Le lidar COWI est, dans sa version originale (2013), un lidar cohérent à absorption différentielle pour la mesure de l’absorption du CO2 atmosphérique et de la vitesse du vent. Dans sa version actuelle (2018) il permet aussi de mesurer l’absorption de la vapeur d’eau et intègre une double détection directe (détecteur APD HgCdTe) et cohérente.
Le lidar COWI repose sur une source laser innovante brevetée réalisée au laboratoire [Gibert 2013; 2014]. Le laser est constitué par un cristal dopé Holmium pompé par un laser Thulium fibré pour une émission dans le proche infrarouge à 2 µm. La cavité est injectée, déclenchée et permet de délivrer des impulsions de durée 40-170 ns, d’énergie 10 mJ à une cadence de 2 kHz. Le laser délivre en fait des impulsions à deux longueurs d’onde, l’une centrée sur une raie d’absorption du gaz sondé, l’autre en dehors pour servir de référence. Le système utilise une détection cohérente. La plus grande partie de l’instrument est fibrée. Dans le domaine spectral considéré des raies d’absorption de CO2 et H2O permettent des mesures DIAL de l’absorption des deux composés avec le même système lidar.
Figure 1 Schéma expérimental et spécifications du lidar COWI
Le lidar cohérent DIAL est constitué d’une source laser pulsée à 2.05 µm, d’un module d’injection asservi sur un système de référence spectral et d’une détection cohérente
EOM: electro-optical modulator; AOM: acousto optical modulator; PID: proportional integral derivative; PDH: Pound Drever Hall; AOFS: acousto optic frequency shifter; TDFA: Thulium doped fiber amplifier; PBS: polarizer beam splitter; HWP: half wave plate; QWP: quarter wave plate; PZT: piezoelectric transducer
Depuis 2014 l’instrument COWI a été intégré dans un container pour faciliter sa mise en opération sur le terrain. Le container est muni d’un scanner qui a été développé au laboratoire pour effectuer des mesures 3D dans l’atmosphère du champ de vent, CO2 et H2O dans l’atmosphère. Deux stations in situ constituées par des anémomètres soniques et analyseur de gaz fixées sur des mâts télescopiques (< 20 m) permettent de mesurer pression, température, flux de chaleur sensible, latente et de CO2 en surface. L’ensemble constitue une station mobile « vent, CO2 et H2O » opérationnelle. Des premiers tests de COWI en version cohérent DIAL H2O ont été effectués en visée verticale et oblique. Ces mesures ont été comparées avec des mesures in-situ au niveau du sol et par radiosondages. La précision sur le rapport de mélange en air sec de H2O est de 10% à 1km avec une résolution spatiale de 100m et temporelle de 10s
Figure 2 A gauche: instrument COWI en phase de test au LMD.
A droite: test de l’instrument COWI intégré dans le container avec le scanner et premières mesures de H2O.
Profil à 20° d’inclinaison par rapport à l’horizontal de (a) CNR (réflectivité lidar à 2 µm), (b) vitesse radiale du vent aux deux longueurs d’onde (Off: bleu, Off: vert), (c) épaisseur optique due à l’absorption de H2O, (d) coefficient d’absorption, (e) de rapport de mélange en air sec de H2O comparé aux mesures au sol (★) et cartographies de (f) CNR, (g) vitesse radiale du vent et (h) de rapport de mélange en H2O