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La théorie de Rayleigh-Debye-Gans (RDG) pour les agrégats fractals (FA) est, du fait de sa simplicité, fréquemment utilisée dans le calcul des propriétés radiatives des nano-agrégats. Néanmoins, elle reste très restrictive dans son utilisation. En effet, elle impose un indice optique proche de celui d'un milieu transparent et un diamètre des sphérules primaires négligeable devant la longueur d'onde. Si ces conditions ne sont pas remplies, des facteurs correctifs sont à appliquer, A pour la diffusion avant (dans le sens de la source lumineuse) et h pour l'absorption. L'objectif de cette étude est de comprendre l'origine physique de ces déviations en analysant le champ électrique interne des agrégats. Nous montrons pour différents paramètres morphologiques des agrégats que deux phénomènes sont à l'origine de ces déviations : l'auto-absorption de la lumière par les particules et les point-chauds du champ électromagnétique interne se produisant au niveau du contact entre les sphérules. Enfin, nous proposons un modèle semi-empirique basé sur nos observations pour calculer les correctifs A et h., The Rayleigh-Debye-Gans (RDG) theory for fractal aggregates (FA) is, due to its simplicity, frequently used to evaluate the radiative properties of nano-aggregates. Nevertheless, it remains very restrictive in its use. Indeed, it imposes an optical index close to 1 and a primary sphere's diameter small compared to the wavelength. If these conditions are not met, corrective factors have to be applied namely A for the forward scattering (in the direction of the light source) and h for absorption. The objective of this study is to understand the origin of these deviations by analysing the internal electric field of the aggregates. We show, for different morphological parameters of the aggregates, that two phenomena are at the origin of these deviations: the self-absorption of the light by the particle and the hot-spots of the internal electromagnetic field occurring at the contact between the primary spheres. Finally, we propose a semi-empirical model based on our observations to calculate A and h.

Aerosols such as soot are a matter of concern in our daily life. Due to their impact on human healthbut also on global warming, their characterization is of extremely high relevance. In this context,extensive work has been done to characterize soot particles by optical techniques because suchapproaches enable an in-situ determination. These techniques essentially rely on the attenuationof the light (LOSA), on the scattering properties (Angular Light Scattering) or on their thermalbehaviour after laser heating (LII). In any cases, the signals are interpreted based on modelsrequiring precise light-particles theories in order to express the absorption and scattering crosssections. For nano-aerosols as soot, the Rayleigh-Debye-Gans (RDG) approximation for fractalaggregates (FA) is frequently used essentially due to its simplicity since it provides a simpleanalytical expression of the scattering and absorption cross sections. However, this approximationrelies on two strong assumptions. First, the monomers composing the aggregate behave asRayleigh spheres, i.e., they are small enough compared to the wavelength and transparentenough to make the phase shift negligible. Second, it is supposed that there is no electromagneticcoupling between the monomers (internal multiple-scattering), i.e., each one sees only the incidentlight and not the light scattered by its neighbours.Many studies have compared rigorous solutions with RDG-FA ones and observed importantdiscrepancies. Indeed, RDG-FA can lead to errors up to 45% on the predicted forward scattering[1, 2] and optical determination of the fractal dimension can be overestimated by a factor up to10% [3]. Also, impact on LII measurements has been shown to be potentially important [4].Nevertheless, the precise underlying mechanisms leading to these discrepancies were not well understood and thus, until now, no models where proposed to improve RDG-FA theory regarding the internal coupling effects.The present communication aims to show to the LII and soot communities the recent advances made on this topic which were achieved by the use of the phasor approach which enables a comprehensive description of the internal electric field and its link with corrections to bring to RDGFA. The internal coupling effects will be first illustrated for a pair of monomers [5] followed by fractal aggregates [6]. Correction factors will be proposed for absorption and forward scattering. Recent advances concerning the impact of internal coupling on scattering structure factor will be also presented.

