FR2916849A1

FR2916849A1 - Procede de teledetection optique de composes dans un milieu

Info

Publication number: FR2916849A1
Application number: FR0755300A
Authority: FR
Inventors: Jerome Kasparian; Jean Pierre Wolf
Original assignee: Universite de Geneve; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Current assignee: Universite de Geneve; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-12-05
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: WO2008152286A2; RU2009147173A; AU2008263705B2; CN101815931B; FR2916849B1; US8514378B2; JP2010528309A; RU2478192C2; CN101815931A; AU2008263705A1; WO2008152286A3; BRPI0812056A2; US20100283992A1; EP2150786A2

Abstract

L'invention concerne un procédé de télédétection optique de composés dans un milieu dans lequel :- une mesure de détection est réalisée par émission dans le milieu, d'impulsions brèves de lumière d'au moins 3 nm de large, et détection d'une partie de la lumière rétrodiffusée par le milieu au moyen d'une unité de détection à résolution temporelle,- une mesure de référence dans laquelle la lumière émise ou la lumière rétrodiffusée est filtrée grâce à des moyens de filtrage adressables, simulant le spectre optique de la lumière aux longueurs d'onde de travail d'au moins un composé donné à rechercher,- une comparaison d'une mesure de détection et d'une mesure de référence, pour en déduire la présence éventuelle du ou des composé(s) recherché(s) dans le milieu,- les moyens de filtrage adressables sont modifiés de manière dynamique, et une série de mesures de référence et une série de comparaisons correspondantes sont effectuées pour une série de composés différents susceptibles d'être présents dans le milieu,ainsi qu'un dispositif adapté pour la mise en oeuvre d'un tel procédé.

Description

L'invention concerne le domaine technique de la télédétection, plus

particulièrement adaptés à la détection d'aérosols ou de polluants dans l'atmosphère. La technique LIDAR (détection et télémétrie à l'aide de lumière, de l'anglais Light Detection and Ranging ) est classiquement utilisée pour la détection et la mesure de la concentration d'un gaz donné. Le Lidar peut également être utilisée pour la détection de particules liquides ou solides en suspension dans l'atmosphère ou encore pour la détection de composés dissous dans un liquide. Le Lidar consiste à envoyer des impulsions laser dans le milieu d'intérêt et à mesurer leur rétrodiffusion en fonction du temps. Le fait que le laser soit pulsé permet une détection en fonction du temps t et donc de la distance z entre le laser et le point de mesure (z=c.t/2, c étant la vitesse de la lumière dans le milieu). La télédétection par Lidar de composés gazeux est souvent effectuée par la technique DIAL, dans laquelle on utilise une paire de longueurs d'onde proches, réglées respectivement sur une bande d'absorption du composé à détecter et immédiatement à côté (absorption différentielle). Cette technique n'est applicable qu'aux composés possédant au moins une raie d'absorption fine dans un domaine où aucun autre composé potentiellement présent ne présente de bande d'absorption. Elle est, en effet, sensible aux interférences d'autres composés absorbant dans la même gamme de longueurs d'onde. Par ailleurs, selon les gammes de longueurs d'onde, il peut être difficile de produire une source monochromatique accordable adaptée à la mesure. Lorsque le spectre du composé à mesurer ne permet pas d'appliquer la technique DIAL, la spectroscopie de corrélation peut être mise en oeuvre. La spectroscopie de corrélation consiste à utiliser une source lumineuse de grande largeur spectrale, modulée à la traversée d'un échantillon de référence contenant le composé à mesurer. Mais cette technique manque de souplesse car, pour chaque mesure, elle nécessite de disposer de la référence adaptée. De plus, l'intensité destinée à être absorbée par le composé à mesurer est pré-atténuée dans l'échantillon de référence. Pour obtenir un signal mesuré suffisant, il est donc nécessaire de disposer d'une source lumineuse intense, pouvant poser des problèmes de sécurité oculaire tant pour les opérateurs que pour le public.

Dans ce contexte, l'invention se propose de fournir un nouveau procédé et un nouveau dispositif de détection de polluants dans un milieu, qui soient aisés à mettre en oeuvre et qui permettent de détecter la présence d'un grand nombre de polluants.

Le procédé se doit également de présenter une grande sensibilité de détection et d'être adapté à la détermination de la concentration du ou des composés détectés. Le procédé se doit également de répondre aux exigences en terme de sécurité oculaire.

