L’instrument Merlin est un Lidar IPDA (Integrated Path Differential Absorption). Destiné aux mesures de densité de la colonne de méthane, il s’appuie sur l’expérience allemande dans le domaine des systèmes Lidar d’étude des gaz à effet de serre en suspension et sur les derniers concepts innovants de systèmes à impulsions laser de grande puissance pour applications spatiales.

La technique IPDA permet des mesures en toute saison, à toutes les latitudes et repose sur des mesures DIAL (Differential Absorption Lidar) utilisant un laser pulsé émettant à deux longueurs d'ondes : une longueur d'onde verrouillée précisément sur la raie d'absorption du méthane, et l'autre longueur d'onde en dehors de la raie d'absorption du méthane pour être utilisée comme référence.

L’instrument mesure la lumière dispersée et réfléchie par la surface de la Terre et les sommets des nuages éclairés par des impulsions laser à des longueurs d’ondes légèrement différentes. Il est constitué de différents éléments.

Le boitier de commande (ICU)

Le boîtier de commande de l’instrument (ICU) est le principal élément de contrôle. Il permet la synchronisation interne de l’instrument, génère les tensions de commande et de polarisation nécessaires et lit les données de servitude. L’autre partie de l’ICU est constituée du circuit de lecture des données (conversion analogique/numérique à haut débit).

Le laser

C’est le système qui va permettre d’effectuer les mesures de méthane. Le laser utilisé dans le cadre de la mission Merlin n’est pas un développement entièrement nouveau puisqu’il découle de travaux exécutés pour le modèle électrique et de qualification du laser FULAS (FUture LAser System) de l’ESA (European Space Agency). Par conséquent, la mission Merlin bénéficie pleinement de l’héritage FULAS.

Le sous-système de référence de fréquence du méthane (MFRU) 

Il est destiné à générer des signaux laser aux deux fréquences en ligne et hors ligne afin d’être injectés dans chaque oscillateur paramétrique optique (OPO) impulsé. La stabilité du laser et la connaissance de la fréquence du signal de sortie ont une grande influence sur la qualité de la mesure.

Le banc d’étalonnage de l’énergie du laser

Le Lidar IPDA de Merlin est un système de mesure de distance qui repose uniquement sur la mesure relative d’intensités de signaux. L’intensité du signal de retour enregistré est une fonction directe de l’énergie de l’impulsion émise. Même les lasers de très bonne qualité présentent une variation d'environ 2 à 4 %. Il est donc nécessaire de surveiller attentivement l’énergie de chaque impulsion laser émise et de la corréler avec l’intensité des signaux reçus. Ceci permet de compenser les variations d’énergie des impulsions sur toute la plage de mesure IPDA, impulsion par impulsion.

Afin de générer ces signaux d’étalonnage internes, une petite fraction des impulsions laser émises est extraite et injectée directement dans le détecteur de l’instrument, qui enregistre également le signal depuis la cible. L’utilisation du même détecteur pour mesurer les signaux de retour et d’étalonnage garantit l’absence de différences dans le traitement du signal, ce qui permet de comparer directement les deux signaux.

Les systèmes optiques

Ils sont destinés à focaliser le faisceau laser de manière à ce que le point éclairé au sol présente le diamètre requis.

Le télescope récepteur

Son champ de réception doit être aussi grand que possible. La conception du miroir principal est une structure de 0,69 m de diamètre configurée en télescope afocal Cassegrain-Mersenne. Ce diamètre est compatible du maître couple du satellite

Le choix du matériau du miroir influence non seulement le poids, mais également le comportement thermique, paramètre critique dans les applications spatiales.

Enfin, la taille du détecteur constitue un autre facteur de limitation de la conception du télescope. Avec des photodiodes à avalanche, le bruit augmente considérablement avec le champ du détecteur, ce qui limite le choix à un détecteur présentant un petit champ actif.