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D1 - 11/04/23

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France TélécomRecherche & Développement

La propagation des ondes optiques et infrarouges dans l'atmosphère

terrestre

CNFRS/URSI (Paris) le 24/02/2005

M. Al Naboulsi; H. Sizun; F de Fornel

La communication de ce document est soumise à autorisation de la R&D de France Télécom D2 - 11/04/23


Introductions LOA /FSO

QMode de transmission sans fil très haut débit (quelques Gbits/s) sur des portées de quelques km (4-5 km) en atmosphère libre dans la bande optique et infrarouge.

s ApplicationsQTéléphonie sans fil (Backhaul 3G)QRéseaux informatiquesQTélévision haute définition

s Avantages / FH, fibre optiqueQAbsence de régulation (fréquence gratuite)QAbsence d'interférences des autres systèmesQFacilité et rapidité de déploiementQFaible coût des équipementsQDébits élevés (2 Mbits/s – 10 Gbits/s)



Introduction

s InconvénientsQElles mettent en jeu la transmission d'un signal (optique ou infra rouge) dans l'atmosphère terrestre

–Affaiblissement en espace libre (affaiblissement géométrique)QInteraction avec les différents constituants de l'atmosphère (molécules, aérosols (brouillards, fumées), hydrométéores, …)

–Affaiblissement atmosphérique–Absorption (molécule, aérosols, hydrométéores)–Diffusion (molécules, aérosols)–Scintillation (variation de l'indice de l'air sous l'effet de la

température)



Affaiblissement géométrique

s Sd : Surface du faisceau lumineux à la distance d

(m2)

s Scapture : Surface de capture du récepteur (m2)

s θ : Divergence du faisceau (rad)

s d : Distance Emetteur/Récepteur (m)

capturecapture

dgeom S

d

S

SAtt

2)(4



Affaiblissement atmosphérique

s Résulte d'un effet additif d'absorption et de dispersion de la lumière par molécules et aérosols

s Loi de BEER-LAMBERT (Transmittance/distance)

Qτ(d) est la transmittance à la distance d de l'émetteur,QP(d) est la puissance du signal à une distance d de l'émetteur,QP(0) est la puissance émise,Qσ est l'affaiblissement ou le coefficient d'extinction par unité de longueur.

s L'affaiblissement est relié à la transmittance

0

dP dd e

P

10( ) 10log 1/dBAff d d



Le coefficient d'extinctions Le coefficient d'extinction σ est la somme de 4

termes :

Q- αm est le coefficient d'absorption moléculaire (N2, O2, H2, H2O, CO2, O3, ..), Q- αn est le coefficient d'absorption par les aérosols (fines particules solides ou liquides présentes dans l'atmosphère (glace, poussière, fumées, …),Q- βm est le coefficient de diffusion de Rayleigh résultant de l'interaction de la lumière avec des particules de taille plus petite que la longueur d'onde,Q- βn est le coefficient de diffusion de Mie, elle apparaît lorsque les particules rencontrées sont du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de l'onde transmise.

nmnm



Le modèle de KRUSEs Le coefficient d'atténuation :

Qoù:–V est la visibilité (km)–λnm est la longueur d'onde (nm)

QL'exposant q caratérise la distribution des particules

QL'affaiblissement est un fonction décroissante de la longueur d'onde

3.912( ) ( )

550

qnm

n V

1/ 3

1.6 si 50

1.3 si 6 50

0.585 si 6

V km

q km V km

V V km



Le modèle de KIMs Le coefficient d'atténuation :

Qoù:–V est la visibilité (km)–λnm est la longueur d'onde (nm)

QL'exposant q caratérise la distribution des particules

QL'affaiblissement est une fonction décroissante de la longueur d'onde si V > ou = à 500m

QL'affaiblissement est indépendante de la longueur d'onde si V < 500m

3.912( ) ( )

