Les télécommunications laser en espace libre sont limitées en portée par la turbulence atmosphérique. L'optique adaptative, par la correction de la phase turbulente à l'émission du faisceau, a permis d'étendre leur domaine d'exploitation.Toutefois, sur de longues distances de propagation, cette correction n'est plus suffisante et il faut également précompenser l'amplitude du faisceau émis. De premières études numériques ont montré que le principe de retournement temporel, ou plus exactement de conjugaison de phase bidirectionnelle itérative, conduirait à des conditions satisfaisantes de focalisation du faisceau laser en fort régime de turbulence.Le principe de conjugaison de phase n'ayant été étudié que théoriquement jusque-là, mon travail de thèse s'est attaché à mettre en oeuvre un démonstrateur expérimental pour quantifier les performances de cette technique dans des conditions maîtrisées. En parallèle, une simulation de bout en bout de l'expérience a permis d'évaluer l'influence d'erreurs d'étalonnage sur les performances finales de la correction et de valider les résultats expérimentaux obtenus. Les points durs de la mise en oeuvre d'un système de télécommunications laser en espace libre ont ainsi été identifiés.L'ensemble de ces travaux constitue la toute première démonstration expérimentale du principe de retournement temporel optique. D'autres domaines d'application comme les lasers de puissance ou la propagation à travers des milieux biologiques très diffusants, nécessitant également de corriger le faisceau à l'émission, sont concernés. / Free Space Optical communications (FSO) are range limited due to atmospheric turbulence. Adaptive optics can mitigate turbulence effects by adding a phase modulation on the emitted laser beam. However, both phase and amplitude modulation are needed to perform long range FSO. Previous numerical studies have shown that iterative phase conjugation is an efficient modulation technique for lasercom systems.This PhD thesis is dedicated to the development and the realization of the first experimental demonstration of the iterative phase conjugation principle in a controlled turbulence environment. An optical bench, representative of a long range propagation through strong turbulence, has been scaled down to few-meters propagation in visible.Several methods for complex field measurement and modulation are numerically studied. Selected methods are implemented and tested, such as a novel focal plane technique for complex field measurement. Finally, iterative phase conjugation is performed and results cross-correlated with an end-to-end model representative of the optical bench.This work is the first experimental demonstration of the optical phase conjugation principle. Applications can be found in other fields than lasercoms, such as high power lasers or propagation through highly diffusing biological tissues, both in need of laser emission modulation.

This study concentrates on analysis of LongEZ aircraft data taken offshore of the Atlantic Coast of the United States. Due to the land structure of the region, it was possible to isolate the effect of narrow land on air as it flows offshore. The narrow land (Outer Banks) separates inland water from the sea. With greater land fetch, the internal boundary layer (IBL) over land grows deeper and the eddies presumably grow larger. Larger eddies typically decay more slowly than smaller eddies, and so the turbulence advected from land with a larger land fetch should survive longer over the sea and be greater in magnitude than that with smaller land fetch. The turbulence is studied using aircraft eddy correlation data as the flow is advected over the water. As expected, greater and longer-lasting turbulence is present downstream from greater land widths. Aircraft data taken over the Gulf Stream (GS) boundary are analyzed to study the effects of the sea surface temperature (SST) front on downstream boundary layer structure. Unstable and stable flows are studied in this region. The stable flow case is found to have an upside-down structure, with greater turbulence aloft causing stress convergence at the surface, which acts to accelerate the flow. The local thermally generated pressure gradient is important in the momentum budget across the GS front in both flow cases. A synthetic aperture radar (SAR) image is analyzed qualitatively in the region between the Atlantic Coast and the Gulf Stream front for intercomparison of data and to examine the influences of varying static stabilities and surface conditions upon the backscatter shown in satellite images. The growth rates of the internal boundary layer due to flow over a heterogeneous surface including flow from land over the water and flow between cooler water and warmer water are calculated. These results are compared to similar calculations of growth rates from previous experiments. It is found that the growth rate of an internal boundary layer is dependent on surface roughness, despite the inclusion of σ[subscript w] in the normalization of the growth rate. / Graduation date: 2003

