EP4078145A1 - Systeme et procede de detection et de quantification de constituants gazeux dans l'atmosphere - Google Patents

Systeme et procede de detection et de quantification de constituants gazeux dans l'atmosphere

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EP4078145A1
EP4078145A1 EP20824567.0A EP20824567A EP4078145A1 EP 4078145 A1 EP4078145 A1 EP 4078145A1 EP 20824567 A EP20824567 A EP 20824567A EP 4078145 A1 EP4078145 A1 EP 4078145A1
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EP
European Patent Office
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optical
wavelength
light
interest
measurement
Prior art date
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Pending
Application number
EP20824567.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier DUCLAUX
Patrick RAIROUX
Alain MIFFRE
Sandrine GALTIER
Jean-Yves WELSCHINGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
TotalEnergies Onetech SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
TotalEnergies Onetech SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL, TotalEnergies Onetech SAS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4078145A1 publication Critical patent/EP4078145A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G01N2021/4704—Angular selective
    • G01N2021/4709—Backscatter

Definitions

  • TITLE SYSTEM AND METHOD FOR DETECTION AND QUANTIFICATION OF GASEOUS CONSTITUENTS IN THE ATMOSPHERE
  • the subject of the invention is a system and a method for detecting and quantifying gaseous constituents in the atmosphere by a laser system, in particular by a LIDAR system implementing the OSAS method and the Scheimpflug principle.
  • the system and method according to the invention are particularly suitable for monitoring the presence of pollutants discharged into the atmosphere, in particular in industrial areas, for example in refineries, close to the ground, in particular in an area ranging from 0 50m high. Due to changes in regulations, it will soon be necessary to control the emissions of organic compounds such as VOCs (volatile organic compounds).
  • VOCs volatile organic compounds
  • LIDAR (acronym for "light detection and ranging", in French “detection and telemetry by light”) is a remote measurement technique based on the analysis of the optical properties of propagation of a beam of light. According to this technique, a laser pulse is emitted in the direction of a component to be located. The distance from this component is given by measuring the delay between the emission of the light pulse and the detection of the signal reflected or diffused by the component.
  • Differential Absorption LIDAR uses laser pulses of two distinct wavelengths.
  • the energy of the laser pulse at one of the wavelengths is strongly absorbed in the absorption spectrum of the component that is to be detected.
  • the other wavelength (reference wavelength) is chosen in a spectral region whose laser pulse energy does not undergo absorption, or negligible absorption, in the absorption spectrum of the component.
  • the light reflected or scattered by the atmosphere is collected by suitable optics and is measured by a photodetector to form a lidar signal.
  • the comparison of the lidar signals for the absorbed wavelength and the reference wavelength makes it possible to determine the location and the concentration of the desired constituent.
  • This technique is used in monitoring the atmosphere, and in particular air quality, to take measurements. away from gaseous compounds present in the atmosphere, in particular to measure the concentration profiles of minor gases: water vapor, O3, NO2, S0 2 , C0 2 , CH 4 , ....
  • Differential absorption LIDAR is based on near-monochromatic laser emission to achieve sufficient sensitivity while minimizing the absorption of other molecules interfering with the optical extinction measurement of the target component.
  • Known uses in monitoring and observing the atmosphere require a laser source of sufficient power to measure the atmosphere at a distance of the order of a kilometer or more.
  • Such high energy monochromatic sources are expensive and fragile and cannot be used in a portable and easily movable detection system, in particular on an industrial site.
  • Document CN206740648U also describes a continuous light source LIDAR system implementing the Scheimpflug principle used to determine a distribution of NO2 concentrations in the atmosphere. Two laser sources are used, one emitting at the NO2 wavelength and the other emitting at a reference wavelength. However, calculating the concentration also requires the use of monochromatic light sources.
  • Another approach is to use non-monochromatic light sources. However, it is then difficult to carry out a quantitative measurement.
  • the OSAS method also uses a different algorithm from that of the differential absorption LIDAR to calculate the concentrations, as described by Galtier et al. (“Remote sensing of methane with OSAS-lidar on the 2v 3 band Q-branch: experimental proof”, J. Mol. Spectrosc., 348 (2016) and Anselmo et al. (“Gas concentration measurement by optical similitude absorption spectroscopy: methodology and experimental demonstration ”, Opt. Express, 24 (2016), no.12, 12588-12599).
  • the detection of methane described by Galtier et al. is carried out in the atmosphere using a pulsed light source and in a open cell of known concentration
  • Anselmo et al describes a laboratory measurement of known gas concentration contained in a sealed cell.
  • the laser sources used in standard differential absorption LIDAR methods are expensive and fragile: they cannot be implemented in a portable detection system that is easily movable, in particular on an industrial site.
  • the invention aims to remedy all or part of these drawbacks by providing a method and a system for detecting and quantifying gaseous constituents which are simple to use, inexpensive and easily movable, in particular on an industrial site.
  • the invention is particularly suitable for detecting and quantifying with good sensitivity (up to a few ppb by volume) of constituents present in the atmosphere at a short distance, in particular at a distance of less than 50 meters.
  • a first object of the invention relates to a method for detecting and quantifying at least one gaseous constituent of interest in the atmosphere, comprising:
  • a backscattered light reception and detection module which comprises: a. an optical device comprising an optical plane and configured to direct backscattered light towards a light sensor, b. the light sensor comprising at least one finished surface detector or at least one arrangement of finished surface detectors, the detector (s) being aligned on an image plane and configured to generate said signals, an object plane containing the emission axis , the optical plane and the image plane intersecting along the same straight line,
  • the method according to the invention thus combines the OSAS method (step (i)) and the principle of Scheimpflug (step (ii)), allowing detection of small amounts of gaseous constituents (which can range up to a few ppb by volume for certain constituents. ) at a short distance, in particular at a distance from the light emission module less than or equal to 50 meters, largely sufficient for the detection of gaseous constituents originating from emissions from an industrial zone.
  • the light source or sources each emit one or more light beams. These light emissions are not pulses but they are continuous. The use of one or more continuous sources can make it possible to provide a source of light at lower cost than a source of pulsed light and / or of small bulk.
  • good measurement sensitivity can be obtained in the area of interest, namely in an area extending at a distance of Xmin to Xmax from the light source (s) along the emission axis, the distance Xmax depending on Xmin and the sensitivity of the detection module.
  • this zone can be from 0.1 m to 10 m or from 0.5 m to 50 m.
  • the determination of the concentration of a constituent carried out in step (iii), in particular by a signal processing device can use at least one ratio between a signal detected for a measurement wavelength of this gaseous constituent of interest and a detected signal for a reference wavelength of the same gas component.
  • the light source (s) are broadband light sources (non-monochromatic), in particular of spectral width which may be wider than the absorption spectral band (line width spectral absorption lines) of one or more gaseous constituents of interest.
  • the object plane containing the emission axis, a plane parallel to the image plane and passing through a center of the optical device and a plane parallel to the optical plane passing through a focal length of the optical device can intersect along the same straight line.
  • the rule of the hinge (“hinge” in English, known as the rule of Hinge in the literature) is then respected.
  • a single light beam emitting alternately at at least two distinct wavelengths, either directly or by means of at least one device coupled to said at least one source, said device being chosen among an optical wavelength or frequency generation device, an amplitude modulation device and an optical frequency modulation device.
  • a second embodiment it is possible to generate alternately at least two light beams each emitting at at least one distinct wavelength, either directly or by means of at least one device coupled to said at least one source, said device being chosen from a wavelength or optical frequency generation device, an amplitude modulation device and an optical frequency modulation device.
  • the alternating emission of light beams at specific wavelengths makes it possible to improve the sensitivity and the precision of the measurement.
  • the device for generating the wavelength or optical frequency, the amplitude modulation device and the optical frequency modulation device can be produced by means of optical components (linear and nonlinear), such as a set of nonlinear crystals, a Raman cell, a prism or a prism system, an array, passive or active optical filters, a gas absorption cell, an acousto modulation device - optics, an electro-optical modulator, a Lyot filter, an optical fiber or a system of several optical fibers.
  • optical components linear and nonlinear
  • optical components such as a set of nonlinear crystals, a Raman cell, a prism or a prism system, an array, passive or active optical filters, a gas absorption cell, an acousto modulation device - optics, an electro-optical modulator, a Lyot filter, an optical fiber or a system of several optical fibers.
  • the at least one backscattered light reception and detection module comprises at least one device for selecting the at least one measurement wavelength and the at least one reference wavelength present in the backscattered light.
  • the selection of the separate measurement and reference wavelengths is therefore done at the level of the module (s) for receiving and detecting backscattered light.
  • the selection device can be chosen from an optical frequency modulation device and an amplitude modulation device.
  • non-linear optical components such as a set of non-linear crystals, a prism or a system of prisms, an array, passive or active optical filters, a gas absorption cell.
  • an acousto-optical modulation device such as a set of non-linear crystals, a prism or a system of prisms, an array, passive or active optical filters, a gas absorption cell.
  • an acousto-optical modulation device such as a set of non-linear crystals, a prism or a system of prisms, an array, passive or active optical filters, a gas absorption cell.
  • an acousto-optical modulation device such as a set of non-linear crystals, a prism or a system of prisms, an array, passive or active optical filters, a gas absorption cell.
  • an acousto-optical modulation device
  • the generation of optical frequencies can be carried out by optical frequency modulation or by other known methods such as for example the mixtures of optical frequencies by nonlinear effect in nonlinear optical crystals or optical fibers, by parametric effect (oscillation and / or amplification) also in non-linear optical crystals or optical fibers.
  • the measurement and reference wavelengths can be in the ultra-violet range.
  • said at least one continuous emission light source used in step (i) can be chosen from
  • a continuous emission laser optionally with a power less than or equal to 1W, in particular a wideband laser source, a tunable laser source, a laser diode or an optical fiber,
  • LED light-emitting diodes
  • SLED superluminescent diodes
  • the light source used during step (i) can be of a power less than or equal to 1 W, preferably less than or equal to 500 mW, more preferably less than or equal to 10OmW, or even less than or equal to 50 mW, 20mW or 10mW.
  • the minimum power of the light source can be 1mW, preferably 2mW.
  • a light source, in particular a laser, of power less than or equal to 100 mW makes it possible to significantly reduce the cost and size of the system according to the invention.
  • the gaseous component (s) of interest can be chosen from a volatile organic compound (VOC), sulfur oxides, nitrogen oxides, ozone, ammonia (NH3).
  • VOC volatile organic compound
  • NH3 ammonia
  • the gaseous constituent of interest can be a VOC classified as carcinogenic, such as benzene, 1, 3-butadiene.
  • volatile organic compound any organic compound having a saturated vapor pressure of 0.01 kPa or more at a temperature of 293.15 K and at atmospheric pressure.
  • organic compound means any compound containing at least the element carbon and one or more of the following elements: hydrogen, halogen, oxygen, sulfur, phosphorus, silicon or nitrogen, with the exception of carbon oxides and carbonates and inorganic bicarbonates.
  • the gaseous constituent of interest can be chosen from benzene, 1, 3-butadiene, styrene, toluene, ethylbenzene, xylene, SO2, NO2, O3 ....
  • the measurement wavelength can be set at 258.9nm and the reference wavelength can be set at 262nm.
  • the length measuring wavelength can be set at 220nm and the reference wavelength can be set at 230nm.
  • the invention is not however limited to the choice of these wavelengths, other wavelengths may be more appropriate depending on the nature of the other compounds possibly present in the atmosphere.
  • One or more measurement wavelengths located outside the absorption spectra of the gaseous compounds / constituents present in the atmosphere that it is not desired to detect and quantify, or in part of these spectra of absorption likely not to significantly influence the measurement of the constituent of interest.
