Propagation atmosphérique — ce que l'air enlève entre la cible et le capteur
Extinction, fenêtres spectrales, turbulence, mirage : l'atmosphère n'est pas un obstacle vague mais un coefficient mesurable qui borne toute portée.
La transmission atmosphérique
Un flux traversant l'atmosphère subit l'extinction = absorption + diffusion :
$$\tau(R) = e^{-\sigma R}$$
avec $\sigma$ le coefficient d'extinction (km⁻¹), somme des contributions moléculaires et aérosols. À $\sigma = 0{,}1$/km : τ = 61 % à 5 km, 37 % à 10 km. À $\sigma = 0{,}5$/km (visibilité réduite) : τ = 8 % à 5 km — la portée s'effondre. L'atmosphère est le premier facteur limitant des systèmes optroniques au sol — bien avant le capteur.
1. Absorption moléculaire : ce qui crée les fenêtres
Les molécules absorbent à des longueurs d'onde précises :
| Absorbant | Bandes d'absorption fortes |
|---|---|
| H₂O | 2,7 ; 6,3 ; larges bandes > 12 µm |
| CO₂ | 2,7 ; 4,3 ; 15 µm |
| O₃ | 9,6 µm |
| O₂, CO, CH₄, N₂O | bandes étroites diverses |
Les fenêtres de transmission — zones où l'atmosphère laisse passer — sont entre ces bandes :
- 3–5 µm (MWIR) : fenêtre claire sauf CO₂ à 4,3 µm (on évite souvent 4,2–4,5 µm).
- 8–12 µm (LWIR) : fenêtre large ; l'ozone à 9,6 µm pénalise légèrement le centre ; l'humidité dégrade le bord >11 µm.
- 0,9–1,7 µm (SWIR) : bonne transmission, quelques raies H₂O.
- 5–8 µm : quasi opaque (forte absorption H₂O, CO₂) — bande inutilisable à longue portée au sol ; utile seulement en exoatmosphérique ou très courte portée.
Conséquence pratique : le choix MWIR/LWIR n'est pas libre — il est imposé par la chimie de l'air. En climat chaud-humide, le LWIR souffre (H₂O) ; en air sec-froid, le LWIR excelle. C'est un argument du trade MWIR/LWIR dans les specs (fiche B5).
2. Diffusion : Rayleigh, Mie, aérosols
La diffusion dévie les photons sans les absorber :
- Rayleigh (molécules, ≪ λ) : σ ∝ 1/λ⁴. Négligeable en IR (10 µm diffuse 10⁴× moins que le bleu visible) — c'est pourquoi l'IR « voit » plus loin que le visible dans la brume sèche.
- Mie (aérosols ~λ : poussière, gouttelettes, fumées) : σ dépend peu de λ → pénalise tout le spectre. C'est ce qui tue la portée en brouillard, fumée de champ de bataille, poussière désertique.
- Brouillard dense : gouttelettes d'eau ~10 µm absorbent ET diffusent le LWIR → l'IR n'est pas magique en brouillard épais. Le SWIR perce un peu mieux la brume fine (moins de diffusion Mie qu'en visible), mais rien ne perce un brouillard dense.
Visibilité météo (MOR, Meteorological Optical Range) : distance à laquelle le contraste tombe à 2 % — référence commune des rapports d'essais. Lien approximatif : σ ≈ 3,9/MOR en visible (à λ = 550 nm). En IR, la relation diffère — les modèles (MODTRAN) la calculent par bande.
3. Réfraction : mirages, conduits et turbulence
L'indice de l'air dépend de la température et de l'altitude ; les gradients courbent les rayons :
- Mirage inférieur (sol chaud, air frais au-dessus) : les rayons se courbent vers le haut — images inférieures déplacées, « eau » apparente ; en désert, les véhicules peuvent apparaître flottants ou dédoublés.
- Mirage supérieur / conduit (air chaud au-dessus d'air froid — typique au-dessus de la mer) : les rayons suivent la courbure terrestre, portée au-delà de l'horizon géométrique possible.
- Turbulence : fluctuations aléatoires d'indice → scintillation (signal qui fluctue), image dansante (heat shimmer), limite la résolution effective à ~1–2 µrad au-dessus du sol chaud en journée — la tache d'Airy n'est plus la limite.
Point d'évaluation : les modèles de prédiction de portée (TRM4, NVThermIP) intègrent la turbulence via un paramètre de structure Cₙ² ou des profils standard ; une portée spécifiée « sans turbulence » est irréaliste au ras du sol en été.
4. Le calcul standard : MODTRAN et ses cousins
Pour les études sérieuses, la transmission ne se calcule pas à la main : on utilise un code de transfert radiatif — MODTRAN (le standard, hérité de l'US Air Force) qui intègre les raies d'absorption moléculaire (base HITRAN), les aérosols, la géométrie (altitude, inclinaison, angle solaire).
En pratique STAT/BE :
- On n'a pas besoin de coder MODTRAN — les modèles de portée (NVThermIP, TRM4) l'embarquent ou utilisent des tables.
- Il faut savoir choisir l'atmosphère de référence : modèles standard (mid-latitude été/hiver, tropicale, désertique, maritime) — une spec « portée 10 km » sans atmosphère définie n'a pas de sens.
- La longueur du trajet et son inclinaison changent tout : 5 km au ras du sol ≠ 5 km en vue plongeante (moins d'air traversé en altitude).
5. Ordres de grandeur utiles
| Condition | σ approx. (LWIR, basse alt.) | τ à 5 km |
|---|---|---|
| Air sec clair | 0,05–0,1/km | 60–78 % |
| Standard | 0,15–0,2/km | 37–47 % |
| Humide/brume | 0,3–0,5/km | 8–22 % |
| Brouillard | >1/km | <1 % |
Règle empirique : la portée de détection réaliste est souvent 2–3× inférieure à la portée « atmosphère idéale » d'une fiche produit. Exigez toujours l'atmosphère associée à la portée annoncée.
6. Ce qu'il faut retenir
- τ = e^(−σR) : extinction exponentielle ; σ = absorption moléculaire + diffusion aérosols.
- Fenêtres imposées par la chimie : MWIR 3–5, LWIR 8–12 ; 5–8 µm opaque.
- Rayleigh ∝ 1/λ⁴ (négligeable IR) ; Mie pénalise tout ; brouillard dense bloque tout.
- Mirages/conduits = gradients d'indice ; turbulence limite la résolution effective.
- Toute portée spécifiée doit citer son atmosphère de référence — sinon elle est invérifiable.
Pour aller plus loin : C2 (modèles de portée qui intègrent l'atmosphère), D3 (implications drones : vue plongeante). Exercices bloc B : calculs de τ, comparaisons d'atmosphères, portée effective.