The aim of this study was to characterize the wind behavior (velocity, direction, turbulence index and gust factor), as well as a preliminary estimate of the aeolian potential in coastal region close to Maceió. The wind data utilized was collected during the MICROMA project (Micrometeorologia da Mata Atlântica Alagoana) installed at Vilanova Farm, Pilar Alagoas State (9º36 12 S, 35º53 46 W, 170 m), from July/1996 to September/1999. The results showed that the local wind is influenced by micro and macro scale phenomenon. The wind velocity (8,29m height) decreases in the winter and increases in the summer. In the two seasons the wind velocity is faster during daytime. Almost in a half of the case (46%) the wind velocity is between zero and 2,0 m.s-1. The wind direction showed a little variability and the predominant flow is from ocean to continent felt (66%). The behavior of the atmospheric turbulence is inverse to the wind velocity. The wind velocity (estimated to 75m height) in 99,5% of the cases was superior to the initial velocity to start the aero generator (2,5 m.s-1). The simulated average wind power potential value was 110,27±106,51 W.m-2. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho teve como objetivo a caracterização do comportamento do vento (velocidade, direção, índice de turbulência e fator de rajadas), bem como fazer uma estimativa preliminar do potencial eólico para a região de tabuleiros costeiros próximo a Maceió. Foram utilizados os dados de vento coletados durante a realização do projeto MICROMA (Micrometeorologia da Mata Atlântica Alagoana) montado na Fazenda Vilanova, Pilar AL (9º36 12 S, 35º53 46 W, 170 m), no período de julho de 1996 a setembro de 1999. Os resultados mostraram que o vento no local é influenciado pelos fenômenos locais e os de grande escala. A velocidade (8,29 m) diminui no inverno e aumenta no verão, e, em ambas as estações, é bem maior durante o dia. Quase metade (46%) dos casos são ventos na faixa de zero até 2,0 m.s-1. A direção apresenta pouca variabilidade e o fluxo predominante é no sentindo oceano-continente (66%). A turbulência atmosférica é inversamente proporcional a velocidade do vento. O vento estimado para 75m em 99,5% dos casos foi superior a velocidade de partida dos aerogeradores (2,5 m.s-1). O valor médio estimado para o potencial eólico foi de 110,27±106,51 W.m-2 com maior ocorrência na faixa entre 50-100 W.m-2 (38,6%).

