Caractérisation morphologique de particules de glace par imagerie interférométrique multi-vues pour des applications aéroportées

Morphological characterization of ice particles by multi-view interferometric out-of-focus imaging for airborne applications

• Auteur / Autrice : Mohamed Talbi
• Direction : Marc Brunel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/11/2018
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Lemoine, Emmanuel Porcheron, Héléna Zapolsky, Pascal Picart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Lemoine, Emmanuel Porcheron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie (technique)

Traitement d'images

Lumière -- Diffusion

Interférométrie

Mots clés libres

ILIDS

IIP

Imagerie interférométrique en défaut de mise au point

Diffusion de la lumière

Cristaux de glace

Particule irrégulière

Imagerie nette

Transformée de Fourier 2D

Autocorrélation bidimensionnelle

ILIDS

IPI

Interferometric out-of-focus imaging

Ice crystals

Light scattering

Irregular particle

In-focus imaging

2D Fourier Transform

Two-dimensional autocorrelation

Résumé

Le phénomène de givrage qui se produit durant les vols d’aéronefs, lors de leurs traversées de la troposphère (zone dans laquelle la température peut descendre jusqu’à -60°C) se manifeste par une accrétion de glace sur différentes parties de l’appareil (voilures, réacteurs, sondes de mesure…) mettant en péril la sécurité de celui-ci. Ce phénomène constitue alors une problématique majeure pour la sécurité de l’aviation civile, c’est pourquoi il est nécessaire de développer de nouvelles techniques de mesure afin de détecter et d’éviter les zones à risques. Notre intérêt s’est porté sur l’imagerie interférométrique en défaut de mise au point, une technique optique offrant de nombreux avantages (large champ de mesure, gamme de tailles étudiée étendue [50 μm : quelques millimètres], distance particule/appareil de mesure de plusieurs dizaines de centimètres…). Au cours de ces travaux de thèse, nous avons développé un dispositif d’Imagerie Interférométrique de Particules (IIP) multi-vues permettant de caractériser les cristaux de glace en suspension dans latroposphère. En effet, par comparaison avec des mesures obtenues sur des images nettesenregistrées simultanément, nous avons validé l’utilisation de l’IIP multi-vues pour l’estimation dedimensions de particules de glace avec un taux d’erreur inférieur à 20%. Nous avons égalementproposé différentes approches permettant d’estimer les volumes des particules de glace et mis enévidence la « signature » typique d’une gouttelette en cours de givrage à partir d’images d’IIP.Dans une seconde partie, nous avons validé l’utilisation de l’IIP multi-vues pour le cas complexe oùles interférogrammes d’une paire de particules de glace proches l’une de l’autre se recouvrent etdiscuté des phénomènes de Moiré qui peuvent apparaître et perturber nos mesures. En outre, nousavons étendu le domaine d’utilisation de l’IIP à des milieux moins dilués. Enfin, dans une dernière partie, nous avons développé un dispositif expérimental innovant nous permettant d’effectuer des mesures d’IIP expérimentales à partir de particules « programmées » sur une matrice de micro-miroirs (DMD).

The icing phenomenon that occurs during aircraft flights during their troposphere crossings (an area where the temperature can drop to -60 ° C) is manifested by an accretion of ice on different parts of the apparatus (wings, reactors, measurement probes ...) endangering the safety of this latter. This phenomenon is therefore a major problem for the safety of civil aviation, that's why it is necessary to develop new measurement techniques to detect and avoid risk's areas. Our interest has been on interferometric out-of-focus imaging, an optical technique offering many advantages (wide measurement field, range of studied sizes extended [50 μm: a few millimeters], distance particle / measuring device several tens of centimeters ...). During this thesis, we have developed a multi-view Interferometric Particle Imaging (IPI) device to characterize suspended ice crystals in the troposphere. Indeed, by comparison with measurements obtained on in-focus images recorded simultaneously, we have validated the use of multi-view IIP for the estimation of ice particle dimensions with an error rate lower than 20%. We also proposed different approaches to estimate ice particle volumes and highlighted the typical "signature" of a droplet during icing from IIP images.In a second part, we validated the use of multi-view IIP for the complex case where the interferograms of a pair of ice particles close to each other overlap and discuss about Moiré phenomena that may appear and disrupt our measurements. In addition, we have extended the field of use of IIP to less diluted media. Finally, in the last part, we have developed an innovative experimental device allowing us to perform experimental IIP measurements from particles "programmed" on a matrix of micro-mirrors (DMD : Digital Micromirror Device).