La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans !'atmosphère terrestre

11/10/2017
Publication REE REE 2005-6-7
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-6:20244
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La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans !'atmosphère terrestre

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. Repères) l : ÉLECTROMAGNÉTISME La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans !'atmosphère terrestre Par Hervé S ! ZUN \Maher AL NABOULSI 1, FrédérqueDe FORNEL 1 'lfrance Telecom R&D,'Équipe Optique de champ proche, LPUB UMR CNRS 5027 Mots clés Liaisons optiques atmosphériques (LOA), Absorption, Diffusion, Scintillation, Portée optique atmosphérique (POM), Visibilité, Modélisation, Mesures, Constructeurs deLOA 1. Introduction Les opérateurs de télécommunications se trouvent confrontés à une demande sans cesse croissante du volume d'informations à transmettre (voix, données, images). La montée en fréquence dans les systèmes utilisés constitue une des solutions, car elle est capable d'offrir des bandes passantes plus élevées et de permettre ainsi des débits plus importants. L'utilisation de liaisons optiques atmosphériques (LOA) dans la gamme des longueurs d'onde optiques visibles et infrarouges constitue ainsi un mode de transmission sans fil haut débit (plusieurs centaines de Mbit/s) à courte et moyenne portée (de quelques dizaines de mètres à quelques km). Les principales applications portent sur la téléphonie sans fil, les réseaux informatiques et la télévision haute définition. Plusieurs facteurs conditionnent la renaissance de cette technologie : la facilité et la rapidité de déploiement, l'absence de régulation, le faible coût des équipements et les débits offerts (2 Mbit/s à 10 Gbit/s) [il. Cette technologie utilise des faisceaux lasers de faible puissance garantissant un impact négligeable sur l'envi- ronnement. Ces faisceaux lasers mettent en jeu la trans- mission d'un signal optique (visible ou infrarouge) dans l'atmosphère terrestre. Ils interagissent avec les différents composants (molécules, aérosols) du milieu de propaga- tion. Cette interaction est à l'origine d'un grand nombre de phénomènes tels qu'absorption, diffusion, scintillation. Elle ne connaît pour seule limitation que les forts brouillards, et permet de couvrir des distances n'excédant pas quelques kilomètres (4 kilomètres en air clair). mm m Les différents aspects de la propagationdes photons dans l'at- mosphèreterrestredansle spectre des ondesoptiquesvisibleset infrarougessont présentés(absorptionmoléculaireet aérosolaire, diffusion moléculaireet aérosolaire, affaiblissement par la pluie, par la neige, effets des scintillations). s constituent la clé de toute bonnecompréhension desfuturs systèmesde communication utilisant l'optique non filaire. Le brouillard apparaît comme l'élément le plus pénalisant au fonctionnement des liaisons optiques atmosphériques. La Portée Optique Météorologique (POM),paramètrepermettant de caractériserla transparencede l'atmosphère est définie et différents instruments de mesures tels que transmissomètreet diffusiomètre y sont décrits. La comparaisondes données expérimentales permet de valider les modèlesproposésdanslalittérature Cesdernierspermettent de maîtriser les niveaux de puissance d'émission des futures liaisonsoptiques atmosphériquesen leur garantissantune dyna- mique suffisante, compte tenu de la variabilité des conditions optiques de propagation.Les liaisons expérimentales montrent que les LOA constituent une alternative fiable large bande à la pose des fibres optiques, et conduisent à une meilleureaccepta- tion de cette technologie dans l'industrie des réseaux de télé- communicationshautsdébits. Quelquesapplications potentiellesainsiquequelquesconstructeurs de systèmes sont finalement cités. YNOPSIS The various aspects of the infrared and visible optical waves propagation in the atmosphere are presented (molecular and aerosol absorption, molecular and aerosol scattering, rain and snow attenuation) They constitute the key of all good compre- hension of the future free space optical communicationsystems (FSO).Fog appears as the more penalizing elementin the free spaceoptical link operation. The Runway Visual Range (RVP),parameter characterizingthe atmosphere transparency is defined and various measuring instruments such as transmissometer and diffusiometer are described. Thecomparisonof experimentaldataallows validating the models suggestedinthe literature. These models allow also the control of the emission power levels of the future free space optical links guaranteeinga sufficient dynamicstaking into account the varia- bllity of the optical propagationconditions. The experimental links show that FSO constitute a broad band reliable alternativeto the installationof optical fibres and to lead to a better acceptance of this technology in the industry of the high data rate telecommunications networks. Some potential applicationsas some manufacturersof systems are finally pointed out. REE No 6,7 2005 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans 'atmosphère terrestre Elle est donc adaptée à la construction de réseaux reliant des édifices proches. Un des challenges à relever reste une meilleure connaissance des effets de l'atmosphère sur la propagation dans ce spectre de fréquence, afin de mieux optimiser la synthèse des systèmes de communications sans fil à large bande et d'en