Studies of infrared spectra for teledetection applications : - development of an optimized line by line computation - laboratory measurements for kilometer paths or for high temperature
Études de spectres infrarouges pour des applications de télédétection: - développement d'un calcul raie par raie optimisé - mesures en laboratoires, sur des trajets kilométriques ou à haute température
Résumé
This work deals with infrared radiation by molecular gases, addressing the aerospace community 's requirements for the modeling of plume signature and remote-sensing. The aim is to develop a theoretical and numerical method for the prediction of absorption/emission spectra (transmission and specific intensity). Typical paths consist of a long cold one (atmosphere) and a juxtaposed short hot one (combustion gases). The fine spatial meshes, due to high variability of thermophysical conditions, and wide spectral ranges involved, require so many calculations that a fast, error controlled, computation is necessary. The computational approach was built on a line-by-line radiative transfer model. In this model, the absorption coefficient results from the contributions of allowed (dipole, quadrupole, ...) and of collision induced transitions. This method is globally very precise, but time expensive because of the high number of lines we have to take into account (let us consider the Hitran spectroscopic Data Base : ~ 10^6 lines, Hitemp + Hitran : ~ 3.3x10^6 lines). After a discussion about the precise model of emission - absorption adopted, alI the optimizations studied and included in the new code written with Fortran 90 language are presented. They comprise : a new fast computation of Voigt profile; a method generating different spectral mesh grids, minimizing the number of calculated points; an efficient method to reject weak lines; a line wings cutting technique and use of continuum; calculation stopped where emissivity saturates. Local Thermodynamic Equilibrium is assumed; however, it can easily be upgraded to include Non-LTE. Furthermore, it was conceived in order to make easier its handling, especially for the purpose of further improvements or for easy integration in larger computational structures. The calculation has been parallelized (using MPI), by distributing gas columns on different processors. The new code is thirty times as quick as the previous one used by SNECMA (French Aeronautics and Space Propulsion Group) which could calculate, for the first time, a whole infrared signature of an aircraft with a line-by-line method. Experimental validations of the code are based on two apparatuses. The first one is intended to simulate long atmospheric paths. We developed and exploited it in GSMA laboratory (Group of Molecular and Atmospheric Spectrometry, Reims). It uses a 50 m White cell which allowed, for the first time, transmission spectra measurements between 2 and 14 μm for kilometric paths. The second one, developed in LPALMS laboratory (Laboratory of Atoms, Lasers, Molecules and Surfaces Physics, Rennes, 250 km), is intended to simulate plume signature configurations. It juxtaposes a short hot cell and a long cold cell. CO2 spectra were recorded with high spectral resolution near 10 and 4 μm, till 1000 K. The two campaigns validate the calculations, provided that we use "hot" spectroscopic data bases for the second one (i.e. Hitemp instead of Hitran).
Les travaux dont les résultats font l'objet de ce mémoire de doctorat s'inscrivent dans le cadre de l'étude expérimentale et théorique des processus d'absorption/émission de rayonnement infrarouge par des milieux moléculaires gazeux. Il a été motivé par des besoins de modélisation de la signature infrarouge d'aéronefs et de télédétection. Le problème posé est celui de l'élaboration, puis de la validation, d'une approche théorique et numérique permettant de prédire les spectres infrarouges des milieux gazeux rencontrés dans les applications de télédétection. Ces derniers ont la caractéristique de mettre en jeu des trajets optiques comprenant un long parcours froid (l'atmosphère) juxtaposé à une partie plus courte et chaude (gaz de combustion). En raison de la forte variabilité des conditions thermophysiques le long des rayons, du nombre considérable de ces rayons à prendre en compte pour l'intégration sur l'angle solide de visée, et de l'étendue du domaine spectral d'intérêt, le volume de calculs associés à la prédiction de la signature infrarouge est considérable. L'approche théorique se doit donc d'être très efficace et rapide tout en restant la plus précise possible. Ce problème a été abordé ici sur le plan théorique et expérimental. L'approche prédictive développée repose sur un modèle "raie par raie" dans lequel le spectre résulte de l'addition des contributions individuelles des transitions infrarouges des espèces moléculaires présentes. Cette approche est dans l'ensemble très précise mais aussi très coûteuse en temps de calcul en raison du nombre de raies à prendre en compte et de la forte dynamique spectrale aux pressions modérées des milieux considérés. Une fois posées les bases du modèle, un effort important a été consacré à l'optimisation des calculs qui a été faite à plusieurs niveaux en autorisant des erreurs contrôlées sur le résultat final. Nous avons ainsi développé : - une technique (la plus) rapide d'évaluation du profil (Voigt) des raies ; - un système de grilles spectrales de pas différents minimisant le nombre de points de calcul ; - une méthode efficace d'élimination des raies de contribution négligeable ; - une technique de coupure des ailes de raies associée à l'utilisation de continua. Ces concepts ont servi de base pour la construction d'un code informatique profitant des fonctionnalités (notamment la gestion dynamique de la mémoire) du langage Fortran 90. Ce code a été implanté à la SNECMA et à l'ONERA, avec une version parallélisée sous MPI. Ce travail a été un succès puisque l'outil développé a réduit le temps de calcul d'un facteur trente par rapport au code raie par raie déjà optimisé dont disposait la SNECMA. Ceci a permis de mener, pour la première fois, un calcul complet de signature infrarouge avec une approche raie par raie. En parallèle, des études expérimentales ont été menées afin de tester la qualité des prédictions obtenues avec le code développé. Deux dispositifs différents et complémentaires ont été utilisés afin de reproduire, en laboratoire, des milieux "représentatifs" de ceux mis en jeu par les applications de signature. Le premier, que nous avons conçu, construit, et exploité a été développé autour d'un spectromètre à réseau et d'une cuve multi-passages pré-existante de 50 m de base au GSMA (Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique, Reims). Ce travail a permis (pour la première fois) la mesure de spectres de transmission dans le domaine 2-14 μm, à température ambiante mais pression variable, pour des trajets optiques supérieurs au kilomètre, schématisant ainsi les longs parcours atmosphériques rencontrés dans les applications pratiques considérées. Les résultats obtenus ont permis de valider les calculs, à quelques exceptions mineures et locales près. Le second dispositif a été développé, à notre suggestion, par une équipe du LPALMS (Laboratoire de Physique des Atomes, Lasers, Molécules et Surfaces, Rennes). Le montage repose sur la juxtaposition d'une courte cuve chaude et d'une longue cuve froide, schématisant ainsi l'aspect gaz chauds + gaz froids des milieux mis en jeu par les applications pratiques. Des spectres du CO2 ont été enregistrés à haute résolution spectrale, à l'aide d'un spectromètre à transformée de Fourier, dans les régions de 10 et 4 μm pour des températures allant jusqu'à 1000 K. Ces données ont confirmé la qualité des calculs prédictifs sous réserve que des bases de données spectroscopiques "chaudes" soient utilisées.
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