Thèse Nouvelle Méthode de Traitement du Signal par Approche Bayésienne pour l'Amélioration de la Résolution Spatiale des Lidars Vents Hétérodynes H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées
Direction de la thèse : David MICHEL ORCID 0000000219380491
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Le lidar vent cohérent, domaine dans lequel l'ONERA travaille depuis des décennies, est un instrument optique permettant la mesure d'un champ de vent à la manière d'un radar mais en utilisant une source laser. Ce type de mesure est important notamment en météorologie (analyse de turbulences atmosphériques), pour la sécurité aérienne (mesure de turbulence, de vortex engendrés par les avions) et pour l'industrie éolienne (analyse de la ressource éolienne potentielle avant installation de turbines génératrices de courant). La limite en résolution spatiale du lidar vent cohérent est liée à la durée de l'impulsion laser utilisée. Cette dernière ne peut pas descendre en dessous de la centaine de nanosecondes (correspondant à 15 m dans l'atmosphère) sans compromettre le bilan de liaison lidar.
Plusieurs approches sont envisagées dans la communauté lidar pour améliorer la résolution spatiale de la mesure sans raccourcir l'impulsion : par modulation de la source laser, ou bien en inversant la convolution de la réponse atmosphérique par traitement du signal. A l'ONERA nous étudions cette dernière approche, qui a l'avantage de ne modifier que le software, depuis quelques années. Un premier algorithme de type maximum a posteriori a été développé récemment au cours d'une thèse menée au sein de notre laboratoire. L'algorithme final a montré de très bons résultats sur des données de simulations et sur des données expérimentales (https://doi.org/10.1364/OL.566273). Cependant, cette approche requière une connaissance parfaite des paramètres du lidar.
Ainsi, nous proposons au/à la candidat(e) de travailler dans un premier temps sur l'amélioration de la
robustesse de l'algorithme existant face aux imperfections de modélisation, et de savoir où l'on se situe en termes de précision de mesure de vent par rapport au maximum de précision théorique. Pour cela, l'étudiant(e) travaillera à :
· Effectuer une déconvolution myope ou « auto-supervisée », dans laquelle certains paramètres mal connus de l'impulsion laser sont estimés conjointement au profil de vent à partir des données. Cette amélioration est importante car elle rendra l'algorithme plus robuste sur les données réelles.
· Déterminer la borne théorique d'estimation du profil de vent en fonction du rapport signal sur bruit et de la réponse impulsionnelle instrumentale, afin de la comparer aux performances atteintes en simulation ou en expérimentation
· Modéliser plus finement les bruits présents dans les mesures, et prendre en compte ces raffinements dans l'inversion.
Dans un deuxième temps, nous proposons au/à la candidat(e) de développer un nouvel algorithme basé soit sur une extension de l'approche actuelle mais en faisant varier la largeur de la porte temporelle d'analyse (analyse multi-portes) ou sur des données plus brutes tirées de la matrice de covariance du signal. Un argument théorique (information de Fischer) nous indique que les données d'entrée pour ces deux approches contiennent plus d'information que le spectrogramme utilisé actuellement. Ces approches pourraient donc contribuer à améliorer encore la résolution et la précision de vitesse obtenue.

Une limite majeure de la mesure du vent par lidar hétérodyne vient de sa faible résolution spatiale. Les algorithmes de traitement du signal actuels sont limités par la résolution spatiale c, où c est la vitesse de la lumière et est la durée de l'impulsion laser. La durée d'impulsion est typiquement entre 100 ns et 1 µs, ce qui conduit à une résolution spatiale entre 30 m et 300 m. La durée de l'impulsion ne peut pas être réduite car l'élargissement fréquentiel induit sur le signal deviendrait trop important, et conduirait à une précision trop faible de la mesure du vent.
La limitation c est liée au fait que les algorithmes actuels analysent les spectres de façon indépendante. Dans le brevet FR3110002, nous avons proposé une analyse conjointe de l'ensemble des spectres de la mesure lidar, et les premiers résultats obtenus à l'issue d'une thèse qui vient de s'achever ont montré une amélioration de la résolution spatiale d'un facteur 2 à 3.

Amélioration de l'algorithme de traitement du signal des lidars vent hétérodyne basé sur la nouvelle approche proposée dans le cadre du brevet FR3110002 par les encadrants de cette thèse (collaboration SLS-HRA). Cette problématique est un sujet coeur de métier à SLS, et permettra notamment d'améliorer tous les lidars vents que nous développons. Une première version réalisée dans le cadre de la thèse de Théo MARTIN a donné de très bons résultats. Elle a consisté à inverser le spectrogramme lidar par une méthode de maximum a posteriori. Nous proposons ici d'aller plus loin, d'une part, en proposant à l'étudiant:
- d'étendre l'algorithme développé (modélisation fine du bruit de mesure),
- de déterminer les performances ultimes (borne de Cramér-Rao) et de tâcher de s'en approcher,
- de proposer une nouvelle approche qui prend en compte plus d'information sur les données lidar, en traitant les matrices de covariances empiriques du signal plutôt que les spectrogrammes qui sont déjà issus d'un prétraitement.