évaluer les performances. Elle est un pré- requis pour les tests d'équipements. Ce document est essentiellement consacré à cet aspect. Les effets atmosphériques relatifs à la propagation tels qu'absorption et diffusion moléculaires et aéroso- laires, scintillations dues à la variation de l'indice de réfraction de l'air sous l'effet de variations de température, affaiblissement par les hydrométéores (pluie, neige) ainsi que leurs différentes modélisations (Kruse et Kim, Bataille, AI Naboulsi, Carbonneau..., etc.) sont présentés et confrontés à des résultats expérimentaux. La portée optique météorologique (POM), paramètre permettant de caractériser la transparence de l'atmosphère, est définie et différents instruments de mesures tels que transmissomètre et diffusiomètre y sont décrits. Quelques applications potentielles, ainsi que quelques constructeurs de systèmes, sont finalement cités. Aff,lii (d) = 1 Ologi 0 (1 lr (d » Le coefficient d'extinction o est la somme de 4 termes : cr = , + a, + , + bll où : 'a,-n est le coefficient d'absorption moléculaire (N,, 02, Hi, H0, C02, 03...), le lecteur se reportera à la structure et à la composition de l'atmosphère, . an est le coefficient d'absorption par les aérosols (fines particules solides ou liquides présentes dans l'atmosphère (glace, poussière, fumées...), a est le coefficient de diffusion de Rayleigh résul- Pin c tant de l'interaction de la lumière avec des parti- cules de taille plus petite que la longueur d'onde, . ( est le coefficient de diffusion de Mie, qui apparaît lorsque les particules rencontrées sont du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de Zn l'onde transmise. L'absorption domine dans l'infrarouge, alors que c'est la dispersion qui est prépondérante dans le visible et l'ultraviolet. 2. La propagation de la lumière dans l'atmosphère Les performances caractéristiques des liaisons optiques atmosphériques de transmission de données dépendent du milieu, l'atmosphère terrestre, dans lequel elles se propagent. Celle-ci, due à sa composition, inter- agit avec le faisceau lumineux (optique ou infrarouge) : absorption et diffusion moléculaires et aérosolaires (brouillard, hydrométéores (pluie, neige...), scintillation due à la variation de l'indice de l'air sous l'effet des variations de température. L'affaiblissement atmosphérique résulte d'un effet additif d'absorption et de dispersion de la lumière dans les bandes infrarouges par les molécules de gaz et par les aérosols présents dans l'atmosphère. Il est décrit par la loi de Beer donnant la transmittance en fonction de la distance d : T (d) = P (d) P (O) e -O'ù' ou : T (d) est la transmittance à la distance d de l'émetteur, 'P (d) est la puissance du signal à une distance d de l'émetteur, 'P (0) est la puissance émise, . ? est t'affaiblissement ou le coefficient d'extinction par unité de longueur. L'affaiblissement en décibels est lié à la transmittance par l'expression suivante : 2.1. Absorption moléculaire Elle résulte de l'interaction entre le rayonnement et les atomes et les molécules du milieu (N2,02,Hl, H,0, CO,, 0,, Ar, etc). Elle définit différentes fenêtres de transmis- sion dans le domaine visible et infrarouge (cf. figure 1). 1.. ",1.. "'i' " " i ; ! j,____________________,-,, ___________________________.__.._________________ " "' ! v " " - " -) " 1 -'''1 'f. 'il à r .,.........., n'i r..i -=' :' :.' se u _ : ;' - . 1 I t L _. ; , ,________________________J .,'1t'''''*r-r- ! F') Fane1= IF -*---*'f- ; f- t 1 1 \ i Il :1\ \ _u.,,,,, """.,,,", VJ1 c'Il ! \ 1 : l, " ît_..t.UL...___t t '3- " *- " L 0 E ! :. ; H ;' rt.t r,..... - S H._ 5 I : Ioîp''tilt-' ; h<.otb.'turf Figure ?/.Ti-aiisiiiittai7c-e de l'atiiiosphère diie à l'absorption moléculaire. 2.2. Diffusion moléculaire Elle résulte de l'interaction de la lumière avec des par- ticules de taille plus petite que la longueur d'onde. Une valeur approchée de m () est donnée par les relations suivantes : i6t),(A) = Alt .4 REE N'6/7 Jiiin/juillet 2005 m -Repères L'ÉLECTROMAGNÉTISME P 7" - PoT 0 L nniTY Î (kM- 1 trn4) extrêmement faible, et peut être négligée dans le calcul de l'affaiblissement global (extinction). Dans l'infrarouge lointain, ce n'est par contre pas le cas. Oll : P(mbar) est la pression Po = 10 13 mbar, o T (K) est la température Tl, = 27'), 15 K. atmosphérique et atmosphérique et Il en résulte que cette diffusion est négligeable dans c t7 l'IR. La diffusion de Rayleigh intéresse essentiellement le c domaine UV jusqu'au visible. On lui doit notamment la couleur bleue du fond du ciel clair. 2.3. Absorption aérosolaire Elle résulte de l'interaction entre le rayonnement et les aérosols, fines particules en suspension dans l'atmosphère (glace, poussière, fumées, brouillard). Le coefficient d'absorption an est donné par la rela- tion suivante : ,5 (21rr - dN (r) i i \ e Il a,, (Â) -- 10* o =0 0 \ /1 7 dN (r) 7rr__dr i ou : 'a,/), en km', est le coefficient d'absorption par les aérosols, ', en Lim,est la longueur d'onde, . dN (r)/dr, en cm', est la distribution de taille des particules par unité de volume, 'n "est la partie imaginaire de l'indice n de l'aérosol considéré, . r,en cm, est le rayon des particules, Q, (27Tr/., n") est la section efficace d'absorption pour un aérosol de type donné. La théorie de MIE [2] permet de déterminer le champ électromagnétique diffracté par les particules sphériques homogènes. Elle permet d'évaluer les deux grandeurs physiques que sont la section efficace normalisée