La présente invention concerne un procédé de télédétection optique de composés dans un milieu dans lequel : - une mesure de détection est réalisée par émission dans le milieu, à partir d'une source de lumière, nommée source de lumière de détection, d'impulsions brèves de lumière d'au moins 3 nm de large, de préférence d'au moins 10 nm de large, et détection d'une partie de la lumière rétrodiffusée par le milieu au moyen d'une unité de détection à résolution temporelle, - une mesure de référence est réalisée par émission dans le milieu, à partir d'une source de lumière, nommée source de lumière de référence, de caractéristiques identiques à la source de lumière de détection, d'impulsions brèves de lumière dans le milieu, et détection d'une partie de la lumière rétrodiffusée par le milieu au moyen d'une unité de détection à résolution temporelle, la lumière émise ou la lumière rétrodiffusée étant filtrée grâce à des moyens de filtrage adressables, simulant le spectre optique de la lumière aux longueurs d'onde de travail, d'au moins un composé donné à rechercher, -une comparaison d'une mesure de détection et d'une mesure de référence, pour en déduire la présence éventuelle du ou des composé(s) recherché(s) dans le milieu, - les moyens de filtrage adressables sont modifiés de manière dynamique, et une série de mesures de référence et une série de comparaisons correspondantes sont effectuées pour une série de composés différents susceptibles d'être présents dans le milieu.

L'invention a également pour objet un dispositif de télédétection optique de composés dans un milieu qui comprend : une série d'éléments pour une mesure de détection, comprenant une source de lumière, nommée source de lumière de détection, émettant dans le milieu des impulsions brèves de lumière d'au moins 3 nm de large, de préférence d'au moins 10 nm de large, et d'une unité de détection à résolution temporelle d'une partie de la lumière rétrodiffusée par le milieu, délivrant une mesure de détection, -une série d'éléments pour une mesure de référence, comprenant une source de lumière, nommée source de lumière de référence, de caractéristiques identiques à la source de lumière de détection, émettant des impulsions brèves de lumière dans le milieu, des moyens de filtrage adressables, qui filtrent la lumière émise ou la lumière rétrodiffusée, et simulent le spectre optique de la lumière aux longueurs d'onde de travail d'au moins un composé donné à rechercher, et une unité de détection à résolution temporelle d'une partie de la lumière rétrodiffusée par le milieu, délivrant une mesure de référence, - des moyens de comparaison d'une mesure de détection et d'une mesure de référence, pour en déduire la présence éventuelle du ou des composé(s) recherché(s) dans le milieu, et des moyens de modification automatisés des moyens de filtrage adressables permettant d'effectuer une série de mesures de référence pour une série de composés différents susceptibles d'être présents dans le milieu.

Le procédé et le dispositif selon l'invention sont particulièrement adaptés à la télédétection de composés gazeux, tels que des polluants atmosphériques dans un milieu gazeux. Il est également possible de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention pour la détection de particules ou d'aérosols solides ou liquides dans un milieu gazeux, ou encore de composés dissous dans un milieu liquide. La détection en milieu liquide telle que de l'eau présente, par exemple, un intérêt pour la détection de polluants dans les fonds marins. La description qui suit, en référence aux Figures annexées permet de mieux comprendre l'invention.

La FIGURE 1 représente schématiquement une variante d'un dispositif selon l'invention dans lequel les moyens de filtrage sont situés en amont du milieu d'intérêt. Les FIGURES 2 et 3 représentent schématiquement deux variantes différentes d'un dispositif selon l'invention dans lequel les moyens de filtrage sont situés en aval du milieu d'intérêt. La FIGURE 4 représente schématiquement une autre variante d'un dispositif selon l'invention comprenant deux sources de lumière distinctes, l'une utilisée pour les mesures de détection, l'autre pour les mesures de référence.

Dans le cadre de l'invention, des impulsions couvrant une large bande de longueurs d'onde sont utilisées, ce qui va permettre de déterminer la présence éventuelle d'une large gamme de composés. Les impulsions présentent, de préférence, une largeur d'au moins 3 nm, de préférence d'au moins 10 nm. De préférence, ces impulsions sont des impulsions de lumière blanche.

