Bruit et Stabilité

En radiométrie micro-onde pour l’étude de l’atmosphère, le signal utile est généralement très faible comparé à la puissance totale reçue par le radiomètre, et au bruit généré par l’instrument.

D’après la formule de bruit du radiomètre (Kraus, 1966), si l’on considère le bruit sur la mesure comme étant un bruit blanc (distribution gaussienne autour d’une valeur moyenne), l’écart-type de ce bruit ∆TBexprimé en température de brillance peut être réduit en augmentant le temps d’intégration ∆tpar :

∆T_B= qT_sys

√

∆ν∆t (1.43)

où q est un facteur dépendant de la méthode de mesure utilisée et du type de mélangeur utilisé (simple ou double bande latérale) permettant de prendre en compte le temps effectif d’obser-vation de la source. Généralement, q est compris entre 1 et 2. ∆ν est la largeur du canal du spectromètre.

Augmenter le temps d’intégration pose un problème car le système de réception n’est pas forcément stable sur une longue durée. La mesure de la variance d’Allan (Schieder et Kramer, 2001) permet de déterminer la durée pendant laquelle l’équation du radiomètre reste valable, avant que les instabilités dues à la dérive de l’instrument ne limitent l’efficacité de l’intégration (Figure 1.9).

Fig.1.9– A gauche, jeu de données artificiel généré à partir de nombres aléatoires avec le bruit blanc (white noise, en haut), le bruit lié à la dérive de l’instrument (Drift noise, au milieu) et la combinaison des deux (Combined Noise, en bas). Chaque point correspond à un échantillon intégré pendant une seconde. A droite, le graphique de la variance d’Allan relative pour les trois types de bruit. Le bruit blanc apparaît avec une pente de -1, le bruit de dérive avec une pente de +1. La combinaison des deux (en rouge) fait apparaître un minimum pour une durée d’intégration déterminée, à partir de laquelle l’intégration du signal n’est plus efficace (tiré de Schieder et Kramer, 2001).

1.2. Mesure par radiométrie micro-onde passive 45 1.2.6 Méthodes de mesure

Dans le cas de raies faibles, la méthode généralement utilisée pour remédier aux limitations causées par la stabilité du système de réception est une méthode différentielle de permutation de visée entre deux signaux de puissance similaire sur une durée de temps durant laquelle le système peut être considéré comme stable. La soustraction des deux contributions est alors proche de zéro. Dans le cas de raies plus intenses, une mesure en puissance totale est directement possible.

Permutation de fréquence (Frequency switching)

Si la raie spectrale observée est suffisamment étroite par rapport à la bande passante du spectromètre, il est possible de réaliser une permutation de fréquence. En commutant la fréquence de l’oscillateur local entre deux valeurs voisines de quelques MHz, on obtient un signal et une référence très similaires.

L’avantage de cette technique est que le signal atmosphérique est présent dans les deux me-sures, et que la commutation peut être effectuée extrêmement rapidement. L’inconvénient majeur est que seules les raies étroites peuvent être observées, et qu’un mécanisme de commutation de fréquence d’oscillateur local est nécessaire.

Par exemple, le monoxyde de carbone (CO) (Forkman et al., 2003), ou encore l’ozone (Ricaud et al., 1991) ont été mesurés depuis le sol en utilisant cette technique.

Permutation de charge (Load switching)

La méthode de la permutation de charge consiste en l’observation alternée du ciel et d’une charge de référence dont la température de brillance associée est proche de celle émise par le ciel. Les inconvénients principaux de cette méthode viennent des ondes stationnaires causées par les réflexions parasites entre le cornet et la charge, et du fait que le ciel n’est observé que pendant la moitié du temps. Cette méthode est appropriée pour les raies plus intenses. Les radiomètres mesurant des signaux intenses tels que les profileur troposphériques commerciaux type Radiometrics ou RPG utilisent cette technique de charge interne.

Permutation de ligne de visée (Beam switching)

Dans la méthode de la permutation de visée, le faisceau est commuté entre une élévation basse (signal), pour laquelle le chemin optique à travers l’atmosphère est plus long (contribution plus importante) et une élévation haute appeléeréférence, où la contribution atmosphérique est moins intense. Le signal atmosphérique est donc présent dans les deux positions. Un materiau appelé charge équilibrée diélectrique ou encore charge de référence est inséré dans la visée de référence pour que le niveau de puissance moyen de la référence soit comparable au niveau du signal, afin de minimiser les variations de gain liées à la non-linéarité du système. Le materiau utilisé peut être une plaque de diélectrique (par exemple du plexiglas) ou encore un absorbant micro-onde inséré partiellement dans le faisceau. Cette technique introduite par Parrish et al.

(1988) est utilisée dans de nombreux radiomètres micro-ondes au sol.

Cette méthode est adaptée à la mesure des raies larges mais peu intenses. L’inconvénient majeur est, comme dans le cas de la permutation de charge, la présence d’ondes stationnaires sur le spectre dues aux réflexions dans le système (notamment avec la charge équilibrée diélectrique).

46 1. Mesure de l’émission de la vapeur d’eau strato-mésosphérique depuis le sol

1.3 En résumé

Dans ce chapitre nous avons défini les grandeurs utilisées pour le calcul du transfert radiatif dans le domaine micro-onde, et nous avons vu comment le rayonnement émis par l’atmosphère pouvait être modélisé en fonction de l’absorption et de la température de l’atmosphère. Il a été expliqué comment l’utilisation de l’approximation d’une couche isotherme pemet de décrire de manière simplifiée l’interaction du rayonnement avec son milieu. Enfin, il a été montré que dans le cas de l’étude l’atmosphère moyenne, l’émission de l’atmosphère terrestre peut se modéliser comme une somme de contributions provenant : 1) du rayonnement cosmologique de fond, 2) de l’atmosphère moyenne et 3) de la troposphère.

Nous avons ensuite présenté les principes généraux de la radiométrie micro-onde permettant de mesurer ce rayonnement depuis le sol. Nous avons détaillé le fonctionnement des différents sous-systèmes d’un radiomètre, en insistant sur les méthodes permettant de les caractériser.

Nous avons réalisé une rapide synthèse des technologies disponibles aujourd’hui dans le domaine des spectromètres. En effet, les caractéristiques de cet élément se trouvant en fin de chaîne vont contraindre la gamme d’altitude de restitution des paramètres atmosphériques. Enfin, nous avons insisté sur les notions de bruit et de stabilité inhérentes à la radiométrie et sur les méthodes de mesure, notamment de permutation de visée ou de fréquence, utilisées pour réduire le bruit et assurer des mesures stables.

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Chapitre 2