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, Description des performances instrumentales et besoins exprimés par TOTAL pour 3 scénarios de fuites de méthane établis dans le cadre du projet NAOMI
, Technologies lasers adaptées à la télédétection du méthane : performances, avantages et inconvénients
, Tableau résumé sur les capteurs optiques pour la télédétection de fuites de méthane, p.30
, 63 III.2 Coefficients d'accordabilité en fonction de la thermistance, p.64
, des ordres des grandeurs relatifs aux processus de diffusions stimulées (SRS/SBS) dans les fibres optiques en SiO 2 d'après [Agrawal, 2000.
, Résumé des performances atteintes par la source fibrée de VEGA, p.77
, Tableau résumé des paramètres du scénario de référence pour la simulation de signaux lidar réalistes
, Tableau résumé de la statistique des estimations dans le scénario de référence (sans panache)
, Débit d'une fuite de gaz à travers une surface S
, Organigramme des méthodes de détection de fuites de gaz -extrait de [Murvay and Silea, 2012.
, Section efficace d'absorption du méthane et de la vapeur d'eau entre 1 et 10 µm, calculées à partir des données spectroscopiques de la base HITRAN 2008 avec une résolution ??=1 nm
, , p.12
, Cas 1 : le contraste thermique entre le sol et le panache est important et la concentration intégrée peut être calculée. Cas 2 : le contraste thermique entre l'atmosphère et le panache est insuffisant pour observer la fuite. Images fournies par Pierre-Yves Foucher (pierre-yves.foucher@onera.fr), Images obtenues avec une caméra infrarouge hyperspectrale lors de lâchers de méthane contrôlés
, 6 (a) section efficace d'absorption du méthane (b) schéma représentatif de la disponibilité des sources lasers dans le proche infrarouge et coïncidences avec les résonances d'absorption de méthane. Le trait pointillé symbolise la limite de transmission de la silice qui compose les fibres optiques
, Principe générale de la mesure de gaz intégrée par WMS, p.20
, Quelques systèmes commerciaux utilisant des lasers continus à 1.65 µm pour sonder la concentration intégrée de méthane sur un trajet jusqu, Laser Monitoring System (b) Tirée de
, PSI : Remote Methane Leak Detector
, (a) Schéma de la procédure de mesure du débit en combinant les données RRDA et les vecteurs vent utilisé par le NPL pour la caractérisation de fuite de méthane (b) exemple d'un mât météo utilisé pour mesurer le vent à différentes hauteurs, p.25, 2017.
, 11 (a) Schéma de principe de la technique IPDA extrait de, 2017.
,
, Géométrie de mesure pour la mesure simulatanée du vent et de la concentration de gaz pour un panache
, Principe général d'un instrument lidar
, 37 choix des longueurs d'onde on et off (b) le rapport de mélange du gaz d'intérêt x 1 sur la ligne de visée (c) comparaison des CNR pour les longueurs d'onde on et off
, 5 Illustration des paramètres de la DSP du photo-courant total, p.43
, Schéma du système de coordonnées utilisé par la suite. L'indice « det » se réfère au détecteur ; aucun indice ne décrit le plan de la cible, BPLO : Back Propagated Local Oscillator
, Les volumes d'atmopshère sondés par l'impulsion au temps t et t + ? sont partiellement les mêmes (b) une réalisation d'une trace i H (t) (i.e. un seul pulse laser), la durée d'impulsion est de 100 ns, son spectre est limité par transformée de Fourier (? c ? ? p ) et f 0 = 50MHz. On voit clairement apparaître un temps de renouvellement/corrélation de i H (t) sur une échelle de temps de l'ordre de la durée d'impulsion
, Ces calculs sont effectués en propageant les champ électriques initiaux selon le principe de Huygens-Fresnel. On suppose le plan de la cible définit par les cordonnées (x, y) et celui de l'optique d'émission par les coordonnées, II.8 Distribution d'intensité sur (gauche) l'optique d'émission et (droite) dans le plan de focalisation du faisceau à 50m, pour ? p = 5, p.49