Classiquement, on entend par lumière blanche, un signal lumineux polychromatique continu couvrant un spectre de longueurs d'onde d'au moins 100 nm de large. A titre d'exemples de source de lumière blanche, on peut citer les lampes à arcs, les lampes incandescentes, ou tout autre dispositif analogue. Selon une variante de réalisation, la source de lumière de détection et la source de lumière de référence comprennent un laser délivrant des impulsions de lumière dont le spectre de longueurs d'onde est élargi. Il est également possible d'utiliser une diode laser. Par exemple, dans le cas d'un laser monochromatique délivrant des impulsions intenses, notamment de puissance supérieure à 3 GW, il se produit une automodulation de phase dans l'atmosphère, selon le principe du filament autoguidé (J. Kasparian et al. Science, 2003, 301, 61). Ce filament est produit lorsque des impulsions ultrabrèves et de forte puissance, typiquement plus de 3 GW dans l'air, modifient l'indice de réfraction de l'air sur leur chemin, cette modification d'indice de réfraction conduisant en retour à l'auto-focalisation et au guidage du faisceau sur un filament de lumière. On obtient ainsi un élargissement spontané du spectre de longueurs d'onde et des impulsions de lumière blanche à partir d'une source laser à impulsions intenses. Dans ce cas, la source de lumière ne délivre pas directement des impulsions de lumière blanche, mais des impulsions monochromatiques, qui deviennent polychromatiques, lors de leur propagation, et ce avant d'atteindre le milieu d'intérêt. La source de lumière blanche peut également être un laser intense dont le spectre de longueurs d'onde est élargi, par exemple par automodulation de phase ou par effet Raman dans une cellule telle qu'une cellule de gaz, d'eau ou de tout autre milieu non-linéaire. Dans ce cas, la cellule peut être placée directement en sortie du laser. En tant que laser intense, on peut citer les lasers solides du type Nd :YAG. Selon une variante de réalisation, la source de lumière de détection et la source de lumière de référence délivrent des impulsions d'une durée de 20 fs à 10 ps, de préférence de 100 fs à 300 fs et, de préférence, d'une puissance de 3 GW à 100 TW, préférentiellement de 0,5 TW à 5 TW. La source de lumière de détection et la source de lumière de référence présentent les mêmes caractéristiques, en terme de durée d'impulsion, de puissance et de gamme spectrale. La source de lumière de détection peut être distincte de la source de lumière de référence. Il est également possible que la ou les mesures de détection et les mesures de référence soient réalisées avec une source de lumière unique, la mesure de détection étant alors réalisée sans filtrage. Dans ce cas, les moyens de filtrage pourront être modifiés séquentiellement et rapidement, de manière à alterner les mesures de détection et les mesures de référence, et ainsi s'affranchir des erreurs dues à d'éventuelles fluctuations au niveau de la source de lumière et/ou du milieu. D'une manière générale, il est préférable d'effectuer une nouvelle mesure de détection pour chaque mesure de référence, par exemple en alternant ou en effectuant simultanément les mesures de détection et de référence comme détaillé ci-après, de manière à effectuer la comparaison entre deux mesures effectuées de façon rapprochée dans le temps. Le dispositif peut alors comporter des moyens de contrôle permettant d'alterner mesure de détection et mesure de référence. Il n'est, cependant, pas exclu que les différentes mesures de référence soient comparées à une même mesure de détection ou bien qu'une nouvelle mesure de détection utilisée pour la comparaison soit effectuée périodiquement après une série de mesures de référence. Les moyens de filtrage adressables peuvent comprendre un modulateur spatial optique de phase et/ou d'amplitude, ou un système micro-électronique réflectif ou interférentiel ou tout dispositif analogue. Les moyens de filtrage simulent le spectre optique de la lumière aux longueurs d'onde de travail d'au moins un composé donné. Les moyens de filtrage sont modifiés périodiquement et automatiquement, de manière à simuler successivement pour différents composés leur spectre optique de la lumière à leurs longueurs d'onde de travail. Au sens de l'invention, lorsque le filtrage a lieu sur la lumière émise, le spectre optique de la lumière aux longueurs d'onde de travail correspond au spectre optique de la lumière émise aux longueurs d'onde faiblement ou, de préférence, aux longueurs d'onde fortement absorbées par un ou plusieurs composés donnés. Par longueurs d'onde peu absorbées, on entend notamment, les longueurs d'onde, pour lesquelles est observée, pour un composé donné, une atténuation d'au plus 10% de l'intensité lumineuse sur l'ensemble du chemin parcouru par la lumière, lors de la mesure. Par longueurs d'onde fortement absorbées, on entend notamment, les longueurs d'onde, pour lesquelles est observée, pour un composé donné, une atténuation d'au moins 30% de l'intensité lumineuse sur l'ensemble du chemin parcouru par la lumière, lors de la mesure. Il est possible que les mesures de référence et de détection soient effectuées de manière à détecter des phénomènes linéaires ou non-linéaires. Dans le cas des phénomènes linéaires, il y a coïncidence entre la longueur d'onde émise dans le milieu et la longueur d'onde rétrodiffusée. Par contre, dans le cas de phénomènes non-linéaires observés notamment dans le cas d'impulsions intenses, par exemple de puissance supérieure à 1 GW, une modification de la longueur d'onde rétrodiffusée par rapport à la longueur d'onde émise est observée. Lorsque le filtrage a lieu sur la lumière rétrodiffusée, là encore, dans le cas de mesure de phénomènes linéaires, le spectre optique de la lumière aux longueurs d'onde de travail peut correspondre au spectre de la lumière rétrodiffusée aux longueurs d'onde faiblement ou, de préférence, aux longueurs d'onde fortement absorbées par un ou plusieurs composés donnés à rechercher. Par contre, dans le cas où des phénomènes non linéaires sont détectés, le spectre de la lumière rétrodiffusée aux longueurs d'onde de travail correspond au spectre de la lumière rétrodiffusée aux longueurs d'onde rétrodiffusées par le composé recherché qui diffère du spectre de la lumière émise aux longueurs d'onde faiblement ou fortement absorbées par le composé recherché. Etant donné que la mesure de référence correspond uniquement au signal lumineux rétrodiffusé aux longueurs d'onde faiblement ou fortement absorbées par un ou plusieurs composés donnés, il est possible d'augmenter la puissance de la lumière émise correspondant à ces longueurs d'onde sur le milieu, afin d'augmenter la sensibilité du système. La puissance de la lumière rétrodiffusée étant limitée, il est plus aisé de respecter les normes de sécurité oculaire. Les moyens de filtrage sont modifiés de façon automatique pour simuler, successivement, les spectres aux longueurs d'onde de travail d'une série de composés différents. Les moyens de filtrage peuvent, par exemple, comporter différents filtres positionnés sur un porte-filtres. Des moyens de déplacement motorisés des filtres assurent la sélection du filtre souhaité. Il est également possible, et ce de façon préférée, que les différents spectres caractéristiques des composés soient stockés dans une base de données spectroscopiques, à laquelle sont reliés les moyens de filtrage par des moyens de contrôle.

