Fusion de données hyperspectrales, polarimétriques et angulaires de diffusion : application au diagnostic optique de milieux denses et complexes

Data fusion system for hyperspectral, polarimetric, and angular scattering : application to optical diagnostic of dense and complex media

• Auteur / Autrice : Romain Ceolato
• Direction : Béatrice Biscans, Nicolas Rivière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique, Electromagnétisme et systèmes de haute fréquence
• Date : Soutenance le 08/11/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département d'optique théorique et appliquée

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lumière -- Diffusion

Réflectivité bidirectionnelle

Électromagnétisme

Mots clés libres

Diffusion de la lumière

Spectrale

Polarimétrique

BRDF

BTDF

Surfaces rugueuses

Transfert radiatif

DDA

Laser

Supercontinuum

Imagerie active

Infrarouge

Particules fines

Nanomatériaux suies

Silice

Agrégats

Light scattering

Spectral

Polarimetric

BRDF

BTDF

Rough surfaces

Radiative transfer

DDA

Laser

Supercontinuum

Active imaging

Infrared

Small particles

Nanomaterials

Soot

Silica

Aggregates

Résumé

Ces travaux de recherche portent sur le développement d'un système original de fusion de données de diffusion électromagnétique et optique par des milieux denses et complexes. La méthode, à la fois théorique, numérique et expérimentale, permet la fusion des signatures de diffusion hyperspectrales, polarimétriques et angulaires d'un milieu d'étude. Un système expérimental multi-capteurs comprenant une source laser supercontinuum est présenté pour mesurer les signatures de diffusion de différentes cibles. Des modèles directs de simulation physique ont aussi été développés via : (i) une approche dite « top-down » qui modélise les signatures à partir de paramètres macroscopiques (ex. rugosité, indices optiques effectifs) ou (ii) une approche dite « bottom-up » qui modélise les signatures à partir de paramètres microscopiques (ex. distribution en taille, géométrie, concentration, indices optiques et structuration des diffuseurs) en résolvant soit l'équation de transfert radiatif ou directement les équations de Maxwell. Des méthodes inverses appliquées sur les signatures mesurées sont développées pour retrouver simultanément les paramètres d’intérêt du milieu analysé. Les avancées de ces travaux permettent une amélioration de la compréhension des phénomènes de diffusion électromagnétiques et optiques par des milieux denses et complexes tels que les surfaces rugueuses, les revêtements, les nanomatériaux, les suspensions colloïdales ou les agrégats fractals d'aérosols ultrafins. Les domaines d'applications de ces travaux sont l'aéronautique (ex. peintures d'aéronefs), l'imagerie aéroportée ou satellite (ex. imagerie active hyperspectrale ou polarimétrique), la sécurité et la défense (ex. matériaux pour la furtivité) ou bien les sciences de l'atmosphère (ex. systèmes LiDAR, suivi de pollution, suies), l'industrie chimique (ex. suspensions colloïdales) ou le biomédical (ex. diagnostic de tumeurs et mélanomes).

This work reports the development of an original data fusion system dedicated to electromagnetic and light scattering by dense and complex media. The dissertation encompasses the theoretical, numerical and experimental studies. The output of the data fusion system is a fused hyperspectral, polarimetric and angular scattering signature. An experimental multi-sensor and supercontinuum laser-based system is presented to measure the scattering signatures for various targets. Direct physical simulation models were developed using a two-level modelling scheme: (i) a top-down approach is used to model signatures from macro-physical parameters, e.g. the surface roughness or the effective refractive index and, (ii) a bottom-up approach is used to model signatures from microphysical parameters, e.g. the size distribution, the geometry, the concentration, the refractive index and the structuration of the scatterers, by solving the radiative transfer equation or directly the Maxwell's equations. Inversion schemes are deployed to retrieve these parameters by inverting the experimental signatures. The advancements described throughout this dissertation will serve to improve understanding of electromagnetic and light scattering by dense and complex media such as rough surfaces, coatings, nanomaterials, colloidal suspension and fractal aggregates of ultrafine aerosols. This study has relevant applications in fields as diverse as aeronautics (e.g. aircraft paint coatings), remote-sensing (e.g. hyperspectral, polarimetric, active or passive imaging), security and defense (e.g. furtive materials), atmospheric science (e.g. black carbon or soot characterization, LiDAR systems), chemical engineering (e.g. colloidal suspensions), or biomedical (e.g. tumor and melanoma diagnostic).