GR-7 - CFTL2014

14EME
CONGRÈS FRANCOPHONE DE TECHNIQUES LASER (CFTL2014)
MARSEILLE, 15–19 SEPTEMBRE 2014
CARACTERISATION DE GOUTTES ET DE PARTICULES IRREGULIERES POUR LA
DETECTION DES CONDITIONS GIVRANTES POUR L’AERONAUTIQUE
Emmanuel Porcheron1*, Pascal Lemaitre1, Jeroen van Beeck2, Rosaria Vetrano2, Marc Brunel3,
Gérard Grehan3, Laurent Paszkiewicz4, Manuel Thorez4
1 Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), BP 68, 91192 GIF SUR YVETTE
2 Institut von Karman (IVK), B-1640 RHODE-ST-GENESE, BELGIQUE
3 CNRS UMR 6614 – CORIA, BP 12, 76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY
4 ZODIAC AEROSPACE INTERTECHNIQUE, 78373 PLAISIR
*Correspondant: [email protected]
Résumé : Afin d’améliorer le niveau de sûreté des avions civils vis-à-vis du risque de givrage de
l’instrumentation et des moteurs, le projet HAIC (High Altitude Ice Crystal) coordonné par Airbus a été lancé
en 2012 dans le cadre du 7ème PCRD. Une des composantes de ce projet concerne le développement de capteurs
embarqués de nouvelle génération permettant de détecter et de caractériser les conditions givrantes dans une
gamme de variation des paramètres plus étendue qu’auparavant, c’est-à-dire de quantifier en vol la présence
concomitante de gouttes d’eau et de cristaux de glace dans une gamme de taille allant de quelques microns à
plusieurs millimètres.
1 Introduction
Le risque lié aux conditions givrantes que peuvent
rencontrer les avions a été pris compte depuis des
décennies par les constructeurs qui ont mis en place
des équipements spécifiques ou des stratégies
permettant de certifier les avions pour ce type de
conditions de vol, lesquelles sont classifiées suivant
des normes.
Les conséquences du givrage pour l’avion peuvent
être la réduction de la visibilité, la perte
d’informations fournies par les capteurs extérieurs
tels que les tubes Pitot, la diminution de la finesse
aérodynamique et l’endommagement des moteurs.
Les normes définissant l’enveloppe des conditions
givrantes sont en cours d’évolution pour intégrer le
risque lié à la présence de gouttes d’eau surfondue de
taille plus importante (SLD pour Supercooled Large
Drolet) et à la présence de cristaux de glace qui
peuvent être rencontrés notamment à haute altitude.
Cette évolution des normes nécessite en parallèle la
conception de nouveaux capteurs embarqués
capables de détecter et de quantifier les
hydrométéores afin de déterminer la teneur en eau
sous formes liquide (LWC) et solide (IWC) dans
l’atmosphère.
Ces
données
sont
en
effet
indispensables pour renseigner les pilotes sur
l’environnement de leur avion afin de pouvoir le cas
échéant, changer de plan de vol pour éviter les zones
à risque.
C’est dans ce contexte qu’Airbus a lancé le projet
HAIC (High Altitude Ice Crystal, [1]) dans le cadre
du 7ème PCRD, pour notamment, concevoir des
capteurs embarqués répondant aux spécifications des
nouvelles normes anti-givrage. Un consortium
composé de ZODIAC AEROSPACE, l’IVK, le CNRS
et l’IRSN a été formé afin de développer un capteur
dédié à la caractérisation des phases mixtes, gouttes
et cristaux de glace, sur la base du concept mis au
point dans le cadre du projet ALIDS [2].
L'objectif de cet article est de présenter une étude sur
la caractérisation de particules irrégulières avec une
technique interférométrique. La technique retenue est
l’ILIDS (Interferometric Laser Imaging Droplet
Sizing) introduite pour caractériser la taille des
gouttes ou des bulles de gaz.
2 Les particules irrégulières
Les conditions givrantes sont caractérisées par la
présence de goutte d’eau surfondue et / ou de
cristaux de glace, dans certaines gammes de
granulométrie et de concentration. La caractérisation
de la taille des gouttes ne pose pas de problème
particulier hormis celui lié à la statistique de la
mesure en vol étant donné que la concentration des
gouttes décroit fortement en fonction de leur
diamètre.
Pour les particules irrégulières que sont les cristaux
de glace, la caractérisation des dimensions est plus
délicate étant donné la complexité des morphologies
pouvant être rencontrées (Figure 1).
GR-7.1
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CONGRÈS FRANCOPHONE DE TECHNIQUES LASER
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indépendant de la taille de la goutte mais lié au
défaut de mise au point. En utilisant l’optique
géométrique, König et al. [4] et Mounaïm-Rousselle
al. [6] ont déterminés la relation reliant le diamètre de
la goutte et le nombre de franges d’interférences
présentes sur chaque interférograme (Eq. 1).