Il est également possible que les moyens de filtrage soient adaptés pour simuler certaines conditions telles que la température, la pression, la vitesse, la direction du vent, que présentent le milieu dans lequel les impulsions sont émises. Dans le cadre de l'invention, une unité de détection comprend des moyens de détection d'au moins une partie des photons rétrodiffusés. Des moyens de collecte, tels qu'un télescope peuvent être positionnés avant les moyens de détection. Ces moyens de collecte permettent notamment d'augmenter le signal détecté par les moyens de détection à partir de la lumière rétrodiffusée. Les moyens de détection sont généralement associés à des moyens d'acquisition et de traitement qui acquièrent et exploitent les signaux délivrés par les moyens de détection. Par exemple, les photons reçus sont convertis en photoélectrons. Le signal électrique correspondant est en relation directe avec l'absorption du rayonnement et les molécules de gaz à analyser, par application de la loi Beer-Lambert. Etant donné que la lumière émise est sous la forme d'impulsions, et que les moyens de détection détectent le signal en fonction du temps, il est possible de déterminer à quelle distance se trouve le milieu qui rétrodiffuse les photons détectés. Il est alors possible de calculer la répartition des concentrations le long de l'axe de tir de la source lumineuse, jusqu'à une limite définie comme la portée de la source.

A titre de moyens de détection adaptés pour la mise en oeuvre de l'invention, on peut citer les photomultiplicateurs, les photodiodes, ou tout autre dispositif analogue. Les moyens de détection utilisés résolus en temps, permettent d'enregistrer l'évolution du signal détecté en fonction du temps. De préférence, la résolution temporelle des moyens de détection est très fine, par exemple inférieure à 10 ns. Comme dit précédemment, les moyens de détection intègrent des moyens de résolution spatiale du signal permettant de déterminer à quelle distance se situe le milieu rétrodiffusant la lumière détectée. La résolution spatiale est obtenue grâce à la résolution en temps des moyens de détection. Le signal détecté peut ainsi être corrélée à la distance d'émission du milieu qui l'émet. De préférence, la résolution spatiale des moyens de détection est inférieure à 1 mètre. L'acquisition du signal est le plus souvent effectuée sur un temps réduit. Au niveau de l'unité de détection, il est possible de choisir les moyens de traitement du signal, de manière à moduler le traitement du signal. Par exemple, le signal obtenu lors des mesures de référence peut être ajusté et/ou optimisé par un algorithme en boucle fermée de manière à s'adapter à la concentration mesurée à l'itération précédente. L'adaptation de la transmission pour chaque tranche de longueur d'onde ou composante spectrale peut ainsi être modulée indépendamment, via un algorithme d'optimisation multi-paramètres, tel qu'un algorithme génétique dans lequel la solution optimale, c'est à dire le spectre synthétique le plus proche de l'espèce à détecter, est obtenue par essais et erreurs, les tentatives donnant un résultat favorable étant combinées pour produire les solutions optimales (voir T. Back, H. Schwefel, An overview of evo/utionary a/gorithms for parameter optimization, Evolutionnary Computing 1, 1 (1993) et R.S. Judson et H. Rabitz, Teaching lasers to contro/ mo%u/es, Physical Review Letters. 68, 1500 (1992)). Il est possible que les mesures de détection et de référence soient effectuées avec une unique unité de détection ou avec deux unités de détection distinctes. De façon avantageuse, les mesures et la comparaison sont effectuées de manière à déterminer la concentration du composé présent détecté. Pour cela, la comparaison est effectuée avec des moyens de traitement et des moyens de calcul de la concentration du composé détecté qui mettent, par exemple, en oeuvre des algorithmes analogues à ceux utilisés dans les techniques LIDAR ou DIAL ou dans la spectroscopie de corrélation. Par exemple, les méthodes de calcul utilisées sont dérivées de celles utilisées pour la technique DIAL (Differential Absorption Lidar, Lidar à absorbtion différentielle, voir par exemple R.M. Measures, Laser remote sensing - Fundamenta/s and applications. 