, 10 (a) Représentation de la déformation d'un front d'onde par un objet rugueux et répartition de l'intensité observée sur un écran (b) Représentation en échelle de couleur de l'intensité observée dans le plan x. Image tirée du cours d'optique statistique de Vincent Josse (vincent.josse@institutoptique.fr), II.9 Distribution d'intensité sur (gauche) l'optique d'émission et (droite) dans le plan de focalisation du faisceau à 50m, p.1
, Evolution de l'erreur relative sur le CNR
, , p.59
, Section efficace d'absorption du méthane en considérant (cellule) ou non (atmosphère) les collisions méthane-méthane, p.62
, Principe de la procédure de calibration spectrale, p.62
, Accordabilité de la DFB-on en fonction du courant d'injection (a) tensions mesurées (b) ajustement avec le spectre théorique (c) ? = f(y) et paramètres d'ajustement
, de la vapeur d'eau (b,d) sur 1km avec x CH 4 = 1.8ppm, x H 2 O = 10.10 3 ppm en fonction du courant et de la thermistance. [? i , ? T ] sont supposés indépendants et l'évolution de la longueur d'onde avec le courant et la température linéaire sur un intervalle ?? ? 1nm autour du maximum d'absorption du méthane dans la cellule de gaz
, Réfléctivité des filtres de Bragg (FBG) utilisés entre le pré-amplificateur Raman R1 et l'amplificateur Raman R2
, Spectre du gain Raman pour une fibre en silice (d'après [Stolen and Ashkin, 1973]) en fonction du décalage avec l'onde pompe, p.68
, Mécanismes sous-jacents menant au régime stimulé de diffusion Brillouin dans une fibre optique
, III.10Influence de la forme d'impulsion sur la DSP à l'émission pour des impulsions de 100 ns (a) forme d'impulsions et puissance moyenne (b) spectre correspond obtenu par mesure hétérodyne entre l'OL et la sortie de la chaîne d'amplification Raman
, gaussien m g sur le spectre en sortie de l'amplificateur (a) forme d'impulsion (puissance optique) et temps de montée (b) phase non linéaire ? NL (t) pour p 0 = 1 mW (c) interférogramme correspondant (d) Densité spectrale de puissance correspondante avec le produit temps bande et 6f 2
, 74 III.14Influence d'une modulation d'amplitude d'indice de modulation m mod . . 75 III.15Influence de l'indice de modulation d'amplitude m mod du profil Stokes sur le CNR
, 16(a) Profil d'impulsion obtenus pour ? p = 200 ns (b) spectre correspondant et comparaison avec le cas idéal d'un pulse rectangulaire, p.77
, des moments de la DSP du signal Stokes en sortie de la chaîne d'amplification (a) intégrale (ordre 0) (b) moment d'ordre 1 (c) moment d'ordre 2 centré
, Allan des moments de la DSP du signal Stokes en sortie de la chaîne d'amplification (a) intégrale (ordre 0) (b) moment d'ordre 1 (c) moment d'ordre 2 centré
, , p.79
, Les points expérimentaux figurent en noir, p.80
, , p.81
, Elles sont indiquées en A.W ?1 au dessus du graphique, vol.81, p.82
,
, avec une transimpédance de Z = 1500 ?, une resistance de charge de R = 50 ?, une résolution de la mesure sur l'analyseur de spectre électrique df = 0.1 MHz et une température de ? = 300 K
, 25Mesure de la puissance de saturation du détecteur lidar et ajustement pour 0.5 < P ol < 2 mW pour la détermination de ? d via l'expression de la puissance de bruit quantique, p.83
, III.26Illustration de l'influence du facteur d'excès de bruit de photon M. ? = 1.65 µm . NEP = 1.10 ?11 W.Hz ?1/2 , ? d = 0.77A, vol.84
, 27Illustration de l'intérêt d'une détection équilibrée, p.85
, Exemple d'une trace lidar obtenue par VEGA -n p = 512 points à une fréquence d'échantillonnage de f s = 250MHz
, > accumulée et soustraite du bruit dans la bande d'analyse B (b) Spectrogramme accumulé qui correspond à < S h k (f p ) > pour différentes valeurs de k, c'est à dire de la distance. La figure de gauche est donc une coupe horizontale de celle de droite pour une distance d k donnée
, 3 (a) Calcul du coefficient de rétrodiffusion en fonction de ? (b) coefficient d'extinction en en fonction de ? (c) Lidar ratio (LR) en fonction de ?
, ppm de vapeur d'eau à 10 ? C), distribution d'aérosols réaliste depuis la base de donnée OPAC (continental pollué), concentration massique d'aérosols 43 µg.m ?3 au niveau de la mer, p.99, 10000.