Angular light scattering by aerosol particles, including complex particles such as fractal aggregates, can give access to the size and morphology through an in-situ approach. For this purpose, the angular scattering signal must be processed by a theory that provides a structure factor, which takes into account particle shape. Such a function is accurately determined for X-rays or for transparent objects in the visible range since the assumption of no internal coupling is fairly well respected. However, for some materials such as fractal soot aggregates, the internal coupling is suspected to modify the morphological and size dependence of the structure factor. The objective of this work is to understand and quantify such a deviation from the internal electric field analysis using a phasor approach.

International audience

International audience; Infrared Stealth is an important aspect in the design and performance assessment of the future combat aircraft. In this paper, we propose a statistical approach based on an aircraft signature code to assess the impact of different technology choices. As simulations can be computationally demanding, we set-up and validate a multifidelity surrogate model, close to the real one but faster to compute, in order to estimate sensitivity indices and to perform dispersion analysis. The value of our approach is illustrated for a typical air-to-ground scenario based on the UCAV Muldicon test case defined in the AVT-281 group. The first part of this paper describes the models used to compute the infrared signature of the Muldicon as part of the in-house code CRIRA for the skin, air intake, nozzles and plumes, in the surrounding environment. The statistical approach is then discussed through different steps: building a surrogate model and identifying influential inputs. The statistical analysis is performed for a stabilized flight (fixed altitude, Mach and engine thrust). We finally obtain dispersion of the infrared signature, with a hierarchy from the most to the less influent parameter, for different observer locations.; Il y a un besoin croissant de signatures infrarouges de véhicules aérospatiaux, tant pour la défense que pour des applications civiles. Divers modèles ont été développés à cette fin par les constructeurs aéronautiques, les concepteurs de capteurs ou les laboratoires de recherche, dans le but de prévoir la Signature InfraRouge (SIR) d'aéronefs. La furtivité IR est un point important à prendre en compte dans la conception et l'évaluation de la performance d'un futur avion de combat et il est donc nécessaire d'employer les outils de simulation les mieux adaptés aux spécificités de la nouvelle génération d'avions discrets. Les surfaces chaudes de la cellule de l'avion telles que les parties arrière du fuselage, les tuyères et les entrées d'air, ou les gaz chauds du jet propulsif, sont les contributeurs principaux à la SIR des avions non furtifs. Cependant, ils sont beaucoup moins marqués pour la nouvelle génération d’avions : d’une part, les parties chaudes sont parfois situées à l’intérieur de la cellule de sorte qu’elles ne sont pas vus directement, et d’autre part, la forme du jet propulsif devient plus complexe pour améliorer la dilution des gaz et réduire la signature. En conséquence, le rayonnement de la cellule comprenant l’émission propre et les reflets de l’environnement, ainsi que le rayonnement des parties chaudes vues de manière indirecte après reflets sur de parties internes peuvent devenir prédominants pour les aéronefs furtifs. Cet article traite de l’outil de simulation CRIRA, développé à l’Onera depuis plusieurs années, dédié à la prédiction de la signature optique et IR d’aéronefs à combustion aérobie (missiles, avions) ainsi que d’objets hors atmosphère (missiles balistiques dans leur phase non propulsée, satellites). Un focus sera fait dans le domaine applicatif de la prédiction IR d’avion discrets (furtifs), un des principaux domaines traités dans les groupes AVT-232 (Joint Exercise on IR Signature Prediction, 2014-2016) et AVT-281 (Cross-Domain Platform EO Signature Prediction, 2017-2019). CRIRA est un outil de simulation multi disciplinaire prenant en compte les contributeurs principaux à la SIR : la peau de la cellule, les parties de la cellule chauffées par le moteur, les entrées d’air, les tuyères et les jets propulsifs, en environnement extérieur. Chaque modèle élémentaire sera décrit avec son objet, sa formulation et son domaine d’emploi. Les sorties de la simulation sont des images spectrales d’avions, et les valeurs intégrées spatialement sur le champ du capteur et spectralement sur la bande