Étude et réalisation d'un lidar dial cohérent fibré à 1.65 µm pour la mesure simultanée de la vitesse du vent et de la concentration de méthane

Study and realization of a coherent DIAL-doppler fiber lidar at 1.645 μm for simultaneous methane and wind-speed measurements

• Auteur / Autrice : Simon Le Méhauté
• Direction : Hervé Delbarre, Nicolas Cezard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Soutenance le 19/06/2020
• Etablissement(s) : Littoral
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : EPIC : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Total (1924-1999)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA- Université Paris Saclay [Palaiseau]
• Jury : Président / Présidente : Philippe Keckhut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Roy, Sandrine Galtier, Alain Dabas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Keckhut, Philippe Roy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Fibres optiques

Télédétection

Méthane

Lidar

Mots clés libres

Lidar

Méthane

Télédétection

Fibre optique

Hétérodyne

DIAL

Vent

Opto-électronique

Lidar

Methane

Remote sensing

Optical fiber

Heterodyne

DIAL

Wind

Optoelectronics

Résumé

Les fuites de méthane soulèvent à la fois des problématiques environnementales et sécuritaires, particulièrement dans l'industrie pétrolière. Le contrôle de panaches en temps réel permettrait de prévenir d'éventuels drames humains et catastrophes écologiques. Dans ce contexte, un volet du projet NAOMI, impliquant TOTAL E&P et l'ONERA, vise à développer des instruments de télédétection capables de localiser (résolution spatiale de l'ordre de 100 m) et de caractériser les fuites majeures de méthane à une distance de sécurité (1 km) sur le terrain. Pour répondre à ce cahier des charges, ce travail de thèse décrit l'étude, la conception et la caractérisation d'un prototype lidar fibré, émettant dans le domaine proche infrarouge (1.65 µm) : VEGA (VEnt et GAz). L'utilisation d'un schéma de détection hétérodyne permet en effet d'envisager un système bi-fonction, capable de mesurer simultanément la vitesse du vent via le décalage Doppler (utile pour évaluer la dispersion d'un panache) et la concentration de méthane par la technique DIAL. Au laboratoire, des mesures intégrées (cible à 2.2 km) ont démontrée, pour la première fois à notre connaissance avec un lidar hétérodyne, la sensibilité de l'instrument au méthane. L'exactitude de ces estimations du niveau atmosphérique (1.95 ± 0.26 ppm en 1 s d'accumulation) s'avère satisfaisante pour l'application visée (impliquant une concentration très supérieure). La participation à une campagne de mesure en 2018 (à Lacq) a démontré le bon comportement du prototype lidar sur le terrain, justifiant le choix d'une architecture tout-fibré. L'utilisation de plusieurs stratégies de mesures (simples, multi lignes de visée, multi spectrale) a également souligné la capacité de VEGA à identifier et quantifier la concentration au sein de lâchers de méthane contrôlés, à environ 200 (résolution de 30 m) dans une gamme étendue de débit de 0.1 à 300 g.s-¹. Au cours de la campagne, les erreurs aléatoires observées, de l'ordre ± 10 - 100 ppm en 1 sec d'accumulation s'avèrent conformes aux modèles théoriques. Des extrapolations de la précision à des distances supérieures montrent toutefois la nécessité d'améliorer le prototype (au travers de pistes réalistes, identifiées dans ce document) pour atteindre une portée kilométrique. Finalement, les bases pour l'estimation autonome du flux, combinant les mesures gaz et vent , ont été posées

Especially in the oil and gas industry, methane leaks threaten both safety and environment. The real-time monitoring of such plumes could prevent potential human or ecological disasters. In this context, one part of NAOMI project, involving TOTAL and ONERA, aims to develop remote sensing tools capable of locating (with a spatial resolution of 100 m) and characterize major methane leaks from a safety distance (1 km) on the field. To meet these specifications, the present work describes the study, design and performances assessments of a fiber lidar emitting in the near infrared (1.65 µm) : VEGA (''VEnt et GAz'', French for ''wind and gaz''). The choice of a coherent detection scheme allows to consider a dual-function system, able to simultaneously measure wind speed with Doppler shift (useful to assess plume dynamic) and methane concentration with the DIAL technique. In the lab, integrated-path measurements (target at 2.2 km) have shown, a first to our knowledge with a coherent lidar, VEGA's sensibility to methane. The accuracy of ambient level measurements (1.95 ± 0.26 ppm for 1 s averaging) is seen to be satisfying for the target application (involving much higher concentration). During a field campaign in 2018 (Lacq, France), the lidar has shown a good thermo-mechanical behaviour, justifying the choice of an all-fibered architecture. The use of several measurement procedures (simple, several laser lines of sight, several wavelengths) allowed VAGA to identify controlled methane leaks at 200 m (30 m resolution) in a wide range of flow rates (from 0.1 to 300 g.s-¹. During the campaign, the observed statistical errors, in the ±10 to 100ppm range for 1 s averaging, are in good agreement with theoretical models. Assessing these errors at greater distances shows, nonetheless, a need to improve the lidar (through mentioned improvement tracks) to reach an adequate precision at 1 km. Eventually, the basis for autonomous flow rate estimation, combining both wind and gas data, had been presented.