2N 
d
cos( / 2) 
 


m ²  2m cos( / 2)  1 
m sin( / 2)
1
(1)
Le diamètre de la gouttelette (d) est lié au nombre de
franges (N) par un facteur qui dépend de l'angle
d'ouverture du système de collection de la lumière
() liée aux paramètres du récepteur optique, de
l'angle de diffusion (), de l'indice de réfraction de la
gouttelette (m) et de la longueur d'onde du laser ().
Figure 1. Exemple de morphologie de cristaux pouvant être
rencontrée en haute atmosphère [3].
3 Principe de la technique ILIDS
L’ILIDS, dont le principe est présenté sur le Figure 2,
a été introduite par König et al. [4], et encore
amélioré par Glover et al. [5] pour l'acquisition
d'image et le traitement des données.
Figure 2. Principe de la technique ILIDS.
Le principe de la technique repose sur la collection de
la lumière diffusée par des gouttes éclairées par un
plan laser. Une goutte est éclairée par une nappe
laser et la lumière diffusée est collectée à un angle de
diffusion () à l’aide d’une optique de réception
caractérisée par un angle de collection (). Les deux
points lumineux appelés points de Gloire observables
sur la Figure 2 associés aux rayons réfléchis et
réfractés dans la goute peuvent être observés dans le
foyer au plan focal [7]. Si l’on observe la goutte en
dehors du point focal, les points de Gloire vont alors
se comporter comme deux fentes d’Young desquelles
les rayons vont interférer entre eux du fait de leur
différence de marche, générant ainsi un réseau de
franges d’interférences verticales. Ainsi, chaque
gouttelette est associée à un interférograme inscrit
dans une tache circulaire dont le diamètre est
4 Application de la technique ILIDS aux
particules irrégulières
Lorsque l’on applique l’ILIDS à une particule
irrégulière, tel qu’un cristal, une figure d’interférence
de type speckle est observée (Figure 2, Figure 3).
Cette différence de signature permet donc dans un
premier temps de discriminer dans l’écoulement les
gouttes des particules irrégulières comme les cristaux
de glace.
Le speckle se produit lorsqu’un faisceau cohérent
illumine une surface rugueuse dont les irrégularités
sont à l’échelle de la longueur d’onde, ou un milieu
fortement diffusant de forme complexe. Ce
phénomène est dû aux interférences créées par les
rayons diffractés ou diffusés en chaque point de la
surface de l’objet, et dans toutes les directions.
Chaque onde diffusée possèdera une phase spatiale
et un module qui lui sont propre, l’amplitude
résultante au plan image correspond à la somme de
toutes ces ondes et possède une phase et un module
aléatoirement répartis dans le plan d’observation.
L’intensité lumineuse récoltée est distribuée de façon
complexe dans l’espace, ce qui donne cet aspect
granuleux de speckle composé d’une multitude de
spots ou « grains de speckle » brillants et sombres
(Figure 3).
GR-7.2
Figure 3. Image de speckle formée par un éclairage
cohérent.
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CONGRÈS FRANCOPHONE DE TECHNIQUES LASER
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La principale caractéristique du speckle est la taille
de ses grains. Il a été montré par Brunel et al. [9, 10]
qu’il existait une relation entre la taille des grains de
speckle et la dimension caractéristique principale de
la particule irrégulières. Pour une configuration
optique donnée, cette dimension peut s’exprimer par
une fonction décroissante de la taille du gain de
speckle.
Sur la figure 5 est présentée l’image ombroscopique d’un
cristal de sel dont la dimension principale est égale à
600 µm.
L’image ILIDS est quant à elle présentée sur la Figure 6.
Elle fait apparaitre une structure de type speckle.
5 Mesure ILIDS et analyse des images
L’objet de cette partie est la validation expérimentale
de l’approche théorique proposée par [9, 10].
Des mesures ILIDS sont donc réalisées sur des
simulants de cristaux de glace, à savoir des cristaux
de quartz et des cristaux de sel, couvrant une large
gamme de distributions granulométriques.
Le système ILIDS utilisé est l’instrument aéroporté
ALIDS développé pour caractériser les gouttes dans
les nuages [2, 11] présenté sur la Figure 4.
Figure 6. Image ILIDS du cristal de sel présenté sur la
Figure 5.
A partir de cette image défocalisée il est possible de
déterminer la taille de grain des speckle en utilisant la
fonction d’autocorrélation R(x,y) (2) calculée en utilisant le
théorème de Wiener-Khintchine (Figure 7).