d'absorption Q et la section efficace normalisée de diffusion Qd. Elles dépendent de la taille des particules, de leur indice de réfraction et de la longueur d'onde du rayonnement incident. Elles représentent la section d'une onde incidente normalisée par la section géométrique de la particule (n i-'), telle que la puissance absorbée (diffusée) soit égale à la puissance passant par cette section. c L'indice de réfraction des aérosols dépend de leur composition chimique. Il est complexe et dépend de la longueur d'onde. Il est noté n = n'+ n" où n'est relié au pouvoir diffusant de la particule et n " concerne le pouvoir absorbant de cette même molécule. On remarque que, dans le visible et le proche infra- rouge, la partie imaginaire de l'indice de réfraction est 2.4. Diffusion aérosolaire Elle résulte de l'interaction de la lumière avec des particules (aérosols, hydrométéores) de taille du même ordre de grandeur que la longueur d'onde. c Le coefficient de diffusion aérosolaire est donné en km'par la relation suivante : ou : p Pli (Â) = 105f Qti 0 2 1 n) Irr2dN ('-) dr A' dr · , en tm,est la longueur d'onde, . dN (r)/dr, en cm', est la distribution de taille des particules par unité de volume, . n'est la partie réelle de l'indice n de l'aérosol consi- déré, r, en cm, est le rayon des particules, Q,l (2Tcr/k) , n") est la section efficace de diffusion pour un aérosol de type donné. La distribution de taille des particules est généralement représentée par une fonction analytique telle que la distribution log-normale pour les aérosols et la distribu- tion Gamma modifiée pour le brouillard [7-10]. Cette dernière est largement utilisée pour modéliser les différents types de brouillard et les nuages. Elle est donnée par la relation suivante [3], [4] : ou : N == = ara exp (-br) . N (r) est le nombre de particules par unité de volu- me et dont le rayon est compris entre r et r + dr, (Y., a et b sont des paramètres qui caractérisent la distribution des tailles de particules. Des logiciels de calcul de transmission atmosphérique tels que FASCOD, LOWTRAN et MODTRAN prennent en compte deux types particuliers de brouillard : le brouillard épais d'advection et le brouillard de convection ou de radiation modéré, qui sont modélisés par la distri- bution de taille Gamma modifiée. Les paramètres typiques sont donnés dans le tableau ci-après [5], [6]. ou : N est le nombre total de particules d'eau par unité de volume (nb/cm'), r,,, est le rayon modal pour lequel la distribution présente un maximum (J..lm) West le contenu en eau liquide (g/m') V est la visibilité associée au type de brouillard (m). REE N " (, 7 .11 [iiii'jLiillet 200 .kmi/ ;u!Net20 [)5 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans l'atmosphère terrestre a a b N W rm V Brouillard 3 0,027 0,3 20 0,37 10 130 d'advection Brouillardde 6 607,5 3 200 0,02 2 450 radiation ou : Tableaii 1. Les di e 1 ,ffëi-eizts pai-aiii'ti-es caracte-isaiit la distribution des tailles de particules dans le cas d'un br (iiillarcl élyais d'ad,ectioii et iiii broliillai-d de t- (tdiatioiz. La théorie de Mie permet d'exprimer le coefficient de diffusion Qct due aux aérosols. Il se calcule en prenant comme hypothèse que les particules sont sphériques et suffisamment éloignées les unes des autres pour que le champ diffusé par une particule et arrivant sur une autre puisse être calculé en régime de champ lointain. Zn La section efficace de diffusion Qct est une fonction qui dépend fortement de la taille de l'aérosol par rapport à la longueur d'onde. Elle atteint son maximum (3,8) pour un rayon de particule égal à la longueur d'onde : la diffusion est alors maximale. Ensuite, lorsque la taille des particules augmente, elle se stabilise autour d'une valeur égale à 2. Il faut donc s'attendre à une fonction très ssélective par les particules de rayon inférieur ou égal à la e cc longueur d'onde. Clairement, la diffusion dépend fortement de la longueur d'onde. La concentration des aérosols, leur composition et la distribution de leurs dimensions varient beaucoup dans le temps et dans l'espace, d'où la difficulté de prévoir les affaiblissements par ces aérosols. Bien que leur concen- tration soit étroitement liée à la visibilité optique, il n'y a pas une distribution unique des dimensions des particules pour une visibilité donnée. La visibilité caractérise la transparence de l'atmosphère estimée par un observateur humain. Elle est mesurée par la portée optique météoro- logique (POM). Le coefficient de diffusion est le facteur le plus péna- lisant du point de vue de la propagation des ondes ZD optiques atmosphériques. Différents modèles existent dans la littérature : Kruse et Kim, Bataille, Al Naboulsi. 2.4.1. Modèles de Kruse et Kim Le coefficient d'atténuation pour les ondes optiques et proche infrarouge jusqu'à 2.4 um est approximé par la relation suivante : 3.912 nm 1 q / \ D -'--' - " nm 1 --- - 1- - - v 5-0) 'V est la visibilité en km . est la longueur d'onde (nm) . Le coefficient q caractérise la distribution des particules. Il est donné par la relation suivante [7]. 1.6 1.6 q = 1.3 si V > 5OA7 ? ; e si 6bpî < V < f*\Jf* f3 - tj- 0.58- V " 3 si v < Il en résulte que l'affaiblissement est une fonction décroissante de la longueur d'onde. Des études récentes ont conduit à définir le paramètre q de la façon suivante [81 : 1.6 siY'> SI ' La figure 2 montre les variations de l'atténuation linéique (dB/km) dues aux précipitations dans le spectre optique et infrarouge. tD Atténuation spécifique dueaux précipitation 00 .