  • the system according to the invention comprises: at least one continuous emission light source, preferably non-monochromatic, capable of generating at least one light beam along an emission axis, the light beam (s) emitting at least two distinct wavelengths: at least one measurement wavelength located in the absorption spectrum of said at least one gaseous constituent of interest and at least one other reference wavelength located outside the spectrum of absorption of said at least one gaseous constituent of interest, a module for receiving and detecting backscattered light capable of generating a signal for each measurement and reference wavelength of said at least one gaseous constituent of interest, and comprising o an optical device comprising an optical plane and configured to collect backscattered light and direct it towards a light sensor, o the light sensor comprising at least one finished surface detector or at least one arrangement of finished surface detectors, the detector (s) being aligned on an image plane and configured to
  • the object plane containing the emission axis, a plane parallel to the image plane and passing through a center of the optical device and a plane parallel to the optical plane passing through a focal length of the optical device can intersect along the same straight line, of so that the rule of the hinge is respected.
  • said at least one light source generates a single light beam emitting alternately at at least two distinct wavelengths, either directly or by means of at least one device coupled to said at least one source, this device being chosen from among an optical wavelength or frequency generation device, an amplitude modulation device and an optical frequency modulation device,
  • said at least one light source alternately generates at least two light beams each emitting at at least one distinct wavelength, either directly or by means of at least one device coupled to said at least one source, this device being chosen from a wavelength or optical frequency generation device, an amplitude modulation device and an optical frequency modulation device,
  • the at least one light source generates a single polychromatic light beam emitting a plurality of distinct wavelengths, discrete or contained in a continuous spectrum
  • the at least one backscattered light reception and detection module comprises at least a device for selecting the at least one measurement wavelength and the at least one reference wavelength present in the backscattered light.
  • optical wavelength or frequency generation device the amplitude modulation device, the optical frequency modulation device and the selection device can be selected as previously described.
  • said at least one light source can be as described above.
  • said at least one light source may be able to generate one or more light beams of wavelength in the ultraviolet.
  • the optical device can be chosen from among a telescope, a lens system and a telescope coupled to a lens system, preferably a lens system.
  • the light sensor of the reception and detection module may include at least one finished surface detector, each finished surface detector detecting a concentration at a particular distance, different from the determination distance of the other finished surface detectors. This allows a concentration of a gaseous component of interest to be measured at different distances along the axis of emission using different light sensors.
  • Figure 1 schematically shows a detection and quantification system according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 schematically and partially represents the detection system of FIG. 1 in a configuration respecting the principle of Scheimpflug.
  • FIG. 3 represents the curves of the voltage of the photo-detector as a function of the distance for the "ON" signal (upper curve), corresponding to the backscattering of the light beam of wavelength 258.9nm, and for the signal " OFF ”(lower curve), corresponding to the backscattering of the light beam of wavelength 262nm.
  • Figure 4 shows the curves of the relative difference in voltage between the signals at the anode as a function of distance, with the biases (lower curve) and without the biases (upper curve).
  • the detection and quantification method according to the invention is now described in detail. It can in particular be implemented by means of the system 10 described below with reference to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 schematically represents a detection and quantification system 10 according to one embodiment of the invention for the detection and quantification of a particular gaseous constituent in the atmosphere.
  • This system 10 comprises a transmission module 20, a reception and detection module 30 and a data processing device 40.
  • the emission module 20 comprises a single light source 22 producing a continuous light beam and a device 24 which may be a device for generating wavelength or optical frequency and / or a device. amplitude modulation and / or an optical frequency modulation device of this light beam.
  • the device 24 makes it possible to generate alternately, along an emission axis A, a light beam at several distinct wavelengths (at least two), at least one so-called measurement wavelength situated in the spectrum d absorption of a gaseous constituent of interest, at least one other so-called reference wavelength situated outside the absorption spectrum of the gaseous constituent of interest.
  • the light beams are emitted in one and the same direction of axis A, this axis A being contained in a plane P, called the object plane (perpendicular to the plane of the drawing in Figure 2).
  • a measurement wavelength for a gaseous component of interest may correspond to a reference wavelength for another gaseous component of interest.
  • the light source 22 can be chosen from a broadband laser source, a tunable laser source, a laser diode, an optical fiber, one or more LEDs or one or more SLEDs.
  • the light source can be a solid-state laser pumped optically, preferably by laser diodes (one speaks of "Diode-Pumped Solid-State Laser” in English, the acronym is DPSSL).
  • Nd-Yag, Nd-YLF single frequency pump laser source
  • Ti tunable laser source
  • Ti tunable laser source
  • a device 2
  • alternating wavelength or optical frequency generation of a laser beam at optical frequencies included in the absorption spectra gaseous constituents of interest.
  • a titanium-sapphire laser, Cr: Lisaf, or diodes whether or not coupled to one or more devices for generating optical frequencies or wavelengths and / or one or more amplitude modulation and / or optical frequency modulation devices.
  • the device (24) is optional and chosen according to the nature of the light source 22.
  • the emission module 20 can comprise at least two distinct light sources which emit directly or indirectly (for example by means of a device (24) for generating a wavelength or an optical frequency and / or an optical frequency. amplitude modulation and / or optical frequency modulation) of the beams at optical frequencies included in the absorption spectra of the gaseous constituents of interest.
  • the light sources can then emit simultaneously or alternately.
  • the light source 22 it is not necessary that the light source 22 be powerful, a power less than or equal to 100mW is sufficient for the implementation of the invention. We can nevertheless consider a light source 22 of power from 1mW to 1W, from 1mW to 500mW, from 2mW to 100mW, from 2 to 50mW, from 2 to 20mW from 2 to 15mW or from 2 to 10mW (terminals included ) or a power included in any interval formed by these limits.
  • the device 24 for generating the wavelength or optical frequency and / or amplitude modulation and / or optical frequency modulation can make it possible to generate a light beam at the frequency double, triple or quadruple the frequency of the beam. produced by the light source 22, in other words by creating harmonics of this beam or at other optical frequencies by frequency and / or amplitude modulation.
  • the device 24 can then be chosen from the aforementioned components, or any other suitable device, whatever the nature of the light source 22.
  • the device for generating wavelength or optical frequency and / or modulating d The optical amplitude and / or frequency modulation can optionally be integrated into the light source 22.
  • the emission module 20 may further comprise, in the usual manner, an optomechanical device 26 which sends the light beam towards the atmosphere.
  • the optomechanical device often contains a beam expander which increases the width of the beam while decreasing its divergence. This type of device is well known and will not be described in more detail.
  • the light beam transmitted into the atmosphere is then diffused by the atmosphere, possibly absorbed in part by the atmosphere or its constituents, and then in part backscattered by the atmosphere and its constituents.
  • the function of the reception and detection module 30 is to receive and detect the light backscattered by the atmosphere and the gaseous component (s) considered.
  • This module 30 comprises an optical device 32 collecting light comprising an optical plane 33.
  • the function of the optical device 32 is to collect and direct the backscattered light towards a light sensor 34. It will be noted that the axis A of emission of the beam light and the axis A 'of the optical device 32 are not necessarily parallel, unlike what is shown in Figure 1.
  • Optical device 32 may be a refractive optical device, a reflective optical device, or a combination of both.
  • An optical refractor device may include one or more refracting elements, for example a convergent and divergent lens system.
  • a reflective optical device may include one or more catoptric elements, such as a telescope.
  • An optical device usually includes an aperture (eg, the diameter of the primary refractor or reflector, i.e. receiving light first) and a focal length.
  • Light sensor 34 includes at least one array of finished surface detectors aligned on an image plane 35 (Fig. 2) and configured to generate at least one signal.
  • the detectors can be photoconductors, photodiodes, phototransistors, or photomultipliers. Depending on the use, a single finished surface detector aligned with the image plane 35 may be provided.
  • the light sensor 34 converts a light signal into an electrical signal. It is in particular configured to emit at least one signal 36 which is then recorded electronically, for example by photo counting or analog detection.
  • the light sensor 34 can be chosen from among a photomultiplier, an array of photomultipliers, a CCD (Charged Coupled Device) sensor and a CMOS (Complementary Metal Oxide) sensor. Semiconductor).
  • the light sensor 34 includes a number n p of finished surface detectors, a sensor length Pi and has a sensor inclination Q. Each detector has a detector width w p .
  • the object plane P, the plane 33 of the optical device 32 and the image plane 35 intersect so that the Scheimpflug principle is respected.
  • the object plane P, the plane 33 and the image plane 35 intersect on the same straight line D1 (perpendicular to the plane of the drawing of FIG. 2).
  • the reception and detection module 30 can also include a wavelength filter 38 making it possible to get rid of some of the background noise.
  • the reception and detection module 30 may further comprise an amplitude modulation and / or optical frequency modulation device 32 ′ shown schematically in FIG. 2, of the same type as the amplitude modulation and / or modulation device. frequency previously described.
  • the system 10 finally comprises a signal processing device 40 configured to determine from the signals emitted by the light sensor 34 a concentration of gaseous constituent along the emission axis A, in particular a concentration at each point of. a plurality of points located along this emission axis A, each point corresponding to a detector of the light sensor or a cumulative concentration along the emission axis A over the entire path between the source and the distance the largest measured by a detector of the light sensor.
  • This signal processing device 40 can in particular be connected to the image sensor 34 to receive the signals 36 emitted by the latter, possibly after an analog-to-digital conversion.
  • the processing device 40 can also form a control device for the transmission module 20.
  • the emission module 20 emits continuous light in the atmosphere along the axis A located in a plane called the object plane P (perpendicular to the plane of the drawing in figure 2).
  • the light emitting module 20 emits a continuous light beam alternately at at least two respective wavelengths li, 12 distinct.
  • This emission of the light beam can be controlled by the data processing device 40.
  • the light beam then propagates in the atmosphere along this axis A until it is returned in the opposite direction towards the module 30 for reception and detection by reflection and / or diffusion of a constituent of the atmosphere 1
  • This light beam having undergone extinction by the atmosphere during its propagation and backscattering, is then collected and detected alternately synchronously with the emission device, optionally after filtering of the ambient radiation, by the module 30.
  • the backscattered light reaches the light sensor 34, the latter generates several signals 36 which are then transmitted for processing to the signal processing device 40.
  • the processing device 40 is configured to operate according to the steps described below, in particular when the transmission module 20 is activated.
  • Step 1 receive a signal Si from the light sensor 34 corresponding to the backscattering of the beam of wavelength li, this wavelength being a measurement wavelength,
  • Step 2 receive a signal 3 ⁇ 4 from the light sensor 34 corresponding to the backscattering of the beam of wavelength ⁇ 2, this wavelength being a reference wavelength,
  • Step 3 calculate a concentration of gaseous constituent by processing the signals Si and / 3 ⁇ 4
  • the concentration calculated in step 3 corresponds to a concentration calculated at a measurement distance z from the light source measured by the light sensor consisting of one or more detectors. In other words, this concentration is measured along the axis of emission.
  • steps 1 and 2 can be implemented simultaneously or not for several measurement and / or reference wavelengths in order to detect, simultaneously or not, the presence of one or more gaseous constituents of interest and of calculate their concentration.
  • Steps 1 to 3 can thus be repeated simultaneously or not, for different emission axis directions and / or for different constituents or not.
  • T TG (Z, l) optical transmission at wavelength l of the target constituent TG (“Target Gas”) between the light source and the distance z,
  • T atm (z, l) optical transmission at wavelength l of components of the atmosphere other than the target constituent between the light source and the distance z, h ⁇ l): spectrum of the opto-efficiency electronics of the detection part,
  • NTG (Z) (also noted N hereafter): concentration of the target component (ie gas concentration) at the distance z, s (l) (also noted OTG ⁇ ) hereafter): effective absorption section of the component target at wavelength l,
  • O ⁇ M (l) are the amplitude modulation functions depending on the modulation device used. This modulation device can be located on the side of the light source or of the reception and detection module.
  • Equation (4) gives the relationship between the distance measured by a detector n located at a position pi of the sensor, z being the measurement distance in the object plane.
  • the angle F and the distance Lu are defined by equations (5) and (6), pi by equation (7) and angle Q by equation (8).
  • z re f height of a reference target and pi , re f position on the sensor of this same reference target.
  • Equation (9) gives the sampling angle (y) for each measurement distance (or each detector). Each detector is thus associated with a scattering angle and therefore with a measurement distance.
  • g artan ⁇ (9)
  • the concentration evaluated during step 3 can be determined as described below, assuming that the factor ⁇ is constant in the spectral range considered.
