Measures de vent 3D avec le lidar Doppler coherent Live à bord d'un avion

International audienceA three-dimensional (3D) wind profiling Lidar, based on the latest high power 1.5 µm fiber laser development at Onera, has been successfully flown on-board a SAFIRE (Service des Avions Français Instrumentés pour la Recherche en Environnement) ATR42 aircraft. The Lidar called LIVE (LIdar VEnt) is designed to measure wind profiles from the aircraft down to ground level, with a horizontal resolution of 3 km, a vertical resolution of 100 m and a designed accuracy on each three wind vector components better than 0.5 m.s −1. To achieve the required performance, LIVE Lidar emits 410 µJ laser pulses repeating at 14 KHz with a duration of 700 ns and uses a conical scanner of 30 • total opening angle and a full scan time of 17 s.Un lidar vent 3D, basé sur le dernier développement de laser à fibre de 1,5 µm à haute puissance de l’ONERA a été testé avec succès à bord d’un avion SAFIRE ATR42. Le lidar appelé LIVE est conçu pour mesurer les profils de vent de l’avion jusqu'au sol, avec une résolution horizontale de 3 km, une résolution verticale de 100 m et une précision calculée supérieure à 0,5 m / s pour chaque composante du vecteur du vent

Clear air turbulence detection and characterisation in the delicat airborne lidar project

We report on a development of a long-range airborne UV high spectral resolution lidar, intended for the detection and characterisation of clear air turbulence (CAT). The detection of turbulence is based on the measurement of density fluctuations associated with the movement of turbulent air masses. These density fluctuations are measured by the variations in the molecular backscatter coefficient which is determined from the lidar signal by spectrally separating it from the aerosol backscatter. After an introduction, we review the CAT detection principle and describe the lidar system design. We then present the expected performance of the system and give an overview on the planned measurement campaign

Performance of Frequency Estimators for real time display of high PRF pulsed fibered Lidar wind map

International audienceLong range wind lidars based on high pulse repetition frequency (PRF) fiber laser require Doppler mean frequency estimators (MFE) that are reliable up to very low CNR, and fast enough for real time display of long range wind maps. A comparison of MFEs has been performed on accumulated spectra computed on experimental data from a high PRF pulsed fibered Lidar. MFEs (maximum, centroid, matched filter, maximum likelihood, polynomial fit) have been compared in terms of average error versus CNR and in terms of processing time. The wind speed errors have been estimated by the wind data spectrum method for various estimators

Dynamique et contrôle d'une paire de tourbillons en effet de sol

International audienceThe dynamics and control of a vortex pair in ground effect are investigated ina planar, incompressible and laminar setting. The evolution of the vortices obtained numerically shows vortex rebound as a consequence of the separation of the boundary layer induced at the wall by the vortices. An optimal control approach is developed and employed for vortex Reynolds numbers of 200 and 1000 in order to identify the optimal Dirichlet boundary condition at the wall to counteract this rebound and allow for an increased lateral displacement of the vortex, similarly to the inviscid evolution of the flow, which features hyperbolic trajectories. The work is primarily a conceptual approach to deal with aircraft separation distances in airport airspace by moving the vortices laterally, away from the runway but may also apply to the control of coherent structures in wall bounded turbulence. The most efficient control is able to double the lateral position and yields mostly vertical in and outflow at the wall. An optimal horizon time is found, equal to 5 characteristic time units of the vortex system, beyond which control is not able to further displace the vortices. The control is shown to delay the separation of the boundary layer at the origin of vortex rebound by applying suction ahead of the vortex, and to generate a vorticity flux at the wall, leading to a pusher vortex of sign opposite to that of the primary vortex, that attenuates the effect of the no-slip boundary condition at the wall by pushing the vortex outward.La dynamique et le contrôle d'une paire de tourbillons en effet de sol sont étudiés dans un cadre plan, incompressible et laminaire. L'évolution des tourbillons obtenus montre le rebond du tourbillon à la suite de la séparation de la couche induite au sol par ces tourbillons. Une approche de contrôle optimale est développée et utilisée pour des nombres de Reynolds entre 200 et 1000 afin d'identifier la condition limite optimale au sol pour contrer ce rebond et permettre un déplacement latéral accru du tourbillon, de la même manière que l'évolution inviscide de l'écoulement, qui présente des trajectoires hyperboliques. Le travail est principalement une approche conceptuelle pour gérer les distances de séparation des aéronefs dans l'espace aérien de l'aéroport en déplaçant les tourbillons latéralement, loin de la piste, mais peut également s'appliquer à la contrôle des structures cohérentes dans une turbulence de paroi. Le contrôle le plus efficace est en mesure de doubler la position latérale et donne principalement des vitesses au sol verticales. On trouve un temps d'horizon optimal égal à 5 unités de temps caractéristiques du système tourbillonnaire, au-delà duquel le contrôle n'est pas en mesure de déplacer davantage les tourbillons. Il est démontré que le contrôle retarde la séparation de la couche limite à l'origine du tourbillon rebond en appliquant une succion en avant du tourbillon, et qui génère un flux de vorticité à la paroi, menant à un tourbillon "repoussoir" de signe opposé à celui du tourbillon primaire. Ce dernier atténue l'effet de la condition aux limites d'adhérence à la paroi en "poussant" le tourbillon vers l'extérieur

Détection et caractérisation des tourbillons de sillage des avions par Lidar Doppler