- "" n-0 oc- j ! ''------ '------ H s le,oa x ô m 1000 E 15,00 S,' 0.00 ' " 0 20 40 60 80 100 intensité desprécipitations (mm/h) Figure 2. Affaiblissement Iiiiéiqtie (dblkm) due à la pluie clans la gainiie ol) tiqtie et iiifrarobige. La Recommandation ITU-R P.837 donne l'intensité de pluie Rp, dépassée pendant un pourcentage donné de l'année moyenne, p, et à un emplacement donné [12]. 2.6. Atténuation par la neige L'atténuation par la neige, fonction du taux de chute de neige, est donnée par la relation suivante : Attiieige [dBlkm] = aS' où : Attneige est l'atténuationpar la neige (dB/km), 'S est le taux de chute de neige (mm/h) . a et b sont des fonctions de la longueur d'onde données par les relations suivantes en fonction de la longueur d'onde en nanomètres (tableau 2) : a Neige humide 0.0001023 ; £r,m + 3.7855466 b 0.72 Neige sèche 0.0000542.nm + 5.4958776 Tableau 2. Valeurs des coefficients a et b periiiettaiit de calculer l'atténuation par la neige (neige sèche et humide). REE W 6/7 Juin/juillet 2005 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans 'atmosphère terrestre Les atténuations en fonction du taux de chute de neige c à 1550 nm sont données sur les figures 3 et 4. E 92 ,. " ; "''-'cc "'- ;", " ", Ii "' ;' ; \ ia ` 1 ! : : 0 2 - « 0 1 10 & 1 2 3 4 5 ur G Q a 1 z s Figure 3. Neige humide : Atténuation en fonction du taux de précipitation à 1550 11111. Affaissement par la neige sèche 't-'- ""---' "-' ---'._-w E- 40-- ao _ Y - 4U rtI :........ *-**'" L : :t:&..-f.... ;.* 4 ; N 1 2 3 4 Q 1 2 3 4 5 Tauxdeprécipition (mnvh) Figure 4. Neige sèche.- Atténiiatioiz eii,foiictioii dit taux de précijgitation à 1550 niii. . ", ------\, 1 1 Ir 1 Figi (re 5. Dévicitioiz dujiiiscecii (solis l'in.flt (eiice de ceilliles de titrbitleiice pliis g-aiides qite le diaiièti-e dt (,fciisc-eait (déviation du faisceau). c D QDi ; r,- b) >CL, - - 1 C, b -C-'5à 0 ' ? \ i. l Figitre 6. Déviatioiz du.fiiisceciii soits l'iiflitelice de cellitles de turbulence plus petites que le diamètre du faisceau (élcirgisseiiieiit du faisceau). 2.7. Scintillation Sous l'influence de la turbulence thermique, au sein du milieu de propagation, on assiste à la formation de cellules aléatoirement réparties, de taille variable (10 cm - 1 km) et de température différente. Ces différentes cellules pos- sèdent des indices de réfraction différents provoquant ainsi diffusion, chemins multiples, variation des angles d'arrivée : le signal reçu fluctue rapidement à des fréquences comprises entre 0,01 et 200 Hz. Le front d'onde varie de façon similaire provoquant focalisation et défocalisation du faisceau. De telles fluctuations du signal sont appelées scintillations. Les figures suivantes schématisent cet effet ainsi que les variations (amplitude, fréquence) sur le signal reçu. Lorsque les hétérogénéités sont grandes par rapport à la section transversale du faisceau, il est dévié (figure 5) ; lorsqu'elles sont petites, le faisceau est élargi (figure 6). Lorsque les hétérogénéités ont différentes tailles, des grandes et des petites, on est en présence de scintillations (figure 7) [13]. , " ,'C\. C ,n In In - r W*lk Figit ; -e 7. Effets des différeiites hétérogéiieités de dilfféi-eiites tailles siii- la prol ? agatioii d'tiii faisceait lasei- (sciiitillatioiis). L'effet de la scintillation troposphérique est générale- ment étudié à partir du logarithme de l'amplitude [dB] du signal observé (" log-amplitude "), définie comme le rapport en décibels de son amplitude instantanée à sa valeur moyenne. L'intensité et la rapidité des fluctuations REE N 6,'7 liiiii,jLiillet 200 . RePères) l : ÉLECTROMAGNÉTISME (fréquence des scintillations) augmentent avec la fré- ZD quence de l'onde. Pour une onde plane, une turbulence faible et un récepteur ponctuel, la variance de " log-ampli- tude " de scintillation (Y,' [dB2] peut s'exprimer par la relation suivante : 5 = 23.17*k "' *C2 *L " 16 Z n Pi 3. Résultats expérimentaux Nous présentons ci-après quelques résultats expérimen- taux (figures 9-10) déduits de mesures d'affaiblissements en Zn fonction de la visibilité, réalisées dans le cadre du projet COST 270 en collaboration avec l'Université de Graz [15]. ou : 'k [m'J est le nombre d'onde (2Tcl.), . L[m] est la longueur de la liaison, . cil [rn est le paramètre de structure de l'indice de réfraction, représentant l'intensité de la turbulence. L'amplitude crête à crête de scintillation vaut 4 (y. et l'atténuation liée à la scintillation 2 (7,' Pour de fortes tur- bulences, on observe une saturation de la variance don- née par la relation ci-dessus [9]. On notera que le para- mètre Ci, 2 n'a pas la même valeur aux ondes millimé- triques et aux ondes optiques [14]. Les ondes millimé- triques sont surtout sensibles aux fluctuations d'humidité tandis qu'en optique, l'indice de réfraction est essentielle- ment fonction de la température (la contribution de la vapeur d'eau s'avère négligeable). On obtient en millimé- trique une valeur de C@2 de l'ordre de 10 l' M 21',@ Cequi est une turbulence moyenne (en général en millimétrique on a 10 " < Cil 1 < 10-12) @et en optique une valeur de Ci,'de l'ordre de 2 x 10''m 2/ ", ce qui est une turbulence faible (en général en optique on a 10 " < C,2 < 10-'3), 191- Zn La figure 8 donne la variation de l'affaiblissement des '& faisceaux optiques ayant une longueur d'onde de 1,5 flm pour différents types de turbulence sur des distances jus- qu'à 2000 mètres. On trouvera en annexe 2 le code de visibilité interna- tional donnant les affaiblissements dans le visible (dB/km) pour différentes conditions climatiques [8] : . Conditions météorologiques (temps très clair à brouillard dense) Précipitation (mm/h) : bruine, pluie, orage . Visibilité (50 km à 50 m) Affaiblissement lié à la scintillation (1,66 micron) m M .a '5 25.00. - 00 00 111 nn sn nn 5 0 - 0 OID Turôulence faible Turbulence moyenne Forte turbulence 1000 2000 3000 Distance (m) Figi,ii-e 8.