, CNR estimé (a) en fonction de la distance (b) espérance comparée aux estimations
, Illustration du mauvais comportement de l'estimateur du CNR pour les bas CNR. Pour cela j'ai choisi ? ? = 2.10 ?8 /m/sr, p.102
, Ajustement pour retrouver le nombre de cellules de cohérence avec une impulsion gaussienne (? p = 200 ns) et une porte d'analyse rectangulaire (T g = 200 ns) -droite : Ajustement pour retrouver le nombre de cellules de cohérence avec une impulsion rectangulaire (? p = 200 ns) et une porte d'analyse rectangulaire (T g = 200 ns)
, Histogrammes des CNR dans le scénario de référence (a) off-line au point de focalisation (b) off-line à 1 km
, Dans le scénario de référence (a) estimations de 2?? et comparaison aux données d'entrées (b) précision de la DAOD aller retour en fonction en fonction de la distance pour 0.2 s d'accumulation (c) Estimations de x CH 4 et comparaison aux données d'entrées (d) précision des estimations de VMR en fonction en fonction de la distance pour 0.2 s d'accumulation
, Histogrammes des VMR méthane estimés dans le scénario de référence (a) au point de focalisation (b) à 1km
, 10Insertion d'un panache gaussien sur la LDV à 500 m (a) estimations de 2?? et comparaison aux données d'entrées (b) précision de la DAOD aller retour en fonction de la distance pour 0.2 s d'accumulation (c) Estimations de x CH 4 et comparaison aux données d'entrées (d) précision des estimations de VMR en fonction de la distance
, IV.11Histogramme du VMR méthane estimé au centre d'un panache gaussien à 500 m du lidar
, 12(a) Détectabilité pour le VMR du méthane en fonction du CNR (b) CNR obtenus dans le scénario de référence (trait plein) et une variation de ? ? de plus ou moins une décade
, 13(a) Estimations de v R et comparaison aux données d'entrées dans le scénario de référence (b) précision en fonction du CNR pour 0.1 s d'accumulation (c) précision en fonction de la distance dans le scénario de référence pour d'accumulation 0.1 s
, Estimation du produit CL d'un panache carré à 200 ms (b) Erreur systématique (relative et absolue) observée (c) Erreur aléatoire (relative et absolue), p.110
, 15(a) Transmission atmosphérique en fonction de la longueur d'onde en présence du panache représenté sur la figure (b) La figure (c) représente le différentiel de section efficace d'absorption avec 1645.792 nm
,
, 2 (a) DSP normalisée par le bruit et accumulée sur 500 ms à la longueur d'onde off (b) estimations résolues en distance de la vitesse radiale de vent et de la précision via la BCR pour 500 ms d'accumulation (c) estimation IPDA (cible dure à 2.25 km) multi-spectrale par un ajustement aux moindres carrés du VMR en vapeur d'eau et en méthane, précision de mesure en 17 s d'accumulation
, , vol.120
, Schéma de l'expérience visant à mesurer la concentration au sein d'une cellule avec
, Calibration des mesures d'épaisseurs optiques différentielles de VEGA à l'aide d'une cellule de gaz insérée devant le détecteur, p.122
,
, , p.124
, Les points verts correspondent aux essais VEGA. Il n'y a pas eu de lâchers le 15/10. Le 18/10 et 19/10 ont été pour l'essentiel consacrées à des lâchers de dioxyde de carbone, 2018.
, Le lidar VEGA déployé sur le terrain pendant une matinée de brouillard 125 V.10 Configuration de mesure de VEGA lors de la campagne Lacq, p.126, 2018.