totale. Deux cas test sont proposés pour illustrer les capacités de CRIRA. Le premier est le S_duct, proposé par le FOI dans le groupe AVT-232, qui met en avant l’emploi d’une méthode d’illumination globale, cette dernière étant indispensable pour gérer les reflets lumineux à l’intérieur du corps de l’avion. Le choix du niveau de complexité de la méthode de rendu dépend de l’application. Les modèles d’illumination direct sont les plus simples, mais ils sont inefficaces dans ce cas, car ils ne peuvent pas simuler les multi réflexions de la lumière. La méthode de lancer des rayons gère plusieurs rebonds de lumière, mais se limite à des reflets de miroirs parfaits. L’approche de l’illumination globale est nécessaire pour gérer les interactions lumineuses avec divers types de réflectivité. Cependant, il est toujours difficile d’effectuer un rendu précis dans un temps de calcul raisonnable, et des études sont menées à Onera pour exploiter les performances des GPUs pour diminuer le temps de calcul. La figure présentée ici montre les images calculées d’un conduit dont la surface est chaude d’un côté, où le rayonnement de cette dernière peut être vue à l’intérieur du conduit de manière directe et indirecte, pour trois angles d’aspect. Ces images ont été calculées dans la bande LWIR avec un démonstrateur de CRIRA sur GPU pour accélérer les calculs. La figure présentée montre des comparaisons avec les mesures faites avec la caméra IR, et on peut constater un bon accord. Le second cas de simulation est un résultat sur une plateforme complète. L’objectif est de prédire la SIR du MULDICON, un UCAV générique, cas test proposé par le DLR dans le groupe AVT-281. Les données d’entrée telles que la géométrie de l’UCAV, la température de la cellule, les propriétés optiques de la peau et le champ aérodynamique du jet sont fournies par le DLR aux participants du groupe de travail, l’objectif de cet exercice étant de comparer et de partager des bonnes pratiques pour le calcul de la SIR d’avions. La figure présentée est un exemple de calcul obtenu avec CRIRA dans la bande MWIR, où on peut observer les contributions de la peau de la cellule et des jets, pour une vue par l’avant et le dessus. Des résultats complémentaires seront calculés en 2019 pour être comparés aux outils de simulation des autres pays du groupe AVT-281. Introduire de la variabilité dans le modèle est nécessaire dans la phase de conception de l’avion, afin d’évaluer l’impact sur la SIR de différents choix technologiques et cela dans divers scénario. Les données d’entrées ne sont pas indépendantes (par exemple la vitesse, l’altitude et la température sont corrélées), et faire varier chaque donnée séparément n’est pas efficace. Nous avons développé une approche statistique en quatre étapes basée sur CRIRA, elle permet l’obtention de la dispersion de la SIR d’un avion pour un scénario donné. Tout d’abord, on a besoin d’identifier et de modéliser les incertitudes associées à chaque entrée. Les informations opérationnelles et les bases de données sont des outils essentiels pour cette étape. Ensuite, une analyse de sensibilité basée sur un plan d’expériences space filling est effectuée, afin d’identifier quelles données d’entrée sont vraiment significatives et lesquelles ont peu d’influence sur la sortie. L’analyse Quasi Monte Carlo de la dispersion des sorties de code peut alors être réalisée en tenant compte uniquement des entrées influentes. La méthode de quasi-Monte Carlo utilise des séquences déterministes de points qui peuvent améliorer significativement la précision des approximations de l’échantillonnage aléatoire Monte Carlo. Comme une simulation peut être coûteuse sur le plan informatique, nous avons mis en place et validé un modèle de substitution multifidélité de la SIR, proche du modèle réel, mais plus rapide à calculer pour estimer les indices de sensibilité et effectuer l’analyse de dispersion par Quasi Monte Carlo. Ce modèle de substitution repose sur des simulations de deux niveaux de fidélité. Les simulations à haute fidélité fournissent les résultats les plus précis mais, en raison de leur coût élevé, la base de données associée est de taille réduite. D’autre part, les simulations de faible fidélité sont peu coûteuses, de sorte que la base de données associée peut être plus riche. L’approche multifidélité permet d’obtenir un modèle de substitution à haute fidélité sous la forme d’une somme d’un modèle de substitution à faible fidélité et d’un modèle de substitution de la différence (erreur) entre les simulations à haute et à faible fidélité. L’intérêt de notre approche sera illustrée pour un scénario air-sol typique.

