High power density laser estimation using quantitative thermal imaging method

The knowledge of the amplitude and the spatial distribution of an excitation flux is of great interest for the quantification of heat sources. In this work, the development of a non-contact imaging powermeter based on the association of a bolometer with an infrared camera is described. This powermeter allows, thanks to infrared thermographic measurements and image processing methods, the quantitative estimation of the spatial distribution of the power of the flux delivered by a high-power laser. First, the experimental setup used is described. Then, the complete model- ling of the heat transfer within the bolometer using the 3D thermal quadrupole formalism is presented. After that, an inverse method based on the Wiener filter in Fourier-Laplace transform spaces to estimate the spatial distribution of the power flux is described. Finally, power estimation results using two metallic plates as a bolometer are presented and discusse

Active thermo-reflectometry for absolute temperature measurement by infrared thermography on specular materials

AbstractKnowledge of material emissivity maps and their true temperatures is of great interest for contactless process monitoring and control with infrared cameras when strong heat transfer and temperature change are involved. This approach is always followed by emissivity or reflections issues. In this work, we describe the development of a contactless infrared imaging technique based on the pyro-reflectometry approach and a specular model of the material reflection in order to overcome emissivities and reflections problems. This approach enables in situ and real-time identification of emissivity fields and autocalibration of the radiative intensity leaving the sample by using a black body equivalent ratio. This is done to obtain the absolute temperature field of any specular material using the infrared wavelength. The presented set up works for both camera and pyrometer regardless of the spectral range. The proposed method is evaluated at room temperature with several heterogeneous samples covering a large range of emissivity values. From these emissivity fields, raw and heterogeneous measured radiative fluxes are transformed into complete absolute temperature fields

Multiscale aspects of the response of a temperature field to a pulsed laser or a periodic laser spot: some applications for IR thermography for non destructive evaluation, terahertz tomography, super-resolution, and microscale heat transfer

The study of the response of a temperature field (recorded from IR cameras) to a laser spot heating is increasingly used for NDE (Non Destructive Evaluation) applications. The most classical type of application is to use the flying spot in order to detect vertical cracks and/or to measure the in plane thermal diffusivity in relation to the observation plane of opaque materials. But several other ways of applications are presented here related to tomography and also super resolution. Instead of opaque materials applications, the tomography is using the principles of the flying spot. It consists in an indirect detection on an intermediate layer (the thermoconverter) that can convert a wide range of radiation from the spot. The objective of super-resolution can also be implemented with flying spot in order to circumvent the low spatial resolution of IR imaging systems. Such methods consider spots whose diameter is small compared to the size of the pixel. Some applications of our team will be shown with multiscale considerations

