Développement d’un diffusiomètre supercontinuum pour la caractérisation spectro-polarimétrique des aérosols : application au problème de l’inversion des données lidar

Development of a supercontinuum scatterometer for the spectro-polarimetric characterization of aerosols : application to the lidar inversion problem

• Auteur / Autrice : Killian Aleau
• Direction : Romain Ceolato
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 27/05/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Équipe d'accueil doctoral Physique spatiale et instrumentation (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Yon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Ceolato, Jorge Garcia-Sucerquia, Myriam Zerrad, Nicolas Rivière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jorge Garcia-Sucerquia, Myriam Zerrad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lidar

Lumière -- Diffusion

Spectropolarimétrie

Holographie

Aérosols

Mots clés libres

Diffusion de la lumière

Laser

Aérosols

Spectro-Polarimétrique

Holographie

Light scattering

Laser

Aerosols

Spectro-Polarimetric

Holography

Résumé

Les propriétés radiatives des particules comme les aérosols est un domaine d’étude essentiel pour la télédétection optique, notamment pour les techniques lidar à rétrodiffusion élastique. Les propriétés radiatives en rétrodiffusion, comme le rapport de dépolarisation, sont particulièrement importantes pour inverser l’équation lidar et dériver des produits physiques d’une mesure lidar. L’objectif de ces travaux de thèse vise à développer une instrumentation de laboratoire dédiée à la mesure spectro-polarimétrique des paramètres radiatifs des aérosols tels que les poussières désertiques ou volcaniques. L’instrument, dénommé SOPHOS pour SpectrO-Polarimetric and HOlographic Scatterometer, permet de mesurer les propriétés de diffusion, dont la rétrodiffusion, en fonction de la longueur d’onde dans le domaine visible proche-infrarouge, en fonction des états de polarisation. Ces mesures de diffusion spectro-polarimétriques sont couplées à une technique d’imagerie par holographie digitale pour permettre de la mesure en simultanée des propriétés microphysiques, telles que la taille et la forme des aérosols. En effet, le phénomène de rétrodiffusion est un phénomène particulièrement sensible aux propriétés microphysiques des aérosols. Après une validation du concept de mesure, l’instrument SOPHOS a été étalonné à partir de particules sphériques de taille connue, puis utilisé pour mesurer des propriétés radiatives spectro-polarimétriques d’aérosols atmosphériques tels que des poussières volcaniques et désertiques, mais aussi d’intérêt pour spatial tel que les régolithes lunaires. L’apport de ces mesures sera in fine d’établir un lien entre leurs propriétés microphysiques et radiatives, en particulier en rétrodiffusion pour des applications lidar. Cette étude se portera sur l’analyse de la dépolarisation en fonction de la taille et du facteur de forme des particules a une multitude de longueurs d’onde. De manière à observer l’effet de l’asphéricité des particules et de la longueur d’onde sur la dépolarisation. En perspective, une déclinaison portable de l’instrument SOPHOS a été développé durant la thèse. L’instrument HALO est un moyen portable de mesure holographique dédié à l'analyse des aérosols dans l’air. Ce dispositif permet de déterminer la distribution en taille et en forme ainsi qu’une mesure de l’extinction des aérosols dans le but d’apporter une analyse complémentaire aux mesures lidar à distance.

The radiative properties of particles like aerosols are a crucial area of study for optical remote sensing, especially for techniques like elastic backscatter lidar. Radiative backscatter properties, such as the depolarization ratio, are particularly important for inverting the lidar equation and deriving physical products from a lidar measurement. The goal of this doctoral work aims to develop laboratory instrumentation dedicated to the spectropolarimetric measurement of the radiative parameters of aerosols, such as desert or volcanic dust. The instrument, named SOPHOS for Spectro-Polarimetric and HOlographic Scatterometer, allows for the measurement of scattering properties, including backscatter, as a function of wavelength in the visible to near-infrared spectrum, based on polarization states. These spectropolarimetric scattering measurements are coupled with a digital holography imaging technique to simultaneously measure microphysical properties, such as the size and shape of aerosols. Indeed, the backscatter phenomenon is particularly sensitive to the microphysical properties of aerosols. Following a validation of the measurement concept, the SOPHOS instrument was calibrated using spherical particles of known size and then used to measure the spectropolarimetric radiative properties of atmospheric aerosols, such as volcanic and desert dust, but also of interest for space, such as lunar regoliths. The contribution of these measurements will ultimately establish a link between their microphysical and radiative properties, particularly in backscatter for lidar applications. This study will focus on the analysis of depolarization as a function of particle size and shape factor at a multitude of wavelengths, to observe the effect of particle asphericity and wavelength on depolarization. In perspective, a portable version of the SOPHOS instrument was developed during the thesis. The HALO instrument is a portable holographic measurement device dedicated to the analysis of aerosols in the air. This device allows determining the size and shape distribution as well as a measurement of the aerosol extinction with the aim of providing a complementary analysis to remote lidar measurements.