1984, New York: Wiley Interscience.) Si l'on considère une espèce ou un composé dont la section efficace d'absorption intégrée sur le spectre lumineux de la source de référence est GR et la section efficace d'absorption intégrée sur le spectre lumineux de la source de mesure est am, alors, la concentration (exprimée en molécules par unité de volume) de cette espèce à une distance z est : ~\ N(z) = 1 • d ln SR 2'(6M-6R) dz\ \SM// où Sm(z) et SR(z) représentent respectivement le signal mesuré respectivement sur le détecteur de mesure et de référence. Dans les cas où la comparaison est réalisée entre lumière totale et les longueurs d'onde faiblement absorbées, ou entre les longueurs d'ondes fortement absorbées et les longueurs d'ondes faiblement absorbées, cette formule peut s'appliquer directement. Dans le cas où la comparaison est réalisée entre la lumière totale Sm et les longueurs d'onde fortement absorbées SR, les sections efficaces aR et am sont pratiquement égales. Pour assurer la stabilité mathématique de la méthode, on utilisera alors la valeur auxiliaire S'M = SM ùSR, pour laquelle la section efficace d'absorption est dM = 6M ù 6R O. La concentration de l'espèce recherchée est alors N(z)= 1 d 2 • (a'M -6R) dz \ lS'M J/ Dans le cas où les moyens de filtrage simulent simultanément le spectre de la lumière aux longueurs d'onde de travail de plusieurs composés d'intérêt, le calcul des rapports de mélange pourra être réalisé par une optimisation en boucle fermée ou tout algorithme analogue. Selon une première variante, les moyens de filtrage adressables sont placés entre la source de lumière utilisée pour la mesure de référence et le milieu, de façon à filtrer la lumière émise, lors de la mesure de référence. Les moyens de filtrage comprennent, par exemple, un modulateur spatial optique de phase et/ou d'amplitude, ou un système micro-électronique réflectif ou interférentiel. Selon une deuxième variante, les moyens de filtrage adressables sont placés entre le milieu et les moyens de détection utilisés pour la mesure de référence, de façon à filtrer la lumière rétrodiffusée, lors de la mesure de référence. Afin d'effectuer un tel filtrage, les moyens de filtrage comprennent, notamment, des moyens permettant d'orienter les longueurs d'onde fortement absorbées par le ou les composés à détecter vers une unité de détection et les longueurs d'onde peu absorbées par le ou les composés à détecter vers une autre unité de détection, les mesures de détection et de référence étant alors effectuées simultanément. La première variante de l'invention ci-dessus, est notamment illustrée FIGURE 1. Le dispositif I comprend une unique source de lumière 1 utilisée pour la ou les mesures de détection et les mesures de référence. Des moyens de filtrage 2 sont placés en sortie de la source de lumière 1, entre la source de lumière utilisée pour la mesure de référence et le milieu gazeux, de façon à filtrer la lumière émise, lors de la mesure de référence. Lors d'une mesure de référence, ces moyens de filtrage 2 filtrent la lumière émise par la source 1, pour permettre l'émission de certaines longueurs d'onde seulement qui correspondent aux longueurs d'onde fortement absorbées d'un ou plusieurs composés à détecter.

Lors d'une mesure de détection, les moyens de filtrage sont désactivés. La lumière émise 3 sous la forme d'impulsions brèves se propage vers le milieu gazeux 4 d'intérêt. Une partie de la lumière rétrodiffusée 5 est détectée par une unité de détection 6 comportant des moyens de détection résolue en temps. La différence d'intensité entre la mesure de détection réalisée en l'absence de filtrage et la mesure de référence réalisée avec filtrage est directement proportionnelle à la concentration du ou des composés recherchés. Selon une variante de fonctionnement, les moyens de filtrage permettent l'émission vers le milieu, non pas des longueurs d'onde fortement absorbées, mais des longueurs d'onde peu absorbées.