  • Equation (1) is a variable representing the set of cumulative concentrations according to possible z and f (z, x) is the function modeling the signal detected at the distance z in space of all possible cumulative concentrations CC (z).
  • CC (z) is defined as:
  • j 1, 2, ..., n, n integer, the index i relating to a signal / a measurement function and the index j to a signal / a reference function .
  • variable x corresponds to the cumulative concentration CC (z) when in z the ratio Si (z) /, 3 ⁇ 4 (z) is equal to the ratio fi (z, x) / f2 (z, x). Consequently, looking for the concentration CC (z) amounts to looking for the zero of the function g (z, x). In other words, the concentration CC (z) corresponds to the first zero of the function g (z, x). The cumulative concentration can then be evaluated using a root search algorithm on equation (12) above.
  • the relative numerical error is less than 10 12 from 5 iterations and reaches the numerical calculation limits (around 10 16 ) after only 7 iterations.
  • / is the length of the optical path.
  • This concentration corresponds to a cumulative concentration over the entire length of the path traveled (and detected) by the light beam (s) along the emission axis, in particular from a minimum detection distance zo (measured from the detector), which can be estimated by respecting the conditions of Scheimpflug.
  • the light sensor may include a single finite surface detector (OSAS not spatially resolved)
  • the NTG concentration can then be determined iteratively using the Newton-Raphson algorithm as described previously.
  • the various embodiments described use a single measurement wavelength and a single reference wavelength. They are, however, equally applicable to two or more measurement wavelengths and two or more reference wavelengths.
  • the processing of the signals generated for each measurement and reference wavelength of a gaseous constituent of interest in order to determine a concentration of this constituent gaseous of interest along the emission axis comprises:
  • Si representing the signal detected for a measurement wavelength L
  • S j representing the signal detected for a reference wavelength ⁇ j, in particular as defined in equation (1) or (17) (in which, for consistency, the index i is replaced by a general index "h" equal to i or j)
  • Equation (16) determines the concentration expressed by equation (16) (in which, for consistency, the indices 1 and 2 are replaced respectively by i and j), the effective absorption section s b ⁇ h (l) ( and s b ⁇ h (l)) being defined by equation (15) (in which, for consistency, the index i is replaced by a general index "h" equal to i or j) and calculated for each length in wave ⁇ ,.
  • this concentration can be determined at each point of a plurality of points located along the emission axis, these points each corresponding to a measuring distance determined by a detector of the detector array.
  • the determined concentration is cumulated over the entire measurement distance between the nearest detector and the most distant detector when many detectors are present or over the measurement distance separating a single detector from the light source.
  • the processing device 40 is configured to implement the signal processing described above.
  • the processing device 40 may be implemented by software executed on one or more computing devices.
  • each “element” or “means” of such a computing device refers to a conceptual equivalent of a method step.
  • a processing unit constitutes one element / means during the execution of an instruction, but constitutes another element / means during the execution of another instruction.
  • an element / means can be implemented by one or more instructions as appropriate.
  • Such a software controlled computing device may include one or more processing units, e.g.
  • Data processing device 10 may further include system memory and a system bus that couples various system components, including system memory, to the processing unit.
  • the system bus can be any of several types of bus structures, including a memory bus or memory controller, a peripheral bus, and a local bus using any conventional bus architecture.
  • System memory may include computer storage medium in the form of volatile and / or non-volatile memory such as read only memory (ROM), random access memory (RAM), and flash memory.
  • Software may be stored in system memory or other removable / non-removable computer storage media included or accessible to the computing device, such as magnetic media, optical media, flash memory, cards, digital tape, RAM , ROM, etc.
  • the data processing device 10 may include one or more communication interfaces, such as a serial interface, a parallel interface, a USB interface, a wireless interface, a network adapter, etc., as well as one or more devices. data acquisition, such as an A / N converter.
  • Software can be provided to data processing device 10 on any suitable computer readable medium, including recording medium and read only memory. Examples: Detection of benzene and 1,3-butadiene
  • the signals generated for the detection of benzene and 1,3-butadiene in the atmosphere were simulated in an industrial refinery-type area.
  • the detector used in the examples is an H7260-04 photomultiplier (photon detector) from the company Hamamatsu, exhibiting a typical gain of 1 x 10 6 , a typical dark current of 0.5 nA and a crosstalk equal to 3% for two pixels located side by side.
  • benzene absorbs at the following wavelengths: 266.8nm, 259nm, 252.95nm, 247.19nm and 241.68nm.
  • This absorption spectrum is characteristic of the electronic transition Si ( 1 B2 U ) 4 ⁇ So ( 1 Ai g ) prohibited but vibrationally induced.
  • the measurement of a particular species by differential absorption must also consider all the compounds present in the atmosphere and having an absorption spectrum in the same spectral range which, potentially, can induce a bias in the measurement.
  • the compounds likely to be present are: benzene, toluene, 1-3 butadiene, hydrogen sulphide, sulfur dioxide, ethylbenzene, xylenes (m-, o-, p-), ozone , styrene, nitrogen monoxide, nitrogen dioxide and trimethylbenzene as well as standard alkenes and alkanes.
  • the spectrum of 1, 3-butadiene shows a strong absorption band between 200 and 217nm attributed to the electronic transition ] B u ⁇ ] A g as well as its vibronic structure due to the activity Franck-Condon of his symmetrical modes. Due to the Rydberg continuum, the wavelengths chosen should also be greater than 220 nm.
  • the laser emission can be achieved by considering the generation of harmonics (sum and / or mixture of optical frequencies) of the fundamental emission of the laser in the visible spectrum or the IR according to Table 3.
  • Table 3 Laser wavelengths accessible by generation of harmonics. The values in bold indicate the wavelengths necessary to carry out the measurement of benzene and 1, 3-butadiene.
  • the theoretical sensitivity of the OSAS method can be determined by considering an uncertainty of 1% on the Si / & contrast.
  • a sensitivity of 2 ppbv (by volume) averaged over an absorption distance of 50 meters can be obtained with a spectral width of 0.1 nm, or a sensitivity in terms of absorbance of 100 ppbv.meter. If we increase the spectral width, we notice an increase in the value of the sensitivity.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the SNR ratio can be determined on the basis of equation (20): With: n: number of molecules of the species considered (in molecules / m 3 ) e: statistical uncertainty on the measurement Ds: difference of the effective sections at the two wavelengths considered (in m 2 ),
  • Tables 4 and 5 respectively give the SNR values of signal to noise for benzene and for 1, 3-butadiene of the lidar signals as a function of the desired precision of the concentration.
  • Table 6 Detector and simulation characteristics
  • ⁇ 0.03nm is the precision required on the central wavelength of the emissions.
  • the simulation was carried out considering an emission spectral width of the laser of 0.1 nm.
  • the powers of the beams of wavelength P1, P2 are identical.
  • Figure 3 shows the signals simulated using the modeling of equation (1) as a function of distance for the two wavelengths used for the analysis of benzene.
  • This figure 3 shows the presence of a linear decrease in the voltage signal from 20 m. Before 20m, the variation of the signal is dominated by the variation of the value of dz which prevents the variation of the signals from being completely linear.
  • the relative difference of the voltage U expressed by the AU / LI ratio can be plotted as a function of the distance, this curve is represented in figure 4. In this figure 4, for the sake of clarity, the pixels of the sensor will be represented by dots. .
  • the sources of bias considered in constructing the curve in Figure 4 are styrene and ozone.
  • Figure 4 shows that the relative difference in voltage U increases with distance: at 43m it is equal to 0.67% once the biases have been removed.
  • the precision can be improved, for example, by modifying the parameters of the detector, in particular by varying the bandwidth, the integration time, the dimensions of the detector or the power of the laser.
  • the invention is not limited to the use described with reference to the example.
  • the method and system according to the invention can be used to detect and determine the concentration of gaseous constituents in the atmosphere at distances of 0.1 to 10m or 0.5 to 50m, in particular in industrial areas.
  • the choice of wavelengths for a target constituent should be determined based on other compounds likely to be present and absorb in a spectral region of interest.
  • the method and system of the present invention can be implemented by means of a compact system, easily movable and usable in an industrial area.

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Abstract

L'invention concerne un système et un procédé de détection et de quantification de constituants gazeux dans l'atmosphère par un système laser, en particulier par un système LIDAR mettant en oeuvre la méthode OSAS et le principe de Scheimpflug.

Description

DESCRIPTION
TITRE : SYSTEME ET PROCEDE DE DETECTION ET DE QUANTIFICATION DE CONSTITUANTS GAZEUX DANS L’ATMOSPHERE
Domaine technique
L’invention a pour objet un système et un procédé de détection et de quantification de constituants gazeux dans l’atmosphère par un système laser, en particulier par un système LIDAR mettant en oeuvre la méthode OSAS et le principe de Scheimpflug.
Le système et le procédé selon l’invention sont particulièrement adaptés pour surveiller la présence de polluants rejetés dans l’atmosphère, en particulier dans les zones industrielles, par exemple dans les raffineries, à proche distance du sol, notamment dans une zone allant de 0 à 50m de hauteur. Du fait de l’évolution des règlementations, il sera en effet bientôt nécessaire de contrôler les émissions de composés organiques tels que les COV (composés organiques volatils). Technique antérieure
Le LIDAR (acronyme de « light détection and ranging », en français « détection et télémétrie par la lumière ») est une technique de mesure à distance fondée sur l'analyse des propriétés optiques de propagation d'un faisceau de lumière. Selon cette technique, une impulsion laser est émise dans la direction d'un constituant à localiser. La distance de ce constituant est donnée par la mesure du délai entre l'émission de l'impulsion lumineuse et la détection du signal réfléchi ou diffusé par le constituant.
Le LIDAR à absorption différentielle (DiAL en anglais « Differential Absorption Lidar ») met en oeuvre des impulsions laser de deux longueurs d'onde distinctes. L’énergie de l’impulsion laser à l’une des longueurs d’onde (longueur d’onde absorbée) est fortement absorbée dans le spectre d'absorption du constituant que l'on cherche à détecter. L'autre longueur d'onde (longueur d’onde de référence) est choisie dans une région spectrale dont l’énergie de l’impulsion laser ne subit pas d’absorption, ou d'absorption négligeable, dans le spectre d'absorption du constituant. Pour chacune de ces deux longueurs d'onde, la lumière réfléchie ou diffusée par l'atmosphère est collectée par une optique adaptée et est mesurée par un photodétecteur pour former un signal lidar. La comparaison des signaux lidar pour la longueur d'onde absorbée et la longueur d'onde de référence permet de déterminer la localisation et la concentration du constituant recherché. Cette technique est utilisée en surveillance de l’atmosphère, et notamment de la qualité de l’air, pour procéder à des mesures à distance de composés gazeux présents dans l’atmosphère, notamment pour mesurer les profils de concentration de gaz minoritaires : vapeur d'eau, O3, NO2, S02, C02, CH4, ....
Le LIDAR à absorption différentielle est basé sur une émission laser quasi monochromatique permettant d’obtenir une sensibilité suffisante tout en minimisant l’absorption d’autres molécules interférant avec la mesure d’extinction optique du constituant cible. Les utilisations connues en surveillance et observation de l’atmosphère nécessitent une source laser de puissance suffisante pour la mesure de l’atmosphère à une distance de l’ordre du kilomètre ou plus. De telles sources monochromatiques à haute énergie sont coûteuses et fragiles et ne peuvent être utilisées dans un système de détection portable et facilement déplaçable, notamment sur site industriel.
La publication de L. Mei et M. Brydegaard : continuous-wave differential absorption lidar, Laser Photonics Rev.9, No.6, 629-636 (2015) décrit un système LIDAR à source lumineuse continue mettant en œuvre le principe de Scheimpflug. Le calcul de la concentration nécessite cependant d’utiliser des sources lumineuses monochromatiques. En outre, ce système ne fonctionne toutefois que la nuit et nécessite, pour fonctionner de jour, une source quasi monochromatique de forte puissance, ce qui n’est démontré qu’avec une source de forte puissance à large bande non adaptée à la mesure DIAL.
