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, S0 ₂ , C0 ₂ , CH ₄ , ....

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 2v ₃ 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 n _p de détecteurs de surface finie, une longueur Pi de capteur et présente une inclinaison Q de capteur. Chaque détecteur présente une largeur de détecteur w _p .

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,

T _TG (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,

T _atm (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, z _re f : hauteur d’une cible de référence et pi _,re f position sur le capteur de cette même cible de référence.

Pi = ^w v {y ^{~ n} v) < ⁷ >

Où w _p : largeur du détecteur, n _p : 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 ) = 5 ₂ (Z)/ ₁ (Z, X) - 5 ₁ (Z)/ ₂ (Z, X) (12) ou de manière plus générale : g{z, x) = S _j (z)fi(z, x) — Si(z)f _j (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 n ^ième 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 10 ¹² dès 5 itérations et atteint les limites de calcul numérique (aux environ de 10 ¹⁶ ) 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) = S ₂ /i(x) - Si/ïCx) (19) ou de manière plus générale : g(x) = S _j fi(x) - Sif _j (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 / S _j , Si représentant le signal détecté pour une longueur d’onde L de mesure et S _j , 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 s _bί h(l) (et s _bί h(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 10 ⁶ , 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( ¹ B2 _U ) ⁴ _^ So( ¹ Ai _g ) 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 ^] B _u ^ ^] A _g 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 / m ³ ) e : incertitude statistique sur la mesure Ds : différence des sections efficaces aux deux longueurs d’onde considérées (en m ² ),

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 a _benzène =6,33x10 ¹⁸ cm ² et lrr i . butadiène ~ 2,41 X10 ^CiTI ² .

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. z ² sin9 ( l-tan<P)dp dz = (21 ) [p _j (sm9-cos9 tan<P)+L _IL ] 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.