International audience; An experiment is described where two-dimensional small-angle light scattering (2D-SALS) patterns from single particles are measured in the infrared through a lens-free approach. Spatial filtering is employed to separate scattered light from unscattered light to within approximately one degree from the forward direction. Non-planar reflective elements are used in the filtering process, permitting 2D-SALS measurements to be done without chromatic aberrations over a broad spectral range and from 0.8 to 8 degrees in the polar scattering angle and zero to 360 degrees in the azimuthal angle. Patterns from spherical microparticles are presented along with nonspherical particles including volcanic ash and salt. An asymmetry analysis is applied to demonstrate an ability to differentiate spherical from nonspherical particles from the 2D-SALS patterns.; Une expérience est décrite où la diffusion bidimensionnelle de la lumière sous de petits angles (2D-SALS) de particules individuelles sont mesurées dans l'infrarouge. Le filtrage spatial est utilisé pour séparer la lumière diffusée de la lumière non diffusée pour dans un rayon d'environ un degré par rapport à l'avant. Les éléments réfléchissants non plans sont utilisés dans le processus de filtrage, ce qui permet de faire des mesures 2D-SALS sans sur une large gamme spectrale et de 0,8 à 8 degrés dans l'angle de diffusion polaire et de zéro à 360 degrés dans l'angle azimutal. Les motifs des aérosols sphériques sont présentés ainsi que des aérosols non sphériques, notamment des cendres volcaniques et du sel. Une analyse d'asymétrie est appliquée pour démontrer une capacité à différencier les particules sphériques et non sphériques.

International audience; An experiment is described where two-dimensional small-angle light scattering (2D-SALS) patterns from single particles are measured in the infrared through a lens-free approach. Spatial filtering is employed to separate scattered light from unscattered light to within approximately one degree from the forward direction. Non-planar reflective elements are used in the filtering process, permitting 2D-SALS measurements to be done without chromatic aberrations over a broad spectral range and from 0.8 to 8 degrees in the polar scattering angle and zero to 360 degrees in the azimuthal angle. Patterns from spherical microparticles are presented along with nonspherical particles including volcanic ash and salt. An asymmetry analysis is applied to demonstrate an ability to differentiate spherical from nonspherical particles from the 2D-SALS patterns.; Une expérience est décrite où la diffusion bidimensionnelle de la lumière sous de petits angles (2D-SALS) de particules individuelles sont mesurées dans l'infrarouge. Le filtrage spatial est utilisé pour séparer la lumière diffusée de la lumière non diffusée pour dans un rayon d'environ un degré par rapport à l'avant. Les éléments réfléchissants non plans sont utilisés dans le processus de filtrage, ce qui permet de faire des mesures 2D-SALS sans sur une large gamme spectrale et de 0,8 à 8 degrés dans l'angle de diffusion polaire et de zéro à 360 degrés dans l'angle azimutal. Les motifs des aérosols sphériques sont présentés ainsi que des aérosols non sphériques, notamment des cendres volcaniques et du sel. Une analyse d'asymétrie est appliquée pour démontrer une capacité à différencier les particules sphériques et non sphériques.

