Conception réalisation et mise en oeuvre d'un scintillomètre : influence de la vapeur d'eau dans la bande 940nm

Designing and making a scintillometer : influence of water vapour in the 940nm band

• Auteur / Autrice : Pierre-Adrien Solignac
• Direction : Jean-Philippe Gastellu-Etchegorry, Aurore Brut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microondes, electromagnetisme et optoélectronique
• Date : Soutenance le 09/12/2009
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études spatiales de la biosphère (Toulouse ; 2001-....)

Mots clés

Mots clés libres

Scintillométrie

Instrumentation

Flux de surface

Absorption

Transformée de Gabor

Scintillometry

Instrumentation

Surface flux

Absorption

Gabor transform

Résumé

L'atmosphère et la surface terrestre interagissent en permanence par le biais des échanges d'énergie et de matière. Ces flux jouent un rôle important dans l'étude de l'hydrologie des surfaces ou de l'écologie terrestre, ou bien encore l'étude des phénomènes météorologiques et climatiques. En effet, ils représentent les conditions aux limites des différents compartiments du système Terre et la quantification de ces échanges à différentes échelles spatiales est indispensable pour les modèles de prévision. Les mesures de flux d'énergie sont très répandues pour des mesures très localisées, in situ et au sol. Cependant, peu d'instruments de mesures permettent d'obtenir des flux intégrés sur des distances de l'ordre de la centaine de mètres à quelques kilomètres, c'est-à-dire des distances correspondant à la représentativité des pixels des images satellitaires. On compte parmi eux les scintillomètres, instrument de mesure optique, permettant de calculer les flux intégrés de chaleur sensible à partir des mesures de paramètres caractérisant l'intensité turbulente de l'atmosphère tels que le paramètre de structure de l'indice de réfraction de l'air Cn². La présence de vapeur d'eau dans l'atmosphère peut cependant perturber le signal de ces instruments. L'objectif de ce travail est le développement et la mise en oeuvre d'un scintillomètre optique permettant de mettre en évidence la contribution de l'absorption par la vapeur d'eau sur les scintillations. Les études menées à partir du développement instrumental ne s'orienteront qu'autour de la bande d'absorption à 940nm, longueur d'onde d'émission de certains scintillomètres LAS (Large Aperture Scintillometer). Au début de ma thèse, un prototype de scintillomètre, type LAS, a été conçu de façon à maitriser complètement la technologie : partie optique électronique et le traitement du signal reçu. Celui-ci a ensuite été installé au-dessus d'un site de cultures dans les environs de Toulouse, au cours des années 2007 et 2008. Les résultats obtenus avec ce prototype ont permis d'optimiser le choix de la méthode de calcul H à partir du Cn², en fonction du rapport de Bowen (rapport du flux de chaleur sensible sur le flux de chaleur latente). Les variations de l'intensité lumineuse de l'onde, menant au Cn², sont principalement dues à des effets de réfraction et de dispersion, maissont aussi sensibles à l'absorption de la vapeur d'eau. Afin de quantifier l'influence de 'absorption sur le signal Cn², j'ai utilisé 2 approches : une première approche par filtrage numérique (‘Gabor Transform'), et une seconde, par méthode chromatique. Cette dernière a nécessité de modifier considérablement le système optique du prototype LAS. Les résultats obtenus expérimentalement montrent que la contribution de l'absorption à la mesure du Cn² est en moyenne assez faible, mais qu'elle peut prendre de forte valeur, principalement lors de faibles flux H. La quantification de l'absorption par méthode hromatique est pour l'instant limité au développement technique de l'instrument.

Atmosphere, soil and vegetation are in interactions by the bias of energetic or matter exchanges. This latters have an important impact on hydrology, ecology, meteorology. Actually, they represent the boundary conditions of the Earth-Atmosphere system. Then, the quantification of these exchanges or fluxes is necessary to understand large scales phenomena and to improve forecasting models. Numerous devices are able to quantify these fluxes at local scales, but few are available to measure them over kilometres, which mean at the resolution of remote sensing datas. Amongst them, we can notice the scintillometers that are able to calculate sensible heat fluxes over distances from hundred meters to few kilometres. Actually, these devices are sensitive to variations of the refractive index of air, mainly due to turbulent eddies, defined by the structure parameter of refractive index : Cn². However, this measurement can be altered by the presence of water vapour in the air. Thus, the aim of this work is to design and make a scintillometer which is able to quantify the water vapour contribution on the Cn² measurement. In this thesis, we will focus on this contribution in the 940nm band which is the wavelength of various scintillometers LAS (Large Aperture Scintillometers). At the beginning of my PhD thesis, un scintillometer prototype has been realised in order to master the technology : optics, electronics, signal processing…This latter has been set up over crops at a few kilometres from Toulouse, between 2007 and 2008. Thanks to the results of this scintillometer, we optimize the choice on the Cn² to H algorithm, according to the Bowen ratio ß (ratio of sensible to latent heat flux). Variations of the light beam, leading to the Cn², are mainly due to refraction and dispersion effect. However, absorption can be important. In order to quantify the contribution of absorption on the Cn², 2 methods are suggested : one based on signal processing aspect (Gabor filtering), and the second one on two wavelengths propagation. To realize this latter the optics and electronics of the device have been really modified. Results show that absorption contribution is small, but can be important for low H values. Finally, the quantification of absorption by two wavelengths approach is nowadays bounded to instrumental development.