Mesures directionnelles BRDF dites de pseudo-réflectance

Les mesures effectuées avec l’institut de recherche ont été réalisées en environnement contraint et maîtrisé : éclairage spécifique, sans pollution lumineuse. Ces mesures en laboratoire ne prennent pas en compte l’impact de l’environnement lumineux (éclairage extérieur au système, lumière du soleil, etc) qui devra être considéré dans notre application ferroviaire.

Ces mesures, réalisées en conditions d’éclairage contraintes (source laser, faisceau très fin, en chambre noire), correspondent à des mesures de réflectance bidirectionnelle des objets étudiés. Elle sera parfois appelée pseudo-réflectance dans le reste de ce document.

Les mesures de réflectance n’excèdent généralement pas l’unité. Ceci n’est pas valable pour la BRDF. Par sa construction, elle peut être très élevée, en particulier pour un matériau très spéculaire. Les résultats de nos acquisitions illustrent cette caractéristique.

3.2.1 Configuration du banc de mesures laser (BRDF)

Les mesures avec l’institut de recherche ont été réalisées en conditions de laboratoire, avec un gonio- réflectomètre. Il est composé d’une source super continuum sur mesure et de spectromètres CCD/InGaAs disponibles sur le marché (Indium Gallium Arsenide est un alliage chimique utilisé pour la création de photodétecteurs haute vitesse et haute sensibilité pour la fibre optique).

La source laser supercontinuum (0,480-2,5μm) utilise des fibres optiques nanostructurées combinées avec des lasers pulsés compacts. Les impulsions laser primaires se propagent en milieu non-linéaire et produisent une lumière blanche directionnelle par élargissement du spectre. L’appareil d’acquisition est un spectromètre fibré à haute sensibilité utilisant des capteurs CCD/InGaAs refroidis.

Le laser est entièrement non-polarisé à pleine puissance et les mesures sont interfacées avec un logiciel interne au laboratoire. L’échantillonnage spectral δλ du spectromètre est inférieur à 1nm dans le VNIR et de 6,25nm dans le SWIR. La réflectance bidirectionnelle est mesurée dans la gamme spectrale restreinte fin du visible et début du proche infrarouge (VNIR : 600-1000nm).

La mesure de réflectance bidirectionnelle est nécessaire pour référence mais ne reflète pas le comportement des matériaux soumis à des éclairages variés et à la diffusion de la lumière par les objets voisins, ce qui est le cas dans notre application.

Figure 25 - Configuration d'acquisition lors des mesures avec l'ONERA. Gauche : BRDF extrait de la Figure 21. Droite : Schéma du système ONERA. (COELATO et al. 2012)

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3.2.2 Exemple de spectres obtenus

Bien que des tendances similaires ressortent sur les deux types de courbe (Figure 24, Figure 26) pour un matériau donné, les différences sont importantes. La plus flagrante concerne les valeurs des spectres. Les RHD sont comprises dans l’intervalle [0,1] de par leur construction alors que les BRDF ne sont pas bornées.

3.2.3 Mesures en BRDF

Le banc de mesure est conçu pour mesurer la diffusion de la lumière résolue spectralement sur un domaine spectral couvrant le visible et l’infrarouge. L’instrument effectue des mesures de réflectances bidirectionnelles relatives à un échantillon de référence Lambertien (ex : un Spectralon).

Les mesures de BRDF avec l’institut de recherche répondent au besoin de réaliser, en laboratoire, des mesures de spectres pour différents angles d’incidence, ceci pour des échantillons unitaires de rails, propres ou pollués. Ces mesures ont pour but l’étude de l’influence de l’angle d’observation sur les spectres, pour un angle d’illumination fixe.

Nous présentons les mesures de réflectances directionnelles spectrales dans le domaine visible avec un angle d’illumination -5° (par rapport à l’axe perpendiculaire à la surface) et un angle de collection de 5° (configuration réflexion spéculaire) puis plusieurs angles de collection de 10° à 30° (configuration réflexion diffuse hors spéculaire). De par sa construction, pour éviter l’occultation de la source par le détecteur le système d’acquisition utilisé ne permet pas d’angles d’acquisition inférieurs à 5 degrés (par rapport à l’axe perpendiculaire à la surface).

