FR2747193A1

FR2747193A1 - METHOD AND DEVICE FOR THE REMOTE SENSING OF GASES IN THE STATE OF TRACES

Info

Publication number: FR2747193A1
Application number: FR9704072A
Authority: FR
Inventors: Andreas Fix; Gerhard Ehret
Original assignee: FORSCHUNGSANSTALT fur LUFT AND
Current assignee: FORSCHUNGSANSTALT fur LUFT AND
Priority date: 1996-04-06
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 1997-10-10
Also published as: GB9705964D0; GB2311852A; GB2311852B; DE19613805C1

Abstract

En utilisant le procédé à lidar à absorption différentielle, on mesure la concentration de particules d'un gaz à examiner en fonction de la distance en utilisant un dispositif d'émission (1) contenant une source d'ensemencement (10) et une source de rayonnement (11) raccordées par un commutateur (12) en formant une puissance à l'aide d'un rayonnement de la source de rayonnement à bande étroite (11), dont la largeur spectrale est inférieure à la largeur de la raie d'absorption, et une puissance au moyen d'un rayonnement fourni par une source de rayonnement à large bande, dont la largeur est égale à un multiple de la largeur spectrale de la raie d'absorption. Application notamment à la télédétection de gaz à l'état de traces utilisant la technique de mesure du lidar à absorption différentielle.Using the differential absorption lidar method, the particle concentration of a gas to be examined as a function of distance is measured using an emission device (1) containing a seed source (10) and a source of gas. radiation (11) connected by a switch (12) forming a power using radiation from the narrowband radiation source (11), the spectral width of which is less than the width of the absorption line , and a power by means of radiation provided by a broadband radiation source, the width of which is equal to a multiple of the spectral width of the absorption line. Application in particular to the remote sensing of gas in trace amounts using the differential absorption lidar measurement technique.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA TELEDETECTION DE GAZ A L'ETATMETHOD AND DEVICE FOR THE REMOTE SENSING OF GAS IN THE STATE

DE TRACESTRACES

L'invention concerne un procédé et un dispositif de télédétection de gaz à l'état de traces moyennant The invention relates to a method and a device for the remote sensing of trace gas by means of

l'utilisation du procédé dit DIAL. the use of the so-called DIAL process.

Le procédé dit DIAL (sigle tiré d'une expression anglaise signifiant lidar à absorption différentielle) est un développement de la technique classique de mesure à The so-called DIAL (abbreviation for differential absorption lidar) is a development of the classical measurement technique.

lidar, qui a son origine dans la technologie du radar. lidar, which has its origin in radar technology.

Etant donné que les appareils à lidar travaillent de la même manière que les installations radar, ils possèdent un émetteur, qui émet le rayonnement électromagnétique sous forme impulsionnelle dans l'atmosphère, et un récepteur, qui enregistre l'intensité des échos en fonction du temps de propagation. Le temps de propagation de l'impulsion est Since lidar devices work in the same way as radar systems, they have a transmitter, which emits electromagnetic radiation in pulses into the atmosphere, and a receiver, which records the intensity of the echoes as a function of time. of propagation. The propagation time of the pulse is

une mesure de l'éloignement ou de la distance d'une cible. a measure of the distance or distance of a target.

Avec un lidar, on peut effectuer en général une mesure très précise étant donné que la durée typique d'une impulsion de la source de rayonnement est égale seulement à quelques With a lidar, a very precise measurement can usually be made since the typical duration of a pulse of the radiation source is only a few

-9 secondes.-9 seconds.

Alors que dans le cas du radar, la longueur While in the case of radar, the length

d'onde du rayonnement émis se situe dans la gamme centimé- of the radiation emitted is in the range

trique, un appareil lidar émet un rayonnement à longueur d'onde comparativement courte dans la plage spectrale a lidar device emits comparatively short wavelength radiation in the spectral range

optique. En raison de la courte longueur d'onde, ce rayon- optical. Because of the short wavelength, this ray-

nement réagit déjà avec les plus petits constituants de already reacts with the smaller constituents of

l'atmosphère, les molécules d'air et les particules flot- atmosphere, air molecules and particles

tantes (aérosols), de sorte que même un air limpide et sans nuage fournit un écho décelable, ce qui n'est pas le cas pour le radar. L'intensité de l'écho du lidar est une mesure aussi bien de la densité que des propriétés optiques du volume d'air qui produit une dispersion ainsi que de la transmission dans l'atmosphère, pour la longueur d'onde aunts (aerosols), so that even a limpid, cloudless air provides a detectable echo, which is not the case for the radar. The intensity of lidar echo is a measure of both the density and the optical properties of the air volume that produces dispersion as well as the transmission in the atmosphere, for the wavelength

correspondante de l'émetteur.correspondent of the issuer.

A partir des données de rétrodiffusion d'un From the backscatter data of a

lidar, on peut obtenir une multiplicité de paramètres con- lidar, one can obtain a multiplicity of parameters

cernant l'environnement ou de paramètres météorologiques de l'atmosphère examinée, et à cet effet on a développé des environment or meteorological parameters of the atmosphere under consideration, and to this end,

techniques différents en for.nction du problème considéré. different techniques in formulating the problem under consideration.

Une technique de mesure selon le procédé DIAL convient notamment pour la télédétection de profils de gaz à l'état A measurement technique according to the DIAL method is particularly suitable for the remote sensing of gas profiles in the state

de traces.traces.

Sur la figure 4, on a illustré schématiquement le principe du procédé DIAL. Contrairement au lidar classique à rétrodiffusion, qui émet avec une longueur d'onde fixe, In FIG. 4, the principle of the DIAL process is schematically illustrated. Unlike conventional backscatter lidar, which emits with a fixed wavelength,

dans le cas du procédé DIAL deux longueurs d'onde très voi- in the case of the DIAL process two wavelengths very close

sines)on et Xoff sont émises à un faible intervalle l'une derrière l'autre. En ce qui concerne la longueur d'onde Àon, le gaz à l'état de traces produit, en raison de sines) and Xoff are emitted at a small interval one behind the other. With respect to the λon wavelength, the trace gas produced, due to

l'absorption, un affaiblissement supplémentaire du rayonne- absorption, an additional weakening of the

ment lorsqu'il traverse l'atmosphère. La longueur d'onde loff est la longueur d'onde de référence associée, qui est choisie de telle sorte qu'il se produit ici une absorption when it passes through the atmosphere. The wavelength loff is the associated reference wavelength, which is chosen so that an absorption occurs here.

nettement plus faible. Pour des sections d'absorption molé- significantly lower. For molecular absorption sections

culaire connues, le profil du gaz à l'état de traces peut être calculé en fonction de la distance dans la direction de propagation de l'émetteur avec une équation dite DIAL: N(R)= I in P(R2)P "(R') (1) 2- ar AR p,(R2)Po(RI) avec a (du)[L(v-u. 8)-L(U-u -ff)]du (2) dî = o L(u)du N(R) est la concentration moyenne de particules (le nombre de molécules/m3) à une distance R=R1+AR/2. La moyenne est formée sur l'intervalle de distance AR=R2-R1 sur la figure 4, qui définit également simultanément la résolution locale du profil de gaz à l'état de traces le long de l'émetteur. Pon et Poff désignent les signaux de rétrodiffusion, qui sont reçus à partir des distances R1 et the profile of the trace gas can be calculated as a function of the distance in the direction of propagation of the emitter with a so-called DIAL equation: N (R) = I in P (R2) P "( R ') (1) 2- ar AR p (R2) Po (RI) with a (of) [L (see 8) -L (Uu -ff)] of (2) d1 = o L (u) N (R) is the average particle concentration (the number of molecules / m3) at a distance R = R1 + AR / 2. The mean is formed over the distance interval AR = R2-R1 in FIG. which also simultaneously defines the local resolution of the trace gas profile along the transmitter: Pon and Poff refer to the backscattering signals, which are received from the distances R1 and

R2. La sensibilité de détection est déterminée essen- R2. The detection sensitivity is determined essentially

tiellement par la valeur de la section différentielle effi- tally by the value of the effective differential section

cace d'absorption Av dans la relation (2). Cette section est fonction de la section d'absorption moléculaire c(v) de la Ab absorption coefficient in relation (2). This section is a function of the molecular absorption section c (v) of the

distribution d'énergie spectrale L(v) de la source spec- spectral energy distribution L (v) of the spectral source

trale, w désignant la fréquence de la raie spectrale sélec- trale, w denoting the frequency of the spectral line

tionnée du gaz à l'état de trace à mesurer. the trace gas to be measured.

