fiable
Note 1 à l’article: La portée opérationnelle minimale est également appelée zone aveugle.
Note 2 à l’article: Dans les lidars pulsés, la portée opérationnelle minimale est limitée par la lumière parasite
dans le lidar pendant l’émission des impulsions, par la profondeur de foyer ou par le temps de commutation
émetteur/récepteur du détecteur. Elle peut dépendre de la durée d’impulsion (T ) et de la largeur de porte de
p
mesure (RGW).
3.12
résolution en portée physique
largeur (à mi-hauteur) de la fonction de pondération en portée (3.15)
3.13
porte de mesure
largeur (à mi-hauteur) de la fonction de pondération sélectionnant les points de la série temporelle en
vue du traitement spectral et du calcul de la vitesse du vent
Note 1 à l’article: La porte de mesure est centrée sur la distance de mesure.
Note 2 à l’article: La porte de mesure est définie en nombre d’intervalles ou en porte de mesure de distance
équivalente.
3.14
résolution en portée
variable liée au matériel décrivant le plus court intervalle de portée à partir duquel des informations de
signal indépendantes peuvent être obtenues
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.13]
3.15
fonction de pondération en portée
fonction de pondération de la vitesse radiale du vent le long de la ligne de visée
3.16
résolution temporelle
variable liée au matériel décrivant le plus court intervalle de temps à partir duquel des informations de
signal indépendantes peuvent être obtenues
[SOURCE: ISO 28902-1:2012, 3.11]
3.17
biais de vitesse
écart systématique maximal dû à l’instrument lors du mesurage de la vitesse
Note 1 à l’article: Le biais de vitesse doit être réduit au minimum par un étalonnage adéquat, par exemple sur une
cible fixe.
3.18
plage de vitesse
plage déterminée par la vitesse minimale mesurable du vent, la vitesse maximale mesurable du vent et
l’aptitude à mesurer le signe de la vitesse, sans ambiguïté
Note 1 à l’article: Selon l’application lidar, la plage de vitesse peut être définie sur la vitesse radiale du vent (lidars
à balayage) ou sur les vitesses horizontales du vent (profileurs de vent).
3.19
résolution en vitesse
écart-type instrumental de vitesse
Note 1 à l’article: La résolution en vitesse dépend de la durée d’impulsion, du rapport porteuse/bruit et du temps
d’intégration.
3.20
cisaillement du vent
variation du vecteur vent dans un plan perpendiculaire à la direction du vent
4 Principes essentiels du lidar Doppler pulsé hétérodyne
4.1 Présentation générale
Un lidar Doppler pulsé émet une impulsion laser dans un faisceau laser étroit (voir Figure 1). Lorsqu’il
se propage dans l’atmosphère, le rayonnement laser est diffusé dans toutes les directions par les
aérosols et les molécules. Une partie du rayonnement diffusé revient vers le lidar; elle est capturée par
un télescope, détectée et analysée. Les aérosols et les molécules se déplaçant avec l’atmosphère, il en
résulte un décalage de fréquence par effet Doppler pour la lumière laser diffusée.
Aux longueurs d’onde (et donc fréquences) pertinentes pour un lidar Doppler hétérodyne (cohérent), la
majeure partie du rayonnement rétrodiffusé provient des aérosols.
L’analyse vise à déterminer la différence, Δf, entre la fréquence, f , de l’impulsion laser émise et la
t
fréquence, f , de la lumière rétrodiffusée. Selon l’équation de Doppler, cette différence est proportionnelle
r
à la composante du vent sur la ligne de visée, comme indiqué dans la Formule (1):
Δf = f – f = −2v /λ (1)
r t r
où
λ est la longueur d’onde du laser;

