le projet ALIDS du réseau EUFAR - CFTL 2012

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ième
Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2012 - ROUEN, 18 – 21 Septembre 2012
Mesure aéroportée ILIDS de la taille des gouttes dans les
nuages : le projet ALIDS du réseau EUFAR
Emmanuel PORCHERON
1
, Pascal LEMAITRE
1
, Arnaud QUÉREL
1
, Jeroen van BEECK
2
,
Rosaria VETRANO
2
, Marc BRUNEL
3
, Gérard GREHAN
3
1
Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, BP 68, 91192 GIF SUR YVETTE CEDEX, France
2
Institut van Karman, Chaussée de Waterloo, 72 B-1640 Rhode-St-Genèse, Belgique
3
UMR 6614 CORIA, Université de Rouen, avenue de l’université BP12, 76801 Saint Etienne du Rouvray Cedex, France
1 Introduction et contexte
Dans les nuages, après formation initiale par nucléation, les gouttes d’eau grossissent par
condensation de la vapeur jusqu’à une taille d’environ 20 µm, taille à partir de laquelle les
phénomènes de coalescence s’intensifient. Les mécanismes décrivant le grossissement des
gouttes dans la gamme 20 µm à 200 µm sont aujourd’hui encore mal connus car mal caractérisés
dans l’atmosphère. En effet, l’instrumentation aéroportée implémentée sur les avions utilisés pour
la recherche en physique de l’atmosphère, ne permet pas d’apporter toutes les données
nécessaires au développement des modèles régionaux et globaux de prévisions météorologiques
et climatiques. Cette instrumentation possède généralement un volume d’échantillonnage limité
[10, 11] (de l’ordre de 1 mm
3
pour des particules de tailles inférieures à 40 µm), une dynamique de
mesure faible, ce qui la rend peu adaptée à la caractérisation des nuages qui sont des milieux
polydispersés très dilués. Il y a donc une attente pour le développement d’une instrumentation
pouvant au moins couvrir la gamme allant de 20 µm à 200 µm ; possédant un volume
d’échantillonnage important (plusieurs cm
3
), elle permettrait d’obtenir une statistique de mesure
suffisante. Lors des campagnes de mesures aéroportées, l’avion se déplace généralement à une
vitesse comprise entre 100 m/s et 200 m/s, ce qui oblige, dans le cas de faibles taux d’acquisition,
une intégration spatiale et temporelle des données granulométriques rendant délicate leurs
interprétations.
Le projet ALIDS du réseau EUFAR (EUropean Facility for Airborne Research), inscrit dans le
7
ème
PCRD, concerne le développement d’une instrumentation permettant la mesure in-situ de la
distribution granulométrique des gouttelettes présentes dans différents types de nuages. Cette
instrumentation sera embarquée sur différents types d’avions opérant des campagnes de mesures
aéroportées. La détermination de la distribution granulométrique des gouttes dans la gamme de
taille 20 µm à 200 µm est basée sur l’utilisation du diagnostic optique d’imagerie en défaut de mise
au point (ILIDS pour Interferometric Laser Imaging Droplet Sizer). L’ILIDS, dont le principe est
présenté sur le Figure 1, est une technique introduite par König [1] et développée par différents
auteurs [2, 3, 4]. Celle-ci met en œuvre les interférences entre les rayons réfléchis et réfractés à
l’intérieur de la goutte. L’observation de ces interférences permet la détermination du diamètre de
la goutte, sachant qu’il existe une relation linéaire entre celui-ci et le nombre de franges
d’interférence apparaissant dans l’image de la goutte (1) [4].
Ce projet comporte une partie dédiée au développement et à l’adaptation du diagnostic optique
ILIDS aux contraintes de la mesure aéroportée, prise en charge par les partenaires CNRS, IVK et
IRSN. Une autre composante du projet concerne la conception et la réalisation de la sonde, ainsi
que sa qualification lors de vols d’essais. Cette partie, qui ne sera pas présentée dans cet article,
est prise en charge par les sociétés d’ingénierie COMAT (FR) et COSINE (NL), ainsi que par
l’Université de Manchester et le CNRS-SAFIRE.