Une telle variante de réalisation dans laquelle les moyens de filtration sont disposés en amont du milieu gazeux permet de réduire la puissance de la lumière émise qui est alors réduite aux longueurs d'onde pour lesquelles une rétrodiffusion est observée avec le composé d'intérêt. Dans ce cas, il est plus aisé de respecter les normes de sécurité oculaire. La seconde variante de l'invention mentionnée précédemment est, par exemple, illustrée FIGURE 2. Le dispositif II comprend une unique source de lumière 11 utilisée pour la ou les mesures de détection et les mesures de référence. La lumière émise 12 sous la forme d'impulsions brèves par la source de lumière 11 se propage vers le milieu gazeux 13 d'intérêt. Une partie de la lumière rétrodiffusée 14 est détectée par une unité de détection 15 comportant des moyens de détection résolue en temps, en amont duquel des moyens de filtrage 16 sont placés. Lors d'une mesure de référence, ces moyens de filtrage 16 filtrent la lumière rétrodiffusée par le milieu gazeux 13, pour que seules certaines longueurs d'onde, qui correspondent aux longueurs d'onde fortement absorbées (ou peu) par un ou plusieurs composés à détecter, soient dirigées vers l'unité de détection 15. Lors d'une mesure de détection, les moyens de filtrage sont désactivés. La différence d'intensité entre la mesure de détection réalisée en l'absence de filtrage et la mesure de référence réalisée avec filtrage est directement proportionnelle à la concentration du ou des composés recherchés. Dans cette variante, les moyens de filtrage ne reçoivent que la lumière rétrodiffusée par le milieu, et non la totalité de la lumière émise par la source de lumière de référence. Par conséquent, les risques de vieillissement ou de détérioration du filtre sont réduits. La FIGURE 3 illustre une autre variante dans laquelle les moyens de filtrage adressables sont placés entre le milieu gazeux et les unités de détection utilisées pour la mesure de référence et la mesure de détection, de façon à filtrer la lumière rétrodiffusée, lors de la prise simultanée de la mesure de référence et de la mesure de détection. Sur la FIGURE 3, le dispositif III comprend une unique source de lumière 111 utilisée pour la ou les mesures de détection et les mesures de référence. La lumière émise 112 sous la forme d'impulsions brèves par la source de lumière 111 se propage vers le milieu gazeux 113 d'intérêt. Une partie de la lumière rétrodiffusée 114 est filtrée par des moyens de filtrage 115 placés en aval du milieu gazeux 113 qui comprennent des moyens permettant d'orienter les longueurs d'onde fortement absorbées par le ou les composés à détecter vers une unité de détection et les longueurs d'onde peu absorbées par le ou les composés à détecter vers une autre unité de détection. Sur la FIGURE 3, les moyens de filtrage 115 comprennent des moyens de dispersion 116 tel qu'un prisme de la lumière et des moyens de réflexion 117 de la lumière dispersée obtenue qui orientent le faisceau lumineux, en fonction de sa longueur d'onde, vers l'un ou l'autre des unités de détection 118 et 119. Les moyens de filtrage 115 ont été volontairement représentés à une échelle supérieure pour faciliter la compréhension. En réalité, les moyens de détection sont situés à une distance du milieu d'intérêt qui peut atteindre plusieurs km. Les moyens de réflexion 117 peuvent être un dispositif micro-électromécanique tel qu'un réseau de micro- miroirs montés sur des vérins piézo-électriques, ou tout autre dispositif réflectif dont chaque élément peut être orienté indépendamment et rapidement par un signal de contrôle. L'unité de détection 118 reçoit les longueurs d'onde peu absorbées par le composé à mesurer et permet d'effectuer la mesure de détection (ou de référence). L'unité de détection 119 reçoit les longueurs d'onde fortement absorbées par le composé à mesurer et permet d'effectuer la mesure de référence (ou de détection respectivement). Selon les techniques de calcul utilisées dans les techniques d'absorption différentielle DIAL, il est possible de mesurer la concentration du composé d'intérêt. Ainsi, les mesures de référence et de détection sont effectuées simultanément, ce qui permet de s'affranchir desfluctuations pouvant intervenir dans le milieu entre deux mesures successives. Dans ce cas, la mesure de référence et la mesure de détection sont effectuées simultanément. La mesure de détection correspond, par exemple, à la mesure effectuée par les moyens de détection qui reçoivent les longueurs d'onde peu absorbées (nommées %off) par le composé ou les composés gazeux à détecter et la mesure de référence à celle effectuée par les moyens de détection qui reçoivent les longueurs d'onde fortement absorbées (nommées Xon) par le composé ou les composés gazeux à détecter, ou inversement. Les méthodes de calcul permettant d'obtenir la concentration du composé gazeux à détecter sont bien connues de l'homme du métier et correspondent, notamment, à celles utilisées dans la technique d'absorption différentielle DIAL. Le dispositif IV décrit FIGURE 4 comprend deux sources de lumière 211 et 212 utilisées l'une pour les mesures de détection et l'autre pour les mesures de référence. La lumière émise 213, alternativement, par chacune de ces sources, 211 et 212 respectivement, emprunte le même chemin, la direction du faisceau lumineux étant modifié grâce à un dispositif 214 comportant des moyens de modification du chemin de propagation de la lumière. Un tel dispositif 214 se présente, par exemple, sous la forme d'un miroir mobile dont l'orientation est alternativement modifiée en fonction de la source lumineuse dont provient la lumière. En sortie du dispositif 214, le chemin de la lumière émise par la source 211 coïncide avec celui de la lumière émise par la source 212, de sorte que, quelque soit la source lumineuse, la lumière émise 213 se propage vers le milieu gazeux 215 d'intérêt, selon le même chemin. Une partie de la lumière rétrodiffusée 216 est détectée par une unité de détection 217 comportant des moyens de détection résolue en temps, en amont duquel des moyens de filtrage 218 sont placés. Lors d'une mesure de référence, ces moyens de filtrage 218 filtrent la lumière rétrodiffusée par le milieu gazeux 215, pour que seules certaines longueurs d'onde, qui correspondent aux longueurs d'onde fortement absorbées (ou peu) par un ou plusieurs composés à détecter, soient dirigées vers l'unité de détection 217. Lors d'une mesure de détection, les moyens de filtrage sont désactivés. La différence d'intensité entre la mesure de détection réalisée en l'absence de filtrage et la mesure de référence réalisée avec filtrage est directement proportionnelle à la concentration du ou des composés recherchés.

