Several different laser remote sensing techniques related to the detection of trace chemical species were studied. In particular, a Differential-Absorption lidar (DIAL), a Laser-Induced-Breakdown Spectroscopy (LIBS) lidar, and a Raman lidar were studied. Several of the laser spectroscopic techniques that were used were common throughout these different studies. More precisely, 10.6 μm CO2 laser related spectroscopy was common for the DIAL and LIBS studies, and 266 nm Nd:YAG laser related spectroscopy was used for the LIBS and Raman studies. In the first system studied a tunable CO2 DIAL system was developed for the first time to our knowledge for the potential detection of the explosive Triacetone Triperoxide (TATP) gas clouds. The system has been used to measure gas samples of SF6, and has shown initial absorption measurements of samples of TATP contained within an enclosed optical absorption cell. DIAL/Lidar returns from a remote retroreflector target array were used for the DIAL measurements after passage through a laboratory cell containing the TATP gas. DIAL measured concentrations agreed well with those obtained using a calibrated Ion Mobility Spectrometer. DIAL detection sensitivity of the TATP gas concentration in the cell was about 0.5 ng/μl for a 0.3 m path-length. However, the concentration of TATP was found to be unstable over long periods of time possibly due to re-absorption and crystallization of the TATP vapors on the absorption cell windows. A heated cell partially mitigated these effects. In the second set of studies, a Deep UV LIBS system was developed and studied for the remote detection of solid targets, and potentially chemical, biological, and explosive substances. A 4th harmonic Q-Switched Nd:YAG laser operating at 266 nm was used for excitation of the LIBS plasma at standoff ranges up to 50 m . The LIBS plasma emission covering the range of 240 – 800 nm was enhanced by use of a nearly simultaneous 10.6 μm CO2 laser that increased the LIBS plasma emission by several orders of magnitude. The emission spectrum was used to detect and identify the species of interest. Plasma temperatures on various solid substrates were measured. An increase in the plasma temperature of about 5000 K was measured and analyzed, for the first to our knowledge, due to the addition of the CO2 laser pulse to the LIBS plasma generated by the Nd:YAG laser. An optimum temporal overlap of the two laser pulses was found to be important for the enhancement. Finally, in a third related lidar system, initial 266 nm Raman lidar studies were conducted at detection ranges of 15 m. However, significant spectroscopic background interferences were observed at these wavelengths and additional optical filtering is required.

Agricultural aerosol sources can contribute significantly to air pollution in many regions of the country. Characterization of the aerosol emissions of agricultural operations is required to establish a scientific basis for crafting regulations concerning agricultural aerosols. A new lidar instrument for measuring aerosol emissions is described, as well as two new algorithms for converting lidar measurements into aerosol concentration data. The average daily aerosol emission rate is estimated from a dairy using lidar. The Aglite Lidar is a portable scanning lidar for mapping the concentration of particulate matter from agricultural and other sources. The instrument is described and performance and lidar sensitivity data are presented. Its ability to map aerosol plumes is demonstrated, as well as the ability to extract wind-speed information from the lidar data. An iterative least-squares method is presented for estimating the solution to the lidar equation. The method requires a priori knowledge of aerosol relationships from point sensors. The lidar equation is formulated and solved in vector form. The solution is stable for signals with extremely low signal-to-noise ratios and for signals at ranges far beyond the boundary point. Another lidar algorithm is also presented as part of a technique for estimating aerosol concentration and particle-size distribution. This technique uses a form of the extended Kalman Filter, wherein the target aerosol is represented as a linear combination of basis aerosols. For both algorithms, the algorithm is demonstrated using both synthetic test data and field measurements of biological aerosol simulants. The estimated particle size distribution allows straightforward calculation of parameters such as volume-fraction concentration and effective radius. Particulate matter emission rates from a dairy in the San Joaquin Valley of California were investigated during June 2008. Vertical particulate matter concentration profiles were measured both upwind and downwind of the facility using lidar, and a mass balance technique was used to estimate the average emission rate. Emission rates were also estimated using an inverse modeling technique coupled with the filter-based measurements. The concentrations measured by lidar and inverse modeling are of similar magnitude to each other, as well as to those from studies with similar conditions.