, Couples de longueurs d'onde pour les mesures à LACQ, p.126
, Ligne de visée de VEGA pour le test 1
, 13 (a) CNR moyens sur toute la durée du test (b) dynamique de CNR off (c) dynamique de CNR on pour le test 1
, 14 (a) Cartographie de la vitesse radiale de vent (b) comparaison avec les anémomètres soniques au point de fuite pour le test 1, p.131
, 15 (a) Cartographie des estimations du VMR méthane (b) évalution de la précision d'estimation et compraison au modèle de détectabilité pour le test 1
,
, 17 (a) CNR moyens sur toute la durée du test (b) dynamique de CNR off (c) dynamique de CNR on pour le test 2
, 18 (a) Cartographie des estimations du VMR méthane (b) évaluation de la précision d'estimation et comparaison au modèle de détectabilité pour le test 2
, Comparaison des mesures IPDA et RDDA (CL) autour du point de fuite pour le test 2
, Observation du panache réalisée par une caméra IR conjointement à la mesure lidar. Crédit : Pierre-Yves Foucher (pierre-yves, p.137
, 21 (a) Estimation du vent radial au point de fuites et comparaison avec les anémomètres soniques (b et c) mesure du vecteur vent par les anémomètres au cours du test 2
, 22 (a) déviation d'Allan du CNR off (b) estimations RRDA off ? off dans un cas plutôt stationnaire à l'échelle du temps de commutation, p.138
, 23 (a) déviation d'Allan du CNR off (b) estimations RRDA off ? off dans un cas plutôt instationnaire à l'échelle du temps de commutation, p.139
, Évaluation de la précision d'estimation et comparaison au modèle de détectabilité pour le test 3
, 25 (a) Cartographie VMR en fonction de l'angle de scan (b) interpolée pour le test 3
, 26 (Cartographie du VMR méthane sur trois plans pour le test 4, p.142
, Couples de longueurs d'onde pour le test 5
, Dynamique du CNR pour le test 5
, 29 (a,b) Cartographies en VMR méthane (c) estimations multi-spectrale et (d) évaluation de précision pour le test 5
, Estimation de flux avec le lidar VEGA et les données procurées par les anémomètres soniques pour le test 1
, 31 (a) Détectabilité pour le VMR du méthane en fonction du CNR et précision observée à 135 m (b) CNR obtenus pour différents tests et extrapolations gaussiennes
, Principe générale de la mesure de gaz par caméra infrarouge, p.157
, Faisceau gaussien et limite de diffraction
, ONERA, vise à développer des instruments de télédétection capables de localiser (résolution spatiale de l'ordre de 100 m) et de caractériser des fuites majeures de méthane à une distance de sécurité (1 km) sur le terrain. Pour répondre à ce cahier des charges, ce travail de thèse décrit l'étude, la conception et la caractérisation d'un prototype lidar fibré, émettant dans le domaine proche infrarouge (1.65 µm) : VEGA (VEnt et GAz). L'utilisation d'un schéma de détection hétérodyne permet en effet d'envisager un système bi-fonction, capable de mesurer simultanément la vitesse du vent via le décalage Doppler (utile pour évaluer la dispersion d'un panache) et la concentration de méthane par la technique DIAL. Au laboratoire, des mesures intégrées (cible à 2.2 km) ont démontrées, pour la première fois à notre connaissance avec un lidar hétérodyne, la sensibilité de l'instrument au méthane. L'exactitude de ces estimations du niveau atmosphérique (1.95 ± 0.26 ppm en 1 s d'accumulation) s'avère satisfaisante pour l'application visée (impliquant une concentration très supérieure). La participation à une campagne de mesure en 2018 (à Lacq) a démontrer le bon comportement du prototype lidar sur le terrain, justifiant le choix d'une architecture tout-fibré. L'utilisation de plusieurs stratégies de mesures (simple, multi lignes de visée, multi spectrale) a également souligner la capacité de VEGA à identifier et quantifier la concentration au sein de lâchers de méthane contrôlés, à environ 200 m (récours de la campagne, les erreurs aléatoires observées, de l'ordre ±10?100 ppm en 1 sec d'accumulation s'avèrent conformes aux modèles théoriques. Des extrapolations de la précisons à des distances supérieures montrent toutefois la nécessité d, Résumé Les fuites de méthane soulèvent à la fois des problématiques environnementales et sécuritaires, particulièrement dans l'industrie pétrolière. Le contrôle de panaches en temps réel permettrait de prévenir d'éventuels drames humains et catastrophes écologiques. Dans ce contexte, un volet du projet NAOMI, impliquant TOTAL E&P et l'
, In this context, one part of NAOMI project, involving TOTAL and ONERA, aims to develop remote sensing tools capable of locating (with a spatial resolution of 100 m) and characterize major methane leaks from a safety distance (1 km) on the field. To meet these specifications, the present work describes the study, design and performances assessments of a fiber lidar emitting in the near infrared (1.65 µm) : VEGA (« VEnt et GAz », French for « wind and gas »). The choice of a coherent detection scheme allows to consider a dual-function system, able to simultaneously measure wind speed with Doppler shift (useful to assess plume dynamic) and methane concentration with the DIAL technique. In the lab, integrated-path measurements (target at 2.2 km) have shown, a first to our knowledge with a coherent lidar, VEGA's senbe satisfying for the target application (involving much higher concentration). During a field campaign, 2018.