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Impact du design d'un spectro-imageur à interférogrammes partiels sur les produits restitués
No full textInternational audienceThe emergence of spectral imaging concepts that are both sensitive and snapshot open up new perspectives in response to major challenges, such as air quality monitoring and greenhouse gas emissions. The imSPOC concept (Brevet n° : FR16/56162) is a static Fourier transform spectral imager. Its compactness, robustness, and lightness make it a promising concept for measuring greenhouse gases from space or assessing air quality. This concept is based on a paradigm shift, as it enables the acquisition of only portions of interferograms [1]. Consequently, it is necessary to transfer optimal estimation algorithms into the interferogram space: since spectral radiances cannot be retrieved from partial interferograms, it is necessary to directly fit measured interferograms to simulated interferograms in order to retrieve total columns from its measurements. Within the framework of the European Space Carbon Observatory project (H2020 SCARBO), it was demonstrated that the relevant geophysical information (CO2 column for one camera and CH4 column for the other) is indeed present in the identified interferogram portions [2]. In parallel, two prototypes were built, one dedicated to CO2 and the other to CH4. To improve the designs of these cameras, a co-design code allowing the propagation of instrumental errors to gas columns is essential.In this work, we demonstrate how an approach based on the Cramer-Rao Lower Bound enabled a sensitivity increase of more than a factor of two for both the CO2 and CH4 cameras. The design of such instrumentation relies on both the selection of shape and spectral position of the filter, as well as the properties of the interferometric plate, which is an array of Fabry-Perot interferometers. We evaluated the impact of several design parameters: (i) the selection of the spectral shape and position of the filter, (ii) the selection of the maximum optical path difference, and (iii) the Fabry-Perot finesse of the interferometer, which enhances discrimination between different gas signatures. Further refinement of the design was achieved using the MEDOC retrieval model, incorporating additional parameters such as engraving depths, leading to an optimized repartition of the available optical path difference acquired by the spectral imaging sensor. Finally, the newl design for the CO2 camera was benchmarked against the earlier CO2 SCARBO design. The study found that the CO2 scale factor random error has been reduced by more than a factor of two. Furthermore, performance has become more consistent across varying incidence angles. Additionally, correlation between albedo and retrieved CO2 products has also decreased. This work received funding from the European Union’s H2020 research and innovation program under grant agreements No 769032 (SCARBO) and No 101135301 (SCARBOn).[1] S. Gousset, L. Croizé, E. Le Coarer et al., “NanoCarb hyperspectral sensor: on performance optimization and analysis for greenhouse gas monitoring from a constellation of small satellites”, CEAS Space J., 11, pages 507–524 (2019)[2] M. Dogniaux, C. Crevoisier, et al., “The Space CARBon Observatory (SCARBO) concept: Assessment of XCO2 and XCH 4 retrieval performance”. Atmospheric Measurement Techniques Discussions, 1-38
Instabilités aérodynamiques et aéroélastiques globales des profils aérodynamiques proche du décrochage
No full textAirfoil stall is classically described as a sudden loss of lift when the angle of attack exceeds a critical value, caused by an abrupt separation of the flow from the airfoil’s surface. Stalling airfoils are known to exhibit complex aerodynamic and aeroelastic phenomena that limit the operational envelope of aircraft. These phenomena may include the formation of stall cells, which lead to a spanwise modulation of the flow, or low-frequency oscillations, which refer to an unsteadiness that manifests as violent fluctuations in aerodynamic forces. Due to the low frequency of the latter, such oscillations can resonate with the natural frequencies of the wing structure, potentially triggering the aeroelastic phenomenon of stall flutter, which can have detrimental effects. This thesis aims to numerically investigate the onset of such phenomena in both turbulent and transitional flow regimes using global stability analysis. All studies rely on modeling the turbulent or transitional flow within the context of the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations, coupled with appropriate turbulence or transition models. Starting from fully turbulent flows, the onset of stall cells is first studied around