Etude et réalisation de dispositifs optiques à large couverture spectrale pour la détection multi-gaz à distance

par Alexandre Dobroc

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Michel Lefebvre.

Soutenue en 2013

à Palaiseau, Ecole polytechnique .


  • Résumé

    Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit ont pour objectifs l'étude et la mise en oeuvre de nouvelles techniques actives de spectroscopie d'absorption infrarouge pour la détection multi-gaz à distance. Pour cette application, nous avons étudié le potentiel de deux sources laser innovantes : un Oscillateur Paramétrique Optique Doublement Résonnant (DROPO), émettant un rayonnement monochromatique accordable entre 3,3µm et 3,7µm et un laser fibré Supercontinuum, émettant un spectre continu s'étendant de 1µm jusquau-delà de 3,8µm. Après avoir modélisé les signaux ainsi que le bruit, nous avons calculé les performances théoriques d'estimation de concentration à l'aide des Bornes de Cramer-Rao (BCR). Puis, nous avons développé des estimateurs de concentrations multi-gaz adaptés aux caractéristiques des signaux DROPO et Supercontinuum. Ces estimateurs ont été appliqués à des signaux expérimentaux dans le but de valider le calcul des prévisions de performances. Dans le cas de la spectroscopie par DROPO, des mesures simultanées des concentrations en vapeur d'eau et en méthane, intégrées sur un trajet de 30m dans l'atmosphère ont été réalisées (après diffusion sur une cible non coopérative). Dans le cas de la spectroscopie Supercontinuum, nous avons réalisé un premier montage basé sur une source proche infrarouge et un analyseur de spectre commerciaux afin de valider le traitement du signal ainsi que la prédiction de performances. Nous avons réalisé des mesures simultanées de la quantité de méthane présente dans une cellule et la concentration atmosphérique en vapeur d'eau intégrée sur une distance de plus de 10m (par réflexion sur une cible coopérative). L'estimation est non biaisée et l'écart type calculé sur un grand nombre d'estimations est inférieur à 1, 5 fois les BCR. Pour les expériences de spectroscopie réalisées autour de 3,3µm, nous avons adapté, implémenté et calibré un spectrographe permettant d'acquérir en quelques secondes une centaine de spectres sur un domaine spectral de200nm, avec une résolution inférieure au nanomètre. Un estimateur du maximum de vraisemblance a fourni une estimation peu biaisée (3%) avec un écart type égal à 2, 5 fois la BCR. Nous avons ainsi montré expérimentalement la faisabilité de mesures rapides et précises par spectroscopie Supercontinuum infrarouge.

  • Titre traduit

    Study and realization of optical devices with a wide spectral coverage for remote detection of multiple-gas species


  • Résumé

    The aim of this work is to study and validate new active methods based on infrared absorption spectroscopy for remote detection of multiple-gas species. For this application, we studied the potentiality of two innovative laser sources : a Doubly Resonant Optical Parametric Oscillator (DROPO) and a fiber Supercontinuum laser, emitting either a monochromatic radiation, tunable in the 3. 3-3. 7µm range or a continuous spectrum from 1µm to beyond 3. 8µm, respectively. In order to determine the precision of concentration measurements, the Cramer-Rao Bounds (CRB) have been computed after modelling the signal and the noise for both sources. Next, multiple-gas species concentration estimators, adapted to the DROPO and Supercontinuum signals, have been developed. These estimators were applied to experimental data in order to validate the calculation of the performance prediction. In the case of DROPO spectroscopy, the mean concentrations of atmospheric water vapour and methane have been demonstrated over a 30m range (using backscattering onto a non-cooperative target). In the case of Supercontinuum spectroscopy, a near infrared source and a commercial grating optical spectrometer have been used to validate the signal processing and the predicted precision. Simultaneous measurements of methane quantity in a gas cell and atmospheric water vapour concentration have been performed over a 10m range (after reflection onto a cooperative target). The estimations are unbiased and their standard deviations remain lower than 1. 5 times the CRB. For infrared spectroscopy around 3. 3µm, a spectrograph was adapted, mounted and calibrated. This instrument is able to acquire in a few seconds 100 spectra, over a 200nm spectral range, with a resolution below 1nm. A maximum likelihood estimator retrieves little biaised estimations (below 3%) and a standard deviation equal to 2. 5 times the BCR. We thus have experimentally demonstrated the feasibility of fast and precise infrared Supercontinuum spectroscopy measurements.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (226 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 90 réf.

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  • Bibliothèque : École polytechnique. Bibliothèque Centrale.
  • Disponible pour le PEB
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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C1A 120/2013/DOB
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