Thèse Etude Expérimentale d'Un Lidar Vent Moléculaire Basé sur un Interféromètre Quadri Mach- Zehnder pour les Futurs Satellites de la Famille Aeolus H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées Direction de la thèse : David MICHEL ORCID 0000000219380491 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-15T23:59:59 La mesure de vitesse d'air à haute altitude par lidar est très importante pour des applications
aéronautiques (notamment pour les futurs avions basse consommation) et spatiale : Cal/val et futures
missions des satellites de la famille d'Aeolus dont l'utilité est maintenant essentielle pour les prévisions
météorologiques. Cette mesure, réalisée par lidar UV moléculaire à détection directe, est un sujet coeur de métier à l'ONERA au DOTA/SLS. Nous développons depuis plusieurs années une solution comportant un analyseur spectral innovant de type interféromètre quadri Mach-Zehnder (QMZ) qui est le meilleur compromis entre précision de mesure et robustesse. Si nos premiers développements ont été réalisé pour des besoins aéronautiques, un tel système semble une solution particulièrement avantageuse pour les futures versions du satellite AEOLUS 2 [D. Bruneau and J. Pelon, Atmos. Meas. Tech.,14, 4375-4402, 2021]. Elle permettrait une amélioration des performances de mesure de vitesse et la mesure simultanée du vent et des propriétés radiatives des nuages avec un même analyseur ce qui constituerait un gain important par rapport au système actuel.
Un point essentiel pour rendre le système spatialisable, particulièrement dans le cas d'un interféromètre, est de rendre tout désalignement impossible. C'est pourquoi nous avons conçu récemment une nouvelle version monolithique du QMZ constitué de plusieurs prismes collés entre eux. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'étudier les possibilités d'utiliser le QMZ comme analyseur spectral pour les futures versions d'AEOLUS. Pour cela, un premier défi de cette thèse sera d'intégrer cet élément dans le lidar actuel, et de modifier l'architecture du lidar pour réaliser des mesures de vent à longue distance (jusqu'à 10-20 km d'altitude). Les résultats seront alors comparés avec les besoins et les performances d'AEOLUS. Un second défi sera de mesurer les propriétés radiatives des nuages à partir des sorties de cet analyseur. En fin de thèse, l'ajout d'une voie dépolarisée pourra être envisagé pour étudier plus précisément les propriétés des aérosols.
La thèse comporte 3 étapes. La première étape consistera à déterminer, via un code de modélisation lidar existant, une configuration permettant une mesure de vent à longue distance. En effet, le lidar est
actuellement configuré pour réaliser des mesures à courte distance devant un avion. Cela passera notamment par l'utilisation de photomultiplicateurs et une modification probable des algorithmes de traitement de signal pour passer à du comptage de photon. Lors de cette étape, l'étudiant évaluera aussi, par simulation, les performances de mesure des propriétés radiatives de nuages. La seconde étape consistera à étudier expérimentalement les performances de l'interféromètre monolithique, à l'intégrer dans le lidar puis à modifier l'architecture du lidar pour réaliser des mesures de vent à longue distance et des propriétés radiatives des nuages. Enfin, lors de la troisième étape, les performances du lidar seront caractérisées d'abord sur atmosphère par comparaison avec des mesures obtenues avec un lidar vent hétérodyne et ensuite en comparant les résultats avec les simulations réalisées. Lors des différentes étapes les performances obtenues seront évaluées en regard des besoins d'AEOLUS. Si les premiers lidar vent UV à détection directe ont été réalisées à l'aide d'interféromètres de type Fabry-Pérot, ce qui a conduit au design de l'interféromètre utilisé sur AEOLUS [1], plus récemment, différentes études ont été menées pour développer des solutions de type interféromètre à deux ondes (de type Michelson ou Mach-Zehnder). Ces derniers permettent d'obtenir des solutions non biaisées, avec une large acceptance angulaire et d'améliorer les performances de mesure. Différents instruments ont été développés pour explorer les différentes architectures possibles. A titre d'exemple, on peut citer les interféromètres suivants :
- L'interféromètre QMZ particulaire étudié puis développé au laboratoire du LATMOS [2,3].
- L'interféromètre Michelson imageur de frange développé d'abord à l'ONERA [4,5] puis repris ensuite au DLR [6].
- L'interféromètre QMZ moléculaire développé à l'ONERA [7]. A noter que deux solutions sont à l'étude, une solution « banc » constituée d'éléments optiques commerciaux et une solution monolithique développée en partenariat avec le LATMOS.
Concernant cette dernière architecture, des simulations réalisées au LATMOS ont montré une amélioration importante des performances d'AEOLUS avec un interféromètre de type QMZ [8]. Par ailleurs, des simulations ont aussi montré la possibilité de réaliser des mesures à haute altitude en modifiant notre configuration [9, 10]. L'analyseur spectral utilisé sur Aeolus, le double Fabry-Pérot, n'utilise qu'une faible partie du signal rétrodiffusé et les simulations montrent que l'utilisation d'un interféromètre quadri Mach-Zehnder devrait améliorer la précision sur la mesure de vent de 35%. De plus, un second interféromètre de type Fizeau a été ajouté sur Aeolus pour obtenir une voie particulaire et étudier les propriétés radiatives des nuages. Le QMZ permettrait de réaliser les deux mesures avec un même instrument.
Les objectifs de la thèse sont donc les suivants:
- Mesure de vent toute altitude et à longue distance par lidar UV moléculaire à détection directe utilisant un interféromètre QMZ
- Mesure des propriétés radiative des nuages par ce même lidar
- Evaluation des résultats vis-à-vis des besoins Aeolus

Master 2 ou école d'ingénieur en physique ou traitement du signal
Expérience avérée en réalisation de systèmes optiques utilisant des lasers et en programmation informatique.