The Aglite system is a three-wavelength lidar plus a suite of instruments for measuring particulate emission levels near agricultural facilities. The lidar performs 3D scans of the air surrounding the facility and maps the concentration of particulates in the atmosphere surrounding the facility with high spatial and temporal resolution. Data from the conventional instruments are used to calibrate the lidar. The Aglite system includes a retrieval program, which combines the data from the lidar instrument with data from the conventional instruments to produce measurements of particulate concentration values. This thesis describes the design of the lidar data retrieval program, the development and implementation of the algorithm, and the results of measurements made on the initial field campaign. The methodology used by the Aglite system, the details of the retrieval algorithm, and the results of the measurements made by the instrument on its first field campaign are described.

Particulate matter expelled from tunnel-ventilated animal feeding operations (AFOs) is known to transport malodorous compounds. As a mitigation strategy, vegetative environmental buffers (VEBs) are often installed surrounding AFOs in order to capture particulates and induce lofting and dispersion. Many farmers are or are interested in implementing VEBs, yet research supporting their efficacy remains sparse. Currently, point measurements, often combined with models, are the primary means by which emission rates from AFOs and VEB performance has been investigated. The existing techniques lack spatial resolution and fail to assign the observed particulate reduction to capture, lofting, or dispersion. In recent years, lidar has emerged as a suitable partner to point measurements in agricultural research. Lidar is regarded for its ability to capture entire plume extents in near real time. Here, a technique is presented for estimating the capture efficiency of a VEB using lidar. An experiment was conducted in which dust was released upwind of a VEB at a known rate, and the emission rate downwind of the VEB was estimated using an elastic scanning lidar. Instantaneous lidar scans showed periodic lofting well above the VEB, but when scans were averaged over several hours, the plumes appeared Gaussian. The experiment revealed a capture efficiency ranging from 21-74β, depending on the time of day. The methodology presented herein addresses deficiencies in the existing techniques discussed above, and the results presented add to the lacking body of research documenting VEB capture efficiency.

Gravity waves in the atmosphere are the waves with gravity and buoyancy force as the restoring forces. Gravity waves will significantly impact the Mesosphere Lower / Thermosphere (MLT), and the breaking of gravity waves is the key factor to cause the cool summer and warm winter in the Mesopause region. Therefore, it is important for us to investigate gravity waves. In this dissertation, we mainly use USU Na lidar data to explore gravity waves in the MLT. The exploration is made up of two projects. One is the investigation of gravity wave breaking and the associated dynamic instability by USU Na Lidar and Advanced Mesosphere Temperature Mapper (AMTM). Another is the calculation of gravity wave temperature perturbations and potential energy density by least-squares fitting based on the data from the full-diurnal cycle observation of Na lidar. The sporadic sodium layer is the sharp increase of Na density in a small vertical range (several kilometers) above the Na main layer in the MLT. The formation of the sporadic sodium layer above 100 km remains unknown until now. Here we will investigate the mechanism of the generation of sporadic sodium layer using numeric modeling, including the effect of tide and gravity wave on the variation of Na density.

A database of likely sinkholes in Pinellas County, Florida, created using airborne laser swath mapping (ALSM a.k.a LIDAR for light detection and ranging), correlates poorly with other databases of likely sinkholes created from modern and historic aerial photographs. Urbanization appears to be the cause of the poor correlation. Buildings obscure much of the ground surface in urban areas, and many man-made depressions can be confused with natural sinkholes. Additionally, the lack of air photos contemporaneous with the ALSM data hinders ALSM analysis in rapidly developing areas. Selecting a lightly-developed portion of the county for further study reduced the effects of urbanization. Air photos of this focus area, taken two years after the ALSM data were collected, image essentially the same surface as the ALSM data; therefore, ALSM and the air photos can be considered concurrent. While correlations among the two databases in the focus area were better than in the county-wide comparisons, the incongruencies were still numerous and the validity of the databases was unsubstantiated. An additional database of likely sinkholes in the focus area, created using all available information, represents the most exhaustive search for sinkholes in Pinellas County to date. By assuming it is correct (i.e. it identifies true sinkholes), this composite analysis is used to assess the validity of the ALSM database and the air photo databases. Measuring the ALSM and air photo databases against the composite analysis reveals that, while ALSM outperforms the air photo methods, the ALSM and air photo analyses each fail to recognize true sinkholes more than 50% of the time. However, it also demonstrates that, while flawed, using the databases allows for a better-than-random chance of selecting a site free of sinkholes.