Ceilometers are widely spread instruments mainly used for cloud base height determination. However, recent models are more sensitive to aerosols; hence, nowadays there is an increasing interest in these instruments to retrieve aerosol optical and microphysical properties.The high number of them distributed around the globe compared to the robust lidar systems and the fact that ceilometers work under unattended conditions are the main reasons behind this interest. In this paper a new methodology is proposed to retrieve aerosol vertical extinction and backscatter profiles from a Vaisala ceilometer CL51. This methodology is based in two parts: first, a signal pre-processing with a suppression of the dark current and background noises, and a correction of the water vapor absorption using near-real time temperature and absolute humidity (AH) profiles from a co-located Microwave radiometer (MWR). Then an iterative Klett-based algorithm that uses AERONET (AErosol RObotic NETwork) AOD (Aerosol Optical Depth) as an input to retrieve the extinction and backscatter profiles. The error analysis of the aerosol retrievals has been performed between MWR measurements and modelled radiosondes from HYSPLIT. The absolute errors found in temperature and AH are leading to errors in the pre-processed RCS signals up to 9%, and then in particle backscatter and particle extinction coefficients up to 2:2% and 25%, respectively.

International audience; We examine the capability of near-spherical-shaped particles to reproduce the triple-wavelength particle linear depolarization ratio (PLDR) and lidar ratio (LR) values measured over Europe for stratospheric smoke originating from Canadian wildfires. The smoke layers were detected both in the troposphere and the stratosphere, though in the latter case the particles presented PLDR values of almost 18 % at 532 nm as well as a strong spectral dependence from the UV to the near-IR wavelength. Although recent simulation studies of rather complicated smoke particle morphologies have shown that heavily coated smoke aggregates can produce large PLDR, herein we propose a much simpler model of compact near-spherical smoke particles. This assumption allows for the reproduction of the observed intensive optical properties of stratospheric smoke, as well as their spectral dependence. We further examine whether an extension of the current Aerosol Robotic Network (AERONET) scattering model to include the near-spherical shapes could be of benefit to the AERONET retrieval for stratospheric smoke cases associated with enhanced PLDR. Results of our study illustrate the fact that triple-wavelength PLDR and LR lidar measurements can provide us with additional insight when it comes to particle characterization.; Nous examinons la capacité des particules de forme quasi-sphérique à reproduire le PLDR (Particle Linear Depolarization Ratio) mesurées en Europe pour la fumée stratosphérique provenant des incendies de forêt au Canada. Des couches de fumée ont été détectées à la fois dans la troposphère et la stratosphère, bien que dans ce dernier cas, les particules présentaient des valeurs PLDR de près de 18% à 532 nm ainsi qu'une forte dépendance spectrale de l'UV à proche infrarouge. L'hypothèse selon laquelle les particules de fumée ont une forme presque sphérique permet la reproduction du PLDR et du rapport Lidar (LR) observés, alors que 20% n'était pas possible lors de l'utilisation de formes plus compliquées. Les résultats présentés ici sont étayés par des découvertes récentes dans la littérature, montrant que jusqu'à présent la forme quasi sphérique (ou des formes étroitement similaires) est la seule morphologie trouvée capable de reproduire les propriétés optiques intensives observées de la fumée stratosphérique, ainsi que leur dépendance spectrale.

International audience; Equivalent-spherical models are widely used in lidar and remote-sensing for inferring microphysical properties of various aerosols. The concept of fractal aggregates is introduced and applied to calculate accurate backscattering coefficients of black carbon particles. The purpose of this work is to assess the performance of equivalent-spherical models to model the backscattering cross-sections of irregularly shaped particles such as fresh black carbon particles. The use of equivalent spherical models is discussed in regard to lidar measurements.