Dans des conditions atmosphériques, ces raies spectrales sont en général élargies par la pression ou par Under atmospheric conditions, these spectral lines are generally widened by pressure or by

l'effet Doppler avec des largeurs de raie de 0,08 cm- the Doppler effect with line widths of 0.08 cm-

(HWHM - demi-largeur à la moitié du maximum) dans la tropo- (HWHM - half-width at half the maximum) in the tropo-

sphère inférieure et 0,02 cm-1 dans la stratosphère. La lower sphere and 0.02 cm-1 in the stratosphere. The

forme de la raie est un profil Voight. A l'aide des para- Stripe shape is a Voight profile. With the help of

mètres de la raie, qui sont mesurés en laboratoire, on peut calculer d'une manière suffisamment précise les sections meters of the line, which are measured in the laboratory, the sections can be calculated in a sufficiently

d'absorption en fonction de la fréquence et de l'amplitude. absorption as a function of frequency and amplitude.

La figure 5 montre l'illustration d'un procédé DIAL classique. En abscisses on a porté la longueur d'onde en nm et en ordonnées on a porté la section d'absorption [lE-22 cm2]. A titre d'exemple, on a choisi une raie d'absorption de la vapeur d'eau moléculaire, qui se situe à 828,215 nm. En outre on a réglé un émetteur à bande étroite, pour lequel on a Avémetteur " A"molécule, pour la mesure sur la raie au centre de la raie d'une jonction linéaire. La mesure avec décalage par rapport à la raie a été exécutée dans l'environnement de la raie dans le cas d'une absorption négligeable. Dans le cas d'une source de rayonnement à bande étroite (monochromatique) pour laquelle on a Avmetteur " AVraie, comme cela est représenté sur la figure 5 pour un émetteur pour lequel on a AVémetteur " Avmolécule, la relation (2) peut être évaluée simplement avec Au = Con Ooff (3) on et aoff représentant les sections d'absorption au centre de la raie (sur la raie) et au voisinage de la raie (avec décalage par rapport à la raie). Etant donné que, comme cela a déjà été indiqué, on a en général con " Goff, la section différentielle d'absorption de la relation DIAL est définie essentiellement par la valeur de la raie centrale, Figure 5 shows the illustration of a conventional DIAL process. On the abscissa the wavelength was plotted in nm and on the ordinate the absorption section [E-22 cm 2] was increased. For example, an absorption line of molecular water vapor, which is 828.215 nm, has been chosen. In addition, a narrow-band transmitter, for which there is an "A" molecule emitter, has been set up for measurement on the line at the center of the line of a linear junction. Offset measurement with respect to the line has been performed in the environment of the line in the case of negligible absorption. In the case of a narrowband (monochromatic) radiation source for which a transmitter is provided, as shown in FIG. 5 for a transmitter for which AVmolecule has been transmitted, the relation (2) can be evaluated. simply with Au = Con Ooff (3) on and aoff representing the absorption sections in the center of the line (on the line) and in the vicinity of the line (with offset with respect to the line). Since, as already indicated, Goff has generally been defined, the differential absorption section of the DIAL relation is essentially defined by the value of the central line,

ce qui simplifie fortement l'évaluation. which greatly simplifies the evaluation.

La gamme des possibilités d'utilisation d'un sys- The range of possibilities for using a system

tème DIAL dans le contrôle de l'environnement et du climat est extrêmement grande. Aussi bien des systèmes fixes au sol que des appareils aéroportés ont déjà été utilisés avec succès pour mesurer par exemple des particules d'ozone, d'oxyde d'azote et de vapeur d'eau dans l'atmosphère. Comme des recherches théoriques l'ont montré, la technique DIAL pourrait être appliquée par exemple également à partir de l'espace - avec un satellite en tant que plate-forme - pour DIAL in the control of the environment and climate is extremely large. Both fixed ground systems and airborne devices have already been used successfully to measure, for example, ozone, nitrogen oxide and water vapor particles in the atmosphere. As theoretical research has shown, the DIAL technique could be applied for example also from space - with a satellite as a platform - for

des études globales.global studies.

En outre, il a déjà été établi par le déposant que cette technique de mesure s'avère extrêmement robuste In addition, it has already been established by the applicant that this measuring technique is extremely robust

et moins sensible vis-à-vis de variations et de la tempéra- and less sensitive to variations and temperature.

ture dans l'atmosphère ou de variations de la sensibilité de détection. Etant donné que la technique DIAL est en principe une technique de mesure à auto-calibrage, aucune in the atmosphere or variations in detection sensitivity. Since the DIAL technique is in principle a self-calibrating measurement technique, no

mesure compliquée de calibrage n'est nécessaire pour détec- complicated measurement of calibration is necessary to detect

ter de façon quantitative une teneur de traces. De ce fait cette technique diffère nettement de procédés passifs, dans lesquels la puissance sensible du rayonnement doit être quantify a trace amount. As a result, this technique clearly differs from passive processes, in which the sensible power of the radiation must be

également mesurée quantitativement, pour en dériver un pro- also measured quantitatively, to derive a

fil de gaz à l'état de traces. En outre, le procédé DIAL, qui peut être utilisé par surcroit aussi bien de jour que de nuit, fournit une résolution nettement plus élevée de trace gas wire. In addition, the DIAL process, which can be used both day and night, provides a significantly higher resolution of

distances que des procédés passifs. distances than passive processes.

Cependant, en dépit d'une multiplicité de carac- However, despite a multiplicity of

téristiques positives du procédé DIAL, il existe positive characteristics of the DIAL process, there are

seulement quelques appareils DIAL travaillant de façon opé- only a few DIAL devices working op-

rationnelle. Ceci est dû à la complexité des systèmes connus jusqu'alors, notamment en ce qui concerne rational. This is due to the complexity of the systems known hitherto, particularly as regards

l'émetteur. Comme émetteur pour la mise en oeuvre d'un pro- the transmitter. As transmitter for the implementation of a

cédé DIAL on a utilisé jusqu'alors, de façon prépondérante, des systèmes à laser pulsés accordabies, qui en raison de DIAL has been used until now, predominantly, tunable laser pulsed systems, which due to

la faible divergence du faisceau et de leur énergie, four- the small divergence of the beam and their energy,

nissent encore également des intensités d'éclairement éle- still have high illumination intensities.

vées, & des distances plus importantes, afin qu'un écho puisse être décelé. Le caractère accordable est nécessaire, afin de pouvoir régler la longueur d'onde dans le cas d'une longer distances, so that an echo can be detected. The tunable character is necessary, in order to be able to adjust the wavelength in the case of a

mesure directe exactement au centre de la raie d'une tran- direct measurement exactly in the center of the line of a tran-

sition moléculaire du gaz à l'état de traces à mesurer. molecular position of the trace gas to be measured.

Dans le cas de procédé à lidar, l'énergie maximale admis- In the case of a lidar process, the maximum permissible energy

sible de l'impulsion de l'émetteur est en général limitée sible pulse of the transmitter is usually limited

pour protéger l'oeil. C'est pourquoi une résolution spa- to protect the eye. This is why a resolution

tiale et temporelle élevée de la mesure requiert des fré- tial and temporal duration of the measure requires frequent

quences aussi élevées que possible de la succession d'impulsions. En général, dans le cas de systèmes DIAL usuels, on utilise l'une des variantes suivantes: a) On utilise deux sources de rayonnement à bande quences as high as possible from the succession of pulses. In general, in the case of conventional DIAL systems, one of the following variants is used: a) Two sources of band radiation are used

étroite 111 et 112, dont l'une (111) est réglée sur la lon- 111 and 112, one of which (111) is set to

gueur d'onde sur la raie Xon et dont l'autre (112) est réglée sur la longueur d'onde à décalage par rapport à la wavelength on the Xon line and whose other (112) is set to the shift wavelength relative to the

raie Aoff (voir figure 6(a)). Les deux sources de rayonne- Aoff line (see Figure 6 (a)). The two sources of radiation

ment 101 et 102 doivent satisfaire aux exigences élevées 101 and 102 must meet the high requirements

imposées du point de vue énergie, puissance moyenne, diver- imposed from the point of view of energy, average power,

gence du faisceau et caractéristiques spectrales. C'est pourquoi, lorsqu'il faut faire fonctionner deux sources de beam geometry and spectral characteristics. Therefore, when two sources of

rayonnement 111 et 112, l'agencement du point de vue appa- 111 and 112, the arrangement of the point of view

reillage ainsi que le poids total sont comparativement éle- as well as the total weight are comparatively

vés. En outre, les deux sources de rayonnement 111 et 112 doivent être alimentées dans ce cas avec une énergie et ved. In addition, the two radiation sources 111 and 112 must be powered in this case with an energy and

simultanément avec un liquide de refroidissement. simultaneously with a coolant.