- Variatioii de l'affciiblisseiiieizt lié à la sciiitillatioiz eii,foiictioii de la distaiz (e potii- dffëreiits types de titi-biileilce à 1,55 jîiiet-oii. 3. 1 » 1 » Comparaison avec le modèle de Kruse et Kim (850 nm) Les figures 9 et 10 montrent l'évolution de l'affaiblis- sement mesuré sur le site de la Turbie de l'atténuation s écif a a spécifique (dB/km) du rayon lumineux à 850 nm et à 950 nm en fonction de la visibilité en présence de brouillard. Les résultats sont comparés au modèle de Kruse et Kim. 3.1.2. Comparaison avec le modèle d'A1 Naboulsi La figure 11 montre l'évolution de l'affaiblissement mesuré sur le site de la Turbie de l'atténuation spécifique (dB/km) du rayon lumineux à 850 nm en fonction de la visibilité en présence de brouillard. Les résultats sont comparés au modèle d'Al Naboulsi. = s0o - ;,n"i"n.a "rrsr. I Ë l) I !- ;...- !-'U) i!!L 4'500 o i . i 400. 300- t 200-'. 300 200 100 0 100 200 300 4QO 500 600 7ÛO 800 900 1000 1. Il p 1 l, 500 i I d00 1 :) i 300', 300-', 01 100 200- 0 100- \ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 400 300 . : 1'1...1,.1...1 " LÜ1 == hl"\IU,.- ;;,: - ; : : :' !I) \J ! < - gOD 1 I 400 4 300 .= : i 200 v 1DO , 0 o 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 sieJ'duF nv Figure 9. Variatioii de l'a,ffaiblisseiiient à 850 11111 eiifoiiction de la visibilité. Conzparaison avec le modèle de Kruse et Kim. REE W 6/7 Jiiiii/juiJ] ct 2005 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans l'atmosphère terrestre ?A: GG7206x YI·u^_es lfG0.147D -= Rrh---- ! ---t-------- ; ---- ! ---r " : " " " " " ; '' " -'.-''''' "" " " - " " -r " " " -t . ;- d'"h')'- ! !''Kf] [ ! t m,... ! ! î''I< " ) !' ".'H. ! n ! 4l - _ , ? On,ll·1 l,Lun _ = 33 - - aao 2- ' <' 1- -' 20 3JJ i 259 ? C.'OMCCirute--.1M&-i44n a'. 1SJ 1J9 J7 o 100 Lee 2ec Îl 1013 5 C. ecc 71D GCC 9e r, D 1,4b111tf tLtt aAocnaoamtnucesle,co-laao son 203-' i ib dit 1 ii ; 1 45J 1,..... T'I`wnr.c ; n'iCe1 wn - oo i 3D j jw I JI 200 79: 1 50 IOD 2CC in ICI SOI 60C 7n Eco 9DD PCC ,-'Z. Figure ; Variation de l'affaiblisseiiieizt a 950 iiîi en foii (-tioii de la visibilité. Coiiilai-,iisoii (ii) e (- le iiiodèle de Kruse et Kim.. 700 600F; E 500 iD " " 400 U 1 o 300 o .1 4e 200 100 ,. 700 600 E 500 m m 1 W 400 u u '. CL 1 c 300 0 c .. l'200 100 Modèle de AI Naboulsi (Advection) Atténuation mesurée à850nm 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Visibilité (m) Modèle deAI Naboulsi (Convection) Atténuation mesurée à850nm 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Visibilité (m) Figi (re Il. VciriÉitioii le l'affciiblisseiîieiit eii fonctioiz de Ici i) isibilité ; Coi,il) cir (iisoii avec le iiioclèle d'Al Niboiilsi (tidvectioii et coiiye (-tioiz). La comparaison des mesures aux modèles existants dans la littérature montre un bon accord entre les mesures et les modèles proposés. De l'analyse des courbes précédentes, il apparaît que le modèle de AI Naboulsi, développé à partir de Fascod, est en excellent accord avec les mesures expérimentales pour les faibles visibilités ou les modèles de Krusc et Kim s'écartent notablement des mesures. 4. La Portée optique météorologique (POM) 4.1. La visibilité Définie à l'origine pour les besoins de la météoro- logie, la portée optique atmosphérique (ou visibilité) est définie par la longueur du trajet que doit effectuer dans l'atmosphère un faisceau de rayons lumineux parallèles, émanant d'une lampe à incandescence, à une température de couleur de 2700 K, pour que l'intensité du flux lumineux soit réduite à 0,05 fois sa valeur initiale. Elle caractérise la transparence de l'atmosphère. La figure 12 donne un exemple des variations de la POM observées sur le site de la Turbie (06) le 28 juin 2004 durant une journée de faible visibilité « 10 000 m) et en présence de brouillard « 1000 m). Elle est mesurée à l'aide d'un transmissomètre ou d'un diffusiomètre. Le transmissomètre est un 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. Le diffusiomètre donne une indication de la visibilité dans l'atmosphère d'après la mesure de la diffusion par un volume donné d'un faisceau de lumière. 4.2. Les instruments de mesure 4.2. 1. Le transmissomètre La méthode transmissométrique est la plus couram- ment utilisée pour mesurer le coefficient d'extinction moyen dans un cylindre d'air horizontal placé entre un REE No 67 JLtin/jtiillet 2005 Repères L'ÉLECTROMAGNÉTISME i 1030 1 1 1'Il GO q- "'0 - 1 =03D- 1 fDOQ - oon o 0 1 t 1 a n 2-ZO 40C GIJC ecp 1 DOC 12CC i4ci r. ! " kjt,s j iGr 1 Figure 12. Vai-iatioii.