Le document CN206740648U décrit également un système LIDAR à source lumineuse continue mettant en œuvre le principe de Scheimpflug utilisé pour déterminer une distribution de concentrations en NO2 dans l’atmosphère. Deux sources laser sont utilisées, l’une émettant à la longueur d’onde de NO2 et l’autre émettant à une longueur d’onde de référence. Le calcul de la concentration nécessite cependant également d’utiliser des sources lumineuses monochromatiques.
Une autre approche consiste à utiliser des sources lumineuses non monochromatiques. Il est cependant alors difficile de réaliser une mesure quantitative.
Le document WO2019/013698 décrit un système « Scheimpflug LIDAR » basé sur le principe de Scheimpflug qui exprime la relation entre des plans objet et image non parallèles d’un système d’imagerie optique. Le système décrit utilise une source continue multimodes utilisée pour la détection de O2 et H2O qui sont présents en des quantités notables. La méthode OSAS, acronyme de l’expression anglaise « Optical Similitude Absorption Spectroscopy » (spectroscopie d’absorption optique par similitude), permet de réaliser une mesure quantitative tout en utilisant des sources de lumière non monochromatiques. Le principe de la méthode OSAS est similaire à celui du LIDAR à absorption différentielle et utilise également la génération d’émissions à deux longueurs d’onde différentes, l’une d’absorption et l’autre de référence. Toutefois, dans le cas de la méthode OSAS, les faisceaux lumineux générés ne sont pas forcément monochromatiques. La méthode OSAS utilise en outre un algorithme différent de celui du LIDAR à absorption différentielle pour calculer les concentrations, tel que décrit par Galtier et al. (« Remote sensing of methane with OSAS-lidar on the 2v3 band Q-branch: experimental proof », J. Mol. Spectrosc., 348 (2018) et Anselmo et al. (« Gas concentration measurement by optical similitude absorption spectroscopy: methodology and experimental démonstration », Opt. Express, 24(2016), no.12, 12588-12599). La détection du méthane décrite par Galtier et al. est réalisée dans l’atmosphère en utilisant une source de lumière pulsée et dans une cellule ouverte de concentration connue. Par ailleurs, Anselmo et al. décrit une mesure en laboratoire de concentration en gaz connue et contenu dans une cellule scellée.
En outre, les sources lasers utilisées dans les méthodes LIDAR à absorption différentielle standards sont coûteuses et fragiles : elles ne peuvent être mises en oeuvre dans un système de détection portable facilement déplaçable, en particulier sur site industriel.
Résumé de l’invention
L’invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients en proposant un procédé et un système de détection et de quantification de constituants gazeux qui soient simples à mettre en oeuvre, peu coûteux et facilement déplaçables, notamment sur site industriel. L’invention est particulièrement adaptée à une détection et une quantification avec une bonne sensibilité (pouvant aller jusqu’à quelques ppb volumiques) de constituants présents dans l’atmosphère à faible distance, notamment une distance inférieure à 50 mètres.
Un premier objet de l’invention concerne un procédé de détection et de quantification d’au moins un constituant gazeux d’intérêt dans l’atmosphère, comprenant :
(i) générer le long d’un même axe d’émission au moyen d’au moins une source de lumière à émission continue, au moins un faisceau lumineux, le ou les faisceaux lumineux émettant à au moins deux longueurs d’onde distinctes : au moins une longueur d’onde de mesure située dans le spectre d’absorption dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt, et au moins une autre longueur d’onde de référence située en dehors du spectre d’absorption dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt, ledit au moins un faisceau étant transmis dans l’atmosphère, puis diffusé et absorbé par l’atmosphère et l’au moins un constituant gazeux d’intérêt, et en partie rétrodiffusé,
(ii) générer un signal pour chaque longueur d’onde de mesure et de référence dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt au moyen d’un module de réception et de détection de lumière rétrodiffusée qui comprend : a. un dispositif optique comportant un plan optique et configuré pour diriger une lumière rétrodiffusée vers un capteur de lumière, b. le capteur de lumière comportant au moins un détecteur de surface finie ou au moins un arrangement de détecteurs de surface finie, le ou les détecteurs étant alignés sur un plan image et configurés pour générer lesdits signaux, un plan objet contenant l’axe d’émission, le plan optique et le plan image se coupant suivant une même droite,
(iii) traiter les signaux générés pour chaque longueur d’onde de mesure et de référence dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt et déterminer une concentration de ce constituant gazeux d’intérêt le long de l’axe d’émission.
Du fait de la position particulière des plans objet, optique et image, le principe de Scheimpflug est respecté.
Le procédé selon l’invention combine ainsi la méthode OSAS (étape (i)) et le principe de Scheimpflug (étape (ii)), permettant une détection de faibles quantités de constituants gazeux (pouvant aller jusqu’à quelques ppb volumiques pour certains constituants) à faible distance, notamment à une distance du module d’émission de lumière inférieure ou égale à 50 mètres, largement suffisante pour la détection de constituants gazeux provenant des émissions d’une zone industrielle.
La ou les sources lumineuses émettent chacune un ou plusieurs faisceaux lumineux. Ces émissions de lumière ne sont pas des impulsions mais elles sont continues. L’utilisation d’une ou plusieurs sources continues peut permettre de prévoir une source de lumière à plus faible coût qu’une source de lumière pulsée et/ou de faible encombrement. En outre, même lorsque le ou les faisceaux lumineux générés par l’utilisation de la méthode OSAS ne sont pas monochromatiques, une bonne sensibilité de mesure peut être obtenue dans la zone d’intérêt, à savoir dans une zone s’étendant à une distance de Xmin à Xmax de la ou des sources de lumière le long de l’axe d’émission, la distance Xmax dépendant de Xmin et de la sensibilité du module de détection. A titre d’exemple, cette zone peut être de 0,1 m à 10m ou de 0,5m à 50m.
Notamment, la détermination de concentration d’un constituant réalisée à l’étape (iii), notamment par un dispositif de traitement du signal, peut utiliser au moins un rapport entre un signal détecté pour une longueur d’onde de mesure de ce constituant gazeux d’intérêt et un signal détecté pour une longueur d’onde de référence du même constituant gazeux.
De manière générale, quel que soit le mode de réalisation, la ou les sources de lumière sont des sources de lumière à large bande (non monochromatiques), notamment de largeur spectrale qui peutêtre plus large que la bande spectrale d’absorption (largeur de raie spectrale des lignes d’absorption) d’un ou plusieurs constituants gazeux d’intérêt.
Avantageusement, pour une meilleure précision, notamment sur la distance de mesure et la concentration du constituant gazeux, le plan objet contenant l’axe d’émission, un plan parallèle au plan image et passant par un centre du dispositif optique et un plan parallèle au plan optique passant par une focale du dispositif optique peuvent se couper suivant une même droite. La règle de la charnière (« hinge » en anglais, dite règle de Hinge dans la littérature) est alors respectée.
Dans un premier mode de réalisation, on peut générer un unique faisceau lumineux émettant alternativement à au moins deux longueurs d’onde distinctes, soit directement, soit au moyen d’au moins un dispositif couplé à ladite au moins une source, ledit dispositif étant choisi parmi un dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, un dispositif de modulation d’amplitude et un dispositif de modulation de fréquence optique.
Dans un deuxième mode de réalisation, on peut générer alternativement au moins deux faisceaux lumineux émettant chacun à au moins une longueur d’onde distincte, soit directement, soit au moyen d’au moins un dispositif couplé à ladite au moins une source, ledit dispositif étant choisi parmi un dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, un dispositif de modulation d’amplitude et un dispositif de modulation de fréquence optique. Dans ces modes de réalisation, l’émission alternative de faisceaux lumineux à des longueurs d’onde spécifiques permet d’améliorer la sensibilité et la précision de la mesure.
Avantageusement, dans chacun de ces deux modes de réalisation, le dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, le dispositif de modulation d’amplitude et le dispositif de modulation de fréquence optique peuvent être réalisés au moyen de composants optiques (linéaires et non linéaires), tels qu’un ensemble de cristaux non linéaires, une cellule Raman, un prisme ou un système de prismes, un réseau, des filtres optiques passifs ou actifs, une cellule d’absorption de gaz, un dispositif de modulation acousto- optique, un modulateur électro-optique, un filtre de Lyot, une fibre optique ou un système de plusieurs fibres optiques.
Dans un troisième mode de réalisation, au cours de l’étape (i) on peut générer un unique faisceau lumineux polychromatique émettant une pluralité de longueurs d’ondes distinctes, discrètes ou contenues dans un spectre continu, et, au cours de l’étape (ii) l’au moins un module de réception et de détection de lumière rétrodiffusée comprend au moins un dispositif de sélection de l’au moins une longueur d’onde de mesure et de l’au moins une longueur d’onde de référence présentes dans la lumière rétrodiffusée. Dans ce cas, la sélection des longueurs d’ondes distinctes de mesure et de référence se fait donc au niveau du ou des modules de réception et de détection de lumière rétrodiffusée.
Dans ce mode de réalisation, le dispositif de sélection peut être choisi parmi un dispositif de modulation de fréquence optique et un dispositif de modulation d’amplitude. A titre d’exemple, on pourra utiliser des composants optiques non linéaires, tel qu’un ensemble de cristaux non linéaires, un prisme ou un système de prismes, un réseau, des filtres optiques passifs ou actifs, une cellule d’absorption de gaz, un dispositif de modulation acousto-optique, un modulateur électro-optique, un interféromètre de Fabry-Perot, un filtre de Lyot, une fibre optique ou un système de plusieurs fibres optiques.
De manière générale, la génération de fréquences optiques peut être réalisée par modulation de fréquence optique ou par d’autres méthodes connues telles que par exemple les mélanges de fréquences optiques par effet non linéaire dans des cristaux optiques non linéaires ou fibres optiques, par effet paramétrique (oscillation et/ou amplification) dans des cristaux optiques non linéaires également ou fibres optiques. Avantageusement, de manière générale, les longueurs d’onde de mesure et de référence peuvent être dans le domaine de l’ultra-violet.
De manière générale, ladite au moins une source de lumière à émission continue utilisée lors de l’étape (i) peut être choisie parmi
- un laser à émission continue, optionnellement d’une puissance inférieure ou égale à 1W, notamment une source laser à large bande, une source laser accordable, une diode laser ou une fibre optique,
- une ou plusieurs diodes électroluminescentes (LED),
- une ou plusieurs diodes superluminescentes (SLED).
Avantageusement, la source de lumière utilisée lors de l’étape (i) peut être d’une puissance inférieure ou égale à 1 W, de préférence inférieure ou égale à 500mW, davantage de préférence inférieure ou égale à 10OmW, voire inférieure ou égale à 50 mW, 20mWou 10mW. La puissance minimale de la source de lumière peut être de 1 mW, de préférence de 2mW. Une source de lumière, notamment un laser, de puissance inférieure ou égale à 100mW permet de réduire notablement le coût et l’encombrement du système selon l’invention.
Avantageusement, le ou les constituants gazeux d’intérêt peuvent être choisis parmi un composé organique volatil (COV), les oxydes de soufre, les oxydes d’azote, l’ozone, l’ammoniac (NH3). Avantageusement, le constituant gazeux d’intérêt peut être un COV classé comme cancérigène, tel que le benzène, le 1 ,3- butadiène.
Par composé organique volatil, on entend tout composé organique ayant une pression de vapeur saturante de 0,01 kPa ou plus à une température de 293, 15 K et à la pression atmosphérique. Par « composé organique », on entend tout composé contenant au moins l'élément carbone et un ou plusieurs des éléments suivants : hydrogène, halogène, oxygène, soufre, phosphore, silicium ou azote, à l'exception des oxydes de carbone et des carbonates et bicarbonates inorganiques.
A titre d’exemple, le constituant gazeux d’intérêt peut être choisi parmi le benzène, le 1 ,3-butadiène, le styrène, le toluène, l’éthylbenzène, le xylène, SO2, NO2, O3 ... .