R( x , y )  TF 1 TF A( u, v )
2

(2)
Où A(u , v ) est l’amplitude du champ mesuré par la
caméra dans la zone d’interrogation et TF la
transformée de Fourier calculée numériquement à
l’aide de l’algorithme de Cooley et al. [12].
Figure 4. Design 3D de la sonde aéroportée ALIDS basée
sur la technique ILIDS.
Deux autres techniques sont utilisées pour effectuer une
mesure comparative, l’ombroscopie pour les cristaux les
plus gros (taille supérieure à 200 µm) et la visualisation
par microscope à balayage électronique (MEB) pour les
cristaux plus petits. Si pour les plus gros cristaux, une
comparaison ILIDS / ombroscopie peut être faite sur
quelques échantillons, cristaux par cristaux, il est
nécessaire de multiplier les inter-comparaisons dans le
cas de la plus petite gamme de taille afin d’avoir une
bonne statistique de mesure.
image
5
5
10
10
15
15
20
20
25
5
10
15
20
25
25
5
10
15
20
25
Figure 7. Détermination de la taille de grain de speckle.
La comparaison des mesures issues des deux techniques
donne un accord à 10% près.
.
600 µm
Le même type de traitement est effectué pour les cristaux
qui correspondent à la plus petite gamme de taille (5 à
200 µm), comme présenté sur la Figure 8, cependant la
comparaison
rigoureuse
des
distributions
granulométriques issues des mesures ILIDS et des
mesures MEB est en cours et n’est pas présentée dans cet
article.
Figure 5. Image d’un cristal de sel obtenue par
ombroscopie.
GR-7.3
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CONGRÈS FRANCOPHONE DE TECHNIQUES LASER
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[4] G. König, K. Anders and A. Frohn, A new light-scattering
technique to measure the diameter of periodically generated
moving droplets J. Aerosol Sci. 17 157 (1986).
100 µm
[5] A.R. Glover, S.M. Skippon and R.D Boyle, Interferometric
laser imaging for droplet sizing: a method for droplet-size
measurement in sparse spray systems Appl Opt 34 8409 (1995).
[6] C. Mounaïm-Rousselle, O. Pajot, Droplet Sizing by Mie
Scattering Interferometry in a Spark Ignition Engine. Part. & Part.
Syst. Charact. 16 160 (1999).
[7] van de Hulst, H.C., 1981, Light scattering by small particles.
Dover Publications, pp.13-249.
[8] C. Mounaïm-Rousselle, O. Pajot, Droplet Sizing by Mie
Scattering Interferometry in a Spark Ignition Engine. Part. & Part.
Syst. Charact. 16 160 (1999).
Figure 8. Images ILIDS et MEB obtenues pour la plus
petites gamme de taille de cristaux.
6 Conclusion
Le domaine d’application de la technique
interférométrique en défaut de mise au point a été
étendu aux particules irrégulières telles que les
particules à structure cristalline. L’ILIDS permet donc
de discriminer dans un écoulement multiphasique
des gouttes et des cristaux et une analyse théorique a
permis de montrer la possibilité de mesurer la
dimension caractéristique principale d’une particule
non sphérique.
Cette technique couplée à d’autres diagnostics est
cours d’implémentation dans un capteur embarqué
destiné à la détection des conditions givrantes pour
les avions.
[9] M. Brunel, H. Shen, S. Coëtmellec, G. Gréhan and T. Delobel,
Determination of the Size of Irregular Particles Using
Interferometric Out-of-Focus Imaging, International Journal of
Optics, Article ID 143904 (2014).
[10] M. Brunel, S. Coëtmellec, G. Gréhan and H. Shen,
Interferometric out-of-focus imaging simulator for irregular
rough particles, J. Europ. Opt. Soc. Rap. Public. 9, 14008 (2014).
[11] A. Quérel, P. Lemaitre, M. Brunel, E. Porcheron and G.
Gréhan, Real-time global interferometric laser imaging for the
droplet sizing (ILIDS) algorithm for airborne research, Meas. Sci.
Technol. 21 (2010).
[12] J.W. Cooley, J.W. Tukey, An algorithm for machine
computation of complex Fourier series Math. Comput. 19 297
(1965).
Remerciements :
Le travail fait l’objet du WP4.4 du projet HAIC (High
Altitude Ice Crystal) coordonné par Airbus et
soutenu par le 7ème PCRD (Contrat N°31314).
Références
[1] HAIC, http://www.haic.eu/
[2] E. Porcheron, P. Lemaitre, J. van Beeck, R. Vetrano, M.
Brunel, G. Gréhan, L. Guiraud, Développement du spectromètre
aéroporté ALIDS pour mesurer la taille des gouttes dans les
nuages, CFTL 2014.
[3] M. Wendish, J.L. Brenguier, Airborne measurements for
environmental research, Wiley-VCH, 2012.
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