Si les divergences des deux sources de rayonne- If the divergences of the two sources of radiation

ment 111 et 112 diffèrent ou si ces sources émettent d'une manière qui n'est pas exactement colinéaire, le volume de gaz à examiner est également différent pour la mesure sur 111 and 112 differ or if these sources emit in a manner that is not exactly collinear, the volume of gas to be examined is also different for the measurement on

la raie ou pour la mesure décalée par rapport à la raie. the line or for the measurement offset from the line.

Déjà des écarts se situant dans la gamme de quelques frac- Variations already in the range of a few

tions de millirads conduisent à des temps de mesure élevés, de sorte qu'un degré élevé de stabilité mécanique et de stabilité mécanique et thermique est nécessaire, peut être millirads lead to high measurement times, so a high degree of mechanical stability and mechanical and thermal stability is required, can be

garanti que moyennant une dépense technique élevée. guaranteed only with a high technical expense.

L'agencement compact et robuste, qui est requis surtout pour des systèmes DIAL automobiles ne peut être réalisé de The compact and robust arrangement, which is required especially for automotive DIAL systems can only be realized from

cette manière qu'avec des limitations. this way only with limitations.

Dans EP 0 489 546 A2 il est proposé un dispositif de détection, assisté par un avion, de gaz à l'état de traces avec la variante décrite précédemment du procédé DIAL. Comme sources de rayonnement, on prévoit au moins In EP 0 489 546 A2 there is provided a detection device, assisted by an aircraft, of trace gas with the previously described variant of the DIAL process. As sources of radiation, at least

deux lasers accordables fonctionnant dans la gamme spec- two tunable lasers operating in the spectral range

trale de l'infrarouge, à savoir un laser pulsé Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:Glas, Ti:Saphir, Er:YAG ou un laser pulsé à alexandrite. Pour la production d'un rayonnement à bande étroite, on utilise au moins deux diodes laser accordables possédant une longueur d'onde de 810 nm ou de 1550 nm. Ces diodes laser sont utilisées en tant que laser germe pour des oscillateurs optiques paramétriques, qui possèdent une infrared tracing, namely a Nd: YAG, Nd: YLF, Nd: Glas, Ti: Sapphire, Er: YAG pulsed laser or a pulsed alexandrite laser. For the production of narrow-band radiation, at least two tunable laser diodes having a wavelength of 810 nm or 1550 nm are used. These laser diodes are used as a seed laser for parametric optical oscillators, which have a

longueur d'onde de pompage de 532 nm ou de 1064 nm. pumping wavelength of 532 nm or 1064 nm.

Par conséquent toujours deux ou un plus grand Therefore always two or a bigger

nombre de sources de rayonnement différentes sont néces- number of different radiation sources are needed

saires. En outre, aucune largeur de raie variable des sources de rayonnement n'est prévue, c'est-à-dire que le sary. In addition, no variable line width of radiation sources is provided, ie the

procédé DIAL proposé n'est pas basé sur une largeur spec- The proposed DIAL process is not based on a spectral width

trale variable. En outre la gamme des longueurs d'onde du dispositif est limitée d'une manière explicite à la gamme variable trale. In addition, the range of wavelengths of the device is explicitly limited to the range

spectrale infrarouge.infrared spectral.

Dans FORCE, A.P., et ai: Laser remote sensing of atmospheric ammonia using a CO2 lidar system, Applied Optics, Vol. 24, N*17, du 1-er Septembre 1985, pages 2837 à 2841, on décrit également la variante, indiquée précédem- In FORCE, A.P., et al: Laser remote sensing of atmospheric ammonia using a CO2 lidar system, Applied Optics, Vol. 24, No. 17, of September 1, 1985, pages 2837 to 2841, the variant, indicated above, is also described.

ment en a), d'un procédé DIAL de télédétection de NH3. in a), a DIAL process for remote sensing of NH3.

Comme sources de rayonnement pour la production de fréquences en ligne ou décalées, on utilise deux lasers aux C02 pulsés différents ayant une longueur d'onde de 10,6 pm. Etant donné qu'en ce qui concerne les lasers à C02 il s'agit de laser à gaz, leur largeur spectrale est faible (ici 0,1 cm-1), c'est-à-dire qu'elle n'est pas variable étant donné que les deux sources de rayonnement utilisées sont à bande étroite. De plus, il faut utiliser deux sources de rayonnement différentes. En outre en ce qui concerne le milieu laser C02, il ne s'agit également pas d'une source de lumière avec une conversion non linéaire de fréquence. b) Dans le cas de la seconde variante, on utilise une seule source de rayonnement à bande étroite 113, dont la longueur d'onde correspondant à une fréquence élevée est désaccordée en va-et-vient entre la position sur la raie As radiation sources for in-line or off-line frequency generation, two different pulsed CO2 lasers having a wavelength of 10.6 μm are used. Since CO2 lasers are gas lasers, their spectral width is small (in this case 0.1 cm -1), that is, they are not variable since the two sources of radiation used are narrowband. In addition, two different radiation sources must be used. Furthermore, with respect to the CO 2 laser medium, it is also not a light source with a nonlinear frequency conversion. (b) In the case of the second variant, a single narrow-band radiation source 113, whose wavelength corresponding to a high frequency is detuned back and forth between the position on the line, is used.

(xon) et la position décalée par rapport à la raie (loff). (xon) and the position shifted with respect to the line (loff).

Les inconvénients importants de la variante (a) décrite précédemment sont évités. La difficulté réside cependant dans le fait que les caractéristiques spectrales de la source de rayonnement ne varient pas lors du désaccord. Et surtout on exige la reproductivité élevée de la longueur d'onde absolue, de la largeur spectrale dans le cas de la longueur d'onde sur la raie et dans le cas de la longueur The significant disadvantages of variant (a) described above are avoided. The difficulty however lies in the fact that the spectral characteristics of the radiation source do not vary during the disagreement. Above all, the high reproductivity of the absolute wavelength, the spectral width in the case of the wavelength on the line and in the case of the length are required.

d'onde avec décalage par rapport à ia raie. offset with respect to the line.

Pour régler une source de rayonnement utilisable pour l'exécution du procédé DIAL entre deux longueurs To set a radiation source that can be used to perform the DIAL process between two lengths

d'onde, il faut à nouveau utiliser deux procédés diffé- wave, two different methods must be used again.

rents. Dans le cas du premier procédé, on utilise des élé- ent. In the case of the first method,

ments sélectifs en fréquence comme par exemple des grilles, des étalons, des prismes, des filtres de Lyot notamment, dans le résonateur. En raison des exigences élevées du point de vue reproductibilité, ces éléments doivent être commandés et réglés avec une très grande précision (voir Frequency selective elements such as grids, standards, prisms, especially Lyot filters, in the resonator. Due to the high reproducibility requirements, these elements must be controlled and adjusted with very high precision (see

figure 6(a)). En particulier dans le cas de fréquences éle- Figure 6 (a)). In particular in the case of high frequencies

vées de la suite d'impulsions, ceci ne peut être réalisé que moyennant la mise en oeuvre d'une dépense technique élevée. En outre, les éléments logés à l'intérieur du of the pulse sequence, this can only be achieved with the implementation of a high technical expenditure. In addition, the elements housed inside the

résonateur réduisent l'efficacité de la source de rayon- resonator reduce the efficiency of the radiation source

nement. C'est pourquoi, en raison de la densité de puis- ment. This is why, because of the density of

sance élevée dans le résonateur, les éléments internes logés dans le résonateur sont soumis à des contraintes importantes et doivent posséder un seuil de destruction high in the resonator, the internal elements housed in the resonator are subject to significant constraints and must have a destruction threshold

optique élevé.high optics.