Pour détecter et quantifier le benzène, notamment dans une zone industrielle telle qu’une raffinerie, la longueur d’onde de mesure peut être fixée à 258, 9nm et la longueur d’onde de référence peut être fixée à 262nm. Pour détecter et quantifier le 1 ,3-butadiène dans une zone industrielle du même type, la longueur d’onde de mesure peut être fixée à 220nm et la longueur d’onde de référence peut être fixée à 230nm. L’invention n’est toutefois pas limitée au choix de ces longueurs d’onde, d’autres longueurs d’ondes peuvent être plus appropriées en fonction de la nature des autres composés éventuellement présents dans l’atmosphère. On choisira en effet une ou plusieurs longueurs d’onde de mesure situées en dehors des spectres d’absorption des composés/constituants gazeux présents dans l’atmosphère que l’on ne souhaite pas détecter et quantifier, ou dans une partie de ces spectres d’absorption susceptible de ne pas influer de manière conséquente la mesure du constituant d’intérêt.
Un autre objet de l’invention concerne un système de détection et de quantification d’au moins un constituant gazeux d’intérêt dans l’atmosphère, notamment pour la mise en oeuvre du procédé selon l’invention. Le système selon l’invention comprend : au moins une source de lumière à émission continue, de préférence non monochromatique, apte à générer au moins un faisceau lumineux le long d’un axe d’émission, le ou les faisceaux lumineux émettant à au moins deux longueurs d’onde distinctes : au moins une longueur d’onde de mesure située dans le spectre d’absorption dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt et au moins une autre longueur d’onde de référence située en dehors du spectre d’absorption dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt, un module de réception et de détection de lumière rétrodiffusée apte à générer un signal pour chaque longueur d’onde de mesure et de référence dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt, et comprenant o un dispositif optique comportant un plan optique et configuré pour collecter une lumière rétrodiffusée et la diriger vers un capteur de lumière, o le capteur de lumière comportant au moins un détecteur de surface finie ou au moins un arrangement de détecteurs de surface finie, le ou les détecteurs étant alignés sur un plan image et configurés pour générer lesdits signaux, un plan objet contenant l’axe d’émission, le plan optique et le plan image se coupant suivant une même droite, un dispositif de traitement des signaux générés pour chaque longueur d’onde de mesure et de référence dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt configuré pour déterminer une concentration de ce constituant gazeux d’intérêt le long de l’axe d’émission. Le module de réception et de détection respecte ainsi le principe de Scheimpflug ce qui permet d’obtenir une bonne précision de mesure.
Avantageusement, le plan objet contenant l’axe d’émission, un plan parallèle au plan image et passant par un centre du dispositif optique et un plan parallèle au plan optique passant par une focale du dispositif optique peuvent se couper suivant une même droite, de sorte que la règle de la charnière (« hinge » en anglais) est respectée.
Le système selon l’invention peut comprendre une des caractéristiques suivantes :
- ladite au moins une source de lumière génère un unique faisceau lumineux émettant alternativement à au moins deux longueurs d’onde distinctes, soit directement, soit au moyen d’au moins un dispositif couplé à ladite au moins une source, ce dispositif étant choisi parmi un dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, un dispositif de modulation d’amplitude et un dispositif de modulation de fréquence optique,
- ladite au moins une source de lumière génère alternativement au moins deux faisceaux lumineux émettant chacun à au moins une longueur d’onde distincte, soit directement, soit au moyen d’au moins un dispositif couplé à ladite au moins une source, ce dispositif étant choisi parmi un dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, un dispositif de modulation d’amplitude et un dispositif de modulation de fréquence optique,
- ladite au moins une source de lumière génère un unique faisceau lumineux polychromatique émettant une pluralité de longueurs d’ondes distinctes, discrètes ou contenues dans un spectre continu, et l’au moins un module de réception et de détection de lumière rétrodiffusée comprend au moins un dispositif de sélection de l’au moins une longueur d’onde de mesure et de l’au moins une longueur d’onde de référence présentes dans la lumière rétrodiffusée.
Le dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, le dispositif de modulation d’amplitude, le dispositif de modulation de fréquence optique et le dispositif de sélection peuvent être choisis tel que précédemment décrit.
Avantageusement, ladite au moins une source de lumière peut être tel que précédemment décrit.
Avantageusement, quel que soit le mode de réalisation, ladite au moins une source lumineuse peut être apte à générer un ou plusieurs faisceaux lumineux de longueur d’onde dans l’ultraviolet. Avantageusement, le dispositif optique peut être choisi parmi un télescope, un système de lentilles et un télescope couplé à un système de lentilles, de préférence un système de lentilles.
Avantageusement, le capteur de lumière du module de réception et de détection pourra comporter au moins un détecteur de surface finie, chaque détecteur de surface finie détectant une concentration à une distance particulière, différente de la distance de détermination des autres détecteurs de surface finie. Ceci permet de mesurer une concentration d’un constituant gazeux d’intérêt à différentes distances le long de l’axe d’émission en utilisant différents capteurs de lumière.
Brève description des dessins
L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels :
La figure 1 représente schématiquement un système de détection et de quantification selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 représente schématiquement et partiellement le système de détection de la figure 1 dans une configuration respectant le principe de Scheimpflug.
La figure 3 représente les courbes de la tension du photo-détecteur en fonction de la distance pour le signal « ON » (courbe supérieure), correspondant à la rétrodiffusion du faisceau lumineux de longueur d’onde 258, 9nm, et pour le signal « OFF » (courbe inférieure), correspondant à la rétrodiffusion du faisceau lumineux de longueur d’onde 262nm.
La figure 4 représente les courbes de la différence relative de tension entre les signaux à l’anode en fonction de la distance, avec les biais (courbe inférieure) et sans les biais (courbe supérieure).
Description détaillée
Le procédé de détection et de quantification selon l’invention est maintenant décrit de manière détaillée. Il peut notamment être mis en oeuvre au moyen du système 10 décrit ci-après en référence aux figures 1 et 2.
La figure 1 représente schématiquement un système 10 de détection et de quantification selon un mode de réalisation de l’invention pour la détection et la quantification d’un constituant gazeux particulier dans l’atmosphère.
Ce système 10 comprend un module 20 d’émission, un module 30 de réception et de détection et un dispositif 40 de traitement de données. Dans le mode de réalisation représenté, le module d’émission 20 comprend une unique source de lumière 22 produisant un faisceau lumineux continu et un dispositif 24 qui peut être un dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique et/ou un dispositif de modulation d’amplitude et/ou un dispositif de modulation de fréquences optiques de ce faisceau lumineux.
Le dispositif 24 permet de générer alternativement, le long d’un axe A d’émission, un faisceau lumineux à plusieurs longueurs d’onde distinctes (au moins deux), au moins une longueur d’onde dite de mesure située dans le spectre d’absorption d’un constituant gazeux d’intérêt, au moins une autre longueur d’onde dite de référence située en dehors du spectre d’absorption du constituant gazeux d’intérêt. Les faisceaux lumineux sont émis dans une seule et même direction d’axe A, cet axe A étant contenu dans un plan P, dit plan objet (perpendiculaire au plan du dessin de la figure 2).
On notera que deux ou plusieurs longueurs d’onde de mesure situées dans le spectre d’absorption d’un constituant gazeux d’intérêt peuvent être utilisées.
On notera également qu’une longueur d’onde de mesure d’un constituant gazeux d’intérêt peut correspondre à une longueur d’onde de référence pour un autre constituant gazeux d’intérêt.
La source de lumière 22 peut être choisie parmi une source laser à large bande, une source laser accordable, une diode laser, une fibre optique, une ou plusieurs LED ou une ou plusieurs SLED. La source de lumière peut être un laser à solide pompé optiquement, de préférence par des diodes lasers (on parle de « Diode- Pumped Solid-State Laser » en anglais, dont l’acronyme est DPSSL).
On peut aussi utiliser une source laser de pompe mono fréquence (Nd-Yag, Nd- YLF) ou accordable (Ti : Saphir) pompant un laser de type paramétrique (OPO pour Optical Parametric Oscillator et OPA) qui émet directement ou après génération d’harmoniques au moyen d’un dispositif (24) de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, de manière alternée, un faisceau laser aux fréquences optiques comprises dans les spectres d’absorption des constituants gazeux d’intérêt.
On peut encore utiliser une source laser de pompe mono fréquence (Nd-Yag, Nd-YLF) qui pompe une source laser accordable (Ti : Sa, Cr : Lisa) qui émet directement ou après génération d’harmonique au moyen d’un dispositif (24) de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, de manière alternée, un faisceau laser aux fréquences optiques comprises dans les spectres d’absorption des constituants gazeux d’intérêt. Pour la détection de COV dans le domaine des ultra-violets, on peut utiliser un laser titane-saphir, Cr :Lisaf, ou des diodes, couplées ou non à un ou plusieurs dispositifs de génération de fréquences optiques ou de longueur d’onde et/ou un ou plusieurs dispositifs de modulation d’amplitude et/ou de modulation de fréquence optique.
On comprend ainsi que le dispositif (24) est optionnel et choisi en fonction de la nature de la source de lumière 22.
En variante, le module 20 d’émission peut comprendre au moins deux sources de lumière distinctes qui émettent directement ou indirectement (par exemple au moyen d’un dispositif (24) de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique et/ou de modulation d’amplitude et/ou de modulation de fréquence optique) des faisceaux aux fréquences optiques comprises dans les spectres d’absorption des constituants gazeux d’intérêt. Les sources de lumière peuvent alors émettre simultanément ou alternativement.
Il n’est pas nécessaire que la source de lumière 22 soit puissante, une puissance inférieure ou égale à lOOmWest suffisante pour la mise en, œuvre de l’invention. On peut néanmoins envisager une source de lumière 22 de puissance de 1mW à 1W, de 1mW à 500 mW, de 2mWà 100mW, de 2 à 50 mW, de 2 à 20 mW de 2 à 15 mW ou de 2 à 10mW (bornes comprises) ou une puissance comprise dans n’importe quel intervalle formé par ces bornes.
Le dispositif 24 de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique et/ou de modulation d’amplitude et/ou de modulation de fréquence optique peut permettre de générer un faisceau lumineux à la fréquence double, triple ou quadruple de la fréquence du faisceau produit par la source de lumière 22, autrement dit en créant des harmoniques de ce faisceau ou à d’autres fréquences optiques par modulation de fréquence et/ou d’amplitude. Le dispositif 24 peut alors être choisi parmi les composants précédemment cités, ou tout autre dispositif adapté, quelle que soit la nature de la source de lumière 22. Le dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique et/ou de modulation d’amplitude et/ou de modulation de fréquence optique peut éventuellement être intégré à la source de lumière 22.
On notera qu’il est également possible d’utiliser une source de lumière émettant un faisceau lumineux polychromatique et de sélectionner les longueurs d’onde de mesure et de référence lors de la détection des faisceaux lumineux rétrodiffusés par le module 30 de réception et de détection au moyen d’au moins un dispositif de sélection tel que précédemment décrit. Le module 20 d’émission peut en outre comprendre de manière usuelle un dispositif optomécanique 26 qui envoie le faisceau lumineux en direction de l’atmosphère. Le dispositif optomécanique contient souvent un expanseur de faisceau qui augmente la largeur de celui-ci tout en diminuant sa divergence. Ce type de dispositif est bien connu et ne sera pas décrit plus en détail.
Le faisceau lumineux transmis dans l’atmosphère est ensuite diffusé par l’atmosphère, éventuellement absorbé en partie par l’atmosphère ou ses constituants, puis en partie rétrodiffusé par l’atmosphère et ses constituants.
Le module 30 de réception et de détection a pour fonction de recevoir et détecter la lumière rétrodiffusée par l’atmosphère et le ou les constituants gazeux considérés. Ce module 30 comprend un dispositif optique 32 collecteur de lumière comportant un plan optique 33. Le dispositif optique 32 a pour fonction de collecter et diriger la lumière rétrodiffusée vers un capteur de lumière 34. On notera que l’axe A d’émission du faisceau lumineux et l’axe A’ du dispositif optique 32 ne sont pas obligatoirement parallèles contrairement à ce qui est représenté figure 1 .
