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1 . Repères) l : ÉLECTROMAGNÉTISME La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans!'atmosphère terrestre Par Hervé S! ZUN \ Maher AL NABOULSI 1, Frédérque De FORNEL 1 'lfrance Telecom R&D,'Équipe Optique de champ proche, LPUB UMR CNRS 5027 Mots clés Liaisons optiques atmosphériques (LOA), Absorption, Diffusion, Scintillation, Portée optique atmosphérique (POM), Visibilité, Modélisation, Mesures, Constructeurs de LOA 1. Introduction Les opérateurs de télécommunications se trouvent confrontés à une demande sans cesse croissante du volume d'informations à transmettre (voix, données, images). La montée en fréquence dans les systèmes utilisés constitue une des solutions, car elle est capable d'offrir des bandes passantes plus élevées et de permettre ainsi des débits plus importants. L'utilisation de liaisons optiques atmosphériques (LOA) dans la gamme des longueurs d'onde optiques visibles et infrarouges constitue ainsi un mode de transmission sans fil haut débit (plusieurs centaines de Mbit/s) à courte et moyenne portée (de quelques dizaines de mètres à quelques km). Les principales applications portent sur la téléphonie sans fil, les réseaux informatiques et la télévision haute définition. Plusieurs facteurs conditionnent la renaissance de cette technologie : la facilité et la rapidité de déploiement, l'absence de régulation, le faible coût des équipements et les débits offerts (2 Mbit/s à 10 Gbit/s) [il. Cette technologie utilise des faisceaux lasers de faible puissance garantissant un impact négligeable sur l'environnement. Ces faisceaux lasers mettent en jeu la transmission d'un signal optique (visible ou infrarouge) dans l'atmosphère terrestre. Ils interagissent avec les différents composants (molécules, aérosols) du milieu de propagation. Cette interaction est à l'origine d'un grand nombre de phénomènes tels qu'absorption, diffusion, scintillation. Elle ne connaît pour seule limitation que les forts brouillards, et permet de couvrir des distances n'excédant pas quelques kilomètres (4 kilomètres en air clair). mm m YNOPSIS Les différents aspects de la propagation des photons dans l'atmosphère terrestre dans le spectre des ondes optiques visibles et infrarouges sont présentés (absorption moléculaire et aérosolaire, diffusion moléculaire et aérosolaire, affaiblissement par la pluie, par la neige, effets des scintillations). s constituent la clé de toute bonne compréhension des futurs systèmes de communication utilisant l'optique non filaire. Le brouillard apparaît comme l'élément le plus pénalisant au fonctionnement des liaisons optiques atmosphériques. La Portée Optique Météorologique (POM), paramètre permettant de caractériser la transparence de l'atmosphère est définie et différents instruments de mesures tels que transmissomètre et diffusiomètre y sont décrits. La comparaison des données expérimentales permet de valider les modèles proposés dans la littérature Ces derniers permettent de maîtriser les niveaux de puissance d'émission des futures liaisons optiques atmosphériques en leur garantissant une dynamique suffisante, compte tenu de la variabilité des conditions optiques de propagation. Les liaisons expérimentales montrent que les LOA constituent une alternative fiable large bande à la pose des fibres optiques, et conduisent à une meilleure acceptation de cette technologie dans l'industrie des réseaux de télécommunications hauts débits. Quelques applications potentielles ainsi que quelques constructeurs de systèmes sont finalement cités. The various aspects of the infrared and visible optical waves propagation in the atmosphere are presented (molecular and aerosol absorption, molecular and aerosol scattering, rain and snow attenuation) They constitute the key of all good comprehension of the future free space optical communication systems (FSO). Fog appears as the more penalizing element in the free space optical link operation. The Runway Visual Range (RVP), parameter characterizing the atmosphere transparency is defined and various measuring instruments such as transmissometer and diffusiometer are described. The comparison of experimental data allows validating the models suggested in the literature. These models allow also the control of the emission power levels of the future free space optical links guaranteeing a sufficient dynamics taking into account the variabllity of the optical propagation conditions. The experimental links show that FSO constitute a broad band reliable alternative to the installation of optical fibres and to lead to a better acceptance of this technology in the industry of the high data rate telecommunications networks. Some potential applications as some manufacturers of systems are finally pointed out. No 6,7 2005