A partir des équations gouvernant le champ de vitesse, on peut non seulement s'attendre à un vent (fortement) non-gaussien, mais aussi à un vent présentant un comportement scalant. Par ‘scalant' ou invariant d'échelle, nous faisons référence à un comportement statistique auto-similaire particulier; les cascades de tourbillons. Les multifractales stochastiques (avec des singularités et des co-dimensions multiples) reproduisent facilement le comportement scalant et les distributions de probabilités à queues épaisses omniprésentes dans le vent et dont la quantification est essentielle pour la communauté. Les quelques paramètres qui définissent ces modèles peuvent être déduits soit de considérations théoriques, soit de l'analyse statistique de données. Nous avons constaté que les approximations de flux basées sur le module du cisaillement du vent donnent des moments statistiques non-scalants et donc des estimations faussées des paramètres multifractals. La méthode DSF n'exige pas cette approximation et garantit un comportement scalant sur une certaine gamme d'échelles. Nous n'avons trouvé aucune estimation véritablement stable d'alpha en utilisant des méthodes standards. Ceci n'arrive plus quand nous optimisons localement (par la différenciation fractionnaire) le comportement scalant du DTM. Nous obtenons alors des estimations très stables de l'indice de multifractalité qui sont en outre en accord (alpha ≤ 2) avec des résultats publiés. Au contraire, les deux autres paramètres (C1 et H) deviennent des fonctions non-linéaires de l'ordre q des moments statistiques. Ces résultats suggèrent que le modèle UM isotrope ne peut être utilisé pour reproduire le cisaillement de vent dans la couche de surface atmosphérique. Lesdites hypothèses sont examinées en utilisant un repère tournant pour analyser l'anisotropie de la vitesse horizontale dans la couche de surface atmosphérique. Cela permet de quantifier la dépendance angulaire de l'exposant de Hurst. Les valeurs de cet exposant restent tout de même conformes aux résultats précédemment publiés. Pour des échelles de temps supérieures à quelques secondes, les deux jeux de données présentent une anisotropie scalante forte, qui décroît avec l'altitude. Nous mettons en évidence une expression analytique de la variation angulaire de l'exposant de Hurst, reposant sur les corrélations entre les composantes horizontales. Ceci pilote la formation des extrêmes du cisaillement, y compris dans le sillage d'une éolienne. Les cisaillements turbulents du vent sont si extrêmes que leur loi de probabilité est une loi de puissance. L'exposant correspondant (qD) est similaire pour les deux sites à une hauteur de 50m (4 ≤ qD ≤ 5), malgré des conditions orographiques très différentes. Nous discutons aussi de ses conséquences en analysant la stabilité de la couche limite atmosphérique et proposons une nouvelle méthode pour sa classification. Enfin, nous démontrons analytiquement que l'anisotropie augmente la probabilité des extrêmes. Ce résultat met en lumière un des nombreux mécanismes de turbulence possibles dans la couche de surface qui peut apparemment surproduire les cisaillements extrêmes du vent, s'ils sont étudiés dans le cadre des UM isotropes. Nous en analysons théoriquement les conséquences sur les estimations des paramètres multifractales par la méthode DTM. Les résultats analytiques obtenus sont en parfait accord avec les observations empiriques. Nous discutons alors de la prise en compte de toutes ces considérations pour faire des simulations multifractales des champs du vent dans la couche limite atmosphérique / From the governing equations of the velocity field, one can not only expect a (highly) non-Gaussian wind but also one that is scaling. By ‘scaling' we mean a given statistical self-similarity; a turbulent cascade of eddies. Stochastic multifractals (with multiple singularities and co-dimensions) easily reproduce the scaling, heavy-tailed probabilities ubiquitous with the wind and essential to quantify for the wind energy community. The few parameters that define these models can be derived either from theoretical considerations or from statistical data analysis. It is sometimes possible to determine the statistics of the velocity shears with the universal multifractal (UM) parameters: alpha - the index of multifractality (0 ≤ alpha ≤ 2), C1 - the co-dimension of the mean intermittency (C1 ≥ 0) and H - the degree of non-conservation - the linear part of the scaling exponents. The latter of the three parameters is often called the Hurst exponent. We inter-compare the results from the rather standard method of empirical estimation of the UM parameters, the Double Trace Moment (DTM) method, with that of the Double Structure Function (DSF), a newly developed method. We found that flux proxies based on the modulus of the wind velocity shears yield non-scaling statistical moments and therefore spurious multifractal parameter estimates. DSF does not require this proxy approximation thus providing the scaling of the structure-function to an extent. We found no truly stable estimate of alpha using standard methods. This no longer occurs when we locally optimise (by fractionally differentiating) the DTM scaling behaviour. We then obtain very stable estimates of the multifractality index that are furthermore consistent (alpha ≤ 2) with other literature. On the contrary, the two other parameters (C1 and H) become non-linear functions of the order q of the statistical moments. These results suggest that the isotropic UM model cannot be used to reproduce the velocity shears in the atmospheric surface-layer. To investigate the above hypothesis we use a rotated frame of reference to analyse the anisotropy of the horizontal velocity in the atmospheric surface-layer. This enables us to quantify the angular dependency of a Hurst exponent. Despite being anisotropic the Hurst exponent is consistent with other surface-layer literature. For time-scales above a few seconds, both data exhibit a strong, scaling anisotropy that decreases with height. We put forward an analytical expression for the angular variation of the Hurst exponent based on the correlation of the horizontal components. It determines the generation of wind shear extremes, including those in the wake of a turbine. We find that the turbulent wind shears are so extreme that their probability distributions follow a power law. The corresponding exponent (qD) is rather the same in both sites at 50m heights (4 ≤ qD ≤ 5), in spite of very different orographic conditions. We also discuss its consequences when analysing the stability of the atmospheric boundary-layer and propose a new method for its classification. Finally, we analytically demonstrate that anisotropy increases the extremes probability. This finding reveals one of the many possible turbulence mechanisms in the atmospheric surface-layer that may seemingly over-generate wind shear extremes if they are studied in an isotropic UM framework. We theoretically analyse the consequences of this on the UM estimates for the DTM method. The obtained analytical results fully support empirical findings. We then discuss how to take into account all of these considerations when simulating multifractal fields of the wind in the atmospheric boundary-layer. The overall results of this dissertation go beyond wind energy, they open up new perspectives for the theoretical predictions of extremes in the general case of strongly correlated data