En ce qui concerne le second procédé, on utilise Regarding the second process, we use

la technique dite "Injection seeding", c'est-à-dire à ense- the so-called "injection seeding" technique, that is to say to

mencement par injection. Dans ce procédé, on injecte une lumière d'une source de lumière externe à bande étroite, ce injection molding. In this method, light is injected from a narrow-band external light source.

qu'on appelle une source d'ensemencement 101, dans le réso- called a seed source 101, in the reso-

nateur de la source de rayonnement 114. Déjà avec de faibles puissances lumineuses, il est possible d'influer de façon fiable sur les caractéristiques spectrales de la 114. Even with low light output, it is possible to reliably influence the spectral characteristics of the light source.

source de rayonnement DIAL.DIAL radiation source.

Ce qui est avantageux dans cette technique c'est que la commande des caractéristiques spectrales de la source de rayonnement 114 est transférée à une source de lumière séparée. C'est pourquoi la source de rayonnement What is advantageous in this technique is that the control of the spectral characteristics of the radiation source 114 is transferred to a separate light source. That's why the radiation source

doit produire encore seulement la puissance optique néces- must still produce only the optical power required

saire. De ce fait, son agencement est beaucoup plus simple; sary. As a result, its layout is much simpler;

c'est-à-dire que ceci conduit à un accroissement du rende- that is to say, this leads to an increase in the return

ment. Une variation de la longueur d'onde À de la valeur sur la raie (Àon) à la valeur décalée par rapport à la raie (Aoff) s'effectue grâce au fait que la longueur d'onde de la is lying. A variation of the wavelength λ of the value on the line (Δon) to the value shifted with respect to the line (Aoff) is due to the fact that the wavelength of the

source d'ensemencement 101 est désaccordée de façon corres- seeding source 101 is detuned accordingly.

pondante, comme cela peut être tiré de la figure 6(c). Bien que ceci puisse être traité plus facilement en raison de la puissance moyenne nettement plus faible de la source d'ensemencement que dans le cas d'une source de rayonnement accordable & bande étroite, les exigences techniques sont cependant considérables. Ceci se complique par le fait que as can be drawn from Figure 6 (c). Although this can be treated more easily due to the significantly lower average power of the seeding source than in the case of a tunable / narrowband radiation source, the technical requirements are, however, considerable. This is complicated by the fact that

le résonateur de la source de rayonnement 114 et les fré- the resonator of the radiation source 114 and the frequencies

quences du rayonnement d'ensemencement doivent être accor- Seeding radiation should be

dés entre eux et que la géométrie du rayonnement d'ensemen- between them and that the geometry of the seed radiation

cement ne devrait pas changer dans le cas du désaccord. should not change in the case of disagreement.

D'après WULFMEYER, V., et al; Injection-seeded alexandrite ring laser: performance and application in ab water-vapor differential absorption lidar, Optics Letters, Vol.20, N'6, du 15 Mars 1995, pages 638 à 640, on utilise le procédé DIAL indiqué dans le paragraphe précédent pour la télédétection de profils de vapeur d'eau dans l'atmosphère. Comme source de rayonnement on utilise un laser pulsé Cr:BeAl204 (laser à alexandrite) possédant une longueur d'onde d'environ 730 nm et qui est ensemencé au moyen d'un laser à titane-saphir. De ce fait on obtient un According to Wulfmeyer, V., et al; Injection-seeded alexandrite ring laser: performance and application in ab differential water-absorption lidar, Optics Letters, Vol.20, N'6, of March 15, 1995, pages 638 to 640, using the DIAL method indicated in the previous paragraph for the remote sensing of water vapor profiles in the atmosphere. As a radiation source is used a pulsed laser Cr: BeAl204 (alexandrite laser) having a wavelength of about 730 nm and which is seeded by means of a titanium-sapphire laser. So we get a

fonctionnement à bande étroite. Pour la commutation en va- narrowband operation. For switching to

et-vient entre une fréquence en ligne et une fréquence hors ligne, on modifie la fréquence du laser à titane-saphir de back and forth between an in-line frequency and an off-line frequency, the frequency of the titanium-sapphire laser of

façon correspondante. Dans le cas de cette forme de réali- corresponding way. In the case of this form of reali-

sation du procédé DIAL, la largeur spectrale est toujours inférieure (<5. 10-3cm-1), c'est-à-dire qu'elle n'est pas In the case of the DIAL process, the spectral width is always smaller (<5 × 10 -3 cm -1), that is, it is not

variable, étant donné que la source de rayonnement est tou- variable, since the radiation source is always

jours ensemencée. En outre la fréquence de la source days sown. In addition the frequency of the source

d'ensemencement doit être modifiée. sowing must be modified.

Cependant, on peut également utiliser deux sources de rayonnement 101 et 103 pour la longueur d'onde sur la raie Aon et la longueur d'onde décalée par rapport à la raie Aoff. A l'aide d'un mécanisme de commutation 12 présentant la fréquence correcte de récurrence, il faut veiller dans ce cas à ce que la source de rayonnement émette avec la longueur d'onde d'ensemencement respective, However, it is also possible to use two radiation sources 101 and 103 for the wavelength on the Aon line and the wavelength offset with respect to the Aoff line. With the aid of a switching mechanism 12 having the correct frequency of recurrence, care must be taken in this case that the radiation source emits with the respective seeding wavelength,

comme cela est indiqué schématiquement sur la figure 6(d). as shown schematically in Figure 6 (d).

En dehors de ce mécanisme de commutation, ce qui est ici un inconvénient c'est surtout la dépense accrue en appareil- Apart from this switching mechanism, what is here a disadvantage is above all the increased expense in apparatus.

lage, en raison de la préparation de deux sources d'ense- because of the preparation of two sources of

mencement. C'est pourquoi l'invention a pour but de créer un procédé et un dispositif de télédétection de gaz à l'état de traces, le procédé devant être mis en oeuvre, d'une manière moins coûteuse et nettement plus simple et par conséquent plus rapidement, tandis que le dispositif doit être fortement simplifié en ce qui concerne la dépense en appareillage et que les exigences techniques sont beaucoup commencement. Therefore, the purpose of the invention is to create a method and a device for the remote sensing of trace gases, the process to be implemented in a less expensive and much simpler way and therefore more quickly, while the device needs to be greatly simplified in terms of equipment costs and the technical requirements are

plus faibles.weaker.

Conformément à l'invention ceci est obtenu dans le cas du procédé par le fait que, moyennant l'utilisation du procédé DIAL (procédé utilisant un lidar à absorption différentielle), a) on calcule la concentration N(R) de particules dans le gaz à examiner en fonction de la distance (R = R1 + AR/2) à l'aide de la relation DIAL -- Poff(R2)P,.(R,) N(R)= IlI __ Relation (1) 2- a -AR Po. (R2)Pof(RI) According to the invention this is achieved in the case of the process in that, by using the DIAL method (a process using a differential absorption lidar), a) the N (R) concentration of particles in the gas is calculated. to be examined as a function of distance (R = R1 + AR / 2) using the relation DIAL - Poff (R2) P, (R) N (R) = IlI __ Relation (1) 2- a -AR Po. (R2) Pof (RI)

AR représentant l'intervalle d'alignement formé par la dif- AR representing the alignment interval formed by the dif-

férence de deux distances R1 et R2, Pon(R1), Poff(R1), Pon(R2) et Poff(R2) désignant les puissances de signaux de rétrodiffusion reçus à partir des distances (R1 et R2), et two distances R1 and R2, Pon (R1), Poff (R1), Pon (R2) and Poff (R2) denoting the power of backscattering signals received from the distances (R1 and R2), and

Ao désignant la section d'absorption différentielle effi- Ao designating the effective differential absorption section

cace, avec jra(o)[L(u - vu.)- L(u - uoff)]dv 0a= _________ Relation (2) L(u)du ll v désignant la fréquence d'une raie spectrale sélectionnée du gaz & examiner, von la fréquence de sa raie d'absorption et Voff une fréquence de référence, o(v) étant la section d'absorption moléculaire et L(v) la distribution d'énergie spectrale d'une source de rayonnement, b) Pon est produite au moyen d'un rayonnement d'une source de rayonnement à bande étroite possédant la fréquence de raie d'absorption von du gaz à examiner, dont la largeur spectrale est inférieure à la largeur de la raie d'absorption, et c) Poff est produite avec un rayonnement d'une source de rayonnement à large bande ayant la fréquence de référence Voff, dont la largeur spectrale est supérieure d'un multiple cace, with jra (o) [L (u - vu.) - L (u - uoff)] dv 0a = _________ Relation (2) L (u) of ll V designating the frequency of a selected spectral line of the gas examine, by the frequency of its absorption line and Voff a reference frequency, where (v) is the molecular absorption section and L (v) is the spectral energy distribution of a radiation source, b) is produced by means of radiation from a narrow-band radiation source having the von absorption line frequency of the gas to be examined, the spectral width of which is less than the width of the absorption line; and Poff is produced with radiation from a broadband radiation source having the reference frequency Voff, whose spectral width is greater than a multiple

& la largeur de la raie d'absorption. & the width of the absorption line.

