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Lidar supercontinuum pour la caractérisation spectrale des milieux diffusants à haute résolution spatiale : Étude numérique et développement instrumental

Authors
  • Gaudfrin, Florian
Publication Date
Feb 17, 2020
Source
HAL-Descartes
Keywords
Language
French
License
Unknown
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Abstract

Le lidar est un instrument de télédétection active similaire au radar opérant dans la partie optique du spectre électromagnétique. Le principe est d’illuminer un milieu diffusant, soit solide (ex. végétation, peinture) soit dilué (ex. atmosphère, panache de fumée), et d’en collecter la lumière rétrodiffusée. Dans notre étude, deux processus d’interaction lumière-matière mis en jeu au cours de la propagation d’une impulsion laser sont étudiés : la diffusion élastique et l’absorption de la lumière. Les méthodes de diagnostic par méthode lidar donnent des informations sur les paramètres optiques du milieu (coefficients de diffusion et d’absorption). Ces grandeurs dépendent des propriétés de la lumière (longueur d’onde, polarisation) et sont ensuite utilisées pour remonter aux propriétés microscopiques du milieu (i.e. distribution en taille, morphologie, indice optique, concentrations). Les techniques lidar actuelles présentent néanmoins des limitations. Les sources laser utilisées sont limitées à quelques longueurs d’onde visible ou proche infrarouge. Les propriétés optiques des particules composant le milieu diffusant sont donc relatives à ces longueurs d’onde, ce qui ne permet pas aujourd’hui d’identifier complètement les propriétés microphysiques du milieu sans en avoir une connaissance a priori. Des hypothèses sont formulées pour contraindre les méthodes d’inversion et remonter aux informations d’intérêt (i.e. nature, forme ou indice complexe des aérosols) des aérosols naturels et anthropiques (particules carbonées, poussières désertiques, cendres volcaniques, etc.). En outre, les lidars actuels sont souvent destinés à des portées kilométriques alors que de nouveaux besoins tendent vers des mesures à courtes distances : réaliser des mesures in situ en sortie de tuyère, contrôler localement les panaches de particules industrielles à haute résolution spatiale… Les sources laser supercontinuum s’étendent du visible à l’infrarouge et offrent de nouvelles possibilités de mesures des propriétés optiques des aérosols sur un large domaine spectral continu. Leur utilisation dans les systèmes lidar est donc envisagée pour obtenir les paramètres optiques du milieu sur toute une gamme continue de longueurs d’onde. L’un des objectifs majeurs de cette thèse est de démontrer la viabilité des lidars supercontinuum pour la caractérisation spectrale de cibles surfaciques et volumiques à haute résolution spatiale.Trois axes de recherche ont été menés. Le premier concerne l’étude numérique du système. Un simulateur lidar hyperspectral, nommé PERFALIS a été développé pour prédire les performances de l’instrument et montrer d’un point de vue numérique la faisabilité des mesures. Le second axe porte sur la conception instrumentale d’un lidar appelé COLIBRIS, développé pour réaliser des mesures lidar à courtes portées (> 10 m) à haute résolution spatiale (submétrique). Une première version a été proposée en analyse monochromatique et une seconde avec une analyse hyperspectral de la lumière rétrodiffusée. Le dernier axe concerne le développement d’une nouvelle méthode d’inversion lidar, nommée ST-LIM. Cette méthode a permis d’identifier les propriétés optiques d’un panache d’huile sans hypothèse a priori sur le lidar ratio (paramètre optique caractérisant le milieu sondé). La comparaison de mesures expérimentales avec les résultats de simulations a permis de valider le simulateur lidar dans ses deux modes de fonctionnement (monochromatique et spectral). Nous montrons entre autres qu’il est important de considérer la forme réelle des impulsions laser lors de l’interaction lumière-matière dans le cas de sondages de panaches de faible épaisseur à haute résolution spatiale. À l’avenir, le simulateur lidar pourra être utilisé pour dimensionner de nouveaux instruments lidar supercontinuum ou monochromatique dédiés à des applications spécifiques ou encore d’étudier les performances de nouveaux prototypes COLIBRIS pour en faire une version aéroportée.

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