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Lidar Doppler cohérent à source agile

Description

Les lidars vent sont des instruments laser qui permettent d’accéder à la vitesse de vent à distance. Ils présentent de nombreuses applications dans la sécurité aérienne comme l’observation des turbulences sur les piste d’aéroport ou la mesure de vent depuis un porteur afin de compenser l’effet des rafales qui usent prématurément les structures. Un autre champ majeur d’application de ces lidars vent est le sondage et la gestion de sites éoliens. Enfin, la mesure du vent à l’échelle planétaire depuis un satellite permet d’améliorer les prévisions météorologiques. Pour la calibration/validation des instruments embarqués sur satellite, une mesure indépendante depuis un avion est également requise.

Le lidar vent est un instrument de mesure de vitesse de vent projetée sur l’axe laser et résolu en distance. Il utilise l’effet Doppler qui applique un décalage fréquentiel aux photons qui se rétrodiffusent sur les particules/molécules portées par le vent. Il est constitué d’une source laser pulsée, d’une optique d’émission et de réception et d’un montage interférométrique. Les impulsions monofréquence générées par la source sont envoyées dans l’atmosphère, se rétrodiffusent le long de l’axe optique sur les particules en subissant le décalage Doppler dû à la vitesse des particules, puis sont collectées par l’optique de réception. Le montage interférométrique permet ensuite de remonter au décalage Doppler et à la vitesse de vent le long de l’axe optique.

Parmi les différentes architectures de lidar vent existantes, les lidars basés sur les architectures fibrées présentent un fort avantage en termes de d’embarquabilité par rapport aux architectures « laser solide » : fiabilité, robustesse, résistance aux vibrations, efficacité… En revanche, ces lidars fibrés sont limités en performance par les effets non linéaires qui apparaissent lors de l’amplification dans la fibre. En effet, la puissance est confinée dans un cœur de quelques microns, ce qui est propice aux effets non linéaires comme la diffusion Brillouin stimulée (SBS), qui limite la puissance crête et donc la portée des lidars fibrés.

On se propose d’explorer deux voies de montée en PRF d’un lidar vent impulsionnel outrepassant les limites liées à la distance d’ambigüité grâce à une source agile : d’une part, en utilisant le mini-peigne de fréquence, développé par le CNES et l’Onera pour le lidar gaz dans un lidar Doppler cohérent multiraie tout fibré à 1.5µm pour la mesure de vent, et d’autre part, en utilisant une modulation rapide de phase en dents de scie (serrodyne modulation).

La portée du lidar cohérent devrait augmenter en  et le temps d’intégration en . Ces méthodes permettent d’augmenter les performances lidar de mesure de vent et sont complémentaires aux techniques de montée en énergie étudiées par ailleurs à l’Onera.

Le travail proposé est l’étude théorique et expérimentale de l’apport de ces techniques pour un lidar Doppler cohérent. Les travaux de thèse incluront : (1) une bibliographie et la prise en main d’un lidar vent monoraie, (2) l’étude et la mise en œuvre du générateur de mini-peigne et du générateur serrodyne grâce à un modulateur électro-optique piloté par un générateur arbitraire et leurs caractérisations, (3) l’amplification du signal modulé dans des fibres de forte puissance en surveillant les effets non linéaires et la caractérisation du signal modulé amplifié et enfin (5) la mise en œuvre du lidar final, et l’évaluation du gain en portée.

Profil

Bac+5 ou 3ème année d’Ecole d’Ingénieur (SupOptique, X, ENST, IFIPS, master 2 optique…)

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : ONERA
Directeur(rice) de thèse/recherche : Ovarlez Jean-Philippe
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : jean-philippe.ovarlez@onera.fr
Responsable Cnes de l'offre : FAURE Benoît

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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