Ceci est en outre obtenu dans le cas du disposi- This is furthermore obtained in the case of

tif grâce au fait qu'il est prévu un dispositif d'émission ayant une largeur de bande spectrale variable, qui comporte une source d'ensemencement, une source de rayonnement, un interrupteur installé entre les deux sources et à l'aide thanks to the fact that there is provided a transmission device having a variable spectral bandwidth, which comprises a source of seeding, a source of radiation, a switch installed between the two sources and using

duquel la source de rayonnement peut être commutée en va- radiation source can be switched to

et-vient entre un fonctionnement avec ensemencement (à bande étroite), dans lequel un rayonnement possédant la fréquence d'absorption est délivré, et un fonctionnement and forth between seeding (narrowband) operation, wherein radiation having the absorption frequency is delivered, and operation

sans ensemencement (à large bande), dans lequel un rayonne- without seeding (broadband), in which a

ment possédant une fréquence de référence est délivré, et with a reference frequency is issued, and

un dispositif de réception pour des signaux de rétrodiffu- receiving device for back-scatter signals

sion qui proviennent de deux distances. from two distances.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source de rayonnement est un laser accordable, dans lequel des colorants ou des matériaux formant corps solides According to another characteristic of the invention, the radiation source is a tunable laser, in which dyes or solid-state materials

peuvent être utilisés en tant que milieu laser. can be used as a laser medium.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source de rayonnement est une source de lumière & conversion de fréquence non linéaire, tel qu'un premier According to another characteristic of the invention, the radiation source is a light source & nonlinear frequency conversion, such as a first

oscillateur optique paramétrique.parametric optical oscillator.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source d'ensemencement est un laser à fonctionnement According to another characteristic of the invention, the seeding source is a working laser

continu ou pulsé.continuous or pulsed.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source d'ensemencement est un second oscillateur optique According to another characteristic of the invention, the seeding source is a second optical oscillator

paramétrique fonctionnant de façon continue ou pulsée. parametric operating continuously or pulsed.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la longueur d'onde de la source d'ensemencement correspond soit & la longueur d'onde du signal, soit à la longueur According to another characteristic of the invention, the wavelength of the seeding source corresponds either to the wavelength of the signal or to the length

d'onde & vide de l'oscillateur optique paramétrique. of the wave & vacuum of the parametric optical oscillator.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'interrupteur est un moyen de commutation mécanique, qui According to another characteristic of the invention, the switch is a mechanical switching means, which

réalise une commutation en va-et-vient entre un fonctionne- performs a switching back and forth between a functioning

ment avec ensemencement et un fonctionnement sans ensemen- with seeding and unsprayed operation.

cement, pour l'interruption de l'injection d'un ensemence- for the interruption of the injection of a seed

ment. Selon une autre caractéristique de l'invention, is lying. According to another characteristic of the invention,

le commutateur dévie le faisceau de la source d'ensemence- the switch deflects the beam from the seed source

ment & l'aide d'un milieu électro-optique ou acousto- using an electro-optical or acoustical medium.

optique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le commutateur modifie la direction de polarisation du rayonnement de la source d'ensemencement et que la source de rayonnement est commutée en va-etvient, sous l'effet de cette variation, entre un fonctionnement avec ensemencement optical. According to another characteristic of the invention, the switch modifies the polarization direction of the radiation of the seeding source and the radiation source is switched in the opposite direction, as a result of this variation, between an operation with seeding.

et un fonctionnement sans ensemencement. and operation without seeding.

Conformément à l'invention, dans le cas du pro- According to the invention, in the case of the

cédé de télédétection de gaz à l'état de traces en utili- remote sensing of trace gas using

sant le procédé DIAL, il est particulièrement avantageux In the DIAL process, it is particularly advantageous

que les valeurs des puissances Pon et Poff, qui sont néces- that the values of the Pon and Poff powers, which are necessary

saires pour le calcul des relations (1) et (2) indiquées plus haut, puissent être obtenues à partir de signaux de rétrodiffusion qui sont reçus à partir de deux distances R1 et R2 par le fait que la valeur de Pon est produite au moyen d'un rayonnement d'une source de rayonnement à bande étroite avec la fréquence von de la raie d'absorption du gaz for the calculation of the relations (1) and (2) given above, can be obtained from backscatter signals which are received from two distances R1 and R2 in that the value of Pon is produced by means of radiation from a narrow-band radiation source with the frequency V o of the gas absorption line

examiné, dont la largeur spectrale est inférieure à la lar- examined, whose spectral width is less than

geur spectrale de la raie d'absorption, et que la valeur Poff soit produite avec un rayonnement d'une source de rayonnement à large bande ayant la fréquence de référence voff et dont la largeur spectrale est égale à un multiple de spectral range of the absorption line, and that the Poff value is produced with radiation from a broadband radiation source having the voff reference frequency and whose spectral width is equal to a multiple of

la largeur spectrale de la raie d'absorption. the spectral width of the absorption line.

Conformément à l'invention, la caractéristique According to the invention, the characteristic

essentielle du dispositif fonctionnant en utilisant le pro- of the device operating using the

cédé DIAL doit être vue dans le fait que par rapport à la mise en oeuvre du procédé usuel décrit précédemment, on given DIAL must be seen in the fact that compared to the implementation of the usual method described above, one

utilise seulement une source de rayonnement ayant une lar- only uses a radiation source with a

geur spectrale variable. Ceci est obtenu conformément à l'invention à l'aide de l'ensemencement par injection par variable spectral range. This is achieved according to the invention by means of injection seeding by

le fait que la source de rayonnement est commutée en va-et- the fact that the radiation source is switched to va-and-

vient entre un fonctionnement avec ensemencement, c'est-à- comes between an operation with seeding, that is,

dire un fonctionnement à bande étroite, et un fonctionne- narrow-band operation, and a functioning

ment sans ensemencement, c'est-à-dire un fonctionnement à without seeding, that is,

large bande.broadband.

Pour le fonctionnement, il suffit d'utiliser encore une seule source d'ensemencement ainsi que la source de rayonnement. De ce fait aucun ajustement par rapport à un chevauchement de deux rayons n'est nécessaire et il For operation, it is sufficient to use one more source of seeding as well as the source of radiation. As a result, no adjustment with respect to an overlap of two radii is necessary and

suffit également d'alimenter une seule source de rayonne- It is also sufficient to feed a single source of

ment avec une énergie électrique et un fluide de refroidis- with electrical energy and cooling fluid.

sement. Par conséquent étant donné que, conformément à ment. Therefore, given that, in accordance with

l'invention, seules sont nécessaires une source d'ensemen- the invention, only a seed source is necessary.

cement ayant une puissance comparativement faible ainsi having a comparatively low power as well

qu'une source de rayonnement - agencée d'une manière rela- that a source of radiation - arranged in a manner

tivement simple - typique pour des systèmes avec ensemence- very simple - typical for seeded systems

ment d'injection, on obtient, grâce à l'invention, une Injection is obtained by means of the invention

forme de réalisation légère, compacte et robuste d'un dis- lightweight, compact and robust embodiment of a

positif pour la mise en oeuvre du procédé de télédétection positive for the implementation of the remote sensing process

de gaz & l'état de traces. En outre, la source d'ensemence- of gas & the state of traces. In addition, the source of seed

ment fonctionne, dans le cas de la longueur d'onde sur la operation, in the case of the wavelength on the

raie, avec une fréquence fixe. Etant donné qu'une modifica- line, with a fixed frequency. Since a modification

tion de la longueur d'onde, comme jusqu'alors une commuta- wavelength, as until then a change in

tion de la position sur la raie à la position décalée par rapport à la raie, n'est pas nécessaire, on peut obtenir position on the line at the staggered position with respect to the line, is not necessary, it is possible to obtain

d'une manière très simple la stabilité de fréquence néces- in a very simple way the frequency stability required

saire de la cellule d'ensemencement et en outre il est pos- of the seed cell and furthermore it is pos-

sible de mettre en oeuvre également sans problème un fonc- able to implement also without difficulty a func-

tionnement avec des fréquences plus élevées de la suite d'impulsions. tion with higher frequencies of the pulse sequence.