ç (le la POM ob.yei-vée siii- le site de la Turbie le 28jiiiii 2004. L i l n e d e b a s e 1 Source lumineuse cellule pholoèlectnque 1- ? ii 11, \IS1, 'n .' E\IETTEL'R RECEPTEUR Figiire 13. Tratisiiiissoiiiètre à fiiisc-eait direct. émetteur composé d'une source lumineuse à flux constant et modulé, et un récepteur équipé d'un photo- détecteur (le plus souvent une photodiode située au foyer d'un miroir parabolique ou d'une lentille). La source lumineuse la plus souvent utilisée est du type lampe à halogène ou tube à décharge lumineuse dans le xénon. La modulation de la source lumineuse évite l'influence de la lumière parasite solaire. Le courant issu du photo- détecteur détermine le facteur de transmission, ce qui permet de calculer le coefficient d'extinction et la POM. Il existe deux types de transmissomètre [16] : . ceux dont l'émetteur et le récepteur sont placés dans des boîtiers différents et placés à une distance connue l'un de l'autre (figure 13), . ceux dont l'émetteur et le récepteur sont placés dans le même bottier, la lumière émise est réfléchie par un miroir ou rétroréflecteur placé à distance (figure 14). La distance parcourue par la lumière entre l'émetteur et le récepteur est communément appelée " base du transmissomètre " et peut varier de quelques mètres à 300 mètres. L ii ii (1 b l q i 11 c i c [i c tt) ti i illillilltil / /- :dlulc phoro : lccrnquè cc RL'troprojtcni E\IETTELR RE CE Il l'FR Figitre 14. lrci ; zsiiiissoiiièti-e ii faisceabi rfléchi. :' :i!cc'1 \:1I !:i 1(1, Figure 16. Schéma pour la mesure de la visibilité par la technigue de la diffiision avaizt. 4.2.2. Le diffusiomètre La méthode la plus pratique pour effectuer cette mesure consiste à concentrer un faisceau lumineux sur un petit volume d'air et à déterminer, par des moyens photo- métriques, la proportion de lumière diffusée dans un angle solide suffisamment grand et dans des directions c qui ne sont pas privilégiées. REE No 6 7 Juiti,,Iuillct 2005 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans 'atmosphère terrestre Deux types de mesure sont utilisés dans ces instru- ments : la diffusion arrière et la diffusion avant [16]. difftision arrière oit rétrodiffiision (figure 15) : le faisceau lumineux est concentré sur un petit volu- me d'air, il est rétrodiffusé et collecté par la cellu- le photoélectrique. . diffusion avant : les instruments sont constitués d'un émetteur et d'un récepteur dont les faisceaux d'émission et de réception font entre eux un angle de 20 à 50 degrés (figure 16) ; d'autres dispositifs placent un diaphragme à mi-distance entre l'émet- teur et le récepteur, ou deux diaphragmes placés près de l'émetteur et du récepteur. 5. Applications et constructeurs Les liaisons optiques atmosphériques (LOA) peuvent constituer une solution rapide et peu coûteuse dans les situations suivantes [1] : . lorsque l'utilisateur n'est pas propriétaire du terrain sur lequel il souhaite poser son câble de transmission (fibre optique, câble de cuivre), . lorsque les obstacles sont difficilement franchis- sables telles que traversée d'autoroute, de rivière, etc. . lorsque la liaison doit être opérationnelle très rapi- dement et à faible coût, . lorsque la liaison doit être opérationnelle temporaire- ment pour des événements bien particuliers (salons, jeux olympiques, course, action commerciale pour répondre à un besoin d'un client...), . lorsque les environnements géographiques sont sujets à des perturbations climatiques importantes telles la foudre ou saturés en liaisons radioélectriques (usine, aéroport...), . lorsque la liaison doit être installée d'urgence pour rétablir une connexion temporairement détruite (par exemple, lors de l'attentat du Il septembre 2001 à New York, de nombreuses liaisons optiques furent installées pour assurer les connexions téléphoniques et informatiques, . lorsqu'on souhaite fermer une boucle optique pour des questions de sécurité (ATM à 155 Mbit/s, WDM à 10 Gbit/s), . lorsqu'on souhaite disposer de liaisons informatiques hauts débits (Ethernet : 10 Mbit/s, FastEthernet : 100 Mbits/s, Gigabit Ethernet : 1 Gigabit/s, FFDI...) ou téléphoniques . lorsqu'on souhaite relier les différentes cellules urbaines GSM et UMTS. Au niveau plus opérationnel, on peut citer les appli- cations suivantes : Les liaisons de r-accordement "backhaul " de la télé- phonie niobile. La technologie "LOA " constitue une alternative aux connexions par câbles permettant un transfert important d'informations entre les stations de base et l'infrastructure du réseau. Elle permet de s'affranchir également des faisceaux hertziens, largement employés lors du déploiement du réseau 2G (GSM et DCS). Disposant d'une plus large bande passante, elle est appropriée aux applications multi média. La connexion Interiiet à haut débit sur le dernier kilo- mètre. Les LOA constituent une solution pratique et éco- nomique à la couverture du "dernier kilomètre " en complément des liaisons radioélectriques. Bénéficiant des progrès accomplis dans le cadre du développement de la fibre optique, elles offrent des débits importants et ne nécessitent aucune licence d'utilisation. Les liaisons sécurisées. La finesse des faisceaux et leur invisibilité (utilisation de l'infrarouge) assurent aux LOA une parfaite discrétion. De ce fait elles sont plus particulièrement utilisées dans les instances gouverne- mentales (la défense notamment), et par les entreprises en quête de confidentialité. L'interception du faisceau ne peut être réalisée qu'en se plaçant avec le même matériel sur la trajectoire du faisceau, interrompant de ce fait la communication avec l'utilisateur. Des systèmes de cryp- tage de l'information sont d'autre part utilisés pour parer à toute éventualité. La télévision haccte définition. Les LOA, permettant la transmission de données à haut débit, sont parfaitement adaptées au transfert d'un nombre important d'images numériques entre bâtiments par exemple, ou lors de manifestations temporaires particulières. Plusieurs produits sont proposés par des sociétés à des longueurs d'onde proches de l'optique pour des débits de plusieurs centaines de Mbit/s sur des distances de l'ordre de quelques km. Une liste non exhaustive est donnée en annexe 1. 