Le dispositif optique 32 peut être un dispositif optique réfracteur, un dispositif optique réflecteur, ou une combinaison des deux. Un dispositif optique réfracteur peut comprendre un ou plusieurs éléments réfracteurs, par exemple un système de lentilles convergente et divergente. Un dispositif optique réflecteur peut comprendre un ou plusieurs éléments catoptriques, tel qu’un télescope. Un dispositif optique comprend habituellement une ouverture (par exemple le diamètre de l’élément réfracteur ou réflecteur primaire, à savoir recevant la lumière en premier) et une longueur focale.
Le capteur de lumière 34 comporte au moins un arrangement de détecteurs de surface finie alignés sur un plan image 35 (fig. 2) et configurés pour générer au moins un signal. Les détecteurs peuvent être des photoconducteurs, des photodiodes, des phototransistors, ou des photomultiplicateurs. Selon l’utilisation, un seul détecteur de surface finie aligné sur le plan image 35 peut être prévu.
De manière usuelle, le capteur de lumière 34 convertit un signal lumineux en signal électrique. Il est notamment configuré pour émettre au moins un signal 36 qui est ensuite enregistré de façon électronique par exemple par photo comptage ou détection analogique. Le capteur de lumière 34 peut être choisi parmi un photomultiplicateur, un réseau de photomultiplicateurs, un capteur CCD (Charged Coupled Device) et un capteur CMOS (Complementary Métal Oxide Semiconductor). Le capteur de lumière 34 comprend un nombre np de détecteurs de surface finie, une longueur Pi de capteur et présente une inclinaison Q de capteur. Chaque détecteur présente une largeur de détecteur wp.
Selon l’invention, tel que visible figure 2, le plan objet P, le plan 33 du dispositif optique 32 et le plan image 35 se coupent de telle sorte que le principe de Scheimpflug soit respecté. Autrement dit, dans l’exemple, le plan objet P, le plan 33 et le plan d’image 35 se coupent suivant une même droite D1 (perpendiculaire au plan du dessin de la figure 2).
En outre, pour une plus grande netteté, dans un mode de réalisation préféré, un plan image déplacé 35’ (passant par le centre du dispositif optique 32 et parallèle au plan image 35), un plan focal avant 33’ du dispositif optique 32 et le plan objet P respectent la règle de hinge en s’intersectant suivant la droite D2 (voir figure 2).
Le module 30 de réception et de détection peut également comprendre un filtre en longueur d’onde 38 permettant de s’affranchir d’une partie du bruit de fond.
Le module 30 de réception et de détection peut en outre comprendre un dispositif de modulation d’amplitude et/ou de modulation de fréquence optique 32’ représenté schématiquement figure 2, du même type que le dispositif de modulation d’amplitude et/ou de modulation de fréquence précédemment décrit.
Le système 10 comprend enfin un dispositif 40 de traitement du signal configuré pour déterminer à partir des signaux émis par le capteur de lumière 34 une concentration en constituant gazeux le long de l’axe A d’émission, notamment une concentration en chaque point d’une pluralité de points situés le long de cet axe A d’émission, chaque point correspondant à un détecteur du capteur de lumière ou une concentration cumulée le long de l’axe A d’émission sur la totalité du trajet entre la source et la distance la plus grande mesurée par un détecteur du capteur de lumière.
Ce dispositif 40 de traitement du signal peut notamment être relié au capteur d’image 34 pour recevoir les signaux 36 émis par ce dernier, éventuellement après une conversion analogique-digitale. De préférence, le dispositif de traitement 40 peut aussi former un dispositif de commande du module 20 d’émission.
Le système 10 fonctionne de la manière suivante.
Le module d’émission 20 émet de la lumière continue dans l’atmosphère le long de l’axe A situé dans un plan dit plan objet P (perpendiculaire au plan du dessin de la figure 2). Le module d’émission de lumière 20 émet un faisceau lumineux continu de manière alternée à au moins deux longueurs d’ondes respectives li, l2 distinctes.
Cette émission du faisceau lumineux peut être commandée par le dispositif 40 de traitement des données. Le faisceau lumineux se propage ensuite dans l’atmosphère le long de cet axe A jusqu’à être renvoyé dans le sens inverse en direction du module 30 de réception et de détection par réflexion et/ou diffusion d’un constituant de l’atmosphère 1. Ce faisceau lumineux, ayant subi l’extinction par l’atmosphère lors de sa propagation et de sa rétrodiffusion, est ensuite collecté et détecté de manière alternée synchrone au dispositif d’émission, éventuellement après un filtrage du rayonnement ambiant, par le module 30. Lorsque la lumière rétrodiffusée atteint le capteur de lumière 34, ce dernier génère plusieurs signaux 36 qui sont ensuite transmis pour traitement au dispositif 40 de traitement du signal.
Dans un mode de réalisation, le dispositif 40 de traitement est configuré pour fonctionner suivant les étapes décrites ci-après, notamment lorsque le module d’émission 20 est activé.
Etape 1 : recevoir un signal Si du capteur de lumière 34 correspondant à la rétrodiffusion du faisceau de longueur d’onde li, cette longueur d’onde étant une longueur d’onde de mesure,
Etape 2 : recevoir un signal ¾ du capteur de lumière 34 correspondant à la rétrodiffusion du faisceau de longueur d’onde ^2, cette longueur d’onde étant une longueur d’onde de référence,
Etape 3 : calculer une concentration en constituant gazeux par traitement des signaux Si et /¾
La concentration calculée à l’étape 3 correspond à une concentration calculée à une distance z de mesure de la source de lumière mesurée par le capteur de lumière constitué d’un ou plusieurs détecteurs. Autrement dit, cette concentration est mesurée le long de l’axe d’émission.
Pour obtenir la concentration en constituant dans une autre direction de l’espace, on pourra ainsi réitérer les étapes 1 à 3 en modifiant la direction de l’axe d’émission.
La concentration calculée est obtenue à un instant t. Une réitération des étapes 1 à 3 à un instant t+At permet de suivre l’évolution de la concentration d’un constituant dans l’atmosphère. Enfin, les étapes 1 et 2 peuvent être mise en œuvre simultanément ou non pour plusieurs longueurs d’onde de mesure et/ou de référence afin de détecter, simultanément ou non, la présence d’un ou plusieurs constituants gazeux d’intérêt et de calculer leur concentration.
Les étapes 1 à 3 peuvent ainsi être réitérées simultanément ou non, pour des directions d’axe d’émission différentes et/ou pour des constituants différents ou non.
Le signal détecté Si (i = 1 , 2, n ; n entier non nul correspondant au nombre de signaux) au cours des étapes 1 et 2 correspondant à la rétrodiffusion du faisceau de longueur d’onde l\ peut être exprimé par l’équation (1) en l’absence d’interférences au moyen d’une intégrale sur la gamme de longueur d’onde Dl, autrement dit sur la largeur spectrale de la source lumineuse (Dl correspond à la largeur spectrale de l’émission de lumière de la source) :
Où
K : facteur de conversion opto-électrique,
Po.iQJ densité spectrale de puissance de l’émission de lumière, avec i=1 ou 2, n, n entier non nul correspondant au nombre de signaux, b{z,l) : coefficient de rétrodiffusion atmosphérique à la distance z et à la longueur d’onde l,
TTG (Z, l) : transmission optique à la longueur d’onde l du constituant cible TG (« Target Gaz ») entre la source de lumière et la distance z,
Tatm (z, l) : transmission optique à la longueur d’onde l des composants de l’atmosphère autres que le constituant cible entre la source de lumière et la distance z, h{l) : spectre de l’efficacité opto-électronique de la partie de détection,
NTG(Z) (aussi notée N par la suite) : concentration du constituant cible (ie concentration du gaz) à la distance z, s(l) (aussi notée OTG^) par la suite) : section efficace d’absorption du constituant cible à la longueur d’onde l,
O(z,l) : fonction de recouvrement géométrique des modules optiques d’émission (30) et de réception (40), Si l’on considère une source lumineuse à large bande de densité spectrale de puissance Po P), alors, le terme Po QJ peut s’écrire selon l’équation (3) :
Po,-i U) = PoOO.MiU) (3)
OύM(l) sont les fonctions de modulation d’amplitude dépendant du dispositif de modulation utilisé. Ce dispositif de modulation peut être situé du côté de la source de lumière ou du module de réception et de détection.
L’équation (4) donne la relation entre la distance mesurée par un détecteur n situé à une position pi du capteur, z étant la distance de mesure dans le plan objet.
L’angle F et la distance Lu sont définis par les équations (5) et (6), pi par l’équation (7) et l’angle Q par l’équation (8).
Où, zref : hauteur d’une cible de référence et pi,ref position sur le capteur de cette même cible de référence.
Pi = wv {y ~ nv) <7>
Où wp : largeur du détecteur, np : nombre de détecteurs. tanO = ^IL/ i (8)
L’équation (9) ci-dessous donne l’angle d’échantillonnage (y) pour chaque distance de mesure (ou chaque détecteur). Chaque détecteur est ainsi associé à un angle de diffusion et donc à une distance de mesure. g = artan^ (9)
Selon un premier mode de réalisation, la concentration évaluée au cours de l’étape 3 peut être déterminée de la manière décrite ci-après, en assumant que le facteur^ est constant dans le domaine spectral considéré.
On peut alors écrire l’équation (1) précédemment présentée de la manière suivante : où est une variable représentant l’ensemble des concentrations cumulées selon z possibles et f(z,x) est la fonction modélisant le signal détecté à la distance z dans l’espace de toutes les concentrations cumulées CC(z) possibles.
CC(z) est définie comme :
D’autre part, en définissant une fonction g(z,x)\ g(z, x ) = 52(Z)/1(Z, X) - 51(Z)/2(Z, X) (12) ou de manière plus générale : g{z, x) = Sj(z)fi(z, x) — Si(z)fj(z, x) (12)
Avec i différent de j et i, j = 1, 2, ..., n, n entier, l’indice i se rapportant à un signal/une fonction de mesure et l’indice j à un signal/une fonction de référence.
On notera que la variable x correspond à la concentration cumulée CC(z) lorsqu’en z le rapport Si(z) / ,¾(z) est égal au rapport fi(z,x) / f2(z,x). Dès lors, rechercher la concentration CC(z) revient à chercher le zéro de la fonction g(z,x). Autrement dit, la concentration CC(z) correspond au premier zéro de la fonction g(z,x). La concentration cumulée peut alors être évaluée en utilisant un algorithme de recherche des racines sur l’équation (12) ci-dessus.
En considérant en z la fonction g convexe, on peut utiliser l’algorithme de Newton- Raphson qui nécessite l’évaluation de la fonction g(z,x ) et de sa première dérivée g’(z,x). A la nième itération, en commençant à xo=0 et xi=1, la solution de l’algorithme est donnée par l’équation (13): pour laquelle une solution unique est assurée lorsque g< 0 et g”> 0 et CC(z) appartient à [0 ; CCmax].
L’erreur numérique relative est inférieure à 1012 dès 5 itérations et atteint les limites de calcul numérique (aux environ de 1016) après seulement 7 itérations.
On notera que d’autres méthodes itératives peuvent être utilisées, telles que la méthode de la sécante, bien que moins performante.
La concentration du gaz NTG(Z+AZ/2), autrement dit en chaque point z, est évaluée en appliquant la dérivée selon z de la concentration cumulée CC(z) selon L’invention n’est toutefois pas limitée à cette méthode dans le cas où la résolution en distance (Az) de la mesure n’est pas considérée, la concentration NTG évaluée au cours de l’étape 3 peut être déterminée de deux manières décrites ci-après. i) Section efficace effective
Il est ainsi possible d’obtenir la concentration en utilisant la section efficace d’absorption calculée pour chaque longueur d’onde l\ exprimée dans l’équation
La concentration peut alors être déterminée à partir du rapport Si / S2 et l’expression de la concentration selon l’équation (16) :
Où :
/ est la longueur du chemin optique.
