Contribution à l'étude de l'effet mirage: application aux mesures dimensionnelle et thermique par caméras visible, proche infrarouge et infrarouge

since numerous years works about IR radiometry with the aim to do quantitative

thermography (true temperature measurement without contact). These works allowed

to explore potentiality several spectral bands : 8-12µm, 3-5µm and recently the

0.75-1.7µm band (near IR) with the help of CCD camera (Si) or VisGaAs camera.

Studies done in this specific domain have underlined some perturbations emphasized

at high-temperature (T>800◦C). This work has to deal in details with the

treatment of parameters playing a role in camera measurements. The first of these

parameters is the emissivity, this treatment is made in another thesis. The second

parameter affects particularly the hot spot location and the spatial distortion. This

perturbation comes from convective effect present around every hot objects.The

purpose of this thesis is to analyze this effect and to correct it. Indeed, when a hot

object is in a colder surrounding media, a temperature gradient is shaped around

the object and thus a refractive index gradient too. This phenomena brings inevitably

distortions of the spatial information received by the camera. The goal of this

work will be to estimate and correct error made on temperature and/or distortion

measurement by CCD or VisGaAs camera on hot object.We chose to focus our work

on the convective plume created by a hot horizontal disk. This study will be done

with an experimental and a numerical approach. For the numerical approach, a raytracing

code has been developed in order to obtain numerically the displacement

due to the light deviation occurring in the perturbation. The input data of the code

is the refractive index of the hot air present around the object. This refractive index,

depending on the wavelength, can be found directly from the temperature thanks

to the Gladstone-Dale law. The temperature is given by a CFD software such as

FLUENT. Experimentally, we will use the Background Oriented Schlieren (BOS)

method in order to retrieve the displacement. We can see that the displacement can

reach 4 pixels in the plume (corresponding to 1mm in this case). This perturbation

has been studied for several spectral bands (visible, near infrared, infrared). Finally,

some solutions of correction are given, like using the inverse Abel Transform

in order to retrieve from the 2D displacement, a 3D (axisymmetric) refractive index

field that we will implement in the ray-tracing code and consequently predict the

displacement for any kind of wavelength or distance (distance between the camera

and the object)./L’Institut Clément Ader Albi (ICAA) et l’Institut von Karman (IVK)

mènent depuis un certain nombre d’années des travaux sur la radiométrie IR dans

le but de faire de la thermographie quantitative (mesure de température vraie sans

contact). Ces travaux ont permis d’explorer les potentialités de plusieurs bandes

spectrales : 8-12µm, 3-5µm et plus récemment la bande 0,75-1,7µm (proche IR) à

l’aide de caméras CCD (Si) ou VisGaAs. Les travaux effectués dans ce domaine

spectral ont permis de mettre en évidence un certains nombre de perturbations

renforcées par les hautes températures (T>800◦C). Cette thèse aborde de façon détaillée

le traitement d’un certain nombre de grandeurs d’influence liées à la mesure

de différents paramètres dans le domaine du proche IR mais également étendus aux

domaines du visible et de l’IR. La première de ces grandeurs est l’émissivité dont le

traitement a déjà été abordé par d’autres études. La seconde grandeur d’influence

touche plus particulièrement à la localisation des points chauds sur l’objet et la distorsion

du champ de température apportée par les effets convectifs présents autour

d’un objet à haute température, elle est le coeur de cette thèse. En effet, lorsqu’une

pièce chaude se trouve dans un milieu ambiant beaucoup plus froid, il se crée un

gradient de température et donc d’indice de réfraction autour de la pièce. Or les

caméras travaillant dans les différentes bandes spectrales vont être plus ou moins

sensibles à ces variations d’indices de réfraction du fait de la dépendance de l’indice

optique avec la longueur d’onde et de la résolution spatiale de la caméra utilisée.

Ce phénomène, appelé effet mirage, entraîne inévitablement une déformation des

informations spatiales reçues par la caméra. Le but de cette thèse a donc été d’estimer

et de proposer une première approche pour corriger l’erreur faite sur la mesure

de température et/ou de déformation faites par caméras sur des pièces chaudes.

La démarche générale du travail a donc été dans un premier temps de calculer le

champ de température autour de l’objet considéré en se ramenant d’abord à des cas

simplifiés. On en a déduit alors le champ de réfraction entraînant une « déformation

» de l’objet, en faisant le lien entre T et n. Cette étape correspond à l’approche

numérique de notre étude. Cette étape numérique a été réalisé à l’aide d’un outil de

lancer de rayons développée à l’ICA. L’approche expérimentale a consisté à l’utilisation

de méthodes telle que la BOS (Background Oriented Schlieren), la PIV,

la srtioscopie afin de déduire le champ de déplacements provoqué par le panache

convectif. Ces résultats ont été comparés à la méthode numérique et ceci pour différentes

longueurs d’ondes. Enfin, une stratégie de correction d’images perturbées

a été abordé à l’aide de méthodes telles que la transformée d’Abel inverse afin de

remonter au champ d’indice de réfraction 2D axisymétrique à partir d’une déformation

plane.