We present smoke lidar measurements from the Canadian fires of 2017. The advected smoke layers over Europe are detected at both tropospheric and stratospheric heights, with the latter presenting non-typical values of the Linear Particle Depolarization Ratio (LPDR) with strong wavelength dependence from the UV to the Near-IR. Specifically, the LPDR values are of the order of 22, 18 and 4% at 355, 532 and 1064 nm respectively. In an attempt to interpret these results, we apply the hypothesis that smoke particles have near-spherical and/or more complicated shapes. Scattering calculations with the T-matrix code revealed that the near-spherical shape is able to reproduce the observed LPDR and LR values of the stratospheric smoke particles at the three measurement wavelengths., Nous présentons les mesures du lidar de fumée des incendies canadiens de 2017. Les couches de fumée advectées sur l'Europe sont détectées à la fois à des hauteurs troposphériques et stratosphériques, ces dernières présentant des valeurs atypiques du rapport de dépolarisation linéaire des particules (LPDR) avec une forte dépendance de longueur d'onde de l'UV au proche IR. Plus précisément, les valeurs LPDR sont de l'ordre de 22, 18 et 4% à 355, 532 et 1064 nm respectivement. Pour tenter d'interpréter ces résultats, nous appliquons l'hypothèse que les particules de fumée ont des formes quasi sphériques et/ou plus complexes. Les calculs de diffusion avec le code de la matrice T ont révélé que la forme quasi-sphérique est capable de reproduire les valeurs LPDR et LR observées des particules de fumée stratosphériques aux trois longueurs d'onde de mesure.

International audience

International audience; Tissue mimics (TMs) on the scale of several hundred microns provide a beneficial cell culture configuration for in vitro engineered tissue and are currently under the spotlight in tissue engineering and regenerative medicine. Due to the cell density and size, TMs are fairly inaccessible to optical observation and imaging within these samples remains challenging. Light Sheet Fluorescence Microscopy (LSFM)- an emerging and attractive technique for 3D optical sectioning of large samples- appears to be a particularly well-suited approach to deal with them. In this work, we compared the effectiveness of different light sheet illumination modalities reported in the literature to improve resolution and/or light exposure for complex 3D samples. In order to provide an acute and fair comparative assessment, we also developed a systematic, computerized benchmarking method. The outcomes of our experiment provide meaningful information for valid comparisons and arises the main differences between the modalities when imaging different types of TMs.

International audience; Spectralons are reference radiometric samples which exhibit a calibrated reflectance. However, in case of low reflectance samples, the degree of polarization (DOP) of scattered light is hard to characterize. Here, an accurate determination of spectralon spatial depolarization is proposed. Based on a spatially resolved polarimetric imaging system, the polarization state of the scattered light is characterized for every pixel. A statistic distribution analysis is carried out over the entire image. The relative phase shift distribution between two orthogonal components of the scattered electric field clearly exhibits a high sensitivity to the reflectance, the phase statistics following a circular Voigt profile. The intrinsic part of the spatial depolarization is demonstrated to be linked to the circular Cauchy contribution of that phase dispersion. An analytic equation is proposed to estimate the monochromatic spatially integrated DOP, as a function of the reflectance.; Les spectralons sont des échantillons radiométriques de référence qui présentent une réflectance calibrée. Cependant, dans le cas d'échantillons à faible réflectance, le degré de polarisation (DOP) de la lumière diffusée est difficile à caractériser. Ici, une détermination précise de la dépolarisation spatiale de Spectralons est proposée. Par l'utilisation d'un système d'imagerie polarimétrique spatialement résolu, l'état de polarisation de la lumière diffusée est caractérisée pour chaque pixel. Une analyse de distribution statistique est effectuée sur toute l'image. La répartition du déphasage relatif entre deux composantes orthogonales du champ électrique diffusé présente clairement une sensibilité élevée à la réflectance, celle-ci suivant un profil circulaire de Voigt. Nous démontrons que la partie intrinsèque de la dépolarisation spatiale est liée à la contribution circulaire de Cauchy de cette dispersion de phase relative. Une équation analytique est proposée pour estimer le DOP monochromatique spatialement intégré en fonction de la réflectance.