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Figure 1. Principe de la technique ILIDS
1
2
cos.2²1
2
sin
2
cos
2
−
−+
+=
θ
θ
θ
α
λ
mm
m
N
d (1)
d : diamètre des gouttes (m)
N : nombre de franges
θ : angle de diffusion (rd)
α : angle d’ouverture (rd)
m : indice de réfraction des gouttes
λ : longueur d’onde du laser (m)
2 Optimisation des paramètres du montage ILIDS à l’aide de
simulations optiques
La première étape du développement du spectromètre optique basé sur la technique ILIDS a
consisté à réaliser des simulations optiques en utilisant la théorie de Lorenz-Mie [8] pour étudier
différentes configurations de montage optique (angle de collection, polarisation) et retenir celles
qui sont, d’une part les plus adaptées à nos contraintes expérimentales, d’autre part celles qui
permettent d’obtenir la meilleure qualité de signal (visibilité des franges d’interférences).
Les paramètres de sensibilité de ces simulations sont :
- l’indice de réfraction compris entre 1,3335 et 1,325 ce qui correspond respectivement à
de l’eau surfondue à des températures de -40°C et de 0°C,
- l’angle de diffusion (θ), dont les valeurs simulées sont 30°, 55° (angle d e Brewster), 90°
et 142 °C (angle d’arc en ciel),
- la granulométrie des gouttes comprise entre 1 µm et 200 µm,
- la polarisation, perpendiculaire et parallèle par rapport au plan de diffusion.
Les figures 2 et figure 3 présentent des exemples de ces simulations.
Polarisation parallèle Polarisation
perpendiculaire
Taille : 20 µm à 40
µm
θ
θθ
θ
α
αα
α
y
x
lens
laser
droplet
focused plan
defocused plan
θ
θθ
θ
α
αα
α
y
x
lens
laser
droplet
focused plan
defocused plan

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Taille : 100 µm à
120 µm
Taille : 180 µm à
200 µm
Figure 2. Images synthétiques pour les angles de diffusion 50° et 60°, pour une polarisation
parallèle et perpendiculaire, obtenues pour des gouttes de différentes tailles
Scattering angle
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Scattered intensity
1e-2
1e-1
1e+0
1e+1
1e+2
1e+3
1e+4
1e+5
1e+6
collection at 30°
collection at 55°
collection at 90°
Figure 3. Intensité de la lumière diffusée pour une goutte de 50 µm pour des angles de
diffusion de 30°, 55° et 90°, pour une polarisation perpendiculaire
Cette approche nous permet de vérifier, en premier lieu, que l’ensemble des configurations
simulées aboutissent à la formation d’images synthétiques présentant des franges d’interférences.
Il apparaît sur les images synthétiques présentées sur la Figure 2, que la visibilité des franges
d’interférence est supérieure dans le cas d’une polarisation perpendiculaire au plan de diffusion.
Bien que l’angle de collection à 90° représente une configuration qui offre beaucoup de facilité
pour l’intégration du montage optique, l’intensité de la lumière diffusée est supérieure pour les
angles de collection à 30° et 55°. Nous choisirons donc un angle de diffusion proche de l’angle de
Brewster pour avoir la meilleure visibilité des franges d’interférence.
3 Développement du montage optique ILIDS
3.1 Détermination des paramètres du montage optique
La technique ILIDS telle qu’elle peut être utilisée en laboratoire, est basée sur un montage optique
relativement simple dont l’architecture est dérivée de celle d’un montage PIV (Figure 1). C’est
d’ailleurs une des raisons qui nous conduit à proposer l’ILIDS comme candidat potentiel pour la

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mesure aéroportée de gouttelettes. Cependant, les performances attendues du système ILIDS,
telle que la dynamique de mesure de l’instrument, sont dépendantes des paramètres du montage
optique. En effet, comme le montre la relation (1), le diamètre de la goutte est proportionnel au
nombre de franges. Ce coefficient de proportionnalité est directement lié à l’angle d’ouverture (α),
ce dernier résultant de la distance entre le volume de mesure et l’optique de réception, ainsi que
des caractéristiques de son objectif. Dans le cas de notre application, l’instrument que nous
devons développer doit répondre aux spécifications suivantes :
- la gamme de mesure des gouttelettes est comprise entre 20 µm et 200 µm,
- le volume de mesure doit être au moins égal à 10 cm
3
(10x10x0,1 cm
3
),
- l’encombrement du montage optique doit être réduit, ce qui impose une distance entre
le volume de mesure et l’objectif de l’optique de réception comprise entre 10 et 20 cm.
Cet encombrement déterminera les dimensions extérieures de la sonde, et par
conséquent, son coefficient de traînée,
- les réglages optiques doivent être simples.
D’autres paramètres du montage optique, comme par exemple la puissance laser, ne peuvent en
revanche être déterminés en amont et devront être validés lors de tests en laboratoire. Pour une
longueur d’onde donnée, l’angle d’ouverture (α) qui peut s’exprimer à l’aide de la relation (2),
détermine théoriquement le diamètre de goutte minimum que le système sera en mesure de
détecter. Ainsi, pour une taille de goutte donnée, plus la valeur de cet angle sera importante, plus
le nombre de franges sera important. Cet angle doit donc être choisi de manière à avoir, au moins,
deux franges d’interférences pour les plus petites gouttes que nous voulons mesurer, c'est-à-dire
les gouttes de 20 µm.
=d2 arctan.2
φ
α
(2)
- Φ
ΦΦ
Φ est le diamètre du diaphragme (calculé en optique comme étant le rapport de la focale f de
l’objectif sur l’ouverture du diaphragme),
- d est la distance entre l’objectif et le plan laser ou volume de mesure.
La figure 4 représente l’évolution de l’angle limite d’ouverture en fonction du diamètre des gouttes.
Pour cet angle limite, une seule frange d’interférence est créée. La Figure 5 donne l’évolution du
nombre de franges en fonction de la taille des gouttes pour un angle d’ouverture de 4°, valeur
retenue pour le montage optique ILIDS, permettant d’obtenir deux franges pour une goutte de
20 µm.
Figure 4. Angle d’ouverture limite en fonction
du diamètre des gouttes
Figure 5. Nombre de franges d’interférence
en fonction de la taille des gouttes pour un
angle d’ouverture de 4°
3.2 Architecture du montage optique
L’architecture du montage ILIDS doit à la fois satisfaire les paramètres définis précédemment,
mais aussi être adaptée à une intégration dans une sonde de volume réduit et de traînée
minimale ; il s’agit en effet de limiter la masse de l’instrument et de réduire les coûts induits par sa

