LIDAR pour la mesure du CO2 atmosphérique. et du vent (COWI) Fabien Gibert, Dimitri Edouart, Claire Cénac, C Mounier, Jihane Sayadi, Pierre Flamant
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- Stéphane St-Hilaire
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1 LIDAR pour la mesure du CO2 atmosphérique et du vent (COWI) Fabien Gibert, Dimitri Edouart, Claire Cénac, C Florian Le Mounier, Jihane Sayadi, Pierre Flamant Laboratoire de Météorologie M Dynamique Institut Pierre et Simon Laplace Equipe Atmosphère, Biosphère et Climat, TélédétectionT gibert@lmd.polytechnique.fr 1
2 Echelle temporelle siècle Cycle du carbone, flux de CO 2 et continuité d échelle Echelle spatiale verticale Modélisation décade année Inventaire biomasse Inventaire Atmosphérique (concentration + modèle de transport) mois jour Chambre à flux Tour de Flux + modèle écosystème Observations LIDAR heure (1 m) 2 (1 km) 2 (100 km) 2 (1000 km) 2 R Terre régional continent globe Echelle spatiale horizontale 23 Juin 2010 AEI Brest 2
3 Mesure 3D de la concentration du CO 2 atmosphérique Projet Sentinelle : fuite d un site de séquestration, Bilan global des échanges de CO 2 (-5000 m 2000 m) 23 Juin 2010 AEI Brest 3
4 Mesure de flux de CO 2 par corrélation turbulente. Echanges aux interfaces: surface couche limite troposphère libre Etude de la diffusivité des scalaires dans la couche limite, recherche de nouvelles paramétrisations Troposphère libre Entraînement Flux d entraînement w' c'( h) Couche résiduelle Couche limite Atmosphérique (CLA) KC Diffusivité Flux Surface, NEE Advection verticale Advection horizontale Couche nocturne Tour de flux w'c'(0) surface 23 Juin 2010 AEI Brest 4
5 COWI/s et mission spatiale Tropo. libre CLA COWI/s Tests de sous-ensembles d un instrument spatial: - spectroscopie à 2051 nm (raie R30 de CO2) - détection directe - asservissement spectral - mesures intégrées sur cibles nuageuses Validation de missions spatiales en cours et futures: IASI et GOSAT (COWI/s est transportable et peut effectuer des mesures intégrées dans la tropo libre et résolues dans la couche limite) Contribution à la précision des modéles de transport nécessaire pour toute mission spatiale type MERLIN ou EXCALIBUR 23 Juin 2010 AEI Brest 5
6 Principe du lidar COWI 23 Juin 2010 AEI Brest 6
7 Processus absorption & diffusion de Mie Dynamique LIDAR DIAL hétérodyne ATMOSPHERE molecules & particles pressure, temperature, τ = 1 2 Ln 2 i H,Off 2 i H,On - Distance R= ct/2 - Structure/layering - Rétrodiffusion On, Off - Vitesse radiale Off - Epaisseur optique On/Off - CO 2 rapport de mélange Données spectroscopiques météorologiques λ ON λ OFF λ OFF Estimateurs puissance, vitesse LIDAR EMETTEUR LASER Oscillateur Local (P OL ) λ ON Récepteur telescope Photomixage Laser pulsé à 2 µm (P) Signal & bruit Calibration Métrologie AD Conversion 23 Juin 2010 AEI Brest 7 i H P OL Pe i2πν H t TRAITEMENT DU SIGNAL
8 Objectifs géophysiques Spécifications instrumentales (1/2) Mesures en 3 dimensions Mesures simultanées de la vitesse de vent et du rapport de mélange du CO2 atmosphérique Résolution temporelle et spatiale élevée (Gibert et al. JTECH, 2010) Conditions pour 50 % d erreur sur un profil de flux moyen (2h- 200m) Résolution spatiale Résolution temporelle Précision vitesse radiale Précision concentration CO2 Monitoring 100 m 10 min 0.5 m/s 4 ppm Flux 200 m 20 s 0.5 m/s 10 ppm 23 Juin 2010 AEI Brest 8