Cette concentration correspond à une concentration cumulée sur toute la longueur du trajet parcouru (et détecté) par le ou les faisceaux lumineux le long de l’axe d’émission, notamment depuis une distance minimale zo de détection (mesurée depuis le détecteur), qui peut être estimée en respectant les conditions de Scheimpflug. ii) Dans ce cas, le capteur de lumière peut comprendre un unique détecteur de surface finie (OSAS non résolu spatialement)
Dans ce cas, les signaux Su les fonctions f(x) et g(x) s’écrivent respectivement g(x) = S2/i(x) - Si/ïCx) (19) ou de manière plus générale : g(x) = Sjfi(x) - Sifj(x) (19)
Avec i différent de j et i, j = 1 , 2, ... , n, n entier, l’indice i se rapportant à un signal/une fonction de mesure et l’indice j à un signal/une fonction de référence. Dès lors, rechercher la concentration NTG revient à chercher le zéro de la fonction g(x). Autrement dit, la concentration NTG peut ensuite être déterminée de manière itérative en utilisant l’algorithme de Newton-Raphson tel que décrit précédemment.
Les différents modes de réalisation décrits utilisent une unique longueur d’onde de mesure et une unique longueur d’onde de référence. Ils sont toutefois applicables de manière identique à deux ou plus longueurs d’ondes de mesure et deux ou plus longueurs d’onde de référence.
Ainsi, selon l’invention, dans le procédé et le système objet de l’invention, le traitement des signaux générés pour chaque longueur d’onde de mesure et de référence d’un constituant gazeux d’intérêt pour déterminer une concentration en ce constituant gazeux d’intérêt le long de l’axe d’émission (prévu à l’étape (iii)) comprend :
- l’évaluation d’un rapport Si / Sj, Si représentant le signal détecté pour une longueur d’onde L de mesure et Sj, représentant le signal détecté pour une longueur d’onde Àj de référence, notamment tels que définis dans l’équation (1 ) ou (17) (dans laquelle, par souci de cohérence, l’indice i est remplacé par un indice général « h » égal à i ou j), et
- la détermination d’une concentration par l’une des méthodes suivantes
(a) recherche du zéro d’une fonction g(z,x) définie par l’équation (12), ou d’une fonction g(x) définie par l’équation (19) (dans laquelle, par souci de cohérence, les indices 1 et 2 sont remplacés respectivement par i et j),
(b) déterminer la concentration exprimée par l’équation (16) (dans laquelle, par souci de cohérence, les indices 1 et 2 sont remplacés respectivement par i et j), la section efficace d’absorption sbίh(l) (et sbίh(l)) étant définie par l’équation (15) (dans laquelle, par souci de cohérence, l’indice i est remplacé par un indice général « h » égal à i ou j) et calculée pour chaque longueur d’onde À·,.
Dans le cas (a) avec recherche du zéro de la fonction g(z,x), cette concentration peut être déterminée en chaque point d’une pluralité de points situés le long de l’axe d’émission, ces points correspondant chacun à une distance de mesure déterminée par un détecteur de l’arrangement de détecteurs.
Dans le cas (b) ou dans le cas (a) avec recherche du zéro de la fonction g(x), la concentration déterminée est cumulée sur la totalité de la distance de mesure entre le plus proche détecteur et le détecteur le plus éloigné lorsque plusieurs détecteurs sont présents ou sur la distance de mesure séparant un unique détecteur de la source lumineuse.
Le dispositif 40 de traitement est configuré pour mettre en œuvre le traitement des signaux précédemment décrit.
Le dispositif 40 de traitement peut être mis en œuvre par un logiciel exécuté sur un ou plusieurs dispositifs informatiques. Dans ce contexte, chaque "élément" ou "moyen" d'un tel dispositif informatique fait référence à un équivalent conceptuel d'une étape de méthode. Toutefois, il n'y a pas toujours de correspondance un à un entre les éléments / moyens et des éléments particuliers de routines matérielles ou logicielles. Par exemple, une unité de traitement constitue un élément / moyen lors de l’exécution d’une instruction, mais constitue un autre élément / moyen lors de l’exécution d’une autre instruction. De plus, un élément / moyen peut être mis en œuvre par une ou plusieurs instructions selon les cas. Un tel dispositif informatique commandé par logiciel peut inclure une ou plusieurs unités de traitement, par ex. une CPU ("Central Processing Unit"), un DSP ("Digital Signal Processor"), un ASIC ("Application-lntegrated Integrated Circuit"), des composants analogiques et / ou numériques discrets, ou un autre dispositif logique programmable, tel qu'un FPGA ("Réseau programmable de champs"). Le dispositif de traitement de données 10 peut en outre comprendre une mémoire système et un bus système qui couple divers composants du système, y compris la mémoire système, à l'unité de traitement. Le bus système peut être l'un quelconque de plusieurs types de structures de bus, notamment un bus de mémoire ou un contrôleur de mémoire, un bus de périphériques et un bus local utilisant une architecture de bus quelconque usuelle. La mémoire système peut comprendre un support de stockage informatique sous la forme d'une mémoire volatile et / ou non volatile telle qu'une mémoire morte (ROM), une mémoire vive (RAM) et une mémoire flash. Le logiciel peut être stocké dans la mémoire système ou sur un autre support de stockage informatique amovible / non amovible, inclus ou accessible au dispositif informatique, tel qu'un support magnétique, un support optique, une mémoire flash, cartes, bande numérique, RAM, ROM, etc. Le dispositif de traitement de données 10 peut comprendre une ou plusieurs interfaces de communication, telles qu'une interface série, une interface parallèle, une interface USB, une interface sans fil, un adaptateur réseau, etc., ainsi qu’un ou plusieurs dispositifs d’acquisition de données, tels qu’un convertisseur A / N. Le logiciel peut être fourni au dispositif de traitement de données 10 sur n’importe quel support lisible par ordinateur approprié, y compris un support d’enregistrement et une mémoire morte. Exemples : Détection du benzène et du 1,3-butadiène
Les signaux générés pour la détection du benzène et du 1 , 3-butadiène dans l’atmosphère ont été simulés dans une zone industrielle de type raffinerie.
Ces simulations utilisent comme source de lumière un laser Ti : saphir accordable entre 750 et 950nm avec un faisceau de diamètre (waist) w(z) égal à 1mm et un demi-angle g de divergence de 0,1 mrad, largeur spectrale Dl=0,1 nm.
Le détecteur utilisé dans les exemples est un photomultiplicateur (détecteur à photons) H7260-04 de la société Hamamatsu, présentant un gain typique de 1 x 106, un courant d’obscurité typique de 0.5 nA et une diaphonie égale à 3% pour deux pixels situés côte à côte.
Choix des longueurs d’onde li et À2 Cas du benzène
D’après les données de la base de données Hitran, le benzène absorbe aux longueurs d’onde suivantes : 266, 8nm, 259 nm, 252,95nm, 247,19 nm et 241 ,68nm. Ce spectre d’absorption est caractéristique de la transition électronique Si(1B2U)4 ^So(1Aig) interdite mais induite de manière vibrationnelle.
La mesure d’une espèce particulière par absorption différentielle doit également considérer l’ensemble des composés présents dans l’atmosphère et possédant un spectre d’absorption dans le même intervalle spectral qui, potentiellement, peuvent induire un biais sur la mesure.
Dans le cas d’une raffinerie, les composés susceptibles d’être présents sont : benzène, toluène, 1-3 butadiène, sulfure d’hydrogène, dioxyde de soufre, éthylbenzène, xylènes (m-, o-, p-), ozone, styrène, monoxyde d’azote, dioxyde d’azote et triméthylbenzène ainsi que les alcènes et alcanes standards.
Les interférents considérés par la suite pour la détection du benzène en raffinerie sont rassemblés dans le tableau 1 .
L’analyse des spectres UV d’absorption de ces composés (réunis en utilisant les bases de Mainz et HITRAN « High- resolution TRANsmission molecular absorption database », [HITRANonline]) ont permis de déterminer que le pic de plus forte absorption du benzène (à 253nm) se situe dans la zone d’absorption du styrène présent en une quantité de 5ppbv (en volume). Il est dès lors plus judicieux d’exploiter la transition optique du benzène à 259 nm dont la section efficace est plus faible mais moins sujette aux interférents. A cette longueur d’onde, l’ozone absorbe mais comme son spectre d’absorption est formé d’un unique pic très large et « lisse », la mesure d’absorption différentielle ne sera pas affectée pour un écart spectral entre les deux longueurs d’onde inférieur à 1 ou 2nm.
Dans le cas du benzène, on choisit ainsi les longueurs d’onde /=258,9nm (longueur d’onde de mesure) et ^2=262nm (longueur d’onde de référence). Tableau 1 : Interférents considérés dans l’étude du benzène et leurs concentrations respectives (ppb en volume)
Cas du 1, 3-butadiène
D’après la base spectroscopique de Mainz, le spectre du 1 , 3-butadiène présente une forte bande d’absorption entre 200 et 217nm attribuée à la transition électronique ]Bu^]Ag ainsi que sa structure vibronique due à l’activité Franck- Condon de ses modes symétriques. En raison du continuum de Rydberg, les longueurs d’onde choisies devront en outre être supérieures à 220 nm.
Les interférents considérés par la suite pour la détection du 1 , 3-butadiène en raffinerie sont rassemblés dans le tableau 2.
Tableau 2 : Interférents considérés dans l’étude du 1, 3-butadiène et leurs concentrations respectives (ppb en volume)
Dans le cas du 1 , 3-butadiène, on choisit ainsi les longueurs d’onde li= 225 nm (longueur d’onde de mesure) et 2=230nm (longueur d’onde de référence). Génération des faisceaux de longueurs d’onde li et À2
L’émission laser peut être réalisée en considérant la génération d’harmoniques (somme et/ou mélange de fréquences optiques) de l’émission fondamentale du laser dans le spectre visible ou l’IR selon le tableau 3. Tableau 3 : Longueurs d’onde lasers accessibles par génération d’harmoniques. Les valeurs en gras indiquent les longueurs d’ondes nécessaires à la réalisation de la mesure du benzène et du 1 , 3-butadiène
Longueur d'onde (nm) Doublage Tri plage Quadruplage Emission fondamentale
776.7 517.8 258.9 786 393 262 880 440 220 920 460 230 524 262
517.8 258.9 440 220 460 230 Sensibilité spectrale
La sensibilité théorique de la méthode OSAS peut-être déterminée en considérant une incertitude de 1 % sur le contraste Si / &
En considérant une concentration nulle en benzène, l’évaluation de l’écart de concentration permet d’établir la limite de détection. Une sensibilité de 2 ppbv (en volume) moyennée sur une distance d’absorption de 50 mètres peut être obtenue avec une largeur spectrale de 0,1 nm, soit une sensibilité en terme d’absorbance de 100 ppbv.mètre. Si l’on augmente la largeur spectrale, on note une augmentation de la valeur de la sensibilité.
Des calculs similaires pour le 1, 3-butadiène conduisent à des sensibilités plus basses que celles évaluées pour le benzène, en partie en raison de la plus grande concentration en 1 , 3-butadiène et des sections efficaces plus grandes également pour le 1 , 3-butadiène que pour le benzène.
Rapport signal sur bruit
On notera que le rapport signal du bruit (SNR) est constant quelle que soit la distance de mesure car son évaluation est basée sur une concentration cumulée de 100 ppbv.mètre, ce qui induit une faible extinction.
Pour un signal Lidar, on peut déterminer le rapport SNR sur la base de l’équation (20) : Avec : n : nombre de molécules de l’espèce considérée (en molécule / m3) e : incertitude statistique sur la mesure Ds : différence des sections efficaces aux deux longueurs d’onde considérées (en m2),
D z : distance considérée (en mètre).
Les tableaux 4 et 5 donnent respectivement les valeurs SNR de signal sur bruit pour le benzène et pour le 1 , 3-butadiène des signaux lidar en fonction de la précision souhaitée de la concentration. On considère ici une concentration cumulée CC(z) égale à 100ppbv. mètre, avec D abenzène =6,33x1018cm2 et lrr i . butadiène ~ 2,41 X10 ^CiTI2.
Tableau 4 : Valeurs SNR du benzène
Tableau 5 : Valeurs SNR du 1, 3-butadiène
Avec un détecteur présentant les caractéristiques rassemblées dans le tableau 6, on peut simuler un signal lidar brut dans la configuration de l’invention. Ce signal peut être modélisé par l’équation (1) définie plus haut.