2 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans 'atmosphère terrestre Elle est donc adaptée à la construction des édifices proches. de réseaux reliant Un des challenges à relever reste une meilleure connaissance des effets de l'atmosphère sur la propagation dans ce spectre de fréquence, afin de mieux optimiser la synthèse des systèmes de communications sans fil à large bande et d'en évaluer les performances. Elle est un prérequis pour les tests d'équipements. Ce document est essentiellement consacré à cet aspect. Les effets atmosphériques relatifs à la propagation tels qu'absorption et diffusion moléculaires et aérosolaires, scintillations dues à la variation de l'indice de réfraction de l'air sous l'effet de variations de température, affaiblissement par les hydrométéores (pluie, neige) ainsi que leurs différentes modélisations (Kruse et Kim, Bataille, AI Naboulsi, Carbonneau..., etc.) sont présentés et confrontés à des résultats expérimentaux. La portée optique météorologique (POM), paramètre permettant de caractériser la transparence de l'atmosphère, est définie et différents instruments de mesures tels que transmissomètre et diffusiomètre y sont décrits. Quelques applications potentielles, ainsi que quelques constructeurs de systèmes, sont finalement cités. Aff,lii (d) = 1 Ologi 0 (1 lr (d» Le coefficient d'extinction o est la somme de 4 termes : cr =, + a, +, + bll où : 'a,-n est le coefficient d'absorption moléculaire (N,, 02, Hi, H0, C02, 03...), le lecteur se reportera à la structure et à la composition de l'atmosphère,. an est le coefficient d'absorption par les aérosols a (fines particules solides ou liquides présentes dans l'atmosphère (glace, poussière, fumées...), est le coefficient de diffusion de Rayleigh résul- Pin c tant de l'interaction de la lumière avec des particules de taille plus petite que la longueur d'onde,. ( est le coefficient de diffusion de Mie, qui apparaît lorsque les particules rencontrées sont du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de Zn l'onde transmise. L'absorption domine dans l'infrarouge, alors que c'est la dispersion qui est prépondérante dans le visible et l'ultraviolet. 2. La propagation de la lumière dans l'atmosphère Les performances caractéristiques des liaisons optiques atmosphériques de transmission de données dépendent du milieu, l'atmosphère terrestre, dans lequel elles se propagent. Celle-ci, due à sa composition, interagit avec le faisceau lumineux (optique ou infrarouge) : absorption et diffusion moléculaires et aérosolaires (brouillard, hydrométéores (pluie, neige...), scintillation due à la variation de l'indice de l'air sous l'effet des variations de température. L'affaiblissement atmosphérique résulte d'un effet additif d'absorption et de dispersion de la lumière dans les bandes infrarouges par les molécules de gaz et par les aérosols présents dans l'atmosphère. Il est décrit par la loi de Beer donnant la transmittance en fonction de la distance d : T (d) = P (d) P (O) e -O'ù' T (d) est la transmittance à la distance d de l'émetteur, 'P (d) est la puissance du signal à une distance d de l'émetteur, 'P (0) est la puissance émise,.? est t'affaiblissement ou le coefficient d'extinction par unité de longueur. L'affaiblissement en décibels est lié à la transmittance par l'expression suivante : 2.1. Absorption moléculaire Elle résulte de l'interaction entre le rayonnement et les atomes et les molécules du milieu (N2,02,Hl, H,0, CO,, 0,, Ar, etc). Elle définit différentes fenêtres de transmission dans le domaine visible et infrarouge (cf. figure 1). 1.. ",1.. "'i' " " i ;! j,,-,,... " "'! v " " - " -) " 1 -'''1 'f. 'il 1 1 \ i Il à : 1\ r.,...,\ _u.,,,,, """.,,,", VJ1 1 I n'i r..i t -=' L _. :' ; :.', se, J u _ : ;' -..,'1 t'''''*r-r-! F') -*---*'f- ; f- t Fane1= IF c'il! \ 1 : l, " ît_..t.ul... t t '3- " H._ *- " L 0 E! :. ; H ;' rt.t 5 I r,... - S : Ioîp''tilt-' ; h<.otb.'turf Figure?/. Ti-aiisiiiittai7c-e de l'atiiiosphère diie à l'absorption moléculaire Diffusion moléculaire Elle résulte de l'interaction de la lumière avec des particules de taille plus petite que la longueur d'onde. Une valeur approchée de m () suivantes : i6t), (A) = Alt est donnée par les relations.4 N'6/7 Jiiin/juillet 2005

3 m -Repères L'ÉLECTROMAGNÉTISME L nnity Î (km- 1 trn4) - P 0 7 PoT " extrêmement faible, et peut être négligée dans le calcul de l'affaiblissement global (extinction). Dans l'infrarouge lointain, ce n'est par contre pas le cas. Oll : P (mbar) est la pression Po o = mbar, T (K) est la température Tl, = 27'), 15 K. atmosphérique atmosphérique Il en résulte que cette diffusion est négligeable c t7 dans l'ir. La diffusion de Rayleigh c intéresse essentiellement le domaine UV jusqu'au visible. On lui doit notamment la couleur bleue du fond du ciel clair Absorption aérosolaire Elle résulte de l'interaction et et entre le rayonnement et les aérosols, fines particules en suspension dans l'atmosphère (glace, poussière, fumées, brouillard). Le coefficient d'absorption an est donné par la relation suivante : i i \,5 (21rr e Il - dn (r) a,, (Â) -- 10* o =0 0 /1 7 \ les aérosols, i dn (r) 7rr dr 'a,/), en km', est le coefficient d'absorption par ', en Lim, est la longueur d'onde,. dn (r)/dr, en cm', est la distribution de taille des particules par unité de volume, 'n " est la partie imaginaire de l'indice n de l'aérosol considéré,. r, en cm, est le rayon des particules, Q, (27Tr/., n ") est la section efficace d'absorption pour un aérosol de type donné. La théorie de MIE [2] permet de déterminer le champ électromagnétique diffracté par les particules sphériques homogènes. Elle permet d'évaluer les deux grandeurs physiques que sont la section efficace normalisée d'absorption Q et la section efficace normalisée de diffusion Qd. Elles dépendent de la taille des particules, de leur indice de réfraction et de la longueur d'onde du rayonnement incident. Elles représentent la section d'une onde incidente normalisée par la section géométrique de la particule (n i-'), telle que la puissance absorbée (diffusée) soit égale à la puissance passant par cette section. c L'indice de réfraction des aérosols dépend de leur composition chimique. Il est complexe et dépend de la longueur d'onde. Il est noté n = n'+ n " où n'est relié au pouvoir diffusant de la particule et n " concerne le pouvoir absorbant de cette même molécule. On