v
r
est la composante du vent le long de la ligne de visée (composante du vecteur vent, v , le long
de l’axe du faisceau laser, considérée comme étant positive lorsque le vent souffle dans la
direction opposée au lidar).
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Légende
1 particules diffusantes se déplaçant avec le vent
2 trajet optique de l’impulsion laser émise (faisceau laser)
3 axe optique du récepteur
4 instrument lidar
Figure 1 — Principe de mesure d’un lidar Doppler pulsé hétérodyne
Le mesurage est résolu en portée car le rayonnement rétrodiffusé reçu au temps, t, après l’émission de
l’impulsion laser s’est propagé du lidar jusqu’aux aérosols à la portée, x, puis est retourné jusqu’au lidar
à la vitesse de la lumière, c. La Formule (2) montre la relation linéaire entre la portée et le temps.
t
xc=⋅ (2)
4.2 Détection hétérodyne
Dans un lidar hétérodyne, la détection de la lumière captée par le télescope récepteur (à la fréquence
f = f + Δf) est décrite schématiquement à la Figure 2. La lumière reçue est mélangée au faisceau d’un
r t
laser continu très stable appelé oscillateur local. La somme des deux ondes électromagnétiques –
rétrodiffusée et oscillateur local – est convertie en un signal électrique par un détecteur quadratique
(produisant un courant électrique proportionnel à la puissance de l’onde électromagnétique éclairant
sa surface sensible). Un filtre passe-haut analogique est ensuite appliqué pour éliminer les composantes
basse fréquence du signal.
Légende
1 laser pulsé
2 élément optique séparant les lumières reçue et émise
3 télescope (utilisé pour l’émission et la réception)
4 diffuseurs
5 laser de l’oscillateur local (laser continu)
6 boucle d’asservissement de fréquence (ce dispositif fixe la différence, f − f )
t lo
7 élément optique alignant le faisceau de l’oscillateur local sur l’axe optique du faisceau lumineux reçu et les
mélangeant
8 détecteur quadratique
9 convertisseur analogique-numérique et unité de traitement numérique des signaux
Figure 2 — Principe de la détection hétérodyne
Le résultat est un courant, i(t), de radiofréquence, f + Δf – f :
t lo
η ⋅e
 
it =⋅22⋅⋅Ktξγ⋅ tP⋅ tP⋅⋅cos π Δ+ff − ft⋅+ϕ t + nt (3)
() () () () () (() ()
rlot lo
 
hf⋅
t

it
()
het
où
t est le temps;
h est la constante de Planck;
η est le rendement quantique du détecteur;
e est la charge électrique d’un électron;
K est la constante instrumentale tenant compte des pertes de transmission dans le récepteur;
ξ(t) est la modulation aléatoire de l’amplitude du signal par l’effet de chatoiement (voir 4.5.2);
γ(t) est le rendement hétérodyne;
P (t) est la puissance de la lumière rétrodiffusée;
r
P est la puissance de l’oscillateur local;
lo
f est la fréquence de l’oscillateur local;
lo
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φ(t) est une phase aléatoire;
n(t) est le bruit blanc de détection;
i (t) est le signal hétérodyne.
het
Le rendement hétérodyne, γ(t), est une mesure de la qualité du mélange optique des ondes rétrodiffusées
et de l’oscillateur local sur la surface du détecteur. Il ne peut pas dépasser 1. Un bon rendement
hétérodyne nécessite un dimensionnement et un alignement soigneux de l’oscillateur local par rapport
à l’onde rétrodiffusée. Les conditions optimales de mélange sont décrites dans la Référence [3]. Le
rendement hétérodyne n’est pas une fonction purement instrumentale; il dépend aussi de la turbulence
de l’indice de réfraction (Cn ) le long du faisceau laser (voir la Référence [4]). Dans des conditions de
forte turbulence atmosphérique, les fluctuations de l’indice de réfraction dégradent le rendement
hétérodyne. Cela peut se produire lorsque le lidar est utilisé à proximité du sol pendant une chaude
journée d’été.
Dans la Formule (4), P (t) est la puissance instantanée de la lumière rétrodiffusée. Elle est donnée par
r
l’équation lidar (voir la Référence [3]):
+∞
 
2x
−22
Pt =⋅Ax ⋅Gx ⋅−gt ⋅ βτxx⋅ dx (4)
() () () ()
 