Claims

REVENDICATIONS

1 - Procédé de télédétection optique de composés dans un milieu (4, 13, 113, 215) dans lequel : une mesure de détection est réalisée par émission dans le milieu (4, 13, 113, 215), à partir d'une source de lumière (1, 11, 111, 211), nommée source de lumière de détection, d'impulsions brèves de lumière d'au moins 3 nm de large, de préférence d'au moins 10 nm de large, et détection d'une partie de la lumière rétrodiffusée par le milieu au moyen d'une unité de détection à résolution temporelle (6, 15, 118, 217), - une mesure de référence est réalisée par émission dans le milieu (4, 13, 113, 215), à partir d'une source de lumière (1, 11, 111, 212), nommée source de lumière de référence, de caractéristiques identiques à la source de lumière de détection, d'impulsions brèves de lumière dans le milieu (4, 13, 113, 215), et détection d'une partie de la lumière rétrodiffusée par le milieu au moyen d'une unité de détection à résolution temporelle (6, 15, 119, 217), la lumière émise ou la lumière rétrodiffusée étant filtrée grâce à des moyens de filtrage adressables (2, 16, 115, 218), simulant le spectre optique de la lumière aux longueurs d'onde de travail d'au moins un composé donné à rechercher, - une comparaison d'une mesure de détection et d'une mesure de référence, pour en déduire la présence éventuelle du ou des composé(s) recherché(s) dans le milieu, les moyens de filtrage adressables (2, 16, 115, 218) sont modifiés de manière dynamique, et une série de mesures de référence et une série de comparaisons correspondantes sont effectuées pour une série de composés différents susceptibles d'être présents dans le milieu.

2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la source de lumière de détection et la source de lumière de référence comprennent un laser émettant des impulsions dont le spectre de longueurs d'ondes est élargi.

3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la source de lumière de détection et la source de lumière de référence délivrent des impulsions d'une durée de 20 fs à 10 ps, de préférence de 100 fs à 300 fs, et d'une puissance de préférence de 3 GW à 100 TW et préférentiellement de 0,5 TW à 5 TW.