Dans un contexte où le trafic aérien s'accroît chaque jour, l'optimisation des débits en termes de décollage et d'atterrissage est devenue un enjeu majeur pour les aéroports à forte affluence. Ces débits sont principalement limités par la présence de tourbillons de sillage communément appelés wake vortex. Ceux-ci sont formés après le passage d'un avion et représentent un danger potentiel pour l'avion suivant. Afin d'éviter les accidents, les organisations de sûreté de la navigation aérienne ont défini des distances de sécurité à respecter entre décollages ou atterrissages successifs. Ces distances prennent en compte la catégorie de poids des deux appareils en considérant des situations pirecas. De nombreuses études ont été menées pour permettre une meilleure compréhension de ces tourbillons et ont permis de constater que leur comportement varie en fonction des conditions atmosphériques, en particulier en fonction du vent et de la turbulence atmosphérique. Afin d’étudier la dynamique de la masse d’air et l’évolution de ces phénomènes, on utilise depuis une dizaine d’années le Lidar (light detection and ranging). Le Lidar pulsé est devenu l’instrument de référence pour la mesure à distance des tourbillons de sillage (positions et puissance)

Détection et caractérisation des tourbillons de sillage des avions par Lidar Doppler

Dans un contexte où le trafic aérien s'accroît chaque jour, l'optimisation des débits en termes de décollage et d'atterrissage est devenue un enjeu majeur pour les aéroports à forte affluence. Ces débits sont principalement limités par la présence de tourbillons de sillage communément appelés wake vortex. Ceux-ci sont formés après le passage d'un avion et représentent un danger potentiel pour l'avion suivant. Afin d'éviter les accidents, les organisations de sûreté de la navigation aérienne ont défini, il y a plus de quarante ans, des distances de sécurité à respecter entre décollages ou atterrissages successifs. Ces distances prennent en compte la catégorie de poids des deux appareils en considérant des situations pire-cas. De nombreuses études ont été menées pour permettre une meilleure compréhension de ces tourbillons et ont permis de constater que leur comportement varie en fonction des conditions atmosphériques, en particulier en fonction du vent et de la turbulence atmosphérique. Afin d’étudier la dynamique de la masse d’air et l’évolution de ces phénomènes, on utilise depuis une dizaine d’années le Lidar (light detection and ranging). Le Lidar pulsé est devenu l’instrument de référence pour la mesure à distance des tourbillons de sillage (positions et puissance)

Surveillance du vent à longue distance en temps réel avec un Lidar cohérent optimisé.

International audienceTwo important enabling technologies for pulsed coherent detection wind lidar are the laser and real-time signal processing. In particular, fiber laser is limited in peak power by nonlinear effects, such as stimulated Brillouin scattering (SBS). We report on various technologies that have been developed to mitigate SBS and increase peak power in 1.5-μm fiber lasers, such as special large mode area fiber designs or strain management. Range-resolved wind profiles up to a record range of 16 km within 0.1-s averaging time have been obtained thanks to those high-peak power fiber lasers. At long range, the lidar signal gets much weaker than the noise and special care is required to extract the Doppler peak from the spectral noise. To optimize real-time processing for weak carrier-to-noise ratio signal, we have studied various Doppler mean frequency estimators (MFE) and the influence of data accumulation on outliers occurrence. Five real-time MFEs (maximum, centroid, matched filter, maximum likelihood, and polynomial fit) have been compared in terms of error and processing time using lidar experimental data. MFE errors and data accumulation limits are established using a spectral method.Deux technologies importantes pour la détection du vent par lidar cohérent pulsé sont le laser et le traitement de signal en temps réel. En particulier, le laser fibré est limité en puissance crête par des effets non linéaires, tels que la diffusion Brillouin stimulé (SBS). Nous présentons diverses technologies qui ont été élaborées pour atténuer le SBS et augmenter la puissance crête dans les lasersà fibre à 1,5 μm, comme la conception de fibres spéciales à grande surface modale ou la gestion des contraintes. On a obtenu des profils de vent résolus en distance jusqu'à une distance record de 16 km avec temps de moyennage de 0,1 s, grâce à ces lasers à fibre de haute puissance. À longue portée, le signal lidar devient beaucoup plus faible que le bruit et un soin particulier est nécessaire pour extraire le pic Doppler du bruit spectral. Pour optimiser le traitement en temps nous avons étudié différents estimateurs de la fréquence moyenne Doppler (MFE) et l'influence de l'accumulation de données sur l'occurrence des valeurs aberrantes. Cinq MFE en temps réel (maximum, centroïde, filtre adapté, maximum de vraisemblance et ajustement polynomial) ont été comparés en termes d'erreur et de temps de traitement en utilisant des données lidar expérimentales.Les erreurs des MFE et les limites d'accumulation de données sont établies par une méthode spectrale

Up-Scaling the Power of Pulsed Single Frequency Fibre Amplifiers for Coherent LIDAR Applications

International audienceIn optical sensing applications, the laser sources are strongly constrained by the sensing system requirements. In the case of coherent LIDARs, that measure wind speed thanks to the Doppler shift (by means of a coherent detection), highly coherent high power pulsed lasers with good output beam quality are necessary to guarantee a proper measurement over long distances. The pulsed emission ensures the spatial resolution along the line of sight whereas the high coherence accounts for the wind speed resolution (measured in the frequency domain). Thus, the challenge when designing laser sources for such instruments resides in the difficulty of improving the output power while not altering the other characteristics