Development of a laser heterodyne radiometer for atmospheric remote sensing

par Fengjiao Shen

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Weidong Chen.

Soutenue le 19-12-2019

à Littoral , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord) , en partenariat avec Laboratoire de physico-chimie de l'atmosphère (Dunkerque, Nord) (laboratoire) , Laboratoire de Physico-Chimie de l'Atmosphère / LPCA (laboratoire) et de Laboratoire d'excellence CaPPA .

Le président du jury était Aurore Vicet.

Le jury était composé de Bertrand Parvitte, Martina Wiedner, Gunther Roelkens.

Les rapporteurs étaient Bertrand Parvitte, Martina Wiedner.

  • Titre traduit

    Développement d'un radiomètre hétérodyne laser pour la télédétection atmosphérique


  • Résumé

    La mesure des profils verticaux de concentration de traces de gaz atmosphériques permet de mieux comprendre la pollution de l'air, la destruction de l'ozone et le changement climatique. Elle permet aussi de valider les modèles chimiques proposés et les observations par satellite. À ce titre, le Radiomètre Hétérodyne Laser (RHL) offre des avantages certains en termes de résolution spectrale, de sensibilité et de résolution verticale élevées. Sa taille relativement compacte, permettant un déploiement pour des applications sur le terrain, est un atout supplémentaire. L'objectif de cette thèse consiste à développer un instrument RHL entièrement transportable pour la télédétection au sol, dans le domaine de l'infrarouge moyen (mi-IR), de gaz à l'état de traces présents dans la colonne atmosphérique. Afin de tester notre appareil et de caractériser ses performances, un récepteur RHL mi-IR a été mis au point comme Preuve de Concept (PdC). Il a été validé sur la plate-forme QualAir de l'Université Pierre et Marie Curie (UPMC) associé à un héliostat de la station TCCON-Paris. Ainsi, le spectre d'absorption du CH₄ présent dans la colonne atmosphérique a été extrait du rayonnement solaire à l'aide de notre récepteur RHL. Il est en bon accord avec le spectre mesuré par la station TCCON-Paris. L'instrument LHR mi-IR entièrement transportable mis au point dans le cadre de cette thèse possède un fort potentiel d'utilisation dans la mesure des profils verticaux de concentration d'espèces clés atmosphériques. Il peut potentiellement être positionné sur des engins spatiaux, sur des plates-formes aéroportées ou au sol.


  • Résumé

    The measurement of vertical concentration profiles of atmospheric trace gases provides a better insight into air pollution, ozone destruction and climate change as well as a way to validate chemical models and satellite observations. To that end, laser heterodyne radiometer (LHR) offers significant benefits in terms of high spectral resolution, high sensitivity and high vertical resolution in conjunction with a compact instrumental size deployable for field applications. The aim of this thesis is to develop a fully transportable mid-infrared (mid-IR) LHR instrument for ground-based remote sensing of key trace gases in the atmospheric column. In order to test our design and characterize its performance, a proof of concept (PoC) mid-IR LHR receiver was first developed. Its field test was carried out on the QualAir platform of the University Pierre et Marie Curie (UPMC) with the help of a heliostat of the TCCON-Paris station (TCCON : Total Carbon Column Observing Network). LHR absorption spectrum of CH₄ in the atmospheric column was extracted from the solar radiation using the developed ground-based LHR receiver and it is good agreement with the spectrum measured by the TCCON-Paris station. After this field test validation, a fully transportable mid-IR LHR instrument was developed and deployed on the roof of the IRENE platform of the University of Littoral-Côte d'Opale (ULCO) in Dunkirk. LHR spectrum of CH₄ and N₂O in the atmospheric column was measured and in good agreement with the TCCON FT-IR spectrum of CH₄ and N₂O, as well as in good agreement with the atmospheric transmission modelling. The fully transportable mid-IR LHR instrument developed in this PhD work has high potential use in measurement of vertical concentration profiles of key atmospheric species on spacecraft, on airbone or on ground-based platform.


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