Réservé lors de sa mise en service aux applications militaires, le système GPS (Global Positioning System) est désormais utilisé par la communauté scientifique civile pour des applications de positionnement de précision; dans un souci d'amélioration de la précision du positionnement vertical par GPS, une action de recherche est menée conjointement depuis 1999 entre l'Institut Géographique National (IGN) et le Service d'Aéronomie (SA) du CNRS. Cette amélioration concerne la précision de la détermination du délai troposphérique (principalement dû à la présence de vapeur d'eau dont la distribution spatiale est très variable) qui limite actuellement la précision de la restitution de la composante verticale par GPS. Cette thèse porte donc sur l'étude d'une méthode de correction des mesures GPS de la propagation troposphérique et la validation du concept proposé à partir de mesures atmosphériques et de simulations numériques.<br /><br />Dans un premier temps, le système GPS est présenté dans son utilisation géodésique classique; un bilan d'erreur est donné, en insistant particulièrement sur la modélisation du délai troposphérique qui intervient dans les observations GPS. L'erreur de positionnement induite par des hétérogénéités atmosphériques est estimée par simulation simplifiée de la chaîne de traitement GPS d'une ligne de base en double différence. Il en ressort qu'une correction externe des mesures GPS est nécessaire, et que les méthodes de traitement GPS actuelles (correction a priori et estimation de paramètres troposphériques) ne sont pas adaptées à des situations présentant de fortes hétérogénéités dans la distribution de vapeur d'eau atmosphérique.<br /><br />Dans un second temps, l'étude se focalise sur le mode de la correction des mesures GPS à utiliser. Après une rapide revue des différentes techniques de sondage de la vapeur d'eau troposphérique, les précisions des délais troposphériques humides obtenus à partir d'une mesure résolue en distance sont comparées, par simulation, à celles obtenues à partir d'une mesure intégrée; de ces simulations, il est conclu qu'une mesure résolue (rapport de mélange ou concentration absolue), fournie par un lidar Raman à balayage, permet d'obtenir la précision sub-millimétrique visée sur le délai troposphérique humide.<br /><br />Le développement instrumental d'un lidar Raman vapeur d'eau à balayage est ensuite abordé. Le principe de la mesure de vapeur d'eau par lidar Raman est présenté, et compte-tenu des configurations instrumentales existantes, des contraintes d'encombrement imposées par la mobilité du système et des performances obtenues par un simulateur développé pour l'occasion, les caractéristiques d'un nouveau système lidar Raman sont présentées. Les premiers résultats expérimentaux obtenus en visée zénithale lors de la campagne ESCOMPTE en 2001 et d'une campagne de mesure à Toulouse au CNRM en 2002 sont présentés, validant ainsi le simulateur instrumental du lidar Raman développé pour le sondage de la vapeur d'eau atmosphérique.<br /><br />Dans une dernière partie, le bénéfice d'une correction externe des mesures GPS par lidar Raman à balayage est démontré par la simulation numérique. Les observations GPS et les corrections lidar correspondantes sont calculées à partir d'une simulation de l'évolution de la distribution spatiale de la vapeur d'eau effectuée à méso-échelle par le modèle MM5. La simulation concerne une journée d'étude de la campagne IHOP (International H2O Project) pour un cas où la couche limite est très hétérogène. La stratégie d'observation est discutée en fonction de l'erreur obtenue. Il est montré que les erreurs de positionnement sub-millimétriques (environ 10 fois plus faibles que celles obtenues lors d'un traitement GPS classique) peuvent être obtenues sur une période de 24 heures, avec un balayage séquentiel et homogène de la constellation de satellites GPS (5 minutes d'observation par satellite pour des élévations supérieures à 5°).

Les impulsions laser ultra-brèves (fs) et ultra-intenses (TW) forment, au cours de leur propagation non-linéaire dans l'atmosphère, des structures auto-guidées, d'une centaine de microns de diamètre, appelées filaments. Ces filaments résultent d'un équilibre dynamique entre l'effet Kerr qui focalise le faisceau et la défocalisation due plasma généré au sein de ceux-ci.<br /><br /> Au cours de mon travail de thèse, nous avons mesuré que le spectre de lumière blanche issue de l'automodulation de phase et de la génération de troisième harmonique s'étend de l'ultra-violet (230 nm) à l'infrarouge (4,5 µm). De même, la propagation dans l'air, sous différentes conditions (pluie, brouillard, turbulence), des faisceaux térawatts femtosecondes a été caractérisée afin de développer des applications atmosphériques.<br /> <br /> Il nous a ainsi été possible de développer le Lidar à lumière blanche pour réaliser des mesures préliminaires d'ozone et d'aérosols simultanément.<br /> <br /> De même, grâce à la propagation fortement non-linéaire du faisceau qui permet de transporter des hautes intensités sur de longue distance, nous avons pu détecter et identifier, à distance, des aérosols biologiques et des cibles solides (LIBS) en induisant in situ des effets non-linéaires.<br /> <br />Enfin, nous avons montré que le déclenchement et le guidage de décharges de haute tension par une impulsion laser femtoseconde sous la pluie reste possible avec une efficacité comparable à l'atmosphère sèche. D'autre part, une configuration à double impulsion laser augmente l'efficacité de déclenchement des décharges. Ces résultats nous rapprochent de la perspective de déclenchement et guidage de foudre par laser.

