Lidar multispectral pour la caractérisation des aérosols

Multiwavelength lidar for aerosol characterization

• Auteur / Autrice : Pierre Lafrique
• Direction : Xavier Briottet, Alain Dabas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et systèmes optoélectroniques
• Date : Soutenance le 10/12/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées
• Jury : Président / Présidente : Cyrille Flamant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Hespel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Adolfo Comerón, Emeric Fréjafon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérosols

Lidar

Mots clés libres

Lidar

Aérosols

Inversion multispectral

Propriétés microphysiques

Lidar

Aerosols

Multi-Wavelength retrieval algorithm

Microphysical properties

Résumé

Cette thèse vise à montrer rapport d'un lidar multispectral, en particulier en ajoutant des longueurs d'onde dans le proche infrarouge proche, pour la caractérisation des aérosols. En effet par rapport à un lidar mono-longueur d'onde, l'information contenue dans les profils multispectraux permet de remonter aux propriétés microphysiques des aérosols (distribution en aille et composition). Pour cela un simulateur de signaux lidar multispectraux a été adapté à notre étude afin de pouvoir développer et tester deux méthodes permettant de retrouver les propriétés microphysiques des aérosols le long de la ligne e visée à partir de signaux lidar synthétiques. La première méthode, basée sur l'inversion des signaux lidar, permet de retrouver la répartition en taille des aérosols et donc d'en déduire notamment leur concentration et leur rayon modal. Cette méthode nécessite des informations a priori sur les aérosols. Un bilan d'erreur a été réalisé en introduisant des incertitudes sur ces paramètres a priori et montre que les résultats obtenus sur la concentration et le rayon modal sont précis (respectivement 16% et 17% d'erreur). Cette méthode présente l'avantage de ne pas nécessiter d'étalonnage absolu de l'instrument. La deuxième méthode est basée sur la minimisation de l'écart entre des signaux simulés et les signaux que l'on étudie. Même si la précision obtenue sur la répartition en taille retrouvée est plus faible (35% et 40 % d'erreur sur la concentration t le rayon modal) et que la constante d'étalonnage de l'instrument doit être connue, cette méthode a l'avantage de retrouver la composition des aérosols dans 74 % des cas.

The purpose of this thesis is to show the contribution of a multispectral Iidar for the characterisation of aerosols, in particular hen wavelengths in near infrared are added. Indeed, compared with a mono-wavelength Iidar, the information contained in multispectral profiles allow to retrieve the microphysical properties of aerosols (particule size distribution and composition). To this end, we adapted a multispectral Iidar signal simulator to our study in order to develop and test two methods which objective is to obtain the microphysical properties of aerosol along the line-of-sight from synthetic lidar signals. The first method, based on the inversion of lidar signals, enables to find the length distribution of aerosols and therefore to educe their concentration and their modal radius. This method requires a priori information about the aerosols. An error budget was made by introducing uncertainties on the a priori parameters. It shows that the results obtained regarding the concentration and modal radius are accurate (respectively 16% and 17% uncertainty). The advantage of this method is that it does not require absolute calibration of the instrument. The principle of the second method is to minimize the difference between the studied and the simulated signals. Even if the accuracy on the size distribution is lower (35% and 40% on the concentration and modal radius) and the calibration constant of the instrument has to be known, this method has the advantage to find the concentration of the aerosols in 74% of the cases. Finally, the first method was validated on real data, coming from a collaboration with the RSLab (Barcelona), by comparing ur results with those obtained by this team (7% difference on the modal radius).