remarque que, dans le visible et le proche infrarouge, la partie imaginaire de l'indice de réfraction est 2.4. Diffusion aérosolaire Elle résulte de l'interaction de la lumière avec des particules (aérosols, hydrométéores) de taille du même ordre de grandeur que la longueur d'onde. c Le coefficient de diffusion aérosolaire est donné en km'par la relation suivante : p Pli (Â) = 105f Qti n) Irr2dN ('-) dr A', en tm, est la longueur d'onde,. dn (r)/dr, en cm', est la distribution de taille des particules par unité de volume,. n'est la partie réelle de l'indice n de l'aérosol considéré, r, en cm, est le rayon des particules, Q,l (2Tcr/k), n ") est la section efficace de diffusion pour un aérosol de type donné. La distribution de taille des particules est généralement représentée par une fonction analytique telle que la distribution log-normale pour les aérosols et la distribution Gamma modifiée pour le brouillard [7-10]. Cette dernière est largement utilisée pour modéliser les différents types de brouillard et les nuages. Elle est donnée par la relation suivante [3], [4] : N == = ara exp (-br). N (r) est le nombre de particules par unité de volume et dont le rayon est compris entre r et r + dr, (Y., a et b sont des paramètres qui caractérisent la distribution des tailles de particules. Des logiciels de calcul de transmission atmosphérique tels que FASCOD, LOWTRAN et MODTRAN prennent en compte deux types particuliers de brouillard : le brouillard épais d'advection et le brouillard de convection ou de radiation modéré, qui sont modélisés par la distribution de taille Gamma modifiée. Les paramètres typiques sont donnés dans le tableau ci-après [5], [6]. N est le nombre total de particules d'eau par unité de volume (nb/cm'), r,,, est le rayon modal pour lequel la distribution présente un maximum (J..lm) West le contenu en eau liquide (g/m') V est la visibilité (m). dr associée au type de brouillard N " (, 7.11.kmi/ ;[iiii'jliillet u! Net20 [) 5 200

4 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans l'atmosphère terrestre a a b N W rm V Brouillard 3 0,027 0,3 20 0, d'advection Brouillard de 6 607, , radiation Tableaii 1. Les di,ffëi-eizts e 1 pai-aiii'ti-es caracte-isaiit la distribution des tailles de particules dans le cas d'un br (iiillarcl élyais d'ad,ectioii et iiii broliillai-d de t- (tdiatioiz. La théorie de Mie permet d'exprimer le coefficient de diffusion Qct due aux aérosols. Il se calcule en prenant comme hypothèse que les particules sont sphériques et suffisamment éloignées les unes des autres pour que le champ diffusé par une particule et arrivant sur une autre puisse être calculé en régime Zn de champ lointain. La section efficace de diffusion Qct est une fonction qui dépend fortement de la taille de l'aérosol par rapport à la longueur d'onde. Elle atteint son maximum (3,8) pour un rayon de particule égal à la longueur d'onde : la diffusion est alors maximale. Ensuite, lorsque la taille des particules augmente, elle se stabilise autour d'une valeur égale à 2. Il faut donc s'attendre à une fonction très se sélective par les particules de rayon inférieur ou égal cc à la longueur d'onde. Clairement, la diffusion dépend fortement de la longueur d'onde. La concentration des aérosols, leur composition et la distribution de leurs dimensions varient beaucoup dans le temps et dans l'espace, d'où la difficulté de prévoir les affaiblissements par ces aérosols. Bien que leur concentration soit étroitement liée à la visibilité optique, il n'y a pas une distribution unique des dimensions des particules pour une visibilité donnée. La visibilité caractérise la transparence de l'atmosphère estimée par un observateur humain. Elle est mesurée par la portée optique météorologique (POM). Le coefficient de diffusion est le facteur le plus pénalisant du point de vue de la propagation des ondes ZD optiques atmosphériques. Différents modèles existent dans la littérature : Kruse et Kim, Bataille, Al Naboulsi Modèles de Kruse et Kim Le coefficient d'atténuation pour les ondes optiques et proche infrarouge jusqu'à 2.4 um est approximé par la relation suivante : / \ D -'--' " - - nm 1 q1 v 5-0) 'V est la visibilité en km. est la longueur d'onde (nm). Le coefficient q caractérise la distribution des particules. Il est donné par la relation suivante [7]. q = f*\ Jf* f3 - tj V " 3 si v < si e V > 5OA7? ; si 6bpî < V < Il en résulte que l'affaiblissement décroissante de la longueur d'onde. est une fonction Des études récentes ont conduit à définir le paramètre q de la façon suivante [81 : 1.6 siy'> SI <v< g = 0. 16V ei Ikin < V < 6» n V où V est la visibilité. si 0,5km < V < si - : 0.5km Il en résulte que l'affaiblissement est une fonction décroissante de la longueur d'onde lorsque la visibilité supérieure à 500 m. Pour des visibilités inférieures, l'affaiblissement atmosphérique est indépendant de la longueur d'onde Modèle de Bataille Le modèle de Bataille [9] permet de calculer l'extinction moléculaire et aérosolaire pour six raies laser (0,83, 1,06, 133, 1,54, 3,82 et 10,591 f.un) par une approche polynomiale sur des liaisons terrestres proche du sol. Nous le détaillons ci-dessous Extinction moléculaire Le coefficient d'extinction linéique crm est obtenu par une expression à 10 termes : /II ID B,7 1 " +BI-I+B +B,T' 5T + e B6 H' H + B7 +B7 " H 2, Il +B87. H+BGH'+BIOT'). T = T (K)/273,15 est la température de l'air réduite, 'H, en g/m', est l'humidité absolue. Les coefficients Bi (i = 1,10), pour les différentes longueurs d'onde étudiées sont donnés dans la littérature [91, [16]. est W 6/7 Jtiiii/jiiillet 2005

