Développer des simulateurs LIDAR/RADAR pour étudier les effets des hétérogénéités tridimensionnelles des

nuages sur leurs propriétés restituées

ALKASEM Alaa(de 01/04/13 à 01/04/16)

Directeur de thèse SHCHERBAKOV Valery (LaMP)

Co-encadrant SZCZAP Frédéric (LaMP)

CORNET céline (LOA)

Introduction

les nuages montrent des variabilités tridimensionnelles complexes dans leurs propriétés géométriques, optiques et microphysiques.

En général, les nuages sont supposés être homogène horizontalement et plan parallèle dans les algorithmes de calcul des signaux LIDAR / RADAR.

Quantifier les effets des variabilité 3D sur les observations LIDAR / RADAR (le coefficient de rétrodiffusion, le rapport de dépolarisation, le facteur de réflectivité, la vitesse Doppler,…).

Méthodologie

Mon travail est dans le cadre du projet EECLAT (Expecting Earth-Care, Learning from A-Train).

Mon travail consiste à développer un simulateur de systèmes LIDAR/RADAR, basé sur une méthode de Monte Carlo (3DMCPOL, Cornet et al.,2010) qui simule la puissance polarisée.

Ce code utilse une méthode de réduction variance (Buras and Mayer, 2010), et une méthode d’éstimation locale.

Je compare mes résultats avec des codes et résultats publiés: 1- Code de Hogan (Multiscatter version 1.2.10, 2012), un code rapide prend

en compte la diffusion multiple de façon approché. 2- Résultats publiés (DOMUS, Battaglia and Tanelli, 2011), un code basé sur

la méthode de Monte Carlo .

Système LIDAR/RADARUn LIDAR/RADAR se compose d'un système altitude

qui émet des ondes électromagnétiques,et un récepteur (télescope pour le LIDAR ρet antenne pour le RADAR), et d'une chaîne θde traitement.

nuage diffusion

multiple

diffusion simple θ : Divergence du fisceau. ρ : Champ de vue (Field of view ou FOV).

sol

empreinte

Équations du LIDAR et RADARL'expression de la distribution verticale de la puissance (P(z)) rétrodiffusée par un

milieu homogène est donnée par l'équation suivante (approximation diffusion simple).

C: constant de système LIDAR/RADAR, Z :la distance à laquelle la lumière a été réfléchie. τ : l’épaisseur optique.β(z) : le coefficient de rétrodiffusion à l'altitude z, il décrit la partie de l’énergie diffusée dans la

direction arrière.

P(π) : La fonction de phase à 180°.

: le coefficient de diffusion.

Le lidar mesure le coefficient de rétrodiffusion apparent en (m-1 sr-1).

Pour le RADAR : on parle de la réflectivité apparente .

kl : facteur diélectrique.

λ : longueur d’onde.

Validation notre code pour le LIDAR (Hogan and Battaglia, 2008) • Épaisseur du nuage 500 m. * Nuage semi-infini .• ρ = 2.5 x10-9 rad. * ρ = 2.5 x10-9 rad.• τ = 20. * = 40 km-1 . Fonction de phase de Mie. * Fonction de phase de Henyey- Greenstein. g = 0.863 (facteur d’asymétrie) * g = 0.85

Validation notre code pour le RADAR (Hogan and Battaglia, 2008) Fonction de phase de Mie . θ = ρ = 1.13 mrad.

D : diamètre de particule .

ω0 : l’albédo de simple diffusion. S : le rapport de rétrodiffusion à l’extinction.

Validation notre code pour l’effet Doppler

La puissance rétrodiffusée P calculée dans l’équation LIDAR/RADAR, dépend la distance z, mais aussi le décalage de fréquence à chaque diffusion, donc on parle de P(z,f).

Pour calculer la vitesse Doppler moyenne on a l’équation

: vitesse de la particule à diffusion j. et : coefficients de directeur du paquet de photon avant et après la

diffusion j. : la fréquence de RADAR. : la vitesse de la lumière.

Code 3DMCPOL

f0

(1)

(2)(3)

θFOV

RADAR

Nuage

Validation notre code pour l’effet Doppler (Battaglia and Tanelli, 2011)

kext : le coefficient d’extinction

Validation notre code pour l’effet Doppler (Battaglia and Tanelli, 2011) θ = ρ = 6.9813 x 10-4 rad.

Validation notre code pour l’effet Doppler (Battaglia and Tanelli, 2011)

Vitesse Doppler (m.s-1)

Altit

ude (

km)

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

13

11

9

7

5

3

1

-30

-20

-10

0

10

20

30

MS (notre code) SS (notre code)Vent vertical

Validation notre code pour l’effet Doppler (Battaglia and Tanelli, 2011)

Conclusions et perspectives1 – Conclusions : Pour les cas étudiés pour le LIDAR et le RADAR, notre code donne des

résultats cohérents par apport aux résultats publiés (Hogan et Battaglia).

2 - Perspectives : À très court terme : valider notre code pour l’effet Doppler sur les mesures

de RADAR. À court terme : étudier les effets radiatifs des variabilités du nuage sur les

mesures LIDAR/RADAR.

VRM

VRM

La forme de l’antenne

Méthode d'estimation locale

Dans notre code on utilise la méthode d'estimation locale. Pour accélérer le code, la méthode d'estimation locale est utilisée

pour calculer la réflectance moyenne dans une direction déterminée.Cette méthode permet de calculer la contribution Ln de la diffusion (n).

wn : le poids de photon