Thermo-spectroscopic tomography by 3D imaging for the study of plasma torches

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet ADEME IGAR (Injection de Gaz Réducteur) multi-partenaires qui consiste à étudier, développer et valider ce nouveau concept de procédé. En effet, ces dernières années, un enjeu majeur pour l’industrie sidérurgique est la réduction d’émission de gaz à effet de serre. Une des solutions envisagées dans les hauts-fourneaux est l’injection d’un gaz réducteur chauffé par le biais de torches à plasma. Dans ce sens, un des objectifs scientifiques de ce travail de thèse est la mesure de température, de concentrations et de flux au sein des torches à plasma qui sont des milieux en conditions extrêmes à cause des hautes températures et des fortes puissances mises en jeu.Afin d’aborder de tels milieux hétérogènes et extrêmes, il devient nécessaire de développer une instrumentation optique et sans contact pour obtenir par des méthodes tomographiques des champs volumiques de température, de concentration et de flux au sein de flammes à l'échelle du laboratoire.Par conséquent, le principal verrou de ce travail de thèse est le développement de méthodes d’imagerie quantitative. Dans un premier temps, les travaux se sont focalisés sur le développement d’un fluxmètre imageur quantitatif hyperspectral en conditions extrêmes. Ce travail est basé sur la compréhension et la modélisation du transfert de chaleur au sein du capteur, du développement d’une méthode inverse basée sur le filtre de Wiener permettant d’estimer spatialement et quantitativement le flux d’excitation. Ces méthodes ont été accompagnées d’une métrologie rigoureuse afin d’assurer une maîtrise complète de l’outil.Une fois ce capteur développé, des méthodes de type Flying spot pour effectuer de l'imagerie 3D hyperspectrale par transformée de Radon ont pu être mises en oeuvre. Ce nouveau concept d’imagerie a permis de réaliser des tomographies 3D hyperspectrales (visible, infrarouge et térahertz) sur des objets de formes complexes et spectralement hétérogènes. Enfin dans un second temps, une plateforme expérimentale basée sur de la spectroscopie infrarouge couplée à des caméras thermiques refroidies a été mise en place pour réaliser l’imagerie tomographique thermospectroscopique. Cette mesure basée sur une méthode à deux images et une tomographie de type Radon a permis d’obtenir simultanément les champs volumiques de température et de concentration sur des flammes de micro-torches de laboratoire ainsi que différentes grandeurs physiques (absorptivité, émissivité, transmissivité) liées à la composition chimique des flammes.En conclusion, les méthodes développées dans cette thèse, à savoir le développement de fluxmètres et de techniques de mesure thermospectroscopiques 3D à l’échelle du laboratoire, permettront une meilleure compréhension des processus opto-thermo-chimiques au sein des torches à plasma et plus généralement au sein de milieux hétérogènes.This thesis is part of a multi-partner ADEME IGAR (Injection of Reducing Gas) project which consists of studying, developing and validating this new process concept. In recent years, a major challenge for the steel industry has been to reduce greenhouse gas emissions. One of the solutions envisaged in blast furnaces is the injection of a reducing gas heated by plasma torches. In this context, one of the scientific objectives of this thesis is the measurement of temperature, concentration and flux within plasma torches, which are environments under extreme conditions due to the high temperatures and high powers involved.In order to study this kind of heterogeneous and extreme environment, it is necessary to develop optical and non-contact instrumentation to obtain temperature, concentration and flux volume fields of flames on a laboratory scale using tomographic methods.Therefore, the main challenge of this thesis work is the development of quantitative imaging methods. Initially, the work was focused on the development of an hyperspectral quantitative imaging fluxmeter under extreme conditions. This work is based on the understanding and modelling of the heat transfer within the sensor, the development of an inverse method based on the Wiener filter allowing the spatial and quantitative estimation of the excitation flux. These methods were accompanied by rigorous metrology to ensure complete control of the tool.Once this sensor was developed, Flying spot methods for 3D hyperspectral imaging by Radon transform have been implemented. This new imaging concept made it possible to carry out hyperspectral 3D tomography (visible, infrared and terahertz) on spectrally heterogeneous objects with complex shapes. Finally, in a second phase, an experimental platform based on infrared spectroscopy coupled with cooled thermal cameras has been established to perform thermospectroscopic tomographic imaging. This measurement, based on a two-image method and a Radon-type tomography, made it possible to simultaneously obtain the temperature and concentration volume fields on laboratory micro-torch flames as well as various physical quantities (absorptivity, emissivity, transmissivity) related to the chemical composition of the flames.In conclusion, the methods developed in this thesis, namely the development of fluxmeters and 3D thermospectroscopic measurement techniques on a laboratory scale, will allow a better understanding of the opto-thermo-chemical processes within plasma torches and more generally within heterogeneous media