5 Repères ) L'ÉLECTROMAGNÉTISME Extinction aérosolaire Le coefficient d'extinction linéique crn est obtenue par une expression à 10 termes : vallées. L'atténuation par un brouillard d'advection s'exprime par la relation suivante : ; , a v advection v Il In AI+A2H -- A3H+A4Hx +A5V- "' + 4V-y + A7HV- "' où : 0 k est la longueur d'onde (im), 'V est la visibilité. +A (-FI/V) y + 4H-/V + AIOHY-'L 2.5. Affaiblissement par la pluie où : 'V est la visibilité en km, 'H, en g/m\ l'humidité absolue. 'x, y, et z sont des réels servant à optimiser le polynôme pour chacune des longueurs d'ondes étudiées, l'ajustement de leur valeur s'effectuant pour que l'erreur relative maximale entre FASCOD2 et le polynôme soit inférieure à 5 %. Les coefficients Ai (i = 1,10), pour les différentes d'onde étudiées, sont donnés dans la littérature d'aérosol : rural et maritime [9], [16] Modèle d'ai Naboulsi pour deux types Al Naboulsi et al ont développé à partir de Fascod des relations simples permettant d'évaluer l'atténuation dans la gamme des longueurs d'onde 690 à 1550 nm et des visibilités allant de 50 à 1000 m pour deux types de brouillard : le brouillard d'advection et le brouillard de convection [10]. Le brouillard d'advection apparaît lorsque de l'air chaud et humide se déplace au-dessus d'un sol froid. L'air au contact du sol se refroidit La condensation et atteint son point de rosée. de la vapeur d'eau apparaît. Il apparaît plus particulièrement au printemps lorsqu'il y a des déplacements d'air chaud et humide du sud sur des régions couvertes de neige. L'atténuation par un brouillard d'advection s'exprime par la relation suivante : Â advecticet. est la longueur d'onde (! lm), 'V est la visibilité. Le brouillard à un refroidissement de rayonnement ou de convection est dû d'une masse d'air par rayonnement nocturne du sol lorsque les conditions sont favorables (vents très faibles, humidité élevée, ciel clair). Le sol perd sa chaleur accumulée durant le jour. Il devient froid. L'air se refroidissant à son contact atteint son point de rosée et l'humidité qu'il contient se condense. Un nuage touchant le sol se forme, plus particulièrement dans les L'atténuation par la pluie (db/km) est généralement donnée par la relation de Carbonneau [111 : Attiaiii = 1.076*Ro'>' La figure 2 montre les variations de l'atténuation linéique (db/km) dues aux précipitations dans le spectre optique et infrarouge. td Atténuation spécifique due aux précipitation 00.- "" n-0 ocj H x s E! 15,00 '' le,oa ' ô m 10 S,' 00 "' intensité des précipitations (mm/h) Figure 2. Affaiblissement Iiiiéiqtie (dblkm) due à la pluie clans la gainiie ol) tiqtie et iiifrarobige. La Recommandation ITU-R P.837 donne l'intensité de pluie Rp, dépassée pendant un pourcentage donné de l'année moyenne, p, et à un emplacement donné [12] Atténuation par la neige L'atténuation par la neige, fonction du taux de chute de neige, est donnée par la relation suivante : Attiieige [dblkm] = as' où : Attneige est l'atténuationpar la neige (db/km), 'S est le taux de chute de neige (mm/h). a et b sont des fonctions de la longueur d'onde données par les relations suivantes en fonction de la longueur d'onde en nanomètres (tableau 2) : Neige humide ; r,m Neige sèche a nm b 0.72 Tableau 2. Valeurs des coefficients a et b periiiettaiit de calculer l'atténuation par la neige (neige sèche et humide). W 6/7 Juin/juillet 2005

6 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans 'atmosphère terrestre Les atténuations en fonction du taux de chute de neige c à 1550 nm sont données sur les figures 3 et 4.. ", \, 1 1 Ir E 92 - «0 1,. " ia 10 `; "''-'cc "'- ;", " ", ;\ Ii "' ;' 1 ur G!: 1 0 Q & a 1 z s Figure 3. Neige humide : Atténuation en fonction du taux de précipitation à Figi (re 5. Dévicitioiz dujiiiscecii (solis l'in.flt (eiice de ceilliles de titrbitleiice pliis g-aiides qite le diaiièti-e dt (,fciisc-eait (déviation du faisceau). Affaissement par la neige sèche c D QDi ; r,- b) '? \ 't-'- E- ao 40-- _ ""---' "-' ---'._-w Y >CL, C, b -C-'5à 0 i. - 4U N *-**'" L : : t :&..-f... ;.* ; 4 rti :... Q Taux de précipition (mnvh) l Figure 4. Neige sèche.- Atténiiatioiz eii,foiictioii dit taux de précijgitation à 1550 niii. Figitre 6. Déviatioiz du.fiiisceciii soits l'iiflitelice de cellitles de turbulence plus petites que le diamètre du faisceau (élcirgisseiiieiit du faisceau) Scintillation Sous l'influence de la turbulence thermique, au sein du milieu de propagation, on assiste à la formation de cellules aléatoirement réparties, de taille variable (10 cm - 1 km) C,n In In -, ",'C\. et de température différente. Ces différentes cellules possèdent des indices de réfraction différents provoquant ainsi diffusion, chemins multiples, variation des angles d'arrivée : le signal reçu fluctue rapidement à des fréquences comprises entre 0,01 et 200 Hz. Le front d'onde varie de façon similaire provoquant focalisation et défocalisation du faisceau. De telles fluctuations du signal sont appelées W*lk r scintillations. Les figures suivantes schématisent cet effet ainsi que les variations (amplitude, fréquence) sur le signal reçu. Lorsque les hétérogénéités sont grandes par rapport à la section transversale du faisceau, il est dévié (figure 5) ; lorsqu'elles sont petites, le faisceau est élargi (figure 6). Lorsque les hétérogénéités ont différentes tailles, des grandes et des petites, on est en présence de scintillations (figure 7) [13]. Figit ; -e 7. Effets des différeiites hétérogéiieités de dilfféi-eiites tailles siii- la prol? agatioii d'tiii faisceait lasei- (sciiitillatioiis). L'effet de la scintillation troposphérique est généralement étudié à partir du logarithme de l'amplitude [db] du signal observé ( " log-amplitude "), définie comme le rapport en décibels de son amplitude instantanée à sa valeur moyenne. L'intensité et la rapidité des fluctuations N 6,'7 liiiii,jliillet 200