D'autres caractéristiques et avantages de la pré- Other features and advantages of the pre-

sente invention ressortiront de la description donnée ci- invention will emerge from the description given below.

après prise en référence aux dessins annexés, sur les- after making reference to the accompanying drawings, on

quels:what:

- la figure 1 montre une représentation schéma- FIG. 1 shows a diagrammatic representation

tique d'une forme de réalisation du dispositif selon l'invention; of one embodiment of the device according to the invention;

- la figure 2 représente des graphiques de pro- - Figure 2 shows graphs of

fils de vapeur d'eau déterminés expérimentalement; - les figures 3a et 3b montrent une illustration de principe du procédé DIAL selon l'invention dans le cas d'un spectre de la vapeur d'eau; - la figure 4 montre une illustration schématique d'un dispositif usuel utilisé dans la technique de mesure DIAL; water vapor son determined experimentally; FIGS. 3a and 3b show an illustration of the DIAL process according to the invention in the case of a spectrum of water vapor; FIG. 4 shows a schematic illustration of a conventional device used in the DIAL measurement technique;

- la figure 5 montre une représentation schéma- FIG. 5 shows a diagrammatic representation

tique du procédé DIAL classique; et - les figures 6a à 6d représentent différents dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé de mesure typical DIAL process; and FIGS. 6a to 6d show different devices for implementing the measurement method

DIAL classique.Classic DIAL.

Comme cela est représenté sur la figure 1, pour la mise en oeuvre du procédé DIAL conformément à l'invention il est nécessaire d'utiliser un dispositif As shown in FIG. 1, for the implementation of the DIAL method according to the invention it is necessary to use a device

d'émission 1 ainsi qu'un dispositif de réception 2. Le dis- 1 and a reception device 2.

positif d'émission 1 comprend essentiellement trois compo- Emission Positive 1 consists essentially of three

sants, & savoir une source d'ensemencement 10, une source de rayonnement 11 ainsi qu'un commutateur 12 disposé entre a seed source 10, a radiation source 11 and a switch 12 disposed between

ces sources et qui interrompt ce qu'on appelle l'ensemence- these sources and which interrupts what is known as the

ment par injection. La source de rayonnement 11 doit être conçue de telle sorte qu'elle peut être accordée dans la zone des raies d'absorption d'un gaz à examiner. En outre, elle doit posséder une largeur spectrale qui est supérieure by injection. The radiation source 11 must be designed so that it can be tuned in the area of absorption lines of a gas to be examined. In addition, it must have a spectral width that is greater than

d'un multiple à celle des raies d'absorption, et les carac- of a multiple to that of the absorption lines, and the characteristics

téristiques spectrales de la source de rayonnement doivent Spectral characteristics of the radiation source

être contrôlées à l'aide de l'ensemencement par injection. be controlled by injection seeding.

En plus des caractéristiques spectrales, la In addition to the spectral characteristics, the

source de rayonnement 11 doit satisfaire à toutes les exi- gences d'une source de lumière DIAL, c'est-à-dire une source de lumière radiation source 11 must meet all the requirements of a DIAL light source, that is to say a light source

avec laquelle le procédé DIAL doit être exécuté et qui possède une énergie suffisante d'impulsions et une puissance correspondantes et dont la durée des impulsions est suffisamment grande et qui présente une séquence élevée correspondante de récurrence des impulsions with which the DIAL process is to be performed and which has a sufficient pulse energy and a corresponding power and whose pulse duration is sufficiently large and which has a corresponding high sequence of pulse recurrence

et a seulement une faible divergence d'émission. and has only a small emission divergence.

Comme source de rayonnement de ce type, on peut envisager d'utiliser: 1) des lasers accordables, dans lesquels on utilise comme milieu laser, des colorants ou des matériaux à corps solides. Des matériaux possibles à corps solides sont par exemple Ti:Saphir (Ti:SA), des matériaux dopés par du Cr3+ et Cr4+, comme par exemple l'alexandrite, des cristaux de la structure de Colquiriit, comme par exemple Cr3+:LiSrAlF6 ou le Cr3+ :LiCaAlF6) ou la forstérite; mais en outre il As a radiation source of this type, it is possible to envisage using: 1) tunable lasers, in which dyes or solid-body materials are used as laser medium. Possible materials with solid bodies are for example Ti: sapphire (Ti: sa), materials doped with Cr3 + and Cr4 +, such as for example alexandrite, crystals of the structure of Colquiriit, such as for example Cr3 +: LiSrAlF6 or the Cr3 +: LiCaAlF6) or forsterite; but in addition he

convient également d'utiliser des cristaux à centres colo- Colored crystals should also be used.

* rés. 2) des sources de lumière, qui sont basées sur le principe de conversion de fréquence non linéaires, comme par exemple des oscillateurs optiques paramétriques (OPO). On peut envisager d'utiliser par exemple les matériaux suivants, à savoir du borate de bêta-baryum (BBO), du triborate de lithium (LBO), du titanylphosphate de potassium (TiOPO4 KTP), du KTiOAsO4 (KTA); RbTiOAsO4 (RTA), du CsTiOAs04 (CTA), du niobate de potassium (KNbO3), du niobate de lithium (LiNbO3), du séléniure d'argent et de gallium (AgGaS2), de l'arseniure d'argent et de gallium (AgGaSe2), du phosphate de zinc et de germanium (ZnGeP2); et en outre* res. 2) light sources, which are based on the principle of non-linear frequency conversion, such as parametric optical oscillators (OPOs). For example, it is possible to use the following materials, namely beta-barium borate (BBO), lithium triborate (LBO), potassium titanyl phosphate (TiOPO 4 KTP), KTiOAsO 4 (KTA); RbTiOAsO4 (RTA), CsTiOAsO4 (CTA), potassium niobate (KNbO3), lithium niobate (LiNbO3), silver and gallium selenide (AgGaS2), silver and gallium arsenide ( AgGaSe2), zinc phosphate and germanium (ZnGeP2); and furthermore

on peut utiliser d'autres cristaux par exemple organiques. other crystals, for example organic, can be used.

3) Comme dans le cas de la source de rayonnement 11, une source d'ensemencement 10 utilisable conformément à l'invention doit être accordable dans la zone des raies d'absorption du gaz à examiner. La largeur de raie doit être inférieure ou du même ordre de grandeur que la largeur 3) As in the case of the radiation source 11, a seed source 10 which can be used in accordance with the invention must be tunable in the zone of the absorption lines of the gas to be examined. The line width must be smaller or the same order of magnitude as the width

des raies d'absorption. Cela signifie que l'on peut utili- absorption lines. This means that we can use

ser des lasers fonctionnant en continu ou de manière pul- lasers operating continuously or in a

sée ou également des oscillateurs optiques paramétriques (OPO). Comme matériaux optiques actifs pour l'effet laser ou non linéaires, on peut utiliser toutes les sources de lumière déjà indiquées ici en liaison avec la source de rayonnement 11. En outre, on peut envisager d'utiliser des lasers à semiconducteurs ou des systèmes laser, dont le matériau actif est formé de cristaux semiconducteurs. Si on utilise des oscillateurs optiques paramétriques (OPO) en tant que source de rayonnement, il est particulièrement or also parametric optical oscillators (OPOs). As active optical materials for the laser effect or non-linear, all the light sources already mentioned here can be used in conjunction with the radiation source 11. In addition, it is possible to envisage using semiconductor lasers or laser systems. whose active material is formed of semiconductor crystals. If parametric optical oscillators (OPOs) are used as a source of radiation, it is particularly

avantageux que l'ensemencement d'injection puisse s'effec- advantageous that the injection seeding can take place

tuer aussi bien pour le signal que pour la longueur d'onde kill for both the signal and the wavelength

à vide d'un oscillateur OPO.empty of an oscillator OPO.

