L’objectif de cette thèse était de développer et d’appliquer une nouvelle méthode de mesure permettant de dresser des cartographies instantanées des températures et des concentrations des diverses espèces présentes dans les gaz de combustion et aider à la détermination des performances de moteurs et mieux comprendre les mécanismes de réaction.Pour cela, un moyen de mesure optique, non intrusif pour ne pas interagir sur le fonctionnement du moteur, a été mis au point, ce qui a permis ainsi une meilleure analyse des performances et donc une mise au point plus rapide des moteurs. De par ses caractéristiques, le système peut réaliser des mesures résolues temporellement et spatialement. Outre les investigations dans les écoulements réactifs des propulseurs à réaction, ce système de mesure peut être également utilisé ultérieurement pour la mise au point des moteurs cycliques à détonation, à allumage commandé (essence) ou par compression (diesel, HCCI). Les temps de réponse (inférieures à 10 μs) du moyen de mesure sont compatibles avec les phénomènes étudiés. Cette technique de mesure peut également être embarquable sur un aéronef pour effectuer des mesures en vol.Le but était donc de mettre au point un système optique permettant la mesure de ces différents paramètres à distance. La spectroscopie est un outil adapté à cette étude. C’est une méthode physique non intrusive qui, associée à un LIDAR (télédétection laser), permet la mesure précise et instantanée de la température et de la concentration des gaz de combustion et de connaître leur évolution temporelle. Il peut être envisagé par la suite de mesurer directement l’avancement de la combustion afin d’améliorer le rendement et par voie de conséquence diminuer les rejets de polluants. / The aim of the present PhD thesis was to develop and apply a new measurement technique allowing one to create maps of the temperature and t-he concentration of various species within combustion gas, to determine the performances of the engines and get a better understanding of the reaction mechanisms.In order to do so, a non-invasive optical measurement technique was setup. This has enabled us to have better an analysis of the performances and hence, a faster adjustment of the engines. Thanks to its characteristics, the system is able to do some spatial and temporal resolved measurements. Apart from reacting flows in propellers, this measurement technique can also be used for the design of detonation and spark ignition engines or compression engines. The response times (lower than 10 μs) are compatible with the phenomena under investigation. This technique can also be used in airplanes to enable on-flight measurements.The aim was hence to setup an optical system allowing the measurement of these different parameters from a distance. Spectroscopy is a well-suited tool for this work. It is a non-intrusive physical measurement which, combined with LIDAR, allows the precise and instantaneous measurement of the temperature and the concentration of combustion gas as well as the following of their temporal evolution. It would be worth considering measuring the progress of the combustion directly so as to improve the performance and hence reduce the formation of pollutants.

La connaissance et la maitrise de la température et de la concentration des produits de combustion sont des paramètres clés pour la compréhension et l’amélioration de l’efficacité des moteurs. La mesure de ces température et concentration permettrait d’améliorer les machines de combustion et de quantifier les rejets polluants dans l’air (tels que le CO, CO2, NO, NO2, SO2, les aérosols, les suies ainsi que les composés organiques volatils) qui sont des enjeux environnementaux importants. Les procédés de combustion sont inhomogènes. Les méthodes actuelles sont essentiellement des méthodes de détection et pas de quantification. Nous proposons une méthode originale de caractérisation des profils de température et concentration couplant les avantages d’une mesure active par rétrodiffusion (LIDAR-Rayleigh, Light Detection And Ranging) d’une impulsion laser fondée sur la diffusion Rayleigh avec une mesure passive par spectroscopie d’émission. La première méthode est sensible aux profils spatiaux de températures et la seconde est particulièrement sensible à la température maximale et concentration des gaz. Cette étude a été soutenue par une REI (Recherche Exploratoire et Innovation) : « Caractérisation par Émission et LIDAR d’Écoulements de Propulseurs » en collaboration avec le laboratoire FEMTO-ST de Belfort, l’ONERA et l’entreprise MBDA. / The knowledge and control of the temperature and concentration of combustion products are key parameters to understand and improve engine efficiency. The measurement of temperature and concentration will improve combustion machines and quantify the pollutant emissions in the air (such as CO, CO2, NO, NO2, SO2, aerosols, soot and volatile organic compounds) which are important environmental issues. Combustion processes are inhomogeneous. Current methods are substantially methods for the detection and not for quantification. We propose an original method based on the characterization of temperature and concentration profiles coupling the benefits of an active backscattering method (Rayleigh LIDAR, Light Detection And Ranging) of a laser pulse with passive spectroscopic measurements. The first method is based on Rayleigh scattering and is sensitive to spatial temperature profiles and the second is particularly sensitive to the maximum temperature and to gas concentration. This study was supported by REI (Exploratory Research and Innovation): " Flows thrusters characterization by emission and LIDAR " in collaboration with the FEMTO-ST laboratory located in Belfort, ONERA and the MBDA company.