7 . RePères) l : ÉLECTROMAGNÉTISME (fréquence des scintillations) augmentent ZD avec la fré- quence de l'onde. Pour une onde plane, une turbulence faible et un récepteur ponctuel, la variance de " log-amplitude " de scintillation (Y,' [db2] peut s'exprimer par la relation suivante : 5 = 23.17*k "' *C2 *L " 16 Z n Pi 'k [m'j est le nombre d'onde (2Tcl.),. L[m] est la longueur de la liaison,. cil [rn est le paramètre de structure de l'indice de réfraction, représentant l'intensité de la turbulence. L'amplitude crête à crête de scintillation vaut 4 (y. et l'atténuation liée à la scintillation 2 (7,' Pour de fortes turbulences, on observe une saturation de la variance donnée par la relation ci-dessus [9]. On notera que le paramètre Ci, 2 n'a pas la même valeur aux ondes millimétriques et aux ondes optiques [14]. Les ondes millimétriques sont surtout sensibles aux fluctuations d'humidité tandis qu'en optique, l'indice de réfraction est essentiellement fonction de la température (la contribution de la vapeur d'eau s'avère négligeable). On obtient en millimétrique une valeur de de l'ordre de 10 l' M Ce qui est une turbulence moyenne (en général en millimétrique on a 10 " < Cil 1 < et en optique une valeur de Ci,'de l'ordre de 2 x 10''m 2/ ", ce qui est une turbulence faible (en Zn général en optique on a 10 " < C,2 < 10-'3), 191- La figure 8 donne la variation de l'affaiblissement des '& faisceaux optiques ayant une longueur d'onde de 1,5 flm pour différents types de turbulence sur des distances jusqu'à 2000 mètres. On trouvera en annexe 2 le code de visibilité international donnant les affaiblissements dans le visible (db/km) pour différentes conditions climatiques [8] :. Conditions météorologiques (temps très clair à brouillard dense) Précipitation (mm/h) : bruine, pluie, orage. Visibilité (50 km à 50 m) Affaiblissement lié à la scintillation (1,66 micron) 3. Résultats expérimentaux Nous présentons ci-après quelques résultats expérimentaux (figures 9-10) déduits de mesures d'affaiblissements en Zn fonction de la visibilité, réalisées dans le cadre du projet COST 270 en collaboration avec l'université de Graz [15]. 3. 1» 1» Comparaison avec le modèle de Kruse et Kim (850 nm) Les figures 9 et 10 montrent l'évolution de l'affaiblissement mesuré sur le site de la Turbie de l'atténuation s écif a a spécifique (db/km) du rayon lumineux à 850 nm et à 950 nm en fonction de la visibilité en présence de brouillard. Les résultats sont comparés au modèle de Kruse et Kim Comparaison avec le modèle d'a1 Naboulsi La figure 11 montre l'évolution de l'affaiblissement mesuré sur le site de la Turbie de l'atténuation spécifique (db/km) du rayon lumineux à 850 nm en fonction de la visibilité en présence de brouillard. Les résultats sont comparés au modèle d'al Naboulsi. = s0o - ;, n " i " n. a 1. " rrsr. Il p 1 l, I Ë l) I!- ;...-!-'U) i! L 4'500 o i I 400. d00 1. i i ', t 200-'. 300-', QO ÛO :. 1'1...1, " LÜ 1 == -; :' \J < hl "\IU,.- ;;,: :! I)! - god :) 1 I.= 400 : m M.a ' nn sn nn OID Turôulence faible Turbulence moyenne Forte turbulence 4, 300 i 200- v 100-1DO \ Distance (m) 0 o siej'duf nv Figi,ii-e 8.- Variatioii de l'affciiblisseiiieizt lié à la sciiitillatioiz eii,foiictioii de la distaiz (e potii- dffëreiits types de titi-biileilce à 1,55 jîiiet-oii. Figure 9. Variatioii de l'a,ffaiblisseiiient à eiifoiiction de la visibilité. Conzparaison avec le modèle de Kruse et Kim. W 6/7 Jiiiii/juiJ] ct 2005

8 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans l'atmosphère terrestre? A : GG7206x YI u^_es lfg0.147d -= Rrh----!---t ;----!---r ": ""; ''" -'.-''''' " " -" -r" -t _., ;-? d' On,ll 1 " h')'-!''kf] l, Lun [! _ t m,...!! î''i< ")!'".'H.! n! - 4l aao- = 33 3JJ - i ' <' 1-1SJ -' a'. 1J9 J F ; E 500 id " " 400 U1 o 300 o.1 4e ,. Modèle de AI Naboulsi (Advection) Atténuation mesurée à 850 nm o 100 Lee 2ec Îl C. ecc 71D GCC 9e r, D 1,4b111tf i ib dit tltt1 ii Visibilité (m) aaocnaoa? C.'OMCC irute--.1m&-i44n mtnucesle,co-laao - son oo ; 1 45J 1,... T'I`wnr.c ; n'ice1 wn Modèle de AI Naboulsi (Convection) Atténuation mesurée à 850 nm i 3D j jw JI I 203-' : 1 E 500 m 1 W400 u '. CL 1 c c.. l' IOD 2CC in ICI SOI 60C 7n Eco 9DD PCC,-'Z Visibilité (m) Figure ; Variation de l'affaiblisseiiieizt a 950 iiîi Figi (re Il. VciriÉitioii le l'affciiblisseiîieiit eii fonctioiz de Ici en foii (-tioii de la visibilité. Coiiilai-,iisoii (ii) e (- le iiiodèlei) isibilité ; Coi,il) cir (iisoii avec le iiioclèle d'al Niboiilsi de Kruse et Kim.. (tidvectioii et coiiye (-tioiz). La comparaison des mesures aux modèles existants dans la littérature montre un bon accord entre les mesures et les modèles proposés. De l'analyse des courbes précédentes, il apparaît que le modèle de AI Naboulsi, développé à partir de Fascod, est en excellent accord avec les mesures expérimentales pour les faibles visibilités ou les modèles de Krusc et Kim s'écartent notablement des mesures. 