Institut de recherche atmosphérique de Leibniz.

L’Institut de recherche atmosphérique de Leibniz opte pour les solutions de Spectrum Instrumentation





  • Des faisceaux laser pulsés sont employés pour mesurer la température et la vitesse du vent à 100 km de hauteur dans l’atmosphère.
  • Les signaux lumineux rétro-diffusés de très faibles niveaux peuvent être masqués par la lumière du soleil. L’Institut de physique atmosphérique (IAP) de Leibniz s’est affranchi de ce problème en mettant au point un système de mesure transportable pouvant être utilisé pendant la journée.
  • Cette nouvelle génération de système utilise un nouveau laser pompé par diode et, en son cœur, un générateur de formes d’ondes arbitraires (AWG) et deux numériseurs de Spectrum Instrumentation, fabricant allemand représenté notamment en France par Acquisys.
  • Ce système a d’ors et déjà fourni de nouvelles informations sur les conditions atmosphériques en Antarctique.

 
La technique de mesure est appelée LIDAR à résonance Doppler car la lumière est rétro-diffusée en accordant précisément le laser à une transition de résonance d’un atome métallique. Les signaux rétro-diffusés sont extrêmement faibles (un seul photon par impulsion laser) et sont presque complètement noyés par le rayonnement solaire pendant la journée. Il y a 100.000.000 fois plus de bruit de fond pendant le jour provenant du soleil que durant la nuit.

La compréhension des distributions de température dans l’atmosphère à des altitudes comprises entre 80 et 110 km, appelées MLT (Mesosphere and lower Thermosphere), est cruciale pour effectuer des simulations numériques du climat de la Terre. Une approche bien établie pour fournir de telles données consiste à mesurer la largeur de raie élargie par effet Doppler des atomes métalliques, par exemple de la raie de résonance du potassium à 770 nm et de la raie de résonance du fer à 372 nm ou 386 nm, au moyen de systèmes LIDAR à résonance utilisant des lasers à impulsions. Jusqu’à présent, ces lasers utilisaient des pompes à lampe-éclair, mais ce projet est le premier à développer un nouveau système laser utilisant un laser alexandrite hautement efficace, accordable, pompé par diode, qui est mieux adapté aux conditions environnementales difficiles comme celles des navires de recherche ou des régions polaires. Avec cette technologie, une concentration d’environ 1 atome par centimètre cube est suffisante pour des mesures de température et de vent à 100 km de distance, soit une altitude où la pression atmosphérique est si basse que seules les fusées peuvent y accéder.

Josef Höffner, qui dirige le projet, explique : « L’objectif du projet est de créer des systèmes de mesure mobiles compacts que nous pourrons utiliser dans le monde entier. De tels systèmes nécessitent un fonctionnement automatique dans des conditions d’environnement extrêmes comme l’Antarctique, sans y avoir accès pendant de longues périodes. Nous avons donc besoin de composants très robustes et fiables, capables de fournir les niveaux de sensibilité, de rapidité et de flexibilité requis dans ces conditions difficiles. La garantie de cinq ans de Spectrum Instrumentaiton nous donne la tranquillité d’esprit que l’on peut compter sur ces équipements critiques. »

L’amélioration des mesures concerne plusieurs aspects. Le premier consiste à supprimer le bruit de fond en ayant un champ de vision extrêmement petit pour une haute résolution, un filtrage optique et un petit champ de vision. Cela signifie que le laser doit être stabilisé dans le champ de vision ainsi que tous les filtres. Le laser lui-même nécessite un système complexe et rapide de stabilisation en temps réel avec une synchronisation en nanosecondes. Il est contrôlé par le générateur de signaux arbitraires de Spectrum (le modèle M2i.6012 numérisant les signaux à 20 Méch/s) et génère 500 impulsions par seconde pendant 24 heures par jour. Les signaux de lumière rétro-diffusée sont traités par le numériseur Spectrum M4i.4421 échantillonnant les signaux à la cadence de 250 Méch/s sur 16 bits. Les conditions à l’intérieur du laser sont mesurées avec une carte numériseur M4i.2221 échantillonnant les signaux à la vitesse de 2,5 Géch/s sur 8 bits. Le système traite plus de 1 Go de données par seconde 24 heures sur 24 avec un temps de réponse d’environ 1 ms après traitement des données mesurées en temps réel. Au total, 21 signaux sont gérés par un progiciel développé par l’Institut de physique atmosphérique de Leibniz.

« Nous avons conçu une solution compacte et intégrée en combinant une électronique rapide et flexible dotée de capacités de traitement temps réel, ce qui est une amélioration impressionnante par rapport aux solutions précédentes, encombrantes et difficiles à manipuler », a déclaré M. Höffner. « Notre ancien système nécessitait d’être transporté dans conteneur de 10 tonnes et de 6 m. Grâce au nouveau laser et aux solutions de Spectrum le poids du nouveau système a été réduit à 1500 kg. Nous avons presque achevé une intégration plus importante afin de le loger dans une boîte d’un mètre cube de seulement 250 kg, qui utilisera la même électronique et un laser plus compact et plus évolué. »
 

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