La connaissance de la turbulence atmosphérique en visée horizontale permet de mieux appréhender la physique des flux de chaleur à l’interface sol-atmosphère. Elle permet également, en visée verticale, d’améliorer les performances des futurs systèmes d’optique adaptative grand-champ pour l’observation astronomique. Le profil de Cn² caractérise localement la force de la turbulence. La méthode CO-SLIDAR, développée par l’ONERA, permet de réaliser des profils de Cn² le long de la ligne de visée du télescope à partir des pentes et de scintillations mesurées par un Analyseur de Shack-Hartmann sur source double. Cette méthode a été validée en visée verticale mais n’avait pas encore montré son efficacité en visée horizontale. Les deux expériences à Lannemezan et à Châtillon-Meudon ont vu la mise en place d'un nouveau profilomètre Shack-Hartmann Infrarouge : le SCINDAR. Elles ont été réalisées sur des surfaces respectivement hétérogène et homogène par morceaux, et elles participent à la validation de la méthode pour des applications agronomiques et écologiques. Mon étude consiste à améliorer le traitement du signal du profilomètre SCINDAR et à valider la méthode CO-SLIDAR pour des mesures de la turbulence atmosphérique proche du sol. Cette méthode a été adaptée en utilisant un formalisme de propagation en onde sphérique. L'étude a permis d'identifier et prendre en compte des sources d'erreur dans le traitement : à savoir la vibration de la machine à froid de l'analyseur de front d'onde cryogénique du SCINDAR et l'étendue des sources dans les fonctions de poids du modèle direct posé pour le traitement des données. Mon étude se consacre à l’amélioration du traitement des données du SCINDAR et à la validation expérimentale des profils de Cn² obtenus avec des mesures de Cn² acquises par des scintillomètres. J'ai construit tout d'abord une base de données de pentes et scintillations de qualité vérifiée. Pour l'inversion des données, j'ai choisi la régularisation L1L2 qui est adaptée pour des mesures de Cn² proches du sol. La méthode de réglage des hyperparamètres de cette régularisation est non-supervisée. Elle permet d’augmenter la fiabilité et la précision de l’estimation du profil de Cn² de façon pragmatique à l'aide des erreurs relatives sur les paramètres turbulents macroscopiques. Le profilomètre SCINDAR avec la méthode CO-SLIDAR ainsi améliorée produit finalement des profils de Cn² d'excellente qualité. Ces profils sont comparés avec succès aux mesures des scintillomètres. L’ensemble de ces travaux constitue l'adaptation de la méthode CO-SLIDAR pour des mesures de la turbulence proche du sol. / The knowledge of atmospheric turbulence in horizontal aim allows to better understand the physics of the heat fluxes at the ground-atmosphere interface. It also allows, in vertical aim, to improve the performance of future wide-field adaptive optics systems for astronomical observation. The profile of Cn²locally characterizes the force of turbulence. The CO-SLIDAR method, developed by ONERA, allows profiles of Cn² along the line of sight of the telescope, from the slopes and scintillations of a double source measured by Shack-Hartmann analyzer. This method was validated in vertical aim but had not yet shown its effectiveness in horizontal aim. The two experiments in Lannemezan and Châtillon-Meudon introduced a new Shack-Hartmann Infrared profilometer: the SCINDAR. They were carried out on heterogeneous and piecewise homogeneous surfaces respectively, and they participate in the validation of the method for agronomic and ecological applications. My study consists of improving SCINDAR profilometer signal processing and validating the CO-SLIDAR method for near-ground atmospheric turbulence measurements. This method has been adapted using a spherical wave propagation formalism. The study identified and took into account sources of error in processing: the cold machine vibration of the SCINDAR cryogenic wavefront analyzer and the extent of the sources in the weight functions of the direct model set for data processing. My study focuses on improvement of the SCINDAR data processing and experimental validation profiles Cn² obtained with Cn² measurements acquired by scintillometers. I first built a database of slopes and scintillations of verified quality. For the inversion of the data, I chose the L1L2 regularization which is suitable for near-ground Cn² measurements. The method of setting the hyperparameters of this regularization is unsupervised. It makes it possible to increase the reliability and the accuracy of the Cn² profile estimation in a pragmatic way using the relative errors of the macroscopic turbulent parameters. The SCINDAR profilometer with the improved CO-SLIDAR method finally produces Cn² profiles of excellent quality. These profiles are successfully compared to scintillometer measurements. All of this work constitues the adaptation of the CO-SLIDAR method for measurements of near-ground turbulence.