4. La Portée optique météorologique (POM) 4.1. La visibilité Définie à l'origine pour les besoins de la météorologie, la portée optique atmosphérique (ou visibilité) est définie par la longueur du trajet que doit effectuer dans l'atmosphère un faisceau de rayons lumineux parallèles, émanant d'une lampe à incandescence, à une température de couleur de 2700 K, pour que l'intensité du flux lumineux soit réduite à 0,05 fois sa valeur initiale. Elle caractérise la transparence de l'atmosphère. La figure 12 donne un exemple des variations de la POM observées sur le site de la Turbie (06) le 28 juin 2004 durant une journée de faible visibilité « m) et en présence de brouillard «1000 m). Elle est mesurée à l'aide d'un transmissomètre ou d'un diffusiomètre. Le transmissomètre est un instrument basé sur la perte de l'intensité de la lumière d'un faisceau de rayons lumineux dans l'atmosphère, laquelle dépend à la fois de l'absorption et de la diffusion. Le diffusiomètre donne une indication de la visibilité dans l'atmosphère d'après la mesure de la diffusion par un volume donné d'un faisceau de lumière Les instruments de mesure Le transmissomètre La méthode transmissométrique est la plus couramment utilisée pour mesurer le coefficient d'extinction moyen dans un cylindre d'air horizontal placé entre un No 67 JLtin/jtiillet 2005

9 Repères L'ÉLECTROMAGNÉTISME i L ii ii (1 b l q i 11 c i c [i c tt) ti i 1'Il GO q- illillilltil "'0-1 =03D- t fdoq - 1 oon a /- / cc : dlulc phoro : lccrnquè o E\IETTELR RE CE Il l'fr RL'troprojtcni 0 n 1 2-ZO 40C GIJC ecp 1 DOC 12CC i4ci r.! " kjt,s j igr 1 Figitre 14. lrci ; zsiiiissoiiièti-e ii faisceabi rfléchi. Figure 12. Vai-iatioii.ç (le la POM ob.yei-vée siii- le site de la Turbie le 28jiiiii L i l n e d e b a s e 1 :' : i! c c'1 \: 1I!: i <c''.1 -< : Source lumineuse cellule pholoèlectnque E\IElll? ll 1 -? 11, ii \IS1, 'n.' V\ " luma.!'tdi.unill ",im.uc tul- i.-'t.'.'lh </k!'''.'l!'te'.r E\IETTEL'R RECEPTEUR Fi Figure 15. Scli'ia eiilotii- la iiestire de ) isibilité par i «éti-odifflisioii. Figiire 13. Tratisiiiissoiiiètre à fiiisc-eait direct. émetteur composé d'une source lumineuse à flux constant et modulé, et un récepteur équipé d'un photo- 1 1 " 1 1 [Il 1 il 1 Il I,d, détecteur (le plus souvent une photodiode située au foyer d'un miroir parabolique ou d'une lentille). La source lumineuse la plus souvent utilisée est du type lampe à 1 li 1 il1, 1 =Z* halogène ou tube à décharge lumineuse dans le xénon. La modulation de la source lumineuse évite l'influence de la lumière parasite solaire. Le courant issu du photodétecteur détermine le facteur de transmission, ce qui P,l, ll> 1 (1, permet de calculer le coefficient d'extinction et la POM. Il existe deux types de transmissomètre [16] :. ceux dont l'émetteur et le récepteur sont placés dans des boîtiers différents et placés à une distance connue l'un de l'autre (figure 13),. ceux dont l'émetteur et le récepteur sont placés Figure 16. Schéma pour la mesure de la visibilité par la technigue de la diffiision avaizt. dans le même bottier, la lumière émise est réfléchie par un miroir ou rétroréflecteur placé à distance (figure 14). La distance parcourue par la lumière entre l'émetteur et le récepteur est communément appelée " base du transmissomètre " et peut varier de quelques mètres à 300 mètres Le diffusiomètre La méthode la plus pratique pour effectuer cette mesure consiste à concentrer un faisceau lumineux sur un petit volume d'air et à déterminer, par des moyens photométriques, la proportion de lumière diffusée dans un angle solide suffisamment grand et dans des directions c qui ne sont pas privilégiées. No 6 7 Juiti,,Iuillct 2005

10 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans 'atmosphère terrestre Deux types de mesure sont utilisés dans ces instruments : la diffusion arrière et la diffusion avant [16]. difftision arrière oit rétrodiffiision (figure 15) : le faisceau lumineux est concentré sur un petit volume d'air, il est rétrodiffusé et collecté par la cellule photoélectrique.. diffusion avant : les instruments sont constitués d'un émetteur et d'un récepteur dont les faisceaux d'émission et de réception font entre eux un angle de 20 à 50 degrés (figure 16) ; d'autres dispositifs placent un diaphragme à mi-distance entre l'émetteur et le récepteur, ou deux diaphragmes placés près de l'émetteur et du récepteur. 5. Applications et constructeurs Les liaisons optiques atmosphériques (LOA) peuvent constituer une solution rapide et peu coûteuse dans les situations suivantes [1] :. lorsque l'utilisateur n'est pas propriétaire du terrain sur lequel il souhaite poser son câble de transmission (fibre optique, câble de cuivre),. lorsque les obstacles sont difficilement franchissables telles que traversée d'autoroute, de rivière, etc.. lorsque la liaison doit être opérationnelle très rapidement et à faible coût,. lorsque la liaison doit être opérationnelle temporairement pour des événements bien particuliers (salons, jeux olympiques, course, action commerciale pour répondre à un besoin d'un client...),. lorsque les environnements géographiques sont sujets à des perturbations climatiques importantes telles la foudre ou saturés en liaisons radioélectriques (usine, aéroport...),. lorsque la liaison doit être installée d'urgence pour rétablir une connexion temporairement détruite (par exemple, lors de l'attentat du Il septembre 2001 à New York, de nombreuses liaisons optiques furent installées pour assurer les connexions téléphoniques et informatiques,. lorsqu'on souhaite fermer une boucle optique pour des questions de sécurité (ATM à 155 Mbit/s, WDM à 10 Gbit/s),. lorsqu'on souhaite disposer de liaisons informatiques hauts débits (Ethernet : 10 Mbit/s, FastEthernet : 100 Mbits/s, Gigabit Ethernet : 1 Gigabit/s, FFDI...) ou téléphoniques. lorsqu'on souhaite relier les différentes cellules urbaines GSM et UMTS. Au niveau plus opérationnel, on peut citer les applications suivantes : Les liaisons de