La propagation des ondes optiques et infrarouges dans l'atmosphère terrestre CNFRS/URSI (Paris) le 24/02/2005

1. La propagation des ondes optiques et infrarouges dans l'atmosphère terrestreCNFRS/URSI (Paris) le 24/02/2005 M. Al Naboulsi; H. Sizun; F de Fornel

2. Introduction • LOA /FSO • Mode de transmission sans fil très haut débit (quelques Gbits/s) sur des portées de quelques km (4-5 km) en atmosphère libre dans la bande optique et infrarouge. • Applications • Téléphonie sans fil (Backhaul 3G) • Réseaux informatiques • Télévision haute définition • Avantages / FH, fibre optique • Absence de régulation (fréquence gratuite) • Absence d'interférences des autres systèmes • Facilité et rapidité de déploiement • Faible coût des équipements • Débits élevés (2 Mbits/s – 10 Gbits/s)

3. Introduction • Inconvénients • Elles mettent en jeu la transmission d'un signal (optique ou infra rouge) dans l'atmosphère terrestre • Affaiblissement en espace libre (affaiblissement géométrique) • Interaction avec les différents constituants de l'atmosphère (molécules, aérosols (brouillards, fumées), hydrométéores, …) • Affaiblissement atmosphérique • Absorption (molécule, aérosols, hydrométéores) • Diffusion (molécules, aérosols) • Scintillation (variation de l'indice de l'air sous l'effet de la température)

4. Affaiblissement géométrique • Sd : Surface du faisceau lumineux à la distance d (m2) • Scapture : Surface de capture du récepteur (m2) • θ : Divergence du faisceau (rad) • d : Distance Emetteur/Récepteur (m)

5. Affaiblissement atmosphérique • Résulte d'un effet additif d'absorption et de dispersion de la lumière par molécules et aérosols • Loi de BEER-LAMBERT (Transmittance/distance) • τ(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, • σ est l'affaiblissement ou le coefficient d'extinction par unité de longueur. • L'affaiblissement est relié à la transmittance

6. Le coefficient d'extinction • Le coefficient d'extinction σ est la somme de 4 termes : • - αm est le coefficient d'absorption moléculaire (N2, O2, H2, H2O, CO2, O3, ..), • - αn est le coefficient d'absorption par les aérosols (fines particules solides ou liquides présentes dans l'atmosphère (glace, poussière, fumées, …), • - βm est le coefficient de diffusion de Rayleigh résultant de l'interaction de la lumière avec des particules de taille plus petite que la longueur d'onde, • - βn est le coefficient de diffusion de Mie, elle apparaît lorsque les particules rencontrées sont du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de l'onde transmise.

7. Le modèle de KRUSE • Le coefficient d'atténuation : • où: • V est la visibilité (km) • λnm est la longueur d'onde (nm) • L'exposant q caratérise la distribution des particules • L'affaiblissement est un fonction décroissante de la longueur d'onde

8. Le modèle de KIM • Le coefficient d'atténuation : • où: • V est la visibilité (km) • λnm est la longueur d'onde (nm) • L'exposant q caratérise la distribution des particules • L'affaiblissement est une fonction décroissante de la longueur d'onde si V > ou = à 500m • L'affaiblissement est indépendante de la longueur d'onde si V < 500m

9. Le modèle d'Al Naboulsi • Relations développées à partir de FASCOD • Domaine de validité : • Longueur d'onde : 690 – 1550 nm • Visibilité 50 – 1000m • Brouillard d'advection • Brouillard de convection ou de rayonnement • L'affaiblissement est un fonction croissante de la longueur d'onde

10. Visibilité • Notion définie pour les besoins de la météorologie • Caractérise la transparence de l'atmosphère • Longueur du trajet effectué dans l'atmosphère par un faisceau de rayons lumineux parallèle réduisant son intensité à 5% de sa valeur initiale • Mesurée par la portée Optique Météorologique (POM) • Transmissomètre • 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 • Diffusiomètre • Instrument donnant une indication de la visibilité dans l'atmosphère d'après la mesure de la diffusion par un volume donné d'un faisceau de lumière.

11. Visibilité • Variation de la POM (La Turbie 25/03/2002)

12. Affaiblissement par le hydrométéores • Affaiblissement par la pluie • La relation de Carbonneau • - R est le taux de précipitation (mm/h) • Affaiblissement par la neige • - S est le taux de chute de neige (mm/h)

13. Les scintillations • Turbulence thermique formation de cellules • aléatoirement réparties, • de taille variable (10 cm – 1 km) • de température différente • d'indice de réfraction différent • Diffusion • Chemins multiples • Variation des angles d'arrivée • Fluctuations rapide du signal (scintillations)

14. Les scintillations • Logarithme de l'amplitude χ [dB] du signal observé • Variance de "log-amplitude" de scintillation σχ2 [dB2] • où : • - k[m-1] est le nombre d'onde (2π/λ), • - L[m] est la longueur de la liaison, • - Cn2[m-2/3] est le paramètre de structure de l'indice de réfraction, représentant l'intensité de la turbulence. • L'amplitude crête à crête de scintillation : 4σχ • Atténuation liée à la scintillation 2σχ.

15. Scintillations • Grandes hétérogénéités : déviation du faisceau

16. Scintillations • Petites hétérogénéités : élargissement du faisceau

17. Scintillations • Hétérogénéités de tailles différentes : Scintillations

18. Expérimentation

19. Résultats expérimentaux • Modèle de KRUSE

20. Résultats expérimentaux • Le modèle de KIM

21. Résultats expérimentaux • Le modèle de Al Naboulsi (advection)

22. Résultats expérimentaux • Le modèle de Al Naboulsi (convection)

23. Conclusion • Présentation des différents aspects de la propagation d'un faisceau lumineux dans l'atmosphère • Absorption moléculaire et aérosolaire • Diffusion moléculaire et aérosolaire • Affaiblissement par les hydrométéores • Pluie • Neige • Scintillations • Comparaison de mesures aux modèles existants • Bon accord entre les mesures et certains modèles (KRUSE, KIM, AL NABOULSI) • Le modèle de Al Naboulsi permet une bonne prédiction des mesures d'atténuation pour de faibles visibilités (0-500 m)