Emission et réception du signal électromagnétique

3.2.1 L’émission

Le temps d‟émission est appelé « On-Time ». Afin de créer le champ magnétique primaire, on injecte du courant, grâce à un générateur (Figure 1.10c), dans la boucle émettrice. Plus le courant injecté est fort ou plus la boucle possède de tours, plus le moment magnétique sera important, mais également plus le temps de coupure (« front gate ») sera long. En effet, l‟injection et la coupure ne sont pas instantanées. L‟émission est alors définie par une fonction caractérisant l‟intensité du courant en fonction du temps : la forme d‟onde (Figure 1.11). Celle-ci varie d‟un système à un autre mais comporte obligatoirement deux « pentes » (i.e. l‟injection et la coupure) ; dans ce cas, la forme d‟onde est triangulaire. Dans d‟autres cas, le courant marque également un palier. Notons que la forme d‟onde a un effet important sur la réponse (Liu, 1998) et doit donc être choisie judicieusement et prise en compte lors du traitement des données.

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La Figure 1.11 présente, de manière schématique, la forme d‟onde utilisée par le système SkyTEM^®. Celle-ci se compose de quatre parties (Sørensen et Auken, 2004) :

1. la phase d‟injection est amorcée par une rampe exponentielle :

(1.39)

avec V la tension du générateur, R la somme des résistances de la boucle et du générateur, tb le temps de début d‟injection et L l‟inductance propre de la boucle ;

2. le courant atteint le palier souhaité ;

3. la coupure est marquée par une décroissance linéaire (avalanche) ; le moment magnétique de la boucle émettrice maintient la tension maximale

(1.40)

4. lorsque la tension ne peut plus être maintenue, le courant décroît exponentiellement :

(1.41)

avec Ie et te respectivement l‟intensité du courant et le temps de début de la phase, et Rres

caractérisant la résistance d‟amortissement.

Les calculs effectués précédemment pour une boucle circulaire considèrent une émission « parfaite » (excitation en forme de marche). Ainsi, pour modéliser la réponse réellement obtenue, il est nécessaire d‟effectuer le produit de convolution entre la réponse « parfaite » et la dérivée temporelle de la forme d‟onde utilisée. Cela peut s‟expliquer comme suit : d‟une part, ce sont les variations de l‟intensité du courant qui sont à l‟origine du champ secondaire mesuré, d‟où la dérivée temporelle ; d‟autre part, au temps t, on mesure la réponse créée par la variation de l‟intensité du courant au temps t-τ, d‟où le produit de convolution.

3.2.2. La réception

Le temps de réception est appelé « Off-Time » et fait suite à l‟ « On-Time » (Figure 1.11) ; dans certains cas, la mesure peut également se faire durant le « On-Time » mais ceci n‟est pas discuté ici. Le rapport du temps « Off-Time » sur la somme des temps « On-Time » et « Off-Time » définit alors le « Duty-cycle ». La mesure du champ secondaire peut se faire avec différents appareils (e.g. magnétomètre ou boucle d‟induction). Cependant la boucle d‟induction est la plus communément utilisée et est prise en exemple ici. On mesure alors le signal grâce à l‟induction d‟un courant (force électromotrice) dans une boucle

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généralement composée de plusieurs tours. On est donc sensible à la dérivée temporelle du champ

magnétique. La force électromotrice mesurée est égale à , avec N et A respectivement le nombre

de tours et l‟aire de la boucle réceptrice.

La phase de mesure est synchronisée avec la phase d‟émission et est amorcée très vite après la coupure du courant définissant alors le temps zéro. Chaque mesure est alors référencée par rapport à celