La propagation des ondes optiques et infrarouges dans l'atmosphre terrestre CNFRSURSI Paris le 24022

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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

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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)

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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)

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Affaiblissement géométrique

• Sd Surface du faisceau lumineux à la distance
  d (m2)
• Scapture Surface de capture du récepteur (m2)
• ? Divergence du faisceau (rad)
• d Distance Emetteur/Récepteur (m)

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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)
• 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,
• s est l'affaiblissement ou le coefficient
  d'extinction par unité de longueur.
• L'affaiblissement est relié à la transmittance

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Le coefficient d'extinction

• Le coefficient d'extinction s est la somme de 4
  termes
• - am est le coefficient d'absorption moléculaire
  (N2, O2, H2, H2O, CO2, O3, ..),
• - an est le coefficient d'absorption par les
  aérosols (fines particules solides ou liquides
  présentes dans l'atmosphère (glace, poussière,
  fumées, ),
• - ßm 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,
• - ßn 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.

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Le modèle de KRUSE

• Le coefficient d'atténuation
• où
• V est la visibilité (km)
• ?nm 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

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Le modèle de KIM

• Le coefficient d'atténuation
• où
• V est la visibilité (km)
• ?nm 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 gt ou à 500m
• L'affaiblissement est indépendante de la longueur
  d'onde si V lt 500m

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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

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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.

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Visibilité

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

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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)

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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)

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Les scintillations

• Logarithme de l'amplitude ? dB du signal
  observé
• Variance de "log-amplitude" de scintillation s?2
  dB2
• où
• - km-1 est le nombre d'onde (2p/?),
• - Lm est la longueur de la liaison,
• - Cn2m-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 4s?
  
• Atténuation liée à la scintillation 2s?.

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Scintillations

• Grandes hétérogénéités déviation du faisceau

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Scintillations

• Petites hétérogénéités élargissement du
  faisceau

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Scintillations

• Hétérogénéités de tailles différentes
  Scintillations

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Expérimentation
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Résultats expérimentaux

• Modèle de KRUSE

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Résultats expérimentaux

• Le modèle de KIM

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Résultats expérimentaux

• Le modèle de Al Naboulsi (advection)

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Résultats expérimentaux

• Le modèle de Al Naboulsi (convection)

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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)