r
∫
c
 
avec
x
 
 
ταx =−expdζζ
() ()
∫
 
 
où
x est la distance par rapport au lidar;
A est la surface collectrice du télescope récepteur;
G(x) est la fonction de sensibilité dépendant de la portée (0 ≤ G(x) ≤ 1) tenant compte, par exemple, de
l’atténuation du rendement du récepteur à courte portée pour éviter la saturation du détecteur;
g(t)
est l’enveloppe de la puissance des impulsions laser ( gt dtE= , E étant l’énergie de
() 0
∫
l’impulsion laser);
β(x) est le coefficient de rétrodiffusion de la cible atmosphérique explorée;
τ(x) est la transmission atmosphérique en fonction du coefficient d’extinction, α.
4.3 Analyse spectrale
L’extraction de la mesure de la vitesse radiale à partir de signaux hétérodynes fait appel à une analyse
spectrale. Celle-ci est effectuée dans le domaine numérique après conversion analogique-numérique
des signaux hétérodynes. Un aperçu du traitement est donné à la Figure 3. L’analyse de fréquence est
appliquée à une fenêtre temporelle (t, t + Δt) et répétée pour un nombre, N, d’impulsions lidar. La fenêtre
définit une porte de mesure (x, x + Δx) avec x = c ∙ t /2 et Δx = c ∙ Δt /2. N est lié au temps d’intégration,
t = 1/f , du mesurage ( f est la fréquence de répétition des impulsions). L’analyse des signaux
int PRF PRF
consiste à moyenner les fonctions de densité de puissance spectrale des signaux par porte de mesure.
Un estimateur de fréquence est ensuite utilisé pour estimer la fréquence centrale du pic du signal. Il
ˆ
s’agit d’une estimation, f , de la fréquence, f = Δf + f − f , du signal hétérodyne (voir Figure 3).
het t lo
het
En raison de la conversion analogique-numérique, l’intervalle de fréquence résolu par l’analyse de
fréquence est limité à (0, +F /2) ou (−F /2, +F /2) pour des signaux à valeur complexe. Cela limite les
s s s
ˆ
valeurs minimale et maximale de f et donc l’intervalle des vitesses radiales pouvant être mesurées.
het
Comme indiqué dans la Référence [5], la Formule (5) est une estimation de la vitesse radiale moyenne
du vent dans la porte de mesure:
λ
ˆ
ˆ
vf=− −+ff (5)
( )
rhet tlo
Par exemple, lorsque le signal est à valeurs réelles (pas de démodulation complexe), le décalage de
ˆ
fréquence f – f est fixé à environ F /4, de sorte que vF≤ λ /8 . Inversement, une spécification du
t lo s
rs
système exigeant la possibilité de mesurer les vitesses radiales jusqu’à la valeur v impose
max
F ≥ 8v /λ.
s max
La fonction décrivant la moyenne spatiale du vent (noyau d’intégration) est égale au produit de
convolution entre le profil d’impulsion et le profil de la porte de mesure. Sa longueur est fonction de
la longueur de l’impulsion dans l’atmosphère, Δr [voir Formule (6)], de la porte de mesure, Δx, et du
facteur de pondération, κ, où κ est le rapport entre la largeur de porte à mi-hauteur (FWHM) et Δx.
cT⋅
p
Δ=r (6)
où, T est la durée (largeur à mi-hauteur) de l’intensité instantanée, g(t), de l’impulsion laser.
p
La résolution en portée, ΔR, est définie comme la largeur à mi-hauteur du noyau d’intégration. Pour une
[6]
impulsion gaussienne et une porte de mesure non pondérée, ΔR est donné par la Formule (7) :
ctΔ Δx
Δ=R ⋅ = (7)
2    
π ⋅Δx
π ⋅Δt
   
erf
erf
 
2Δr
 2T 
p  
 
Pour une impulsion gaussienne et une porte de mesure pondérée par des poids gaussiens, ΔR est donné
par la Formule (8):
2 2
c
2 2
Δ=R ⋅+Ttκκ⋅Δ =Δrx+⋅Δ (8)
() ()
p
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Légende
t temps écoulé depuis l’émission de l’impulsion laser
Δt durée de la fenêtre temporelle d’analyse spectrale (elle détermine la taille de la porte de mesure)
N nombre de signaux
1 impulsions
2 série temporelle
3 spectres
4 fréquence Doppler
Figure 3 — Schéma montrant comment l’analyse de fréquence est menée
Plusieurs signaux sont pris en compte et découpés en portes de mesure. Le spectre moyen est calculé et
un estimateur de fréquence est appliqué.
Des portes de mesure successives peuvent se recouvrir partiellement (les mesurages successifs de la
vitesse radiale sont alors partiellement corrélés), être adjacentes ou disjointes (il existe alors un «trou»
dans le profil de la vitesse radiale dans la ligne de visée).
Plusieurs estimateurs de fréquence possibles sont présentés dans la Référence [6] avec une première
analyse de leurs performances. Leurs performances sont discutées de manière plus approfondie dans
la Référence [7]. Quel que soit l’estimateur, la densité de probabilité des estimations est la somme d’une
distribution uniforme de «mauvaises» estimations (erreurs grossières) réparties sur l’ensemble de la
bande (−f , f ) et d’une distribution relativement étroite de bonnes estimations, souvent modélisée
max max
par une loi normale, comme indiqué dans la Formule (9):
 2
 