r-accordement " backhaul " de la téléphonie niobile. La technologie " LOA " constitue une alternative aux connexions par câbles permettant un transfert important d'informations entre les stations de base et l'infrastructure du réseau. Elle permet de s'affranchir également des faisceaux hertziens, largement employés lors du déploiement du réseau 2G (GSM et DCS). Disposant d'une plus large bande passante, elle est appropriée aux applications multi média. La connexion Interiiet à haut débit sur le dernier kilomètre. Les LOA constituent une solution pratique et économique à la couverture du " dernier kilomètre " en complément des liaisons radioélectriques. Bénéficiant des progrès accomplis dans le cadre du développement de la fibre optique, elles offrent des débits importants ne nécessitent aucune licence d'utilisation. Les liaisons sécurisées. La finesse des faisceaux et leur invisibilité (utilisation de l'infrarouge) assurent aux LOA une parfaite discrétion. De ce fait elles sont plus particulièrement utilisées dans les instances gouvernementales (la défense notamment), et par les entreprises en quête de confidentialité. L'interception du faisceau ne peut être réalisée qu'en se plaçant avec le même matériel sur la trajectoire du faisceau, interrompant de ce fait la communication avec l'utilisateur. Des systèmes de cryptage de l'information à toute éventualité. La télévision haccte définition. transmission sont d'autre part utilisés pour parer et Les LOA, permettant la de données à haut débit, sont parfaitement adaptées au transfert d'un nombre important d'images numériques entre bâtiments par exemple, ou lors de manifestations temporaires particulières. Plusieurs produits sont proposés par des sociétés à des longueurs d'onde proches de l'optique pour des débits de plusieurs centaines de Mbit/s sur des distances de l'ordre de quelques km. Une liste non exhaustive est donnée en annexe Conclusion Les différents aspects de la propagation des photons dans l'atmosphère terrestre ont été présentés (absorption moléculaire et aérosolaire, diffusion moléculaire et aérosolaire, affaiblissement par la pluie, par la neige, effets des scintillations). Ils constituent la clé de toute bonne compréhension des futurs systèmes de communication utilisant l'optique non filaire. Le brouillard apparaît comme l'élément des liaisons optiques atmosphériques. le plus pénalisant au fonctionnement La comparaison des données expérimentales a permis de valider les modèles proposés dans la littérature. Ces derniers permettent de maîtriser les niveaux de puissance t d'émission des futures liaisons optiques atmosphériques, d en leur garantissant une dynamique suffisante compte tenu de la variabilité des conditions optiques de propagation. No 6/7 JuiniLtillet 2005

11 epères L'ÉLECTROMAGNÉTISME Les liaisons expérimentales permettent de montrer que les LOA constituent une alternative fiable large bande à la pose des fibres optiques, et de conduire à une meilleure acceptation de cette technologie dans l'industrie des réseaux de télécommunications hauts débits. Afin de mieux appréhender la disponibilité d'une liaison optique atmosphérique, le lecteur se référera à des outils de simulation de la qualité de service. Ils permettent, pour un site géographique donné, de déterminer la disponibilité et la fiabilité d'une liaison en fonction des paramètres systèmes (puissance, longueur d'onde, caractéristiques du matériel) et des paramètres climatiques et atmosphériques. Ils intègrent les différents phénomènes physiques responsables de la rupture des liaisons tels que les atténuations dues à la lumière ambiante, à la scintillation, à la pluie, à la neige et au brouillard [17]. 7. Références [Il 0. BOUCHET, H. SIZUN, BOISROBERT, F. DE FORNEL, PN. FAVENNEC ; " Optique sans fil,'propagation et Communication " ; Collection Technique et Scientifique des Télécommunications, Hermès, 2004, [2] MIE, Ann. de Phys., 25, , [3] EP SHETTLEand R.W. FENN, " Models for the Aerosols of the Lower Atmosphere and the Effects of Humidity Uariations on Their Optical Properties " AFGL-TR , Air Force Geophysical Laboratory, Bedford MA 01731, 1979 [41 D. DEIRMENDJIAN, " Electromagnetlc scattering on spherical polydispersions ", Elseiver New York [51 E. P SH ETTLE, " Models of aerosols, clouds and precipitation for atmospheric propagation studies ", Atmospheric propagation in the UV, Visible, IR and MM wave region and related systems aspects AGARD conference Proceeding 454 (15) 1-13, [61 M.R. CLAY and A.P. LENHAM, " Transmission of electromagnetlc radiation in fogs in the , Ipm wavelength range ", Applied Optics, 20 (22), [71 P.VV. KRUSE and al. ; " Elements of infrared technology : Generation, transmission and detection ", J. Wiley and sons, New York, [ KIM, B. MCARTHUR, KOREVAAR, " Comparisonoflaser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications ", Proc SPIE, 4214, 26-37, [91 P. BATAILLE ; " Analyse du comportement d'un système de tèlécommunlcations optique fonctionnant à 0,83 Ilm dans la basse atmosphère ", Thèse de doctorat, Université de Rennes, [101 M. AL NABOULSI, H,SIZUN DE F. FORNEL ; " Fog Attenuation Prediction for Optlcal and Infrared Waves ", Journal SPIE (International Society for Optical Engineering, [111 T.H. CARBONNEAU, D.R. VVISELEY, " Opportunities and challenges for optical wireless ; the competitive advantage of free space telecommunications links ln today's crowded market place ", SPIE Conference on optical wireless communications, Boston, Massachusetts, Vol 3232, [12] Rec. UIT R P.837-4, Caractéristiques des précipitations pour