Le commutateur 12, qui est prévu dans le disposi- The switch 12, which is provided in the

tif d'émission 1 et qui est disposé entre la source d'ense- transmission 1 and which is arranged between the source of

mencement 10 et la source de rayonnement 11, sert de ce fait à commuter en va-et-vient la source de rayonnement 11 10 and the radiation source 11, is used to switch back and forth the radiation source 11

entre un fonctionnement avec ensemencement et par consé- between operation with seeding and consequently

quent & bande étroite et un fonctionnement sans ensemence- quent & narrow band and non-seeded operation

ment et par conséquent à large bande. A l'aide du commuta- and therefore broadband. With the help of

teur 12, le faisceau d'un laser d'ensemencement utilisé en tant que source d'ensemencement 10 est interrompu ou est dévié. La commutation en va-et-vient peut être exécutée par des moyens mécaniques ou lors d'un procédé électro-optique ou acousto-optique. Si le fonctionnement de l'ensemencement d'injection dépend de la polarisation, l'ensemencement d'injection peut être également interrompu au moyen d'une At 12, the beam of a seeding laser used as the seeding source 10 is interrupted or deflected. The switching back and forth can be performed by mechanical means or during an electro-optical or acousto-optical process. If the operation of the injection seeding depends on the polarization, the injection seeding can also be interrupted by means of a

rotation de la polarisation du rayonnement d'ensemencement. rotation of the polarization of the seeding radiation.

En outre, dans le cas de mesures DIAL, on utilise fréquemment, dans le dispositif de réception, un filtre & bande étroite, qui transmet au détecteur uniquement un rayonnement qui se situe dans une plage spectrale autour de la longueur d'onde du dispositif d'émission. L'utilisation d'un tel filtre réduit le rayonnement à son air ambiant et permet de ce fait de déterminer également dans la journée, Furthermore, in the case of DIAL measurements, a narrow band filter is frequently used in the receiving device, which transmits to the detector only radiation which lies in a spectral range around the wavelength of the device. 'program. The use of such a filter reduces the radiation to its ambient air and thus makes it possible to determine also during the day,

des concentrations de gaz avec de faibles erreurs. En liai- gas concentrations with small errors. In connection

son avec le dispositif selon l'invention, il faut veiller simplement au fait que la courbe de transmission du filtre permette la transmission du rayonnement sans ensemencement With the device according to the invention, it is necessary to simply ensure that the transmission curve of the filter allows the transmission of the radiation without seeding.

et par conséquent du rayonnement à large bande. and therefore broadband radiation.

En liaison avec le développement d'un système DIAL aéroporté et servant à déceler de la vapeur d'eau dans l'atmosphère, le déposant a construit et testé entre-temps In connection with the development of an airborne DIAL system for detecting water vapor in the atmosphere, the depositor has built and tested in the meantime

un prototype d'un dispositif selon l'invention qui tra- a prototype of a device according to the invention which

vaille selon le système DIAL. Comme source de rayonnement, on a utilisé un oscillateur OPO ensemencé pour des mesures en ligne et simultanément on a utilisé le même oscillateur OPO, mais non ensemencé, pour la longueur d'onde hors ligne. Dans l'oscillateur OPO, on a utilisé du BVO en tant que cristal non linéaire et en outre on a excité l'oscillateur OPO avec le rayonnement dont la fréquence est triplée, d'un laser au Nd:YAG déclenché. Comme source d'ensemencement 10, on a utilisé un laser à colorant pulsé according to the DIAL system. As a radiation source, an inoculated OPO oscillator was used for on-line measurements and simultaneously the same OPO oscillator, but not seeded, was used for the off-line wavelength. In the OPO oscillator, BVO was used as the nonlinear crystal and further the OPO oscillator was excited with triply frequency radiation of a tripped Nd: YAG laser. As a seeding source 10, a pulsed dye laser was used

pour une longueur d'onde d'environ 620 nm. for a wavelength of about 620 nm.

Les mesures ont été exécutées pour la longueur d'onde & vide de l'oscillateur OPO, égale à 828,2 nm. Pour ces mesures, on a réglé de façon précise l'oscillateur OPO ensemencé par conséquent à bande étroite, à l'aide d'une cellule d'absorption photo-acoustique sur le centre de la raie de la transition H20 sélectionné. Pour la mesure hors ligne, on a bloqué mécaniquement la source d'ensemencement et le rayonnement OPO non ensemencé et donc à large bande a été émis sans d'autres éléments limitant la largeur de bande. Les échos du lidar ont été collectés avec une lunette Cassegrain de 35 cm et ont été détectés avec une The measurements were performed for the empty wavelength of the OPO oscillator, equal to 828.2 nm. For these measurements, the narrow-band inoculated OPO oscillator was accurately adjusted using a photoacoustic absorption cell on the center of the selected transition line H20. For off-line measurement, the seeding source was mechanically blocked and unseeded and therefore broadband OPO radiation was emitted without other bandwidth limiting elements. Lidar echoes were collected with a 35 cm Cassegrain bezel and were detected with

diode & avalanche (APD). Pour supprimer la lumière ambian- diode & avalanche (APD). To remove the ambient light

te, on a utilisé un filtre à 5 nm (HWHM - demi-largeur pour la moitié du maximum). A l'aide d'une détection rapide des données on a pu enregistrer numériquement les signaux en fonction du temps de propagation. En dehors du dispositif selon l'invention, on a également mis en oeuvre le procédé DIAL classique, lors duquel la source d'ensemencement est commutée en va-et-vient entre la longueur d'onde sur la raie et la longueur d'onde avec décalage par rapport à la a 5 nm filter (HWHM - half width for half the maximum) was used. With the help of a fast detection of the data it was possible to digitally record the signals as a function of the propagation time. Apart from the device according to the invention, the conventional DIAL method has also been used, in which the seeding source is switched back and forth between the wavelength on the line and the wavelength. with offset from the

raie, comme cela peut être tiré par exemple de la figure 5. line, as can be drawn for example from Figure 5.

Sur la figure 2, on a reproduit un profil de la vapeur d'eau, mesuré conformément à l'invention ainsi qu'un profil de la vapeur d'eau mesuré au moyen du procédé DIAL usuel. Sur la figure 2 on a porté en abscisses le rapport In FIG. 2, a profile of the water vapor, measured in accordance with the invention and a profile of the water vapor measured using the usual DIAL method, was reproduced. In FIG. 2 the abscissa

de mélange de H20 en g/kg et en ordonnées la distance en m. mixture of H20 in g / kg and the ordinate the distance in m.

Sur la figure 2, on a représenté la mesure, exécutée en utilisant le dispositif selon l'invention, par une ligne en trait mixte, tandis qu'on a représenté la mesure effectuée conformément au procédé DIAL classique, au moyen de la ligne en trait plein. On peut établir l'existence d'une In FIG. 2, the measurement, performed using the device according to the invention, is represented by a dashed line, whereas the measurement carried out in accordance with the conventional DIAL method is represented by means of the dashed line. full. We can establish the existence of a

bonne concordance entre les deux mesures. good agreement between the two measures.

En outre, sur la figure 2, on a également repro- In addition, in Figure 2, we also reproduced

duit, & titre de comparatif, et ce au moyen de triangles ou de cercles noirs, des points de mesure introduits, qui ont été obtenus dans le cas de deux montées de sondes, qui sont exécutées pendant le même intervalle de temps que les deux mesures reproduites au moyen de la courbe en trait mixte et As a comparison, by means of triangles or black circles, the measurement points introduced, obtained in the case of two probe rises, which are executed during the same time interval as the two measurements reproduced using the dotted line curve and

de la courbe en trait plein.of the curve in full line.