ˆ
ff−
  
( )
hethet
b 1− b
ˆ
 

+ expp−  ouur ff∈− , f
ˆ
rmax max
 
pf = (9)

( ) 2f  
het
2πσ 2σ
max
f
f
 

 

0 sinon

En principe, la fréquence moyenne, f , peut être différente de la fréquence «vraie» du signal
het
hétérodyne, f . Cela peut se produire, par exemple, en cas de glissement de fréquence pendant
het
l’impulsion laser (voir la Référence [8]). Toutefois, ces conditions sont rarement rencontrées et un bon
lidar Doppler pulsé hétérodyne produit dans la pratique des mesures sans biais des décalages de
fréquence Doppler.
Le paramètre σ caractérise la précision de fréquence de l’estimateur. La précision de la vitesse radiale
f
correspondante est σ = λ ∙ σ /2. Dans un système hétérodyne, elle est généralement de l’ordre de
v f
quelques centimètres par seconde à quelques dizaines de centimètres par seconde. Elle se dégrade
avec le niveau de bruit [puissance de n(t) dans la Formule (3)] et s’améliore avec le nombre de signaux
cumulés, N. Dans la pratique, l’augmentation est limitée car le cumul d’un grand nombre de signaux
se traduit par un long temps d’intégration durant lequel la variabilité naturelle (turbulence) du vent
augmente.
[1]
La Référence [9] discute de la présence d’erreurs grossières (également appelées valeurs aberrantes )
et propose un modèle pour le paramètre, b, en fonction de plusieurs caractéristiques de l’instrument
et du niveau du bruit de détection. Une valeur aberrante apparaît lorsque le processeur de signaux
détecte un pic de bruit au lieu d’un pic de signal. Le paramètre b est une fonction décroissante du
rapport porteuse/bruit. Des contrôles de la qualité doivent être mis en œuvre dans les systèmes lidar
hétérodynes afin d’éliminer les erreurs grossières par filtrage et de les ignorer comme des données
manquantes. La présence d’erreurs grossières détermine la portée maximale du lidar.
4.4 Variables cibles
Les mesurages par lidar Doppler hétérodyne ont pour but de caractériser le champ de vent. Dans chaque
intervalle de portée, l’évaluation de la variable mesurée conduit à la vitesse radiale; voir la Formule (5).
Il existe d’autres variables cibles, comme la variabilité de la vitesse radiale, qui ne sont pas traitées dans
le présent document.
Les variables cibles peuvent être utilisées comme données d’entrée pour différentes méthodes
d’extraction permettant d’obtenir des produits météorologiques tels que le vecteur vent en un point ou
sur une ligne (profil), dans un plan arbitraire ou dans l’espace dans son ensemble. Cela inclut également
le mesurage des cisaillements du vent, des turbulences de sillage d’aéronefs (voir Figure C.1), des vents
anabatiques ou catabatiques. Un autre objectif des mesurages par lidar Doppler est de déterminer les
propriétés cinématiques et les paramètres des champs de vent hétérogènes tels que la divergence et la
rotation. Voir les exemples d’applications à l’Annexe C.
4.5 Sources de bruit et d’incertitudes
4.5.1 Bruit de Schottky de l’oscillateur local
Le bruit de Schottky (ou de grenaille) est représenté par n(t) dans la Formule (3). Sa variance est
proportionnelle à la puissance de l’oscillateur local (LO), comme indiqué dans la Formule (10):
ne² = 2 SP B (10)
SN lo
où
ηe
est la sensibilité du détecteur, S = , où η est le rendement quantique du détecteur;
S
hf
t
B est la bande passante de détection.
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Il provoque des erreurs grossières et limite la portée maximale du signal. Si aucune autre source de
bruit ne prédomine, la force du signal hétérodyne en fonction du niveau de bruit est mesurée par le
[6]
rapport porteuse/bruit, CNR, comme indiqué dans la Formule (11) :
ηγ⋅⋅Kt
()
CNR = Pt (11)
()
r
hf⋅⋅B
t
NOTE Certains auteurs désignent parfois par rapport signal/bruit (SNR) ce qui est défini dans le présent
document en tant que rapport porteuse/bruit (CNR).