Les nuages sont une incertitude majeure pour l'étude du climat. Parmi eux, les cirrus en sont des modulateurs essentiels, par leur effet de serre élevé et leur effet d'albedo. Cependant, leur haute altitude et leur composition atypique compliquent leur étude. Les nombreuses campagnes de mesure des vingt dernières années ont montré la complexité de leur composition et la forte variabilité de leurs propriétés microphysiques : taille, forme et orientation des cristaux qui les composent. Ce manque de connaissance entraîne de graves lacunes dans leur modélisation, et une incohérence certaine dans les résultats des simulations climatiques à grande échelle. Les avantages des instruments de télédétection pourraient conduire à de nouvelles méthodes d'étude des cristaux dans les cirrus. Cette thèse analyse l'apport potentiel de mesures spatiales pour caractériser les nuages de glace, en prévision de l'Aqua-Train, une formation de satellites pour l'étude de l'atmosphère. La diffusion lumineuse dans les cristaux a été modélisée en prenant en compte leurs multiples propriétés, menant à plusieurs techniques de restitution de la microphysique des cirrus par des mesures de l'état de polarisation de la lumière par télédétection active et passive. Ces techniques ont été appliquées à des données sol pour évaluer leur pertinence, et leur application potentielle à des mesures spatiales envisagée. Combinées dans un cadre théorique homogène, elles ont conduit à la restitution cohérente des propriétés des cristaux dans les cirrus : orientation spatiale et angle maximum de déviation à partir de mesures polarisées (lidar à balayage, radiomètre) ; facteur de forme par observations lidar polarisées ; taille par synergie multi-instruments (lidar, radiomètre IR). La restitution de ces paramètres à l échelle globale conduira à une meilleure compréhension des propriétés radiatives des cirrus, et à une meilleure interprétation de leur importance dans le contexte du bilan radiatif terrestre.

Les nuages jouent un rôle important dans l'évolution de l'atmosphère météorologique et dans le contrôle du climat. Or leur représentation paramétrique dans les modèles numériques de prévision météorologique et climatologique n'est toujours pas validée à ce jour. La préoccupation de la communauté scientifique internationale d'être à même de mieux contrôler à l'échelle globale l'effet radiatif des nuages a stimulé plusieurs programmes spatiaux mettant en œuvre une combinaison radar-lidar (CLOUDSAT/CALIPSO et EarthCare). De telles expériences spatiales ont besoin de démonstrateurs aéroportés tels que RALI (système synergique RAdar nuage - LIdar), qu'il s'agisse de la mise au point des algorithmes de traitement de données, ou de la validation des produits de la mission spatiale. Ainsi, le projet RALI vise le développement et l'exploitation d'une combinaison instrumentale radar-lidar aéroportée ou au sol, pour documenter les profils verticaux des propriétés microphysiques, dynamiques et radiatives des nuages glacés non précipitants. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Dans un premier temps, un modèle inverse reliant les paramètres de télédétection aux paramètres nuageux a été construit. Ce modèle permet de s'affranchir de la forme de la distribution dimensionnelle des particules; il sert de base à l'application de l'algorithme synergique radar-lidar. Celui-ci, prenant en compte la variation verticale de la concentration des particules nuageuses, a également été développé. Des tests de simulation ont été effectués afin de déterminer sa robustesse, sa précision et les conditions optimales d'application. Les résultas obtenus sur des cas d'expérimentations instrumentales (Clare'98, Carl'99 et Clare'2000), comparés à des mesures in-situ microphysiques, ont montré sa capacité à restituer le rayon effectif des particules nuageuses, le contenu en glace et l'épaisseur optique des nuages sondés. L'algorithme est également capable de restituer le contenu en eau des couches de phase mixtes et sa capacité a été testée sur un cas d'altocumulus de Clare'2000.