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Diffusion de Bragg

Figure 1 :

Figure 1 : Sous certaines conditions, les réflexions individuelles faibles à chaque discontinuité peuvent donner un écho significatif lorsqu’elles forment des interférences constructives. Dans ce cas, une courte impulsion est cependant étirée considérablement.

What is bragg scattering?

Diffusion de Bragg

La diffusion de Bragg est la diffusion d’une onde électromagnétique par une surface lorsque celle-ci présente des irrégularités constantes d'une hauteur moyenne égale à la demi-longueur d'onde ou à un nombre entier de demi-longueurs d'ondes de l'onde incidente. Le phénomène a été étudié en 1912 par William Lawrence Bragg et William Henry Bragg avec des rayons X et leur réflexion dans les réseaux cristallins. Les structures périodiques des surfaces ou volumes réfléchissants peuvent être étudiées avec la longueur d'onde beaucoup plus grande utilisée dans les dispositifs radar.

Dans certaines longueurs d'ondes, des structures périodiques régulières à distance constante entre elles permettent une superposition cohérente des réflexions des ondes et donc des interférences constructives et destructrices. Les interférences destructrices sont tout à fait sans signification alors que les interférences constructives peuvent fortement renforcer les échos dans la direction du récepteur radar. Cette interférence constructive se produit dans un certain rapport entre la longueur d'onde transmise et la distance des sous-surfaces réfléchissantes :

d = λt d = distance des sous-surfaces réfléchissantes
λt = longueur d'onde transmise
θ = angle d'incidence (aussi appelé « angle de Bragg »)
(1)

cos θ

En utilisant une fréquence de transmission variable, on peut mesurer la distance entre ces structures régulières.

Vagues

En utilisant un radar à longueur d'onde extrêmement long, cet effet peut servir à mesurer, par exemple, la hauteur des vagues sur la mer, leur espacement, la direction de propagation ce qui permet d’obtenir la direction du vent loin de la côte. La propagation de l'onde électromagnétique étant parallèle à la surface de la mer, l'angle d'incidence θ est ici donc nul ce qui simplifie l'équation (1). À chaque crête d'onde, une petite fraction de l'énergie transmise est diffractée et réfléchie par la crête de l'onde suivante. À une fréquence de l'émetteur de 5 MHz, l'onde électromagnétique a une longueur d'onde de 60 m et une interférence constructive va donc se produire si les vagues sont espacées de 30 m.

Un exemple pratique est le radar WERA, qui fonctionne dans la bande HF et affiche l'état de la mer jusqu'à une distance de 250 km au large. Mais cet effet est également utilisable avec les radars à bord de satellites comme QuickScat qui permettent d’observer les vents en plein océan pour suivre les tempêtes et les ouragans.

Profileur de vent et RASS

Dans le radar météorologique, la diffusion de Bragg est exploitée dans les « profileurs de vent » et le RASS (Système de sondage radio-acoustique de l'atmosphère) :

Un profileur de vents est un radar Doppler à très grande résolution (typiquement 100 à 200 m à la verticale et moins de 100 m à l’horizontale) pointant verticalement. Il note la variation de l’indice de réfraction de l’air selon la théorie de la diffusion de Bragg. Cette variation est due aux turbulences de l’air en mouvement par la variation de sa densité. Lorsque l’indice change sur une distance qui correspond à la moitié de la longueur d’onde du radar utilisé, il y a un retour constructif entre les ondes revenant des zones de variations successives.

Cette distance de variation est typiquement de l’ordre de quelques centimètres à quelques mètres ce qui fait qu’on utilisera une longueur d’onde de cet ordre de grandeur. Pour mesurer le vent horizontal, le radar est dirigé dans deux directions orthogonales l’une de l’autre à un certain angle du zénith. Par exemple, on analyse le changement Doppler des échos émis par le radar en direction nord à 30 degrés de la verticale et ensuite vers l’est pour trouver les composantes de la vitesse dans ces directions. Ensuite, on trouve la vitesse de l’air selon la verticale en pointant vers le zénith. On combine les trois composantes ainsi trouvées dans l’équation de continuité de masse pour obtenir le vent total et donc sa composante horizontale.

On utilise le même phénomène pour mesurer la structure verticale de température, il s’agit alors d’un RASS. Dans ce cas, les structures régulières sont produites par de grands haut-parleurs émettant verticalement. Ces ondes sonores sont longitudinales et leur espacement dépend de la fréquence acoustique utilisée, de la vitesse du son versus la densité de l’air et des variations de densités de l'air traversé. L'onde émise par le radar sera retournée en partie vers celui-ci par les discontinuités si la distance entre celles-ci est la moitié de la longueur d'onde du radar. On peut tirer de la mesure de cette distance la température virtuelle en un point de l'air au-dessus du radar.

Comme la température varie avec la hauteur, la distance entre les interférences va être différente de point en point au-dessus du radar. On doit donc faire varier la fréquence d'émission des ondes sonores pour satisfaire la condition de Bragg et obtenir un sondage dans la verticale depuis le sol jusqu'à la hauteur où les ondes sonores ne sont plus perceptibles.

Artéfacts

Dans les radars de surveillance de l'espace aérien, cet effet génère des artéfacts. Les séquences aléatoires d'inhomogénéités dans la densité de l'air peuvent produire des systèmes appelés échos en air clair, aussi appelés «anges», peuvent causer de fausses détections.