Thermo-spectroscopic tomography by 3D imaging for the study of plasma torches

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet ADEME IGAR (Injection de Gaz Réducteur) multi-partenaires qui consiste à étudier, développer et valider ce nouveau concept de procédé. En effet, ces dernières années, un enjeu majeur pour l’industrie sidérurgique est la réduction d’émission de gaz à effet de serre. Une des solutions envisagées dans les hauts-fourneaux est l’injection d’un gaz réducteur chauffé par le biais de torches à plasma. Dans ce sens, un des objectifs scientifiques de ce travail de thèse est la mesure de température, de concentrations et de flux au sein des torches à plasma qui sont des milieux en conditions extrêmes à cause des hautes températures et des fortes puissances mises en jeu.Afin d’aborder de tels milieux hétérogènes et extrêmes, il devient nécessaire de développer une instrumentation optique et sans contact pour obtenir par des méthodes tomographiques des champs volumiques de température, de concentration et de flux au sein de flammes à l'échelle du laboratoire.Par conséquent, le principal verrou de ce travail de thèse est le développement de méthodes d’imagerie quantitative. Dans un premier temps, les travaux se sont focalisés sur le développement d’un fluxmètre imageur quantitatif hyperspectral en conditions extrêmes. Ce travail est basé sur la compréhension et la modélisation du transfert de chaleur au sein du capteur, du développement d’une méthode inverse basée sur le filtre de Wiener permettant d’estimer spatialement et quantitativement le flux d’excitation. Ces méthodes ont été accompagnées d’une métrologie rigoureuse afin d’assurer une maîtrise complète de l’outil.Une fois ce capteur développé, des méthodes de type Flying spot pour effectuer de l'imagerie 3D hyperspectrale par transformée de Radon ont pu être mises en oeuvre. Ce nouveau concept d’imagerie a permis de réaliser des tomographies 3D hyperspectrales (visible, infrarouge et térahertz) sur des objets de formes complexes et spectralement hétérogènes. Enfin dans un second temps, une plateforme expérimentale basée sur de la spectroscopie infrarouge couplée à des caméras thermiques refroidies a été mise en place pour réaliser l’imagerie tomographique thermospectroscopique. Cette mesure basée sur une méthode à deux images et une tomographie de type Radon a permis d’obtenir simultanément les champs volumiques de température et de concentration sur des flammes de micro-torches de laboratoire ainsi que différentes grandeurs physiques (absorptivité, émissivité, transmissivité) liées à la composition chimique des flammes.En conclusion, les méthodes développées dans cette thèse, à savoir le développement de fluxmètres et de techniques de mesure thermospectroscopiques 3D à l’échelle du laboratoire, permettront une meilleure compréhension des processus opto-thermo-chimiques au sein des torches à plasma et plus généralement au sein de milieux hétérogènes.This thesis is part of a multi-partner ADEME IGAR (Injection of Reducing Gas) project which consists of studying, developing and validating this new process concept. In recent years, a major challenge for the steel industry has been to reduce greenhouse gas emissions. One of the solutions envisaged in blast furnaces is the injection of a reducing gas heated by plasma torches. In this context, one of the scientific objectives of this thesis is the measurement of temperature, concentration and flux within plasma torches, which are environments under extreme conditions due to the high temperatures and high powers involved.In order to study this kind of heterogeneous and extreme environment, it is necessary to develop optical and non-contact instrumentation to obtain temperature, concentration and flux volume fields of flames on a laboratory scale using tomographic methods.Therefore, the main challenge of this thesis work is the development of quantitative imaging methods. Initially, the work was focused on the development of an hyperspectral quantitative imaging fluxmeter under extreme conditions. This work is based on the understanding and modelling of the heat transfer within the sensor, the development of an inverse method based on the Wiener filter allowing the spatial and quantitative estimation of the excitation flux. These methods were accompanied by rigorous metrology to ensure complete control of the tool.Once this sensor was developed, Flying spot methods for 3D hyperspectral imaging by Radon transform have been implemented. This new imaging concept made it possible to carry out hyperspectral 3D tomography (visible, infrared and terahertz) on spectrally heterogeneous objects with complex shapes. Finally, in a second phase, an experimental platform based on infrared spectroscopy coupled with cooled thermal cameras has been established to perform thermospectroscopic tomographic imaging. This measurement, based on a two-image method and a Radon-type tomography, made it possible to simultaneously obtain the temperature and concentration volume fields on laboratory micro-torch flames as well as various physical quantities (absorptivity, emissivity, transmissivity) related to the chemical composition of the flames.In conclusion, the methods developed in this thesis, namely the development of fluxmeters and 3D thermospectroscopic measurement techniques on a laboratory scale, will allow a better understanding of the opto-thermo-chemical processes within plasma torches and more generally within heterogeneous media

Tomographie thermo-spectroscopique par imagerie 3D pour l'étude des torches à plasma