an airfoil in pre-stalling regimes, possessing a trailing-edge turbulent separation bubble. To obtain accurate flow topologies, the turbulence model is corrected using high-fidelity data through variational data assimilation. Stability analysis of the assimilated flows captures the destabilization of a steady three-dimensional mode responsible for the formation of stall cells, in agreement with recent experiments at ONERA. Different stability formulations are tested, relying on either perturbing or freezing the turbulence terms, to determine the optimal strategy that best predicts the onset of the instability in relation to the experiments. To isolate the dynamics of the separation bubble, the next chapter investigates a turbulent separation bubble forming over a flat plate due to an artificially induced adverse pressure gradient, mimicking that of an airfoil at high angles of attack. This flow configuration is in direct comparison with recent numerical and experimental studies in the literature. The bubble is found to be unstable to a steady three-dimensional mode, inducing a spanwise breakdown of the separated flow. The linear response of the bubble to harmonic forcing is then analyzed using resolvent analysis. At high frequencies, the response reveals non-modal amplification of structures associated with shear-layer shedding, while at low frequencies, it acts as a low-pass filter, selectively amplifying frequencies up to a cutoff value consistent with the low-frequency breathing phenomenon. Moving to transitional regimes, the following chapter examines the aerodynamic stability of the transitional flow around a stalling airfoil that possesses a laminar separation bubble at the leading edge. The analysis reveals a competition between two unstable modes: a three-dimensional zero-frequency mode and a two-dimensional low-frequency mode. The effect of this low-frequency mode on the wing structure is explored in the subsequent chapter by mounting the airfoil on a torsional spring with one solid degree of freedom (pitching), yielding a coupled aeroelastic problem. Stability analysis of this system predicts the onset of stall flutter and identifies different instability regions as the spring stiffness is varied, with particular focus on a region where the system is fully stabilized. Given the high computational cost of the previous aeroelastic analyses, the final chapter proposes an alternative approach to solving the aeroelastic stability problem based on the concept of mechanical impedance. This method allows to effectively obtain neutral stability curves in the solid's parameters space and demarcate the full boundaries of the stabilization region of interest, giving a complete picture of the different stability scenarios.Le décrochage d’un profil d’aile est classiquement décrit comme une perte soudaine de portance lorsque l’angle d’attaque dépasse une valeur critique, causée par une séparation brusque de l’écoulement. Les profils en décrochage présentent des phénomènes aérodynamiques et aéroélastiques complexes qui limitent l’enveloppe opérationnelle des aéronefs. Ces phénomènes incluent la formation de cellules de décrochage, entraînant une modulation dans le sens de l’envergure, et des oscillations basse fréquence associées à de violentes fluctuations des forces aérodynamiques. Ces oscillations peuvent résonner avec les fréquences naturelles de l’aile, déclenchant un flutter en décrochage, un phénomène aéroélastique potentiellement dangereux. Cette thèse vise à examiner numériquement l’apparition de tels phénomènes dans des régimes d’écoulement turbulents et transitionnels en utilisant l’analyse de stabilité globale. Toutes les études s’appuient sur la modélisation de l’écoulement dans le cadre des équations de Navier-Stokes moyennées par Reynolds, couplées à des modèles de turbulence ou de transition. Nous commençons par étudier les cellules de décrochage autour d’un profil dans des régimes pré-décrochage, où une bulle de séparation turbulente est présente au bord de fuite. Pour obtenir des topologies précises, le modèle de turbulence est corrigé via l’assimilation de données haute-fidélité. L’analyse de stabilité des écoulements assimilés montre la déstabilisation d’un mode tridimensionnel stationnaire responsable des cellules de décrochage, en accord avec des expériences récentes de l’ONERA. Différentes formulations de stabilité sont testées, avec perturbation ou gel des termes turbulents, afin de déterminer la stratégie optimale pour prédire l’apparition de l’instabilité. Le chapitre suivant étudie une bulle de séparation turbulente sur une plaque plane avec un gradient de pression défavorable simulant un profil à angle d’attaque élevé, en comparaison avec des études récentes. La bulle