La turbulence atmosphérique générée par une différence de température entre le sol et l'atmosphère, provoque des effets sur les ondes optiques et présente un grand intérêt scientifique depuis de nombreuses années. Les distorsions du front d'onde optique induites par le résultat de la turbulence atmosphérique génèrent un étalement du faisceau au-delà de celles dues à la diffraction pure, à des variations aléatoires de la position du centre de gravité du faisceau, et à une répartition aléatoire de l'énergie du faisceau qui conduit à des fluctuations de l’irradiance.Ces effets ont des conséquences sur les communications optiques en espace libre (OFS), la désignation de cible, le LiDAR hyper spectral, et d'autres applications qui nécessitent la transmission d'ondes optiques dans l'atmosphère sur une grande portée.Tout au long de cette thèse, nous introduisons le concept général de la turbulence, en se concentrant sur la turbulence atmosphérique. Diverses expériences ont été réalisées, par exemple, la propagation de deux faisceaux parallèles dans les conditions de l'optique géométrique pour l'étude des paramètres de turbulence optiques. La même configuration optique a été utilisé pour étudier la meilleure fréquence d'échantillonnage pour la turbulence optique. En outre, nous avons indirectement mesuré l'évapotranspiration de couverts végétaux, pour laquelle nous tenons compte des fluctuations de l'indice de réfraction de la turbulence à travers les variations d’intensités du faisceau laser. Enfin, certaines expériences qui considèrent de nouvelles formes spatiale ou spectrale du faisceau ont également été développées, telles que le saut de mode et un super continuum spectral respectivement, montrant une réduction expérimentale des fluctuations de l'irradiance induite par la turbulence. Ces faisceaux ont une meilleure performance comme émetteur d'informations pour la communication optique en espace libre. / Atmospheric turbulence, generated by a differential temperature between the Earth's surface and the atmosphere, causes effects on optical waves that have been of great interest to scientists for many years. Wave front distortions in the optical wave induced by atmospheric turbulence result in a spreading of the beam beyond that due to pure diffraction, random variations of the position of the beam centroid, and a random redistribution of the beam energy within a cross section of the beam leading to irradiance fluctuations. Those effects have far-reaching consequences on astronomical imaging, free space optics (FSO) communications, remote sensing, laser satellite communication, astronomical imaging, adaptive optics, target designation, hyperspectral LiDAR, and other applications that require the transmission of optical waves through the atmosphere. Throughout this thesis, we introduce a globally concept of turbulence, focusing in atmospheric turbulence.Diverse experiments have been carried out, for instance, the propagation of two parallel thin beams under geometrical optics condition for studying the parameters of optical turbulence, and besides, the same optical configuration was used to investigate the best sampling rate for optical turbulence. Furthermore, we have measured evapotranspiration by remote sensing, in which we have heeded the fluctuations of the refractive index through the intensities of the turbulence. Finally, experiments which involve a new beam are also developed, such as phase-flipped Gaussian beam. This beam shows an experimental reduction on its irradiance fluctuations induced by the turbulence, which means that it has a high performance in optical communications. The experimental reduction aforementioned is proved through the comparison with the theory developed.

This diploma thesis is about creating a program to model turbulent cells of different sizes on the chosen transmission path. The initial part of the work is devoted to the formation of atmospheric turbulence and the mathematical description of the extent of turbulence and its effect on optical waves. The methods of the turbulence generation and their physical description of formation are described below. The practical part is devoted to the created program in the MATLAB.

This master´s thesis provides basic properties and measurement of optical beams. In the first chapter is shown division of light on ray, wave and beam optics. Atmospheric optics and properties associated with propagation of light through the earth's atmosphere is presented in the second chapter. In the third part are shown basic techniques for Gaussian beam shaping. The last chapter deals with measurement of optical beam after propagating through a turbulent medium. In this section is shown distribution of relative variance of optical intensity in Gaussian and Top-Hat beam. There is also measured spatial coherence of laser beam in the turbulent atmospheric transmission media. Finally effect of the beam wander is investigated.

This master’s thesis is focused on behaviour of the TCP/IP protocol on free-space optical link which is affected by the effect of atmospheric turbulence. This causes fluctuation of the received optical power and therefor bit error rate changes. In the simulation model short-time bit error rate is calculated from random generated received optical signal and then used in time-domain analysis of the OMNeT++ network simulator. A buffer in transmitter is designed based on simulation results. It pauses the data transmitting in cases of FSO link outage. This method is then implemented into FPGA device.

This master’s thesis is focused on behaviour of the TCP/IP protocol on free-space optical link which is affected by the effect of atmospheric turbulence. This causes fluctuation of the received optical power and therefor bit error rate changes. In the simulation model short-time bit error rate is calculated from random generated received optical signal and then used in time-domain analysis of the OMNeT++ network simulator. A buffer in transmitter is designed based on simulation results. It pauses the data transmitting in cases of FSO link outage. This method is then implemented into FPGA device.