On notera que la résolution en distance dz (en considérant un laser infiniment fin) n’est pas constante, mais augmente avec la distance comme le montre son expression dans l’équation (21) ci-dessous. z2sin9 ( l-tan<P)dp dz = (21 ) [pj(sm9-cos9 tan<P)+LIL]2
Tableau 6 : Caractéristiques du détecteur et de la simulation Dans ce tableau 6, la valeur ±0.03nm est la précision requise sur la longueur d’onde centrale des émissions. La simulation a été réalisée en considérant une largeur spectrale d’émission du laser de 0,1 nm. Les puissances des faisceaux de longueur d’onde P1, P2 sont identiques.
La figure 3 représente les signaux simulés en utilisant la modélisation de l’équation (1 ) en fonction de la distance pour les deux longueurs d’onde utilisées pour l’analyse du benzène. Cette figure 3 montre la présence d’une décroissance linéaire du signal de tension à partir de 20 m. Avant 20m, la variation du signal est dominée par la variation de la valeur de dz qui empêche la variation des signaux d’être totalement linéaire. La différence relative de la tension U exprimée par le rapport AU/LI peut être tracée en fonction de la distance, cette courbe est représentée figure 4. Sur cette figure 4, dans un souci de clarté, les pixels du capteur seront représentés par des points. Les sources de biais considérées pour l’établissement de la courbe de la figure 4 sont le styrène et l’ozone. La figure 4 montre que la différence relative de la tension U augmente avec la distance : à 43m elle est égale à 0,67% une fois les biais retirés.
Les résultats du calcul du SNR à 43m en utilisant l’équation (20) sont rassemblés dans le tableau 7 : Tableau 7 :
On note que dans les conditions de la simulation, une précision de 10% est quasiment atteinte pour le 1 , 3-butadiène.
La précision pourra être améliorée par exemple en modifiant les paramètres du détecteur, notamment en faisant varier la bande passante, le temps d’intégration, les dimensions du détecteur ou la puissance du laser.
L’invention n’est pas limitée à l’utilisation décrite en référence à l’exemple. Le procédé et le système selon l’invention peuvent être utilisés pour détecter et déterminer la concentration de constituants gazeux de l’atmosphère à des distances de de 0,1 à 10m ou de 0,5 à 50m, en particulier en zone industrielle. Le choix des longueurs d’onde pour un constituant cible devra être déterminé en fonction des autres composés susceptibles d’être présents et d’absorber dans une zone spectrale d’intérêt.
Le procédé et le système de la présente invention peuvent être mis en oeuvre au moyen d’un système compact, facilement déplaçable et utilisable dans une zone industrielle.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection et de quantification d’au moins un constituant gazeux d’intérêt dans l’atmosphère comprenant :
(i) générer le long d’un même axe d’émission au moyen d’au moins une source de lumière à émission continue, au moins un faisceau lumineux, le ou les faisceaux lumineux émettant à au moins deux longueurs d’onde distinctes : au moins une longueur d’onde de mesure située dans le spectre d’absorption dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt et au moins une autre longueur d’onde de référence située en dehors du spectre d’absorption dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt, ledit au moins un faisceau étant transmis dans l’atmosphère, puis diffusé et absorbé par l’atmosphère et l’au moins un constituant gazeux d’intérêt, et en partie rétrodiffusé,
(ii) générer un signal pour chaque longueur d’onde de mesure et de référence dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt au moyen d’un module de réception et de détection de lumière rétrodiffusée qui comprend : a. un dispositif optique comportant un plan optique et configuré pour diriger une lumière rétrodiffusée vers un capteur de lumière, b. le capteur de lumière comportant au moins un détecteur de surface finie ou au moins un arrangement de détecteurs de surface finie, le ou les détecteurs étant alignés sur un plan image et configurés pour générer lesdits signaux, un plan objet contenant l’axe d’émission, le plan optique et le plan image se coupant suivant une même droite,
(iii) traiter les signaux générés pour chaque longueur d’onde de mesure et de référence dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt et déterminer une concentration de ce constituant gazeux d’intérêt le long de l’axe d’émission, et dans lequel : l’au moins une source de lumière est une source à large bande, de largeur spectrale Dl plus large que la bande spectrale d’absorption dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt, et le traitement des signaux générés pour chaque longueur d’onde de mesure et de référence d’un constituant gazeux d’intérêt pour déterminer une concentration en ce constituant gazeux d’intérêt le long de l’axe d’émission comprend :
- l’évaluation d’un rapport S/ / Sj, Si représentant le signal détecté pour une longueur d’onde L de mesure et Sj, représentant le signal détecté pour une longueur d’onde /\yde référence tels que définis dans l’équation (1) ou (17) : où h = i ou j,
K : facteur de conversion opto-électrique,
Po,h{X) : densité spectrale de puissance de l’émission de lumière, avec i=1 ou
2, b{z,l) : coefficient de rétrodiffusion atmosphérique à la distance z et à la longueur d’onde l,
TTG (Z, l) : transmission optique à la longueur d’onde l du constituant gazeux d’intérêt entre la source de lumière et la distance z,
Tatm (z, l) : transmission optique à la longueur d’onde l des composants de l’atmosphère autres que le constituant gazeux d’intérêt entre la source de lumière et la distance z, h{l) : spectre de l’efficacité opto-électronique de la partie de détection, NTG(Z) : concentration du constituant gazeux d’intérêt à la distance z, aTG (l) : section efficace d’absorption du constituant gazeux d’intérêt à la longueur d’onde l,
O(z,l) : fonction de recouvrement géométrique des modules optiques d’émission et de réception, où : h = i ou j, l est la longueur du chemin optique,
- la détermination d’une concentration par l’une des méthodes suivantes : (a) recherche du zéro d’une fonction g(z,x) définie par l’équation (12), ou d’une fonction g(x) définie par l’équation (19), avec : h = i ou j et x est une variable représentant l’ensemble des concentrations cumulées selon z possibles CC(z) définie comme h = i ou j,
(b) déterminer la concentration N exprimée par l’équation (16) la section efficace d’absorption oeff,h(A) (h= i ou j) étant définie par l’équation (15) et calculée pour chaque longueur d’onde Ah
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le plan objet contenant l’axe d’émission, un plan parallèle au plan image et passant par un centre du dispositif optique et un plan parallèle au plan optique passant par une focale du dispositif optique se coupent suivant une même droite.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel au cours de l’étape (i)
- on génère un unique faisceau lumineux émettant alternativement à au moins deux longueurs d’onde distinctes, soit directement, soit au moyen d’au moins un dispositif couplé à ladite au moins une source, ledit dispositif étant choisi parmi un dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, un dispositif de modulation d’amplitude et un dispositif de modulation de fréquence optique, ou
- on génère alternativement au moins deux faisceaux lumineux émettant chacun à au moins une longueur d’onde distincte, soit directement, soit au moyen d’au moins un dispositif couplé à ladite au moins une source, ledit dispositif étant choisi parmi un dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, un dispositif de modulation d’amplitude et un dispositif de modulation de fréquence optique.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel au cours de l’étape (i) on génère un unique faisceau lumineux polychromatique émettant une pluralité de longueurs d’ondes distinctes, discrètes ou contenues dans un spectre continu, et au cours de l’étape (ii) l’au moins un module de réception et de détection de lumière rétrodiffusée comprend au moins un dispositif de sélection de l’au moins une longueur d’onde de mesure et de l’au moins une longueur d’onde de référence présentes dans la lumière rétrodiffusée.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le dispositif de sélection est choisi parmi un dispositif de modulation de fréquence optique et un dispositif de modulation d’amplitude.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel lesdites longueurs d’onde de mesure et de référence sont dans le domaine de l’ultra-violet.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ladite au moins une source de lumière utilisée lors de l’étape (i), optionnellement d’une puissance inférieure ou égale à 1W, est choisie parmi :
- un laser à émission continue, notamment une source laser à large bande, une source laser accordable, une diode laser ou une fibre optique,
- une ou plusieurs diodes électroluminescentes,
- une ou plusieurs diodes superluminescentes.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ledit au moins un constituant gazeux est choisi parmi un composé organique volatil (COV), les oxydes d’azote, les oxydes de soufre, l’ammoniac, l’ozone.
9. Système de détection et de quantification d’au moins un constituant gazeux d’intérêt dans l’atmosphère, notamment pour la mise en oeuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant :
- au moins une source de lumière à émission continue, apte à générer au moins un faisceau lumineux le long d’un axe d’émission, le ou les faisceaux lumineux émettant à au moins deux longueurs d’onde distinctes : au moins une longueur d’onde de mesure située dans le spectre d’absorption dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt et au moins une autre longueur d’onde de référence située en dehors du spectre d’absorption dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt, - un module de réception et de détection de lumière rétrodiffusée apte à générer un signal pour chaque longueur d’onde de mesure et de référence dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt, comprenant o un dispositif optique comportant un plan optique et configuré pour collecter une lumière rétrodiffusée et la diriger vers un capteur de lumière, o le capteur de lumière comportant au moins un détecteur de surface finie ou au moins un arrangement de détecteurs de surface finie, le ou les détecteurs étant alignés sur un plan image et configurés pour générer lesdits signaux, un plan objet contenant l’axe d’émission, le plan optique et le plan image se coupant suivant une même droite,
- un dispositif de traitement des signaux générés pour chaque longueur d’onde de mesure et de référence dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt configuré pour déterminer une concentration en ce constituant gazeux d’intérêt le long de l’axe d’émission et dans lequel : l’au moins une source de lumière est une source à large bande, de largeur spectrale Dl plus large que la bande spectrale d’absorption dudit au moins un constituant gazeux d’intérêt, et le dispositif de traitement est configuré pour mettre en oeuvre le traitement des signaux du procédé.
10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le plan objet contenant l’axe d’émission, un plan parallèle au plan image et passant par un centre du dispositif optique et un plan parallèle au plan optique passant par une focale du dispositif optique se coupent suivant une même droite.
11. Système selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu’il comprend une des caractéristiques suivantes :
- ladite au moins une source de lumière génère un unique faisceau lumineux émettant alternativement à au moins deux longueurs d’onde distinctes, soit directement, soit au moyen d’au moins un dispositif couplé à ladite au moins une source, ce dispositif étant choisi parmi un dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, un dispositif de modulation d’amplitude et un dispositif de modulation de fréquence optique,
- ladite au moins une source de lumière génère alternativement au moins deux faisceaux lumineux émettant chacun à au moins une longueur d’onde distincte, soit directement, soit au moyen d’au moins un dispositif couplé à ladite au moins une source, ce dispositif étant choisi parmi un dispositif de génération de longueur d’onde ou de fréquence optique, un dispositif de modulation d’amplitude et un dispositif de modulation de fréquence optique,
- ladite au moins une source de lumière génère un unique faisceau lumineux polychromatique émettant une pluralité de longueurs d’ondes distinctes, discrètes ou contenues dans un spectre continu, et l’au moins un module de réception et de détection de lumière rétrodiffusée comprend au moins un dispositif de sélection de l’au moins une longueur d’onde de mesure et de l’au moins une longueur d’onde de référence présentes dans la lumière rétrodiffusée.
12. Système selon la revendication 11 dans lequel ledit au moins un dispositif de sélection est choisi parmi un dispositif de modulation de fréquence optique et un dispositif de modulation d’amplitude.
13. Système selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que ladite au moins une source de lumière, optionnellement d’une puissance inférieure ou égale à 1W, est choisie parmi :
- un laser à émission continue, notamment une source laser à large bande, une source laser monomode accordable, une diode laser ou une fibre optique,
- une ou plusieurs diodes électroluminescentes,
- une ou plusieurs diodes superluminescentes.
14. Système selon l’une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le dispositif optique est choisi parmi un télescope, un système de lentilles et un télescope couplé à un système de lentilles.
15. Système selon l’une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que le capteur de lumière du module de réception et de détection comporte au moins un détecteur de surface finie, chaque détecteur de surface finie détectant une concentration à une distance particulière, différente de la distance de détermination des autres détecteurs de surface finie.
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