This thesis is part of a multi-partner ADEME IGAR (Injection of Reducing Gas) project which consists of studying, developing and validating this new process concept. In recent years, a major challenge for the steel industry has been to reduce greenhouse gas emissions. One of the solutions envisaged in blast furnaces is the injection of a reducing gas heated by plasma torches. In this context, one of the scientific objectives of this thesis is the measurement of temperature, concentration and flux within plasma torches, which are environments under extreme conditions due to the high temperatures and high powers involved.In order to study this kind of heterogeneous and extreme environment, it is necessary to develop optical and non-contact instrumentation to obtain temperature, concentration and flux volume fields of flames on a laboratory scale using tomographic methods.Therefore, the main challenge of this thesis work is the development of quantitative imaging methods. Initially, the work was focused on the development of an hyperspectral quantitative imaging fluxmeter under extreme conditions. This work is based on the understanding and modelling of the heat transfer within the sensor, the development of an inverse method based on the Wiener filter allowing the spatial and quantitative estimation of the excitation flux. These methods were accompanied by rigorous metrology to ensure complete control of the tool.Once this sensor was developed, Flying spot methods for 3D hyperspectral imaging by Radon transform have been implemented. This new imaging concept made it possible to carry out hyperspectral 3D tomography (visible, infrared and terahertz) on spectrally heterogeneous objects with complex shapes. Finally, in a second phase, an experimental platform based on infrared spectroscopy coupled with cooled thermal cameras has been established to perform thermospectroscopic tomographic imaging. This measurement, based on a two-image method and a Radon-type tomography, made it possible to simultaneously obtain the temperature and concentration volume fields on laboratory micro-torch flames as well as various physical quantities (absorptivity, emissivity, transmissivity) related to the chemical composition of the flames.In conclusion, the methods developed in this thesis, namely the development of fluxmeters and 3D thermospectroscopic measurement techniques on a laboratory scale, will allow a better understanding of the opto-thermo-chemical processes within plasma torches and more generally within heterogeneous media.Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet ADEME IGAR (Injection de Gaz Réducteur) multi-partenaires qui consiste à étudier, développer et valider ce nouveau concept de procédé. En effet, ces dernières années, un enjeu majeur pour l’industrie sidérurgique est la réduction d’émission de gaz à effet de serre. Une des solutions envisagées dans les hauts-fourneaux est l’injection d’un gaz réducteur chauffé par le biais de torches à plasma. Dans ce sens, un des objectifs scientifiques de ce travail de thèse est la mesure de température, de concentrations et de flux au sein des torches à plasma qui sont des milieux en conditions extrêmes à cause des hautes températures et des fortes puissances mises en jeu.Afin d’aborder de tels milieux hétérogènes et extrêmes, il devient nécessaire de développer une instrumentation optique et sans contact pour obtenir par des méthodes tomographiques des champs volumiques de température, de concentration et de flux au sein de flammes à l'échelle du laboratoire.Par conséquent, le principal verrou de ce travail de thèse est le développement de méthodes d’imagerie quantitative. Dans un premier temps, les travaux se sont focalisés sur le développement d’un fluxmètre imageur quantitatif hyperspectral en conditions extrêmes. Ce travail est basé sur la compréhension et la modélisation du transfert de chaleur au sein du capteur, du développement d’une méthode inverse basée sur le filtre de Wiener permettant d’estimer spatialement et quantitativement le flux d’excitation. Ces méthodes ont été accompagnées d’une métrologie rigoureuse afin d’assurer une maîtrise complète de l’outil.Une fois ce capteur développé, des méthodes de type Flying spot pour effectuer de l'imagerie 3D hyperspectrale par transformée de Radon ont pu être mises en oeuvre. Ce nouveau concept d’imagerie a permis de réaliser des tomographies 3D hyperspectrales (visible, infrarouge et térahertz) sur des objets de formes complexes et spectralement hétérogènes. Enfin dans un second temps, une plateforme expérimentale basée sur de la spectroscopie infrarouge couplée à des caméras thermiques refroidies a été mise en place pour réaliser l’imagerie tomographique thermospectroscopique. Cette mesure basée sur une méthode à deux images et une tomographie de type Radon a permis d’obtenir simultanément les champs volumiques de température et de concentration sur des flammes de micro-torches de laboratoire ainsi que différentes grandeurs physiques (absorptivité, émissivité, transmissivité) liées à la composition chimique des flammes.En conclusion, les méthodes développées dans cette thèse, à savoir le développement de fluxmètres et de techniques de mesure thermospectroscopiques 3D à l’échelle du laboratoire, permettront une meilleure compréhension des processus opto-thermo-chimiques au sein des torches à plasma et plus généralement au sein de milieux hétérogènes

Terahertz Constant Velocity Flying Spot for 3D Tomographic Imaging

This work reports on a terahertz tomography technique using constant velocity flying spot scanning as illumination. This technique is essentially based on the combination of a hyperspectral thermoconverter and an infrared camera used as a sensor, a source of terahertz radiation held on a translation scanner, and a vial of hydroalcoholic gel used as a sample and mounted on a rotating stage for the measurement of its absorbance at several angular positions. From the projections made in 2.5 h and expressed in terms of sinograms, the 3D volume of the absorption coefficient of the vial is reconstructed by a back-projection method based on the inverse Radon transform. This result confirms that this technique is usable on samples of complex and nonaxisymmetric shapes; moreover, it allows 3D qualitative chemical information with a possible phase separation in the terahertz spectral range to be obtained in heterogeneous and complex semitransparent media