transparents de l`exposé

La propagation des ondes optiques et infrarouges dans
l'atmosphère terrestre
CNFRS/URSI (Paris) le 24/02/2005
M. Al Naboulsi; H. Sizun; F de Fornel
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D1 - 21/04/2017
Introduction
s
s
s
LOA /FSO
QMode 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
QTéléphonie sans fil (Backhaul 3G)
QRéseaux informatiques
QTélévision haute définition
Avantages / FH, fibre optique
QAbsence de régulation (fréquence gratuite)
QAbsence d'interférences des autres systèmes
QFacilité et rapidité de déploiement
QFaible coût des équipements
QDébits élevés (2 Mbits/s – 10 Gbits/s)
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D2 - 21/04/2017
Introduction
s
Inconvénients
QElles mettent en jeu la transmission d'un signal (optique ou infra
rouge) dans l'atmosphère terrestre
– Affaiblissement en espace libre (affaiblissement géométrique)
QInteraction 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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D3 - 21/04/2017
Affaiblissement géométrique

Attgeom 
s
s
s
s
Sd
S capture
(d ) 2
 4
S capture
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)
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D4 - 21/04/2017
Affaiblissement atmosphérique
s
s
Résulte d'un effet additif d'absorption et de dispersion de la lumière par molécules et
aérosols
Loi de BEER-LAMBERT (Transmittance/distance)
P d 
 d  
 e  d
P  0
Qτ(d) est la transmittance à la distance d de l'émetteur,
QP(d) est la puissance du signal à une distance d de l'émetteur,
QP(0) est la puissance émise,
Qσ est l'affaiblissement ou le coefficient d'extinction par unité de
s
longueur.
L'affaiblissement est relié à la transmittance
Aff dB (d )  10log10 1/   d  
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D5 - 21/04/2017
Le coefficient d'extinction
s
Le coefficient d'extinction σ est la somme de 4 termes :
  m  n  m  n
Q- αm est le coefficient d'absorption moléculaire (N2, O2, H2, H2O,
CO2, O3, ..),
Q- αn est le coefficient d'absorption par les aérosols (fines particules
solides ou liquides présentes dans l'atmosphère (glace, poussière,
fumées, …),
Q- 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,
Q- 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.
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D6 - 21/04/2017
Le modèle de KRUSE
s
Le coefficient d'atténuation :
Qoù:
3.912  nm 
 ( )  ( ) 


n
V  550 
q
– V est la visibilité (km)
– λnm est la longueur d'onde (nm)
QL'exposant q caratérise la distribution des particules
si V  50km
1.6

q  1.3
si 6km  V  50km
0.585 V 1/ 3 si V  6km

QL'affaiblissement est un fonction décroissante de la longueur d'onde
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D7 - 21/04/2017
Le modèle de KIM
s
Le coefficient d'atténuation :
 ( )
 ( ) 
n
Qoù:
3.912  
V

q
 nm 
 550 
– V est la visibilité (km)
– λnm est la longueur d'onde (nm)
QL'exposant q caratérise la distribution des particules
si V  50 km
1.6
1.3
si 6 km  V  50 km

q  0.16V  0.34 si 1km  V  6km
V  0.5
si 0.5km  V  1km

si V  0.5km
0
QL'affaiblissement est une fonction décroissante de la longueur d'onde si V > ou =
à 500m
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L'affaiblissement est indépendante de la longueur d'onde si V < 500m
Recherche Q
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D8 - 21/04/2017
Le modèle d'Al Naboulsi
s
Relations développées à partir de FASCOD
QDomaine de validité :
– Longueur d'onde : 690 – 1550 nm
– Visibilité 50 – 1000m
s
Brouillard d'advection
s
0.11478  3.8367
 advection 
V
Brouillard de convection ou de rayonnement
 convection
0.18126 2  0.13709  3.7502

V
QL'affaiblissement est un fonction croissante de la longueur d'onde
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D9 - 21/04/2017
Visibilité
s
s
s
s
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)
QTransmissomètre
– 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
QDiffusiomètre
– 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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D10 - 21/04/2017
Visibilité
s
Variation de la POM (La Turbie 25/03/2002)
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D11 - 21/04/2017
Affaiblissement par le hydrométéores
s
Affaiblissement par la pluie
QLa relation de Carbonneau
Att pluie  1.076* R0,67
Q- R est le taux de précipitation (mm/h)
s
Affaiblissement par la neige
Attneige  dB / km  aS b
Q- S est le taux de chute de neige (mm/h)
a
b
Neige humide
0.0001023nm + 3.7855466
0.72
Neige sèche
0.0000542nm + 5.4958776
1.38
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D12 - 21/04/2017
Les scintillations
s
Turbulence thermique formation de cellules
Qaléatoirement réparties,
Qde taille variable (10 cm – 1 km)
Qde température différente
Q d'indice de réfraction différent
– Diffusion
– Chemins multiples
– Variation des angles d'arrivée
QFluctuations rapide du signal (scintillations)
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D13 - 21/04/2017
Les scintillations
s
s
Logarithme de l'amplitude χ [dB] du signal observé
Variance de "log-amplitude" de scintillation σχ2 [dB2]
 2  23.17* k 7/ 6 * Cn2 * L11/ 6
s
s
s
où :
Q- k[m-1] est le nombre d'onde (2π/λ),
Q- L[m] est la longueur de la liaison,
Q- 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.
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D14 - 21/04/2017
Scintillations
s
Grandes hétérogénéités : déviation du faisceau
Surface de capture
Laser
Ecran
Signal émis
Signal reçu
Temps
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Temps
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D15 - 21/04/2017
Scintillations
s
Petites hétérogénéités : élargissement du faisceau
Surface de capture
Laser
Ecran
Signal émis
Signal reçu
Temps
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Temps
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D16 - 21/04/2017
Scintillations
s
Hétérogénéités de tailles différentes : Scintillations
Surface de capture
Laser
Ecran
Signal émis
Signal reçu
Temps
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Temps
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D17 - 21/04/2017
Expérimentation
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D18 - 21/04/2017
Résultats expérimentaux
s
Modèle de KRUSE
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D19 - 21/04/2017
Résultats expérimentaux
s
Le modèle de KIM
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D20 - 21/04/2017
Résultats expérimentaux
s
Le modèle de Al Naboulsi (advection)
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D21 - 21/04/2017
Résultats expérimentaux
s
Le modèle de Al Naboulsi (convection)
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D22 - 21/04/2017
Conclusion
s
Présentation des différents aspects de la propagation d'un faisceau lumineux dans
l'atmosphère
QAbsorption moléculaire et aérosolaire
QDiffusion moléculaire et aérosolaire
QAffaiblissement par les hydrométéores
– Pluie
– Neige
s
QScintillations
Comparaison de mesures aux modèles existants
QBon accord entre les mesures et certains modèles (KRUSE, KIM,
AL NABOULSI)
QLe modèle de Al Naboulsi permet une bonne prédiction des
mesures d'atténuation pour de faibles visibilités (0-500 m)
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D23 - 21/04/2017