Modélisation de signaux lidar résolus en polarisation pour la caractérisation d'agrégats fractals de suie avec prise en compte de la diffusion multiple

Modeling of polarization-resolved lidar signals for the characterization of soot fractal aggregates accounting for multiple scattering

• Auteur / Autrice : Lucas Paulien
• Direction : Anouar Soufiani, Romain Ceolato, Franck Enguehard, Laurent Soucasse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 02/05/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Rodolphe Vaillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michaël Kahnert, Alexis Coppalle, Pascale Desgroux, Séverine Barbosa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michaël Kahnert, Alexis Coppalle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion multiple (physique)

Suie

Lidar

Mots clés libres

Lidar

Suie

Modélisation

Polarisation

Diffusion Multiple

Lidar

Soot

Modelling

Polarization

Multiple Scattering

Résumé

Afin d'évaluer l'impact des particules de suie sur le climat et sur la qualité de l'air, leurs émissions doivent être surveillées. Les instruments lidar peuvent permettre d'apporter les mesures nécessaires. Néanmoins, l'analyse de signaux lidar requiert la connaissance des propriétés radiatives des particules et cette analyse peut être sujette à des erreurs liées à la diffusion multiple. De plus, ces propriétés radiatives dépendent des caractéristiques microphysiques des particules, telles que leurs formes ou leurs tailles.L'objectif de cette thèse est de simuler des signaux lidar résolu en polarisation, acquis sur des particules de suie et prenant en compte la contribution de la diffusion multiple. Cela nécessite la modélisation de la morphologie et des propriétés radiatives des particules de suies, ainsi que le développement d'une méthode permettant de simuler les signaux lidar. Ainsi, plusieurs modèles morphologiques sont utilisés afin de simuler des particules de suie. La méthode de Superposition de T-Matrice et la théorie de Rayleigh-Debye-Gans pour les agrégats fractals sont ensuite utilisées afin de modéliser les propriétés radiatives de ces particules. L'impact des paramètres morphologiques sur ces propriétés radiatives est étudié. Une évaluation expérimentale du ratio de dépolarisation des particules de suie dans l'air ambiant est également présentée. Cela permet d'identifier quels paramètres morphologiques et indices optiques permettent de reproduire les résultats expérimentaux. De plus, les limites des méthodes numériques utilisées peuvent également être identifiées. Un modèle numérique de simulation de signaux lidar résolu en polarisation est développé en utilisant la méthode Monte-Carlo. Des simulations numériques sont entreprises afin d'évaluer l'impact de la diffusion multiple sur des signaux lidar résolus en polarisation acquis sur des particules de suie. Ce modèle numérique est également utilisé afin d'analyser un signal expérimental. Ceci permet d'évaluer la contribution de la diffusion multiple dans ce signal.

To better ascertain the effect of soot particles on climate change and air quality, the monitoring of the emission of these particles is needed. Lidar instruments can provide such measurements. Nevertheless, the analysis of lidar signals requires the knowledge of the particles radiative properties and can be subject to error due to multiple-scattering effects. Moreover, the radiative properties of such particles depend on their micro-physical characteristics, such as shape and size.The objective of this thesis is to simulate polarization-resolved lidar signals acquired on soot particles accounting for multiple-scattering. This requires the modelling of the morphology and of the radiative properties of these particles and the development of a lidar signal simulation code. Several morphological models are used to simulate soot particles. The Superposition T-Matrix method and the Rayleigh-Debye-Gans for Fractal Aggregates theory are then used to compute their radiative properties. The impacts of the morphological parameters on the radiative properties are studied. A laboratory evaluation of the linear depolarization ratio of soot particles in ambient air is also presented and the range of morphological parameters and optical indices reproducing the experimental results is identified. The limits of the numerical model are also highlighted.A numerical model is developed for the simulation of polarization-resolved lidar signals using the Monte-Carlo method. Simulations are undertaken to investigate if lidar measurements performed over scattering media composed of freshly emitted soot particles are influenced by multiple-scattering, and to quantify this impact. The lidar signal simulation model is also used to reanalyse experimental lidar signals. This allows the evaluation of the contribution of multiple-scattering in the retrieved signal.