est instable à un mode tridimensionnel stationnaire, provoquant une rupture de l’écoulement. L’analyse résolvente de la réponse linéaire montre une amplification non modale de structures à haute fréquence liées au décollement, et une amplification des basses fréquences, cohérente avec la respiration basse fréquence. Le chapitre suivant explore la stabilité de l’écoulement transitionnel autour d’un profil avec bulle de séparation laminaire en décrochage. L’analyse révèle une compétition entre un mode tridimensionnel à fréquence nulle et un mode bidimensionnel à basse fréquence. L’effet de ce mode basse fréquence est examiné dans le chapitre suivant, où le profil est monté sur un ressort torsionnel, donnant lieu à un problème aéroélastique couplé. L’analyse prédit l’apparition du flutter en décrochage et identifie des régions d’instabilité selon la raideur du ressort, notamment une région où le système est entièrement stabilisé. Enfin, face aux coûts computationnels élevés des analyses aéroélastiques précédentes, une approche alternative fondée sur l’impédance mécanique est proposée. Cette méthode permet d’obtenir efficacement les courbes de stabilité neutre dans l’espace des paramètres du solide, définissant les frontières de la région de stabilisation, offrant ainsi une vision complète des scénarios de stabilité
Unlocking 3D Nanoparticle Shapes from 2D HRTEM images: classification and denoising at atomic resolution
No full textInternational audienceNanoparticles (NPs) are typically observed andanalysed using High Resolution TransmissionElectron Microscopy (HRTEM) for highly precisestructural studies at the atomic scale. However,determining their 3D shapes from 2D HRTEMimages is a tedious process. Indeed, this type ofanalysis is based on manual post-processing whichsuffers, among other issues, from experimentalnoise. To tackle this issue, we develop a DeepLearning (DL) model to automate this task ensuringreliable statistical analysis of a large number of NPs.In this context, we extend an approach we haddeveloped to identify the structure of carbonnanotubes from their Moiré patterns obtained fromHRTEM images [1]. More precisely, the DL model,leveraging Convolutional Neural Networks (CNNs),is trained on datasets of simulated HRTEM imagesof NPs, labelled according to their shapes, rangingfrom 4 to 8 nm. A critical point of this study wasgenerating a representative and optimised dataset.To accomplish this, we constructed atomistic 3Dmodels of NPs deposited on an amorphous carbonsubstrate, subjecting NPs to random rotations toencompass all potential observed orientations.Furthermore, we simulated the amorphous substrateusing realistic carbon membrane and noise models,to mimic experimental conditions [2]. Finally,HRTEM images were simulated using the Dr Probecode [3] based on the multi-slice method withparameters consistent with aberration-correctedtransmission electron microscopes. The objective ofgenerating an optimal training dataset was attainedthrough comprehensive studies evaluating theimpact of various parameters, including amorphouscarbon, resolution, focusing conditions, NPs’ size,and NPs' orientations, on DL model predictiveaccuracy (see Figure 1).However, when the contrast between theinvestigated nanoparticles and the substrate ishighly degraded, performances may drop. Hence,we are training a Deep Learning (DL) model toautomatically restore best nanoparticle-substratecontrast on acquired images. To this end a UNet-likemodel [4] has been trained on our simulated datasetwith patches procedure [5]. By applying our DLmodel, we have exhibited promising outcomes:across various regions of simulated HRTEM imagesunder different defocusing conditions, the modeldemonstrates an ability to generate contrast close tothe best achievable (ground truth) as seen in Figure1.This approach has resulted in the development of anefficient and accurate DL framework for predicting3D NP shapes from 2D HRTEM images, validatedacross both simulated and experimental datasets
Modélisation par termes sources d'un compresseur haute-pression multi-étage sous distorsion
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Le rôle de l'auto-interaction dans la détection des défauts dans les semi-conducteurs irradiés
No full textInternational audienc
Apprentissage Automatique Ensembliste pour la super-résolution de Température de Surface dans les milieux urbains en préparation des futures missions TRISHNA, SBG et LSTM
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Ondes de bloch linéaires et non linéaires dans un réseau périodique de cylindres
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Multiples énergies seuil de déplacement pour le calcul de perte d'énergie non ionisante dans les semi-conducteurs composées.
