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

Supercontinuum lidar for the spectral characterization of scattering media with high spatial resolution : Numerical study and instrumental conception

• Auteur / Autrice : Florian Gaudfrin
• Direction : Nicolas Rivière, Olivier Pujol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique - Océan, atmosphère et surfaces continentales
• Date : Soutenance le 17/02/2020
• 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 Optique et Techniques Associées
• Jury : Président / Présidente : Jacques Pelon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Rivière, Olivier Pujol, Jacques Pelon, Hervé Delbarre, Inka Manek-Hönninger, Romain Ceolato, Vincent Couderc, Guillaume Huss
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hervé Delbarre, Inka Manek-Hönninger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection

Lidar

Mots clés libres

Lidar

Télédétection

Laser supercontinuum

Hyperspectral

Diffusion

Aérosols

Lidar

Remote sensing

Supercontinuum laser

Hyperspectral

Scattering

Aerosols

Résumé

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 comme la distribution en taille, la morphologie, l’indice optique ou la concentration en particules. Cependant, les techniques lidar actuelles présentent des limitations. Les sources laser utilisées sont limitées à quelques longueurs d’onde visible ou proche infrarouge et l’identification des propriétés microphysiques nécessite une connaissance a priori du milieu diffusant. Des hypothèses sont formulées pour contraindre les méthodes d’inversion et remonter aux informations d’intérêt sur des aérosols naturels et anthropiques (particules carbonées, poussières désertiques, cendres volcaniques, etc.). En outre, les lidars actuels considèrent des portées kilométriques alors que de nouveaux besoins existent à courte distance : réalisation de mesures in situ en sortie de tuyères, contrôle local de panaches industriels 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 lidars est envisagée pour identifier les propriétés 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. Le premier axe concerne l’étude numérique du système avec le développement du simulateur PERFALIS. Le second axe se concentre sur la conception instrumentale d’un lidar appelé COLIBRIS. Il a permis de réaliser des mesures lidar à courte portée et à haute résolution spatiale (submétrique). Une première version a été proposée en analyse monochromatique et une seconde avec une analyse hyperspectrale de la lumière rétrodiffusée. Enfin, une nouvelle méthode d’inversion lidar nommée ST-LIM a été développée pour identifier les propriétés optiques d’un panache sans hypothèse a priori sur le rapport lidar (paramètre optique caractérisant le milieu sondé). La comparaison de mesures expérimentales avec les résultats de simulations valide le simulateur lidar dans ses deux modes de fonctionnement (monochromatique et hyperspectral). Les résultats montrent 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 monochromatiques et d’étudier leurs performances pour des versions embarquables.

Lidar diagnostic methods provide information on the optical parameters of the medium (scattering and absorption coefficients). These quantities depend on the properties of light (wavelength, polarization) and are then used to retrieve the microscopic properties of the medium such as size distribution, morphology, optical index or particle concentration. However, current lidar techniques have limitations. The laser sources used are limited to a few visible or near infrared wavelengths and the identification of the microphysical properties requires a priori knowledge of the scattering medium. Hypotheses are formulated to constrain the inversion methods and to provide information of interest on natural and anthropogenic aerosols (carbonaceous particles, desert dust, volcanic ash, etc.). In addition, current lidars consider kilometric ranges, whereas there are applications for those at short distances: in situ measurements at nozzle outlets, local control of industrial plumes with high spatial resolution, etc. Supercontinuum laser sources extend from the visible to the infrared and offer new possibilities for measuring the optical properties of aerosols over a wide continuous spectral range. Their use in lidar systems is considered to identify the optical properties of the medium over a wide and continuous range of wavelengths. A major objective of this thesis is to demonstrate the viability of supercontinuum lidars for the spectral characterization of surface and volume targets at high spatial resolution. The first axis concerns the numerical study of the system with the development of the PERFALIS simulator. The second axis focuses on the instrumental design of a lidar called COLIBRIS, allowing short-range lidar measurements with high spatial resolution (submetric). A first version was proposed in monochromatic analysis and a second one with a hyperspectral analysis of backscattered light. Finally, a new lidar inversion method named ST-LIM has been developed to identify the optical properties of a plume without any a priori hypothesis on the lidar ratio (optical parameter characterizing the surveyed medium). The comparison of experimental measurements with simulation results validates the lidar simulator in its two operating modes (monochromatic and hyperspectral). The results show the importance of considering the actual shape of the laser pulses during the light-matter interaction in the case of thin plume soundings with high spatial resolution. In the future, the lidar simulator may be used to design new supercontinuum or monochromatic lidar instruments and to study their performance for on-board versions.