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certification sur l’avion. La géométrie de la sonde doit être symétrique par rapport au plan situé
dans l’axe de déplacement de l’avion. De plus, le plan de mesure doit être orienté de telle façon
que celui-ci soit dans l’axe de la composante de vitesse principale de l’avion. En effet, même si la
courte durée du flash laser comprise entre 5 et 10 ns permet de limiter le déplacement de la goutte
dans le volume de mesure à quelques microns (vitesse de l’avion comprise entre 100 et 200 m/s),
il est préférable que ce déplacement se fasse colinéairement au plan laser et non
perpendiculairement à celui-ci. En outre, le volume de mesure doit être éloigné de la paroi de la
sonde d’une distance supérieure à 10 cm, ce qui permet d’être en dehors de la couche limite. Les
équipements électroniques composant le montage ILIDS tels que la tête laser et la caméra doivent
être complètement intégrés dans la sonde pour limiter leur exposition aux contraintes thermiques
propres aux conditions de vol en altitude. Un schéma présentant l’agencement du montage
optique ILIDS est présenté sur la Figure 6. L’axe de la tête laser est positionné parallèlement à
l’axe longitudinal de la sonde. Le faisceau laser émis par le laser Nd :YAG pulsé (532 nm) est
dirigé via le miroir (M4), puis transformé en une nappe laser à l’aide des lentilles cylindrique (CL) et
sphérique (SL). Le plan laser est réfléchi sur le miroir (M1) fixant ainsi l’angle du plan de mesure.
L’image des gouttes inscrites dans la zone du plan laser qui correspond au volume de mesure est
transmise à la caméra via le miroir (M2) qui est positionné symétriquement au miroir (M1) par
rapport à l’axe vertical de la sonde, ainsi que via le miroir (M3). Le montage reproduit sur table
optique est présenté sur la Figure 7. Le plan horizontal de la table optique correspond au plan en
coupe transversale de la sonde.
Figure 6. Schéma du montage optique
ILIDS : vue en coupe transversale de la
sonde
Figure 7. Photo du montage optique ILIDS
utilisé pour les tests en laboratoire
4 Algorithme de traitement rapide des images ILIDS
La détermination de la taille des gouttes à partir des images en défaut de mise au point nécessite
un traitement basé sur le comptage des franges à l’aide de la transformée de Fourier rapide 2D.
L’approche habituelle [3, 4] utilisée en ILIDS consiste à identifier chaque goutte de l’image et à
rechercher pour chacune d’elle, le nombre de franges d’interférence. Cette méthode permet
d’obtenir la position de la goutte relativement au plan de mesure, sa taille et éventuellement sa
vitesse si l’acquisition se fait en mode double images. L’inconvénient principal est le temps de
traitement important qui exclut toute possibilité de traitement en temps réel, même à faible
cadence. Pour notre application aéroportée, les informations sur la position et la vitesse des
gouttes sont inutiles mais en revanche, la détermination des histogrammes de taille de goutte en
« temps réel » est primordiale car durant le vol, il faut pouvoir accéder à une information, même
Laser
Nd:YAG
θ
M1
M3
M2
SC
Camer
M3
θ
HH
R
M4
Caméra
Volume de
mesure