550

qnm

n V

1.6 si 50

1.3 si 6 50

0.16 0.34 si 1 6

0.5 si 0.5 1

0 si 0.5

V km

km V km

q V km V km

V km V km

V km



Le modèle d'Al Naboulsi

s Relations développées à partir de FASCODQDomaine de validité :

–Longueur d'onde : 690 – 1550 nm–Visibilité 50 – 1000m

s Brouillard d'advection

s Brouillard de convection ou de rayonnement

QL'affaiblissement est un fonction croissante de la longueur d'onde

0.11478 3.8367advection V

20.18126 0.13709 3.7502convection V



Visibilités Notion définie pour les besoins de la météorologie

s Caractérise la transparence de l'atmosphère

s Longueur du trajet effectué dans l'atmosphère par un faisceau de rayons lumineux parallèle réduisant son intensité à 5% de sa valeur initiale

s Mesurée par la portée Optique Météorologique (POM)QTransmissomètre

–Instrument basé sur la perte de l'intensité de la lumière d'un faisceau de rayons lumineux dans l'atmosphère, laquelle dépend à la fois de l'absorption et de la diffusion

QDiffusiomètre–Instrument donnant une indication de la visibilité dans

l'atmosphère d'après la mesure de la diffusion par un volume donné d'un faisceau de lumière.



Visibilités Variation de la POM (La Turbie 25/03/2002)



Affaiblissement par le hydrométéoress Affaiblissement par la pluie

QLa relation de Carbonneau

Q- R est le taux de précipitation (mm/h)

s Affaiblissement par la neige

Q- S est le taux de chute de neige (mm/h)

/ bneigeAtt dB km aS

0,671.076*pluieAtt R

a b

Neige humide 0.0001023nm + 3.7855466 0.72

Neige sèche 0.0000542nm + 5.4958776 1.38



Les scintillationss Turbulence thermique formation de cellules

Qaléatoirement réparties, Qde taille variable (10 cm – 1 km)Qde température différenteQ d'indice de réfraction différent

–Diffusion–Chemins multiples–Variation des angles d'arrivée

QFluctuations rapide du signal (scintillations)



Les scintillations

s Logarithme de l'amplitude χ [dB] du signal observé

s Variance de "log-amplitude" de scintillation σχ2 [dB2]

s où :Q- k[m-1] est le nombre d'onde (2π/λ),Q- L[m] est la longueur de la liaison,Q- Cn2[m-2/3] est le paramètre de structure de l'indice de réfraction, représentant l'intensité de la turbulence.

s L'amplitude crête à crête de scintillation : 4σχ

s Atténuation liée à la scintillation 2σχ.

2 7 / 6 2 11/ 623.17* * *nk C L



Scintillationss Grandes hétérogénéités : déviation du faisceau

L a se r

E c ra n

T em p s

S ig n a l ém is

T em p s

S ig n a l reçu

S u rface d e cap tu re



Scintillationss Petites hétérogénéités : élargissement du

faisceau

L a se r

E c ra n

T em p s

S ig n a l ém is

T em p s

S ig n a l re çu

S u rface d e cap tu re



Scintillationss Hétérogénéités de tailles différentes : Scintillations

L a se r

E c ra n

T e m p s

S ig n a l ém is

T em ps

S ig n a l re ç u

S urface de cap tu re



Expérimentation



Résultats expérimentaux

s Modèle de KRUSE



Résultats expérimentaux

s Le modèle de KIM



Résultats expérimentauxs Le modèle de Al Naboulsi (advection)



Résultats expérimentauxs Le modèle de Al Naboulsi (convection)



Conclusion

s Présentation des différents aspects de la propagation d'un faisceau lumineux dans l'atmosphèreQAbsorption moléculaire et aérosolaireQDiffusion moléculaire et aérosolaireQAffaiblissement par les hydrométéores

–Pluie–Neige

QScintillations

s Comparaison de mesures aux modèles existantsQBon accord entre les mesures et certains modèles (KRUSE, KIM, AL NABOULSI)QLe modèle de Al Naboulsi permet une bonne prédiction des mesures d'atténuation pour de faibles visibilités (0-500 m)

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