La très bonne concordance des résultats de mesure représentés sur la figure 2 confirme la validité aussi bien de l'utilisation du procédé selon l'invention que de l'application et de l'utilisation du dispositif selon l'invention. Ceci est dû au fait que les sections d'absorption différentielles dans les deux procédés de The very good agreement of the measurement results shown in FIG. 2 confirms the validity of both the use of the method according to the invention and the application and use of the device according to the invention. This is due to the fact that the differential absorption sections in both methods of

mesure sont seulement faiblement différentes. Ceci se mani- measure are only slightly different. This is how

feste notamment lorsque les sections d'absorption sont cal- especially when the absorption sections are calcu-

culées dans la gamme spectrale considérée à l'aide de la relation (2). Dans le cas classique on obtient sur la figure 5 une valeur tAOancien = 6,51 x 10-23 cm2 et selon l'invention conformément à la figure 2 AOnouveau = 6,34 X 10-23 cm2 Les indices "ancien" et "nouveau" désignent le procédé classique et le procédé nouveau conforme à abutments in the spectral range considered using relation (2). In the conventional case we obtain in FIG. 5 a value tOc = 6.51 × 10-23 cm 2 and according to the invention in accordance with FIG. 2 AOnew = 6.34 × 10 -23 cm 2. The "old" and "new" indices "designate the conventional process and the new process according to

l'invention.the invention.

Sur la figure 3a, on a utilisé à titre d'exemple d'un spectre de la vapeur d'eau dans la plage spectrale de 828 nm pour la mesure avec décalage par rapport à la raie, un rayonnement non ensemencé et par conséquent à large bande. Sur la figure 3b, dans le spectre de la vapeur d'eau dans la gamme spectrale de 828 nm, on a également réglé la source de lumière ensemencée et par conséquent à bande In FIG. 3a, an example of a spectrum of water vapor in the spectral range of 828 nm was used for the measurement with shift compared to the line, an unseeded radiation and therefore a large one. gang. In FIG. 3b, in the spectrum of the water vapor in the spectral range of 828 nm, the seeded light source and consequently the

étroite sur la raie d'absorption. La largeur de bande spec- narrow on the absorption line. The spectral bandwidth

trale (FWHM - largeur complète pour la moitié du maximum) dont la source de rayonnement non ensemencée est égale à 2 nm et par conséquent est supérieure, du facteur 1000 à la largeur de la source de rayonnement dans le fonctionnement trale (FWHM - full width for half of the maximum) whose unseeded radiation source is equal to 2 nm and therefore is greater, by factor 1000 to the width of the radiation source in the operation

ensemencé, qui est égale à 0,02 nm. seeded, which is equal to 0.02 nm.

Pour les calculs, on a supposé un profil de raie gaussien avec une largeur à mi-valeur égale à 2 nm dans le cas d'un oscillateur OPO à large bande conforme à la figure 3a. Sur les figures 3a et 3b on a reproduit en abscisses la For computations, a Gaussian line profile with a half-width equal to 2 nm was assumed in the case of a broadband OPO oscillator according to Figure 3a. In FIGS. 3a and 3b, the abscissa

longueur d'onde en nm et en ordonnées la section d'absorp- wavelength in nm and on the ordinate the absorption section

tion [lE - 22 cm2]. La détermination des sections d'absorp- tion [E-22 cm2]. The determination of the absorption sections

tion du H20 dans la plage spectrale correspondante est basée sur les paramètres des raies du bloc de données Hitran. Comme profil de la raie, on a supposé un profil de Lorentz, qui est une bonne approximation pour des mesures au sol. On a mesuré la largeur spectrale à mi-valeur de l'oscillateur OPO émis et cette valeur est inférieure à 0,02 nm. La largeur spectrale du rayonnement à vide non ensemencé et à large bande de l'oscillateur OPO est égale H20 in the corresponding spectral range is based on the line parameters of the Hitran data block. As a profile of the line, a Lorentz profile has been assumed, which is a good approximation for ground measurements. The half-value spectral width of the emitted oscillator OPO was measured and this value is less than 0.02 nm. The spectral width of the uninoculated and broadband vacuum radiation of the OPO oscillator is equal

habituellement entre 1 à 3 nm pour la longueur d'onde uti- usually between 1 and 3 nm for the wavelength used

lisée. Des calculs types avec des largeurs de raies laser différentes de 0,5 à 5 nm dans cette plage spectrale ont révélé que la variation maximale de la section d'absorption Lisée. Model calculations with different laser line widths from 0.5 to 5 nm in this spectral range revealed that the maximum variation of the absorption section

indiquée précédemment est Aonouveau < 1 %. previously indicated is AonNew <1%.

Le procédé décrit précédemment conforme à l'invention a été testé par le déposant en ce qui concerne la télédétection de la vapeur d'eau, au sol. En raison du The method described above according to the invention has been tested by the applicant with regard to the remote sensing of water vapor on the ground. Because of the

caractère compact du prototype réalisé, on obtient mainte- compactness of the realized prototype, we now obtain

nant un système pouvant être embarqué sur un avion et qui a system that can be embarked on an airplane and that

est utilisé dans le cas de campagnes de mesure météorolo- is used in the case of meteorological measurement campaigns

giques. De même ce procédé selon l'invention peut être cal. Similarly, this process according to the invention can be

étendu & tous les gaz à l'état de traces, qui sont acces- extended to all trace gases, which are acces-

sibles avec la technique de détection DIAL et possèdent un système discret de bandes d'oscillation et de rotation dans la plage spectrale correspondante, comme par exemple pour with the DIAL detection technique and have a discrete system of oscillation and rotation bands in the corresponding spectral range, such as

le S02, le C02, le NOx et pour des composés d'hydrocar- SO 2, CO 2, NOx and for hydrocarbon compounds

bures.bures.

Claims

1. A method for the remote sensing of trace gases, characterized in that, with the use of the

DIAL process (a process using a different absorption lidar

ferential), a) the concentration N (R) of particles in the gas to be examined as a function of distance (R = R1 + AR / 2) is calculated using the relationship DIAL InP.ff (R2) Po. (RI) N (R) = In Relation (1) 2 -a. AR Po. (R2) Pof (RI)

AR representing the alignment interval formed by the dif-

two distances R1 and R2, Pon (R1), Poff (R1), Pon (R2) and Poff (R2) denoting the power of backscattering signals received from the distances (R1 and R2), and

Ao designating the effective differential absorption section

cace, with (uv) [L (u - Uo.) - L (u - uo #)] of the _ = __ Relation (2) L (u) of v denoting the frequency of a selected spectral line of the gas & examine the frequency of its absorption line and Voff a reference frequency, c (v) being the molecular absorption section and L (v) the spectral energy distribution of a radiation source, b) Pon is produced by means of radiation from a narrow-band radiation source having the von absorption line frequency of the gas to be examined, the spectral width of which is less than the width of the absorption line, and c) Poff is produced with radiation from a broadband radiation source having the reference frequency voff, whose spectral width is greater than a multiple

to the width of the absorption line.

Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that there is provided an emission device (1) having a variable spectral bandwidth, which comprises a seeding source (10), a radiation source (11), a switch (12) installed between the two sources and with which the

radiation source (11) can be switched to va-and-

comes between inoculation (narrowband) operation, in which radiation having the absorption frequency (von) is delivered, and non-seeding (broadband) operation, wherein radiation having a reference frequency (Voff) ) is issued, and

a reception device (2) for feedback signals

diffusion (Pon, Poff) from two distances

(R1, R2) -

3. Device according to claim 2, characterized

in that the radiation source is a laser

in which dyes or solid-material materials can be used as a laser medium.

4. Device according to claim 2, characterized

in that the radiation source is a nonlinear frequency conversion light source, such as a

first parametric optical oscillator (OPO).

5. Device according to any one of the

cations 2 to 4, characterized in that the seed source

ment (10) is a continuous or pulsed laser.

6. Device according to any one of the

cations 2 to 4, characterized in that the seed source

ment (10) is a second parametric optical oscillator

(OPO) operating continuously or pulsed.

7. Device according to any one of the

4 to 6, characterized in that the wavelength of

the seeding source (10) corresponds to either the

signal wavelength, ie at the empty wavelength of

the parametric optical oscillator (OPO).

8. Device according to any one of the

2 to 7, characterized in that the switch (12) is a mechanical switching means, which

change back and forth between functioning with

and non-seeding operation, for

the interruption of the injection seeding.

9. Device according to any one of the

2 to 7, characterized in that the switch (12) deflects the beam from the seeding source (10) to

using an electro-optical or acousto-optical medium.

10. Device according to any one of the

2 to 8, characterized in that the switch (12) changes the polarization direction of the radiation of the seeding source (10) and the radiation source (11) is switched back and forth under effect of this variation, between seeded operation and

operation without seeding.