9 Objectifs géophysiques Spécifications instrumentales (2/2) (Gibert et al. JTECH, 2010) Numerical simulation: 5 mj σ ( ) ( ppm) ρ CO2 4 khz β = 10-6 m -1 sr -1 Dtel = 0.1 γ= 0.1 heterodyne efficiency Transmission in /out = 0.5 R:range gate = 200 m Mt: Nb temporal speckles ~10 ( t=100ns) Ms: Nb shots Temporal resolution: 10s 23 Juin 2010 AEI Brest 9
10 scanner DETECTION Atmosphere COWI: schema instrumental Dual-balanced InGaAs photoreceiver 50:50 PC control Electronics Signal Processing A/D 2-µm PULSED LASER Heterodyne detection D D Reference Ho:YLF CW Tm Fiber laser D COWI/s resonance detector λ/2 80:20 PZT MAO Q-switch Telescope λ/4 PBS SEEDER cw off-line EO Switch & 90:10 80:20 LOCAL cw on-line (co2) OSCILLATOR Lambdamètre 23 Juin 2010 AEI Brest 10 λ/2
11 Résultats expérimentaux 23 Juin 2010 AEI Brest 11
12 Cavité laser de puissance (1/2) Régime pulsé déclenché 1939 nm CW Tm Fiber laser Ho:YLF Lyot MAO PZT P (W) T T=20% TEM cm Longueur d onde 2050 nm Polarisation linéaire 23 Juin 2010 AEI Brest 12
13 Cavité laser de puissance (2/2) Optimisation pour une détection hétérodyne 1 - Optimisation de l efficacité: Énergie/ impulsion P CNR = >1 P bruit 2 - Optimisation du nombre d échantillons indépendants ( ρ ) PRF CO 2 t / 23 Juin 2010 AEI Brest 13 σ
14 Injection, méthode «ramp & fire» (1/3) 1939 nm MAO CW Tm Fiber laser D Détecteur pics de résonance de l injection Oscillateur de Ho:YLF puissance à Lyot 2 µm Isolateur P (W) MAO CW Tm, Ho laser Shifter 50 MHz Battement hétérodyne 23 Juin 2010 AEI Brest 14 D
15 Injection, méthode «ramp & fire» (2/3) Porte = 1 ISL 2 khz 1 mj 130 ns PZT Porte Q-switch Pics de résonance de l injection Impulsion laser déclenchée sur l injection 23 Juin 2010 AEI Brest 15
16 Injection, méthode «ramp & fire» (3/3) 1 m/s ν ~ 1 MHz 23 Juin 2010 AEI Brest 16
17 Oscillateur local / Injection Méthode Pound-Drever-Hall/ positionnement spectral λ (nm) DFB Modulation courant Commande température Module PDH PID - Labview Signal d erreur 100 mbar CO 2 Photodiode démodulation R nm P (W) σ = 10 MHz Ok pour un positionnement en centre de raie 23 Juin 2010 AEI Brest 17
18 Calendrier Juin Juin 2010 AEI Brest 18
19 Campagnes de terrain sept 2011 Site émitif, Lacq, Pau X Site de séquestration géologique de CO2, Rousse, Pau 23 Juin 2010 AEI Brest 19
20 EXAMPLES Field experiment in Park Falls, Wisconsin, 8-25 June 2007 subsidence Lidar reflectivity Off-line Storm - rain Vertical velocity Nocturnal jet Horizontal wind speed Horizontal wind direction 23 Juin 2010 AEI Brest 20
21 Financements INSU ANR CNES Budget total: 450 ke Le projet COWI: calendrier, ressources humaines et financières Réception équipement Electronicienne Claire Cénac (IR2) 2 permanents F. Gibert (CR2) D. Edouart (IR2) 2 CDDs financés par le CNES 23 Juin 2010 AEI Brest 21
22 Interfaces continuité d échelle verticale h 0 1 V m c dz t = w' c'(0) w' c' h 1 V c z h 1 V c x c y ( h) + w( z) dz + u( z) + v( z) dz 0 m 0 m ATMOSPHERE CO 2 & aerosols particles Troposphère libre Entraînement Couche résiduelle c + Couche limite Atmosphérique (CLA) M c Flux d entraînement w' c'( h) Flux Surface, NEE A Advection verticale M Advection horizontale Couche nocturne Tour de flux w'c'(0) A BIOSPHERE GEOSPHERE surface 23 Juin 2010 AEI Brest 22
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