la modélisation de la propagation, UIT-R, 2004 [13] H. WEICHEL, " Laserbeampropagation in theatmosphere ", Roy F. Potter, Series Editor, The international society for optical engineering, Bellingham, Washington, Etats Unis, 1989 Mie, ann, Phys.,25, , [141 H. VASSEUR, C. OESTGES, A. VANDER VORST, " Influence de la troposphère sur les liaisons sans fil aux ondes millimétriques et optiques ", Propagation électromagnétique du décamétrique à l'angstrdm, 3c''es journées, Rennes, M. GEBBART, E. LEITGEB, M. AL NABOULSI, H. SIZUN, DE F. FORNEL, " Measurements of light attenuation at different wavelengths in dense fog conditions for FSO applications ", STSM-7 COST270, 2004, [161 Y COJAN, J.C. FONTANELLA ; " Propagation du rayonnement dans l'atmosphère ", Techniques de'ngénteur, Traité Electronique, E4030, pp.1-30, [17] M. CHABANE, M. AL NABOULSI, H. SIZUN, 0. BOUCHET, " A new Quality of Service FSO software ", ECPS'05, Brest, EI Ed e u Hervé Sizun, titulaire d'une thèse de doctorat de 3ème cycle de l'université de Rennes, est ingénieur à France Télécom Recherche et Développement Expert senior, Il est spécialiste de la propagation en espace libre des ondes électromagnétiques (radio et optique), Il participe aux travaux à la Commission d'etudes 3 du secteur des Radiocommunications de l'union Internationale des Télécommunications (U! T-R). Maher Alnaboulsi, doctorant à France Télécom Recherche et Développement, est actuellement affecté au sein de l'équipe de recherche " Optique de champ proche " au laboratoire de Physique de l'université de Bourgogne. Il a plus particulièrement travaillé sur l'influence du brouillard sur la propagation des ondes optique et infrarouge. Frédérique de Fornel est directeur de recherche au CNRS, spécialiste des ondes évanescentes et de la propagation optique guidée et non guidée. Elle dirige équipe de recherche " Optique de champ proche au laboratoire de Physique de l'université de Bourgogne. Elle est présidente de la commission " EJectronique et Photonique du CNFRS IURSI France) et vice-présidente de cette commission à URSI (Union Radio Scientifique Internationale), No 6/7 Jtiiii/juillet 2005

12 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans 'atmosphère terrestre Annexe 1 : Constructeurs d'équipements de liaisons optiques atmosphériques Le lecteur trouvera ci-après une liste non exhaustive d'équipementiers de liaisons optiques atmosphériques : AdvaLase Corporation, 224 DP Road, P.O. Box 1248, Los Alamos, NM 87544, USA, Phone : , Fax : , AirFiber Inc Via Esprillo, San Diego California USA, toll free US, Phone, fax, Aoptix Technologies Inc. 580 Division Street, Campbell, CA 95008, Phone : (408) , Fax : (408) , Cablefree Solutions Limited, Cablefree House, 1 St. Clare Business Park, Holly Road, Hampton Hill, Middlesex TW 12 1 PZ UK, Phone : +44 (0) Fax : +44 (0) Canon Inc. Broadcast & Communications Division (Headquarters), 400 Sylvan Avenue, Englewood c Cliffs, NJ 07632, Phone : (201) , Fax : (201) Communications by Light (Gesellschaft für optische Kommunikationssysteme mbh) (CBL), Darmstadter Str. 81, Münster near Dieburg, Germany, Phone : +49 (0) 60 71/303 Fax : +49 (0) 60 71/ http ://www.cbl.de. http ://www.airlaser.de// Celerica, Inc., 55 Madison Avenue, Suite 400, Morristown, Phone : , Fax Crinis Networks, Inc., 2099 N. Collins Blvd., Suite 200, Richardson, Texas Phone : , Fax : httl2 ://www.crinisnetworks.com/ Digital Atlantic Inc, Dominion Lasercom Inc., 14 Cardinal Park Drive, Suite 102, Leesburg, VA USA, Phone : fsona Communications Corporation, # Horseshoe Way, Richmond, B.C. Canada, V7A 5H7 Phone : , Fax : NJ GoC AG, Vor der Pforte 19, Dreieich, Germany, Phone : , Fax : , Holoplex Technologies Inc, 600 South Lake Avenue, Suite 102, Pasadena, California 91106, USA Phone : Ext Fax : IrLan P.O.Box 288, Yokneam 20692, Israel Phone : , Fax : Katharsis Ltd., (formerly or aka Acropolis Computer Systems), 20, Admiral Lazarev Emb., Saint-Petersburg, , Russia Phone : ++7 (812) Fax : ++7 (812) Lightpointe, Barnes Canyon Rd. San Diego, CA USA, Phone : , Fax : LSA Photonics, 180 Gordon Drive, Suite 106, Exton, PA 19341, USA, Phone : (610) Fax : (610) Maxima Corporation, Sorento Valley Rd, Suite B, San Diego CA 92121, USA, Phone : , Fax : MRV Communications Inc., (Also Optical Crossing and Optical access), (West Coast USA) Nordhoff St., Chatswoi-th, CA 913 Il Phone : , Fax : Omnilux, Inc., 130 West Union Street, Pasadena, CA 91103, USA Phone : (626) , Fax : (626) Optel, HolzKopfel 1, Schenefeld/Hamburg, Germany Phone : (+49 40) Fax : (+49 40) PAV Data Systems Ltd, Windermere Business Centre, Oldfield Court, Windermere, Cumbria, LA23 2HJ N 6,7 Jtiiiiijuillet 2005

13 L'ÉLECTROMAGNÉTISME Phone : Fax : Plaintree Systems Inc., 2081 Merivale Road, Suite 1300, Ottawa, Ontario K2G IG9, Canada Phone : , Fax : Sceptre Communications (UK) Ltd. Singleton Court Business Park, Wonastow Road, Monmouth, NP25 5JA, Wales, u.k.. Phone : +44 (0) , Fax : +44 (0) Shakticom, Espace Legendre, 33 rue Max Linder Libourne, France, Tel : +33 (0) Fax : +33 (0) Terabeam Corporation, Willows Road NE, Kirkland, WA 98034, Phone : , Fax : Annexe 2 : Code de visibilité international Condition météo Brouillard dense Code de visibitité International Précipitation mm/h Visibilité (m) IAffaiblissement (db/km Brouillard épais Srouillard modéré Brouillard léger Orage ,3 Brouillard très lége ,8 Neige Forte pluie ,6 Brume légère Pluie moyenn 12, , ,1 Brume très légère Pluie légère 2, 'l Temps clair Bruine , ,54 Temps très clair , ,19 W 6/7 Juiii/juillet 2005

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