4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les impulsions émises dans le milieu sont des impulsion de lumière blanche. -Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les mesures et la comparaison sont effectuées de manière à déterminer la 5 concentration du composé présent détecté. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la ou les mesures de détection et les mesures de référence sont réalisées avec une source de lumière unique (1, 11, 111), la mesure de détection étant réalisée sans filtrage. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'une mesure de détection différente est réalisée pour chaque mesure de référence. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les moyens de filtrage (2) adressables sont placés entre la source de lumière utilisée pour la mesure de référence et le milieu, de façon à filtrer la lumière émise, lors de la mesure de référence. 9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les moyens de filtrage comprennent un modulateur spatial optique de phase et/ou d'amplitude, ou un système micro-electronique réflectif ou interférentiel. 10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les moyens de filtrage adressables (16, 115, 218) sont placés entre le milieu (13, 113, 215) et l'unité de détection (15, 119, 217) utilisée pour la mesure de référence, de façon à filtrer la lumière rétrodiffusée, lors de la mesure de référence. 11 - Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que les moyens de filtrage (115) comprennent des moyens (117) permettant d'orienter les longueurs d'onde fortement absorbées par le ou les composés à détecter vers une unité de détection (119) et les longueurs d'onde peu absorbées par le ou les composés à détecter vers une autre unité de détection (118), les mesures de détection et de référence étant alors effectuées simultanément. 12 - Dispositif de télédétection optique de composés dans un milieu (4, 13, 113, 215) qui comprend : une série d'éléments pour une mesure de détection, comprenant une source de lumière (1, 11, 111, 211), nommée source de lumière dedétection, émettant dans le milieu des impulsions brèves de lumière d'au moins 3 nm de large, de préférence d'au moins 10 nm de large, et une unité de détection (6, 15, 118, 217) avec résolution temporelle d'une partie de la lumière rétrodiffusée par le milieu, délivrant une mesure de détection, - une série d'éléments pour une mesure de référence, comprenant une source de lumière (1, 11, 111, 212), nommée source de lumière de référence, de caractéristiques identiques à la source de lumière de détection, émettant des impulsions brèves de lumière dans le milieu, des moyens de filtrage adressables (2, 16, 115, 218), qui filtrent la lumière émise ou la lumière rétrodiffusée, et simulent le spectre optique de la lumière aux longueurs d'onde de travail d'au moins un composé donné à rechercher, et une unité de détection (6, 15, 119, 217) avec résolution temporelle d'une partie de la lumière rétrodiffusée par le milieu, délivrant une mesure de référence et - des moyens de comparaison d'une mesure de détection et d'une mesure de référence, pour en déduire la présence éventuelle du ou des composé(s) recherché(s) dans le milieu, - des moyens de modification automatisés des moyens de filtrage adressables permettant d'effectuer une série de mesures de référence pour une série de composés différents susceptibles d'être présents dans le milieu. 13 - Dispositif selon la revendication 12 caractérisé en ce que la source de lumière de détection et la source de lumière de référence comprennent un laser. 14 - Dispositif selon la revendication 12 ou 13 caractérisé en ce que la source de lumière de détection et la source de lumière de référence émettent des impulsions d'une durée de 20 fs à 10 ps, de préférence de 100 fs à 300 fs, et d'une puissance de préférence de 3 GW à 100 TW et préférentiellement de 0,5 TW à 5TW. 15 - Dispositif selon l'une des revendications 12 à 14 caractérisé en ce que les unités de détection et les moyens de comparaison comportent des moyens de calcul de la concentration du ou des composés présents détectés.16 - Dispositif selon l'une des revendications 12 à 15 caractérisé en ce que la source de lumière de détection (211) est distincte de la source de lumière de référence (212). 17 - Dispositif selon l'une des revendications 12 à 16 caractérisé en ce que la source de lumière de détection et la source de lumière de référence sont une seule et même source de lumière (1, 11, 111), la mesure de détection étant réalisée sans filtrage. 18 - Dispositif selon l'une des revendications 12 à 17 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de contrôle permettant d'alterner mesure de détection et 10 mesure de référence. 19 - Dispositif selon l'une des revendications 12 à 18 caractérisé en ce que les moyens de filtrage adressables sont placés entre la source de lumière utilisée pour la mesure de référence et le milieu, de façon à filtrer la lumière émise, lors de la mesure de référence. 15 20 - Dispositif selon l'une des revendications 12 à 19 caractérisé en ce que les moyens de filtrage comprennent un modulateur spatial optique de phase et/ou d'amplitude, ou un système micro-électronique réflectif ou interférentiel. 21 - Dispositif selon l'une des revendications 12 à 18 caractérisé en ce que les moyens de filtrage adressables (16, 115, 218) sont placés entre le milieu (13, 20 113, 215) et l'unité de détection (15, 119, 217) utilisée pour la mesure de référence, de façon à filtrer la lumière rétrodiffusée, lors de la mesure de référence. 22 - Dispositif selon la revendication 21 caractérisé en ce que les moyens de filtrage (115) comprennent des moyens (117) permettant d'orienter les 25 longueurs d'onde fortement absorbées par le ou les composés à détecter vers une unité de détection (119) et les longueurs d'onde peu absorbées par le ou les composés à détecter vers une autre unité de détection (118), les mesures de détection et de référence étant alors effectuées simultanément.