Nous appelons amplitude la différence entre la valeur minimum du spectre et sa valeur maximum. La feuille verte a la plus forte amplitude (min : 2,7, max : 17,2). La graisse noire a l’amplitude la plus faible (min : 0,04, max : 0,22). Ces différences d’amplitudes entre les BRDF des différents matériaux rendent l’interprétation visuelle difficile. Nous choisissons une mise à l’échelle logarithmique pour l’affichage des courbes. Elle gomme les détails des courbes de forte amplitude dont les valeurs sont largement supérieures à 1 et augmente celles des courbes à faible amplitude dont les valeurs sont inférieures à 1. Les spectres BRDF et log(BRDF) sont montrés en Figure 26, pour une illumination à -5° et une collection à 5°.

L’influence de l’angle d’incidence (ici rayon réfléchit) est montrée en Figure 27. Les courbes du rail et de la feuille verte sont présentées pour des angles d’observation entre 5° et 25° et illustrent des comportements très différents. La BRDF du rail est très variable en fonction de l’angle d’incidence. Sa réflectance bidirectionnelle décroît fortement lorsque l’angle augmente et les courbes perdent en détails spectraux. On parle de forte dispersion angulaire. Cela traduit une signature angulaire à réflectance très directionnelle.

Les spectres de la feuille verte en revanche présentent de faible variation pour les trois premiers angles d’incidence (5°, 10°, 15°). De plus l’allure générale des courbes et les détails spectraux restent identiques malgré une baisse d’amplitude pour les angles d’observation élevés. Ceci caractérise un matériau peu directionnel.

Une étude sur chacun de nos 14 échantillons nous a conduits aux conclusions suivantes. Le rail nu a une BRDF très directionnelle et la forme du spectre est fortement modifiée par l’angle d’incidence (Figure 27). La BRDF de la graisse noire présente aussi une forte dépendance angulaire, en revanche sa pseudo- réflectance n’est pas modifiée. L’eau et deux types d’huiles présentent une mesure de pseudo-réflectance à dispersion angulaire élevée mais plus faible que dans le cas précédent. La présence d’un film liquide induit des réflexions multiples qui élargissent l’angle du lobe de diffusion et se traduit par une pseudo- réflectance directionnelle. Le sable et la poussière de frein (métallique) présentent une mesure de

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pseudo-réflectance à dispersion angulaire modérée. Cela traduit une dépendance angulaire en présence d’une couche de polluants granulaires diffusants (sable, poussière de frein), qui fait baisser la pseudo- réflectance.

Les végétaux, le ballast et la rouille présentent une mesure de pseudo-réflectance à faible dispersion angulaire. Cela traduit une faible dépendance à l’angle d’observation : l’amplitude de la pseudo- réflectance peut varier mais la forme du spectre reste sensiblement la même.

Figure 26 - Courbes de réflectances bidirectionnelles (incidence 5°) pour quatre matériaux : le rail nu, le sable, la feuille verte et la graisse noire. La courbe BRDF du Spectralon, matériaux Lambertien, est donnée à titre indicatif. Sa valeur est 1 en toute fréquence de la gamme. La transformation logarithmique des courbes est utilisée comme une mise à l’échelle pour la comparaison facilité des courbes.

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Puisque les spectres de matériaux peu directionnels ne présentent que de petites variations selon la configuration angulaire, ce sont les matériaux directionnels qui vont déterminer la géométrie du système. Cette étude semble indiquer que le couple d’angle optimal, par rapport à la normale à la surface du rail, serait (-5°/5°). Pour un angle d’observation supérieur à 10°, l’information contenue dans le spectre du rail et l’amplitude sont trop faibles pour permettre l’extraction de caractéristiques.

Figure 27 - Courbes spectrales bidirectionnelles pour un angle d'illumination -5° et des angles d'observation (incidence) de 5° à 25. Haut : Rail nu (très directionnel). Bas : Feuille verte (pu directionnel)

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