M. Al Naboulsi; H. Sizun; F de Fornel 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

Introduction LOA /FSO Applications Avantages / FH, fibre optique 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)

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)

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)

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

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.

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

Le modèle de KIM Le coefficient d'atténuation : 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

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

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.

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

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)

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)

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.

Scintillations Grandes hétérogénéités : déviation du faisceau

Scintillations Petites hétérogénéités : élargissement du faisceau

Scintillations Hétérogénéités de tailles différentes : Scintillations

Expérimentation

Résultats expérimentaux Modèle de KRUSE

Résultats expérimentaux Le modèle de KIM

Résultats expérimentaux Le modèle de Al Naboulsi (advection)

Résultats expérimentaux Le modèle de Al Naboulsi (convection)

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)