4.5.2 Bruit du détecteur
Des sources de bruit supplémentaires peuvent affecter le rapport signal/bruit. Comme le bruit de
Schottky, leur densité spectrale est constante sur la bande passante de détection (bruit blanc).
— Le bruit d’obscurité est généré par les fluctuations du courant d’obscurité du détecteur, i , comme
D
indiqué dans la Formule (12):
ne= 2 iB (12)
DN D
— Le bruit thermique (bruit de Johnson/Nyquist) est le bruit électronique généré par l’agitation
thermique des électrons à l’intérieur de la résistance de charge, R , à une température T, comme
L
indiqué dans la Formule (13):
4kT
B
n² = B (13)
TN
R
L
où, k est la constante de Boltzman.
B
4.5.3 Bruit d’intensité relatif (RIN)
Le bruit d’intensité relatif (dB/Hz) est le bruit de la puissance du LO rapporté au niveau de puissance
moyen. Le RIN présente généralement un pic à la fréquence d’oscillation de relaxation, puis chute à des
fréquences plus élevées jusqu’à ce qu’il converge avec le niveau de bruit de Schottky (bruit rose). Le
courant de bruit RIN augmente avec le carré de la puissance du LO.
01,R IN
nS²²= PB10 (14)
()
RINlo
Dans un bon système lidar, i RIN, 1/R sont suffisamment faibles pour le bruit de Schottky du LO
D L
constitue la principale source de bruit. Dans ce cas uniquement, la Formule (14) est applicable.
4.5.4 Chatoiement
Pour un lidar Doppler cohérent, le signal hétérodyne est la somme de nombreuses ondes rétrodiffusées
par des particules individuelles. Étant donné que les particules sont réparties de façon aléatoire
le long du faisceau dans des volumes beaucoup plus longs que la longueur d’onde du laser, les ondes
rétrodiffusées ont une phase aléatoire lorsqu’elles atteignent la surface sensible du détecteur. Elles
s’additionnent donc de façon aléatoire. De ce fait, le signal hétérodyne a une phase et une amplitude
aléatoires. Ce phénomène est appelé chatoiement (voir la Référence [10]). Il limite la précision des
estimations de fréquence.
4.5.5 Fréquence du laser
Un mesurage précis de la vitesse radiale nécessite une connaissance exacte de f – f . Toute incertitude
r lo
ˆ
dans cette valeur entraîne un biais de f . Si la fréquence du laser, f , n’est pas stable, il convient soit de
t
r
la mesurer soit de la fixer par rapport à f .
lo
4.6 Assignation de la portée
L’assignation en distance des mesurages Doppler est basée sur le temps écoulé depuis l’émission de
l’impulsion laser. Ce temps doit être mesuré avec une précision satisfaisante (l’erreur, ε , doit être
t
inférieure ou égale à 2δ ∙ x/c, où δ ∙ x est la précision requise pour l’assignation de la portée). Cela exige
notamment de déterminer au moins avec cette précision le temps de l’émission de l’impulsion laser.
4.7 Limites connues
Les lidars Doppler reposent sur la rétrodiffusion des aérosols. Les aérosols sont pour la plupart générés
au niveau du sol, puis soulevés à des plus hautes altitudes par convection ou turbulence. Ils se trouvent
donc en grandes quantités dans la couche limite planétaire (généralement 1 000 m d’épaisseur durant
la journée dans les zones tempérées, 3 000 m dans les régions tropicales), mais à des concentrations
beaucoup plus faibles au-dessus. De ce fait, les lidars Doppler mesurent difficilement les vents au-dessus
de la couche limite planétaire, excepté en présence de couches d’aérosols à haute altitude telles que les
poussières désertiques ou les panaches volcaniques.
Les faisceaux laser sont fortement atténués par le brouillard ou les nuages. De ce fait, la portée maximale
des lidars Doppler est fortement limitée dans le brouillard (quelques centaines de mètres au mieux) et
ne permet pas de mesurer les vents à l’intérieur ou au-delà d’un nuage. Ils sont capables de pénétrer
dans des nuages peu visibles comme les cirrus. Par conséquent, des informations concernant les vents à
