Le lidar est un instrument de télédétection active similaire au radar opérant dans la partie optique du spectre électromagnétique. Le principe est d’illuminer un milieu diffusant, soit solide (ex. végétation, peinture) soit dilué (ex. atmosphère, panache de fumée), et d’en collecter la lumière rétrodiffusée. Dans notre étude, deux processus d’interaction lumière-matière mis en jeu au cours de la propagation d’une impulsion laser sont étudiés : la diffusion élastique et l’absorption de la lumière. 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 (i.e. distribution en taille, morphologie, indice optique, concentrations).
Les techniques lidar actuelles présentent néanmoins des limitations. Les sources laser utilisées sont limitées à quelques longueurs d’onde visible ou proche infrarouge. Les propriétés optiques des particules composant le milieu diffusant sont donc relatives à ces longueurs d’onde, ce qui ne permet pas aujourd’hui d’identifier complètement les propriétés microphysiques du milieu sans en avoir une connaissance a priori. Des hypothèses sont formulées pour contraindre les méthodes d’inversion et remonter aux informations d’intérêt (i.e. nature, forme ou indice complexe des aérosols) des aérosols naturels et anthropiques (particules carbonées, poussières désertiques, cendres volcaniques, etc.). En outre, les lidars actuels sont souvent destinés à des portées kilométriques alors que de nouveaux besoins tendent vers des mesures à courtes distances : réaliser des mesures in situ en sortie de tuyère, contrôler localement les panaches de particules industrielles 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 lidar est donc envisagée pour obtenir les paramètres 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. Trois axes de recherche ont été menés. Le premier concerne l’étude numérique du système. Un simulateur lidar hyperspectral, nommé PERFALIS a été développé pour prédire les performances de l’instrument et montrer d’un point de vue numérique la faisabilité des mesures. Le second axe porte sur la conception instrumentale d’un lidar appelé COLIBRIS, développé pour réaliser des mesures lidar à courtes portées (> 10 m) à haute résolution spatiale (submétrique). Une première version a été proposée en analyse monochromatique et une seconde avec une analyse hyperspectral de la lumière rétrodiffusée. Le dernier axe concerne le développement d’une nouvelle méthode d’inversion lidar, nommée ST-LIM. Cette méthode a permis d’identifier les propriétés optiques d’un panache d’huile sans hypothèse a priori sur le lidar ratio (paramètre optique caractérisant le milieu sondé).
La comparaison de mesures expérimentales avec les résultats de simulations a permis de valider le simulateur lidar dans ses deux modes de fonctionnement (monochromatique et spectral). Nous montrons entre autres 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 monochromatique dédiés à des applications spécifiques ou encore d’étudier les performances de nouveaux prototypes COLIBRIS pour en faire une version aéroportée. |
The lidar is an active remote sensing instrument similar to radar operating in the optical part of the electromagnetic spectrum. The principle is to illuminate a scattering media, either solid (e. g. vegetation, paint) or diluted (e. g. atmosphere, smoke plume), and to collect the backscattered light. In our study, two processes of light-matter interaction involved in the propagation of a laser pulse are studied: elastic scattering and light absorption. Lidar diagnostic methods provide information on the optical parameters of the media (diffusion 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 (i.e. size distribution, morphology, optical index, concentrations).
However, current lidar techniques have limitations. The laser sources used are limited to a few visible or near infrared wavelengths. The optical properties of the particles composing the scattering medium are therefore relative to these wavelengths, which does not allow us today to identify completely the microphysical properties of the medium without having an a priori knowledge of it. Hypotheses are formulated to constrain inversion methods and to retrieve information of interests (i.e. nature, shape or complex index of aerosols) of natural and anthropogenic aerosols (carbonaceous particles, desert dust, volcanic ash, etc.). In addition, current lidars are often used for kilometric ranges, while new needs tend towards short-range measurements: in situ measurements at the tailpipes, local control of industrial particle plumes with high spatial resolution...
Supercontinuous laser sources range from visible to infrared and offer new possibilities for measuring the optical properties of aerosols over a wide continuous spectral range. Their use in lidar systems is therefore considered to obtain the optical parameters of the medium over a continuous range of wavelengths.
One of the main objectives of this thesis is to demonstrate the viability of supercontinuum lidars for the spectral characterization of high spatial resolution surface and volume targets. Three axis of research were conducted. The first concerns the numerical study of the system. A hyperspectral lidar simulator, called PERFALIS, has been developed to predict the performance of the instrument and show the feasibility of the measurements from a numerical point of view. The second axis concerns the instrumental design of a lidar called COLIBRIS, developed to perform lidar measurements at short ranges (> 10 m) with high spatial resolution (submetric). A first version was proposed in monochromatic analysis and a second version with hyperspectral analysis of the backscattered light. The last axis concerns the development of a new lidar inversion method, called ST-LIM. This method made it possible to identify the optical properties of an oil plume without a priori hypothesis on the lidar ratio (optical parameter characterizing the investigated medium).
The comparison of experimental measurements with simulation results made it possible to validate the lidar simulator in its two operating modes (monochromatic and spectral). Among other things, we show that it is important to consider the actual shape of laser pulses during light-matter interaction in the case of thin plumes with high spatial resolution. In the future, the lidar simulator can be used to design new supercontinuum or monochromatic lidar instruments dedicated to specific applications or to study the performance of new COLIBRIS prototypes to make an airborne version. |