Un nouveau LIDAR, moyen de mesure innovant pour la caractérisation fine du vent et de l’atmosphère, au LHEEA

Principe de fonctionnement

Le LiDAR (Light Detection And Ranging) est un dispositif de mesure optique permettant de caractériser l'atmosphère. Un LASER émet, à plusieurs mégahertz, de courtes impulsions dans l'air qui sont renvoyées par les aérosols naturellement présents dans l'atmosphère (poussières, pollution, gouttes d'eau...). Les particules qui renvoient la lumière voyagent à la vitesse du vent local, le signal reçu par le LiDAR est donc déphasé par effet Doppler proportionnellement à la vitesse des particules dans l'axe de visée du LiDAR, on parle ainsi de mesure de vitesse radiale.
Le temps de vol (période entre l'émission d'un pulse laser et la réception de sa rétrodiffusion par les aérosols) permet d'identifier la localisation des particules sur l'axe de visée et ainsi de reconstruire le profil de vitesse radiale en utilisant une gamme de distance prédéfinie (ranging). De plus, le traitement du signal rétrodiffusé permet de déterminer la concentration en aérosols de l'atmosphère le long de la ligne de visée avec une portée de plusieurs kilomètres.

Le LiDAR scannant du LHEEA, modèle WINDCUBE 100S de la société Leosphere, a une portée de 3 km et possède une tête articulée permettant de piloter l'angle de visée en azimut (360°) et en élévation (+/-110° par rapport au zénith). La programmation d'une série de tirs à différents angles permet de reconstruire le profil vertical du vecteur vent avec une période d'environ 3 secondes. D'autres types de scan sont utilisés pour cartographier une tranche verticale de l'atmosphère (azimut fixe et élévation variable) ou une tranche horizontale (élévation à zéro et azimut variable) et ainsi d'étudier spatialement les phénomènes atmosphériques : couche limite atmosphérique, sillages d'éoliennes, dispersion d'aérosols, grandes échelles de turbulence...
 

Un rayonnement national et international

Les capacités du LiDAR scannant en font aujourd’hui un instrument de premier plan pour l’analyse du vent. La polyvalence d’un LiDAR scannant offre des possibilités d’exploitation qui se situent à la confluence des thématiques de plusieurs équipes du LHEEA : la connaissance de l’environnement atmosphérique et le développement des Energies Marines Renouvelables. La faible disponibilité du dispositif au niveau national (un seul équipement dans le milieu académique en France) et international, ainsi que son tarif de location élevé justifient le choix de l’acquisition d’un LIDAR scannant par le LHEEA.

L’utilisation du LiDAR scannant est une avancée majeure pour le positionnement du laboratoire comme un acteur national majeur sur ces thématiques. Il est un levier important au montage de programmes de recherche collaboratifs, et a déjà permis le dépôt et le démarrage de plusieurs projets de recherche nationaux et internationaux avec des partenaires de haut niveau.

Liste des projets financés dans lesquels une campagne LiDAR scannant est prévue :  WEAMEC FLOATEOLE (2018) et WAKEFUL(2019), ANR MOMENTA (2019) et MATRAC (ANR-18-ASTR-0002), ADEME ePARADISE (2019) et VAMOS (financement Allemand).

Le LiDAR sera en résidence sur le campus de Centrale Nantes et mobilisé sur différents sites pour ces projets.
 

Un outil de la transition énergétique

Le LiDAR scannant est voué à l’exploitation académique et opérationnelle par les équipes DAUC, EMO et SEM-REV du LHEEA pour répondre aux enjeux sociétaux et environnementaux en lien direct avec la transition énergétique. Ainsi, il sera déterminant pour l’accompagnement au développement des éolienne sur terre et en mer dont :

• l’évaluation fine des spécificités de la ressource éolienne en mer et des couplages à l’œuvre,
• la compréhension des phénomènes atmosphériques côtiers complexes,
• une meilleure caractérisation de la ressource en vent,
• la vérification des performances des technologies,
• la quantification des interactions de sillage entre les éoliennes,
• une meilleure évaluation de l’impact environnemental et économique.

Le LiDAR scannant sera un outil de référence pour l’analyse du microclimat comme :

• la mesure et l’analyse de la dispersion d’aerosols,
• l’établissement de diagnostics environnementaux de la qualité de l’air en milieu côtier et urbain,
• participer au diagnostic du microclimat urbain (ie l’îlot de chaleur urbain).

Financement

Le dispositif est co-financé par la Région Pays de Loire et par le FEDER (lauréat de l'appel équipement de laboratoire 2017) et par les investissements d'avenir via le PIA SEMREV.