haute altitude (8 km à 12 km) peuvent être extraites de la rétrodiffusion des particules glacées.
Les lidars Doppler détectent les gouttelettes d’eau ou les cristaux de glace des nuages lorsqu’ils sont
présents dans l’atmosphère. Étant des diffuseurs efficaces, ils peuvent dominer la puissance du signal
rétrodiffusé par l’atmosphère, en cas de fortes précipitations par exemple, auquel cas le lidar Doppler
mesure la vitesse radiale des hydrométéores plutôt que le vent radial.
La pluie lessive l’atmosphère, rabattant les aérosols sur le sol. La portée d’un lidar Doppler est en général
nettement réduite après la pluie jusqu’à ce que les aérosols soient à nouveau soulevés.
La présence d’eau de pluie sur le hublot d’un lidar Doppler atténue fortement sa transmission. À moins
qu’il ne soit équipé d’un essuie-glace ou d’une soufflerie, il convient d’essuyer manuellement son hublot.
Comme expliqué en 4.2, le rendement de détection hétérodyne est dégradé par la présence de la
turbulence de l’indice de réfraction le long du faisceau. La turbulence de l’indice de réfraction est le
plus souvent présente à proximité de la surface pendant les journées ensoleillées. La portée maximale
d’un lidar Doppler en visée horizontale proche de la surface peut donc être nettement dégradée dans de
telles conditions.
5 Spécifications et essais du système
5.1 Spécifications du système
5.1.1 Caractéristiques de l’émetteur
5.1.1.1 Longueur d’onde du laser
La longueur d’onde du laser dépend principalement de la technologie utilisée pour construire la
source laser. La plupart des techniques existantes utilisent des longueurs d’onde en proche infrarouge
comprises entre 1,5 µm et 2,1 µm, même s’il est possible d’utiliser d’autres longueurs d’onde allant
jusqu’à 10,6 µm. Le choix de la longueur d’onde tient compte des paramètres de puissance attendus, mais
aussi de la transmission atmosphérique et de la sûreté du laser (voir les Références [11] et [12]). En fait,
le choix de la fenêtre entre 1,5 µm et 2,1 µm est un compromis entre des considérations technologiques
et de sécurité (>1,4 µm pour assurer la sécurité oculaire).
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5.1.1.2 Durée d’impulsion
La durée de l’impulsion laser, T , est la largeur de bande à mi-hauteur de l’enveloppe d’impulsion
p
laser, g(t). T définit la longueur explorée de l’atmosphère, R , contribuant au signal lidar instantané,
p p
comme indiqué dans la Formule (15):
cT⋅
p
R = (15)
p
Par exemple, une durée d’impulsion de 200 ns correspond à une longueur explorée d’environ 30 m.
5.1.1.3 Précision de la vitesse et résolution en portée en fonction de la durée d’impulsion
Il existe une relation critique entre la durée d’impulsion et deux caractéristiques de performances.
Une longue durée d’impulsion de plusieurs centaines de nanosecondes donne une largeur à mi-hauteur
potentiellement étroite du spectre d’impulsion laser (en l’absence de glissement de fréquence intra-
impulsion), (voir la transformée de Fourier de l’impulsion globale dans le domaine temporel). Cela
conduit à des mesures de vent très précises, même pour un rapport signal/bruit très faible, à condition
cependant de pouvoir écarter les valeurs aberrantes (voir 4.3). Dans le même temps cependant, l’impact
sur la résolution en portée est négatif. Une durée d’impulsion de 1 µs limite la résolution en portée
effective à environ 150 m [voir la Formule (6)].
5.1.1.4 Fréquence de répétition des impulsions
La fréquence de répétition des impulsions, f , est la fréquence d’émission des impulsions laser. f
PRF PRF
détermine le nombre d’impulsions émises et moyennées par ligne de visée pendant la durée de mesure.
Elle détermine également la portée maximale univoque au-delà de laquelle les signaux issus de deux
impulsions laser consécutives se chevauchent. La portée
...