6. Conclusion Les différents aspects de la propagation des photons dans l'atmosphère terrestre ont été présentés (absorption moléculaire et aérosolaire, diffusion moléculaire et aéro- solaire, affaiblissement par la pluie, par la neige, effets des scintillations). Ils constituent la clé de toute bonne compréhension des futurs systèmes de communication utilisant l'optique non filaire. Le brouillard apparaît comme l'élément le plus pénalisant au fonctionnement des liaisons optiques atmosphériques. La comparaison des données expérimentales a permis de valider les modèles proposés dans la littérature. Ces derniers permettent de maîtriser les niveaux de puissance t d'émission des futures liaisons optiques atmosphériques, d en leur garantissant une dynamique suffisante compte tenu de la variabilité des conditions optiques de propagation. REE No 6/7 JuiniLtillet 2005 epères L'ÉLECTROMAGNÉTISME Les liaisons expérimentales permettent de montrer que les LOA constituent une alternative fiable large bande à la pose des fibres optiques, et de conduire à une meilleure acceptation de cette technologie dans l'indus- trie des réseaux de télécommunications hauts débits. Afin de mieux appréhender la disponibilité d'une liai- son optique atmosphérique, le lecteur se référera à des outils de simulation de la qualité de service. Ils per- mettent, pour un site géographique donné, de déterminer la disponibilité et la fiabilité d'une liaison en fonction des paramètres systèmes (puissance, longueur d'onde, carac- téristiques du matériel) et des paramètres climatiques et atmosphériques. Ils intègrent les différents phénomènes physiques responsables de la rupture des liaisons tels que les atténuations dues à la lumière ambiante, à la scintilla- tion, à la pluie, à la neige et au brouillard [17]. 7. Références [Il 0. BOUCHET, H. SIZUN, BOISROBERT, F. DE FORNEL, PN. FAVENNEC ; " Optique sans fil,'Propagation et Communication "; Collection Technique et Scientifique des Télécommunications, Hermès, 2004, [2] MIE, Ann. de Phys., 25,377-445, 1908. [3] EP SHETTLEand R.W. FENN, " Models for the Aerosols of the Lower Atmosphere and the Effects of Humidity Uariations on Their Optical Properties " AFGL-TR-79-0214, Air Force Geophysical Laboratory, Bedford MA 01731, 1979 [41 D. DEIRMENDJIAN, " Electromagnetlc scattering on sphe- rical polydispersions ", Elseiver New York 1969. [51 E. P SH ETTLE, " Models of aerosols, clouds and preCipita- tion for atmospheric propagation studies ", Atmospheric propagation in the UV, Visible, IR and MM wave region and related systems aspects AGARD conference Proceeding 454 (15) 1-13, 1989. [61 M.R. CLAY and A.P. LENHAM, " Transmission of electro- magnetlc radiation in fogs in the 0.53-10, Ipm wavelength range ", Applied Optics, 20 (22), 3831-3833 1981. [71 P.VV. KRUSE and al. ; " Elements of infrared technology : Generation, transmission and detection ", J. Wiley and sons, New York, 1962. [81 1. 1. KIM, B. MCARTHUR, KOREVAAR, " Comparisonoflaser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications ", Proc SPIE, 4214, 26-37, 2001. [91 P. BATAILLE ; " Analyse du comportement d'un système de tèlécommunlcations optique fonctionnant à 0,83 Ilm dans la basse atmosphère ", Thèse de doctorat, Université de Rennes, 1992. [101 M. AL NABOULSI, H,SIZUN DE F. FORNEL ; " Fog Attenuation Prediction for Optlcal and Infrared Waves ", Journal SPIE (International Society for Optical Engineering, 2003. [111 T.H. CARBONNEAU, D.R. VVISELEY, " Opportunities and challenges for optical wireless ; the competitive advantage of free space telecommunications links ln today's crowded market place ", SPIE Conference on optical wireless com- munications, Boston, Massachusetts, Vol 3232, 1998. [12] Rec. UIT R P.837-4, Caractéristiques des précipitations pour la modélisation de la propagation, UIT-R, 2004 [13] H. WEICHEL, " Laserbeampropagation in theatmosphere ", Roy F. Potter, Series Editor, The international society for optical engineering, Bellingham, Washington, Etats Unis, 1989 Mie, ann, Phys.,25, 377-445, 1908. [141 H. VASSEUR, C. OESTGES, A. VANDER VORST, " Influence de la troposphère sur les liaisons sans fil aux ondes millimétriques et optiques ", Propagation électroma- gnétique du décamétrique à l'angstrdm, 3c''es journées, Rennes,1997. 1151 M. GEBBART, E. LEITGEB, M. AL NABOULSI, H. SIZUN, DE F. FORNEL, " Measurements of light attenuation at dif- ferent wavelengths in dense fog conditions for FSO appli- cations ", STSM-7 COST270, 2004, [161 Y COJAN, J.C. FONTANELLA ; " Propagation du rayonne- ment dans l'atmosphère ", Techniques de'ngénteur, Traité Electronique, E4030, pp.1 - 30, 1995. [17] M. CHABANE, M. AL NABOULSI, H. SIZUN, 0. BOUCHET, " A new Quality of Service FSO software ", ECPS'05, Brest, 2005. EI Ed e u Hervé Sizun, titulaire d'une thèse de doctorat de 3ème cycle de l'université de Rennes, est ingénieur à France Télécom Recherche et Développement Expert senior, Il est spécialiste de la propagation en espace libre des ondes électromagnétiques (radio et optique), Il participe aux travaux à la Commission d'Etudes 3 du secteur des Radiocommunications de l'Union Internationale des Télécommunications (U ! T-R). Maher Alnaboulsi, doctorant à France Télécom Recherche et Développement, est actuellement affecté au sein de l'équipe de recherche "Optique de champ proche " au laboratoire de Physique de l'université de Bourgogne. Il a plus particulièrement travaillé sur l'influence du brouillard sur la propagation des ondes optique et infrarouge. Frédérique de Fornel est directeur de recherche au CNRS, spécialiste des ondes évanescentes et de la propagation optique guidée et non guidée. Elle dirige équipe de recherche "Optique de champ proche au laboratoire de Physique de l'université de Bourgogne. Elle est présidente de la commission " EJectronique et Photonique du CNFRS IURSI France) et vice-présidente de cette commission à Internationale), URSI (Union Radio Scientifique REE No 6/7 Jtiiii/juillet 2005 La propagation des ondes optiques visibles et infrarouges dans 'atmosphère terrestre Annexe 1 : Constructeurs d'équipements de liaisons optiques atmosphériques Le lecteur trouvera ci-après une liste non exhaustive d'équipementiers de liaisons optiques atmosphériques : AdvaLase Corporation, 224 DP Road, P.O. Box 1248, Los Alamos, NM 87544, USA, Phone : 505 662-6146, Fax : 505 662-1462, www.advalase.com AirFiber Inc. 16510 Via Esprillo, San Diego California 92127 USA, 877 576 7000 toll free US, 858 676 7000 Phone, 858 676 7070 fax, www.airfiber.com Aoptix Technologies Inc. 580 Division Street, Campbell, CA 95008, Phone : (408) 583 1100, Fax : (408) 583 1101, www.aoptix.com Cablefree Solutions Limited, Cablefree House, 1 St. Clare Business Park, Holly Road, Hampton Hill, Middlesex TW 12 1 PZ UK, Phone : +44 (0) 20 8941 7975 Fax : +44 (0) 20 8941 24 10 www.cablefreesolutions.com Canon Inc. Broadcast & Communications Division (Headquarters), 400 Sylvan Avenue, Englewood Cliffs, NJ 07632, c Phone : (201) 816-2900, Fax : (201) 816-2909 www.canon.com Communications by Light (Gesellschaft für optische Kommunikationssysteme mbH) (CBL), Darmstadter Str. 81, 64839 Münster near Dieburg, Germany, Phone : +49 (0) 60 71/303 Fax : +49 (0) 60 71/303 - 499 http ://www.cbl.de. http ://www.airlaser.de// Celerica, Inc., 55 Madison Avenue, Suite 400, Morristown, NJ 07960 Phone : 973-285-3460, Fax 973-285-3360 www.celerica.com Crinis Networks, Inc., 2099 N. Collins Blvd., Suite 200, Richardson, Texas 75080 Phone : 972.690.9494, Fax : 972.690.9495 httl2 ://www.crinisnetworks.com/ Digital Atlantic Inc, Dominion Lasercom Inc., 14 Cardinal Park Drive, Suite 102, Leesburg, VA 20175 USA, Phone : 877.494.6073 www.digitalatlantic.com fSONA Communications Corporation, #140 - 11120 Horseshoe Way, Richmond, B.C. Canada, V7A 5H7 Phone : 604.273.6333, Fax : 604.273.639 www.fSONA.com GoC AG, Vor der Pforte 19, 63303 Dreieich, Germany, Phone : +49 6103 80011 -0, Fax : +49 6103 80011 -200, www.goc.de Holoplex Technologies Inc, 600 South Lake Avenue, Suite 102, Pasadena, California 91106, USA Phone : + 1 626-793-9616 Ext. 1100 Fax : +1 626-793-9615 www.holoplex.com IrLan P.O.Box 288, Yokneam 20692, Israel Phone : 972-4-9591968, Fax : 972-4-9591978 www.irlan.co.il Katharsis Ltd., (formerly or aka Acropolis Computer Systems), 20, Admiral Lazarev Emb., Saint-Petersburg, 197110, Russia Phone : ++7 (812) 325 - 2973 Fax : ++7 (812) 235 - 2595 www.katharsis.ru, www.optica.ru, www.infrared.ru Lightpointe, 10140 Barnes Canyon Rd. San Diego, CA 92121 USA, Phone : +1 858 643 5200, Fax : +1 858 643 5201 www.lightpointe.com LSA Photonics, 180 Gordon Drive, Suite 106, Exton, PA 19341, USA, Phone : (610) 363-5808 Fax : (610) 363-5825 www.lsainc.com Maxima Corporation, 10 110 Sorento Valley Rd, Suite B, San Diego CA 92121, USA, Phone : 858 643 1700, Fax : 858 643 1710 www.maximacorp.com MRV Communications Inc., (Also Optical Crossing and Optical access), (West Coast USA) 20415 Nordhoff St., Chatswoi-th, CA 913 Il Phone : 800-338-5316, Fax : 818-773-0900 www.mrv.com Omnilux, Inc., 130 West Union Street, Pasadena, CA 91103, USA Phone : (626) 535-2800, Fax : (626) 535-2701 www.omnilux.net Optel, HolzKopfel 1, 22869 Schenefeld/Hamburg, Germany Phone : (+49 40) 830 99 360 Fax : (+49 40) 830 99 362 www.optel.com PAV Data Systems Ltd, Windermere Business Centre, Oldfield Court, Windermere, Cumbria, LA23 2HJ REE N 6,7 Jtiiiiijuillet 2005 L'ÉLECTROMAGNÉTISME Phone : 01925 237 350 Fax : 01925 237 369 www.pavdata.com Plaintree Systems Inc., 2081 Merivale Road, Suite 1300, Ottawa, Ontario K2G IG9, Canada Phone : +1-613-274-7979, Fax : +1-613-274-7538 www.plaintree.com Sceptre Communications (UK) Ltd. Singleton Court Business Park, Wonastow Road, Monmouth, NP25 5JA, Wales, u.K.. Phone : +44 (0) 1600 719345, Fax : +44 (0) 1600 719522 www.sceptre-communications.com Shakticom, Espace Legendre, 33 rue Max Linder 33500 Libourne, France, Tel : +33(0) 5 57 25 10 26 Fax : +33(0) 5 57 25 10 26 Terabeam Corporation, 12413 Willows Road NE, Kirkland, WA 98034, Phone : +1 425-460-6500, Fax : +1425-460-6501 www.terabeam.com Annexe 2 : Code de visibilité international Code de visibitité International Condition météo Précipitation mm/h Visibilité (m) IAffaiblissement (dB/km Brouillard dense Brouillard épais Srouillard modéré Brouillard léger Brouillard très lége Brume légère Brume très légère Temps clair Temps très clair 0 50 200 Neige 500 Orage 100 770 1 000 Forte pluie 25 1 900 2000 Pluie moyenn 12,5 2800 4000 Pluie légère 2,5 5900 10000 Bruine 0.25 18 100 20000 23 000 315 75 50 000 28.9 18,3 13,8 6.9 6,6 4,6 3,1 2 1'l 0,6 0,54 0,47 0,19 REE W6/7 Juiii/juillet 2005