LiDAR scannant (Light Detection And Ranging)

Le LHEEA, unité de recherche labellisée Carnot MERS (Centrale Nantes – CNRS) dispose depuis 2019 d’un LiDAR scannant, un instrument haute technologie et innovant pour la caractérisation fine du vent et de l’atmosphère, qui utilise un faisceau laser pour mesurer avec précision la vitesse et les mouvements de l’air sur plusieurs kilomètres.

Cet outil permet de cartographier en 3D le vent et les particules présentes dans l’air, en temps réel. Il est utilisé pour mieux connaître les conditions atmosphériques, sur terre comme en mer.

Le LiDAR scannant peut répondre à des besoins concrets pour les acteurs maritimes, notamment dans les domaines de l’éolien en mer, de l’ingénierie offshore, du monitoring environnemental ou de la sécurité maritime.

Par exemple : 

Dimensionner un parc éolien en mer ou un système de propulsion vélique

Mesure fine de la ressource en vent et des turbulences pour optimiser le rendement.

Analyser les effets de sillage entre éoliennes

Observation en temps réel de l’interaction entre les turbines pour optimiser leur agencement. L'un des enjeux du déploiement de parcs d’éoliennes flottantes est la compréhension des interactions entre l’atmosphère, les mouvements du flotteur et la dynamique du sillage pour le développement de modèles de sillage d’éoliennes flottantes fiables.

Améliorer la conception de flotteurs ou de navires

Données précises sur l’environnement atmosphérique pour affiner les calculs de charge et de tenue à la mer.

Surveiller la qualité de l’air en zone portuaire ou côtière

Cartographie de la dispersion des aérosols (poussières, embruns, polluants) sur plusieurs kilomètres.

Mieux appréhender l’environnent atmosphérique marin.

Aide au diagnostic microclimatique et à la modélisation des échanges air/mer.

Un outil clé pour le développement des EMR

La polyvalence d’un LiDAR scannant offre des possibilités d’exploitation qui recoupent les thématiques de plusieurs équipes du LHÉEA : la connaissance de l’environnement atmosphérique et le développement des Énergies Marines Renouvelables (EMR).

Projet WAKEFUL : Mesures en mer du sillage lointain d’une éolienne flottante à l’échelle 1 et dans un environnement météocéanique réel.

Pour réaliser ces mesures, un système de stabilisation du LiDAR scannant a été développé et testé afin de l’embarquer à bord d’un navire pour mesurer le sillage d’une éolienne flottante FLOATGEN ancré sur le site d’essai en mer SEM-REV.  La campagne de mesure réalisée en mer en 2022 est la première de ce type et a ouvert un champ d’application varié pour la mesure avec un LiDAR scannant embarqué.


Projet ExplOr : Mesures in-situ des interactions vent - vagues - aérosol à Belle-Île-en-Mer.
Projet PRAMAG : Améliorer la compréhension du couplage vent - vagues.

Le LiDAR scannant est déployé sur la côte pour mesurer avec une grande précision les caractéristiques du vent proche de la surface dans différentes conditions de vagues. La meilleure connaissance des conditions atmosphériques en mer (profil de vent, turbulence) est un enjeux central à la fois pour le secteur éolien (ressource, durée de vie), pour le secteur maritime (dimensionnement), et pour des applications liées à la transmissions des signaux électromagnétiques.

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 se déplacent à la vitesse du vent local, le signal reçu par le LiDAR est donc décalé en fréquence (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 d’observation 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.
 

Les capacités du LiDAR scannant en font aujourd’hui un instrument de premier plan pour l’analyse du vent.