No full textInternational audienceThe traditional approach to evaluate the Displacement Damage Dose (DDD) effects in irradiated materials hinges on the concept of Non-Ionizing Energy Loss (NIEL). Historically, this method uses a single atomic displacement threshold energy (Ed) as a benchmark. But a single Ed just doesn’t cut it when it comes to accurately capturing the damage caused by electrons. To tackle this shortcoming, a more refined technique has been devised—one that introduces a spectrum of threshold energies into the NIEL calculations. Initially crafted for monatomic materials, this method has now been tailored for compound materials. Here, we propose updated NIEL values for certain III-V semiconductors and compare them with experimental damage factors, particularly emphasizing the effects of electron interactions.L'approche traditionnelle pour évaluer les effets de la dose de dommage par déplacement (DDD) dans les matériaux irradiés repose sur le concept de perte d'énergie non ionisante (NIEL). Historiquement, cette méthode utilise une seule énergie seuil de déplacement atomique (Ed) comme référence. Cependant, un seul Ed ne suffit pas à rendre compte avec précision des dommages causés par les électrons. Pour pallier cette limitation, une technique plus raffinée a été mise au point, introduisant un spectre d'énergies seuils dans les calculs de NIEL. Initialement élaborée pour les matériaux monoatomiques, cette méthode a désormais été adaptée aux matériaux composites. Nous proposons ici des valeurs actualisées de NIEL pour certains semi-conducteurs III-V et les comparons aux facteurs de dommages expérimentaux, en mettant particulièrement l'accent sur les effets des interactions avec les électrons
Méta-optiques infrarouge à base de nano-antennes
No full textMetasurfaces, and in particular metaoptics, are nanostructured surfaces that can control the wavefront and therefore carry complex optical functions. They represent an opportunity to design compact systems with innovative properties. In the infrared in particular, meta-optics offer a way of imagining new functions that exploit the broadband capabilities of operational systems. They extend the range of materials and optical indices available in this wavelength band. My thesis focuses on the study of these meta-optics. More specifically, considering that phase was a key element in the design of new meta-optics, I sought to measure the phase of nano-antennas experimentally and directly. Observing that there were sometimes significant discrepancies between simulated structures and structures actually fabricated, I developed a robust interferometric method for measuring the phase of fabricated nano-antennas, which I tested on gold nano-antennas, within MIM (Metal-Isolating-Metal) antennas. In this manuscript, I also present the development and proof-of-concept of a metasurface operating in the mid-infrared and which aims to distinguish points of different temperatures.Les métasurfaces et en particulier les méta-optiques sont des surfaces nano-structurées permettant de contrôler le front d'onde et donc de porter des fonctions optiques complexes. Elles représentent une opportunité de concevoir des systèmes compacts induisant des propriétés innovantes. En particulier, dans l'Infrarouge, les méta-optiques offrent un moyen d'imaginer de nouvelles fonctions exploitant la large bande des systèmes opérationnel. Elles élargissent la gamme des matériaux et indices optiques disponibles dans cette bande de longueurs d'onde. Ma thèse porte sur l'étude de ces méta-optiques. Plus précisément, considérant que la phase était un élément-clef dans la conception de nouvelles méta-optiques, j'ai cherché à mesurer expérimentalement et directement la phase de nano-antennes. Constatant que les structures simulées et les structures réellement fabriquées présentaient des écarts parfois significatifs, j'ai développé une méthode interférométrique robuste pour mesurer la phase de nano-antennes fabriquées, que j'ai testée sur des nano-antennes d'or, au sein d'antennes MIM (Métal-Isolant-Métal). Dans ce manuscrit, je présente aussi le développement et la preuve de concept d'une métasurface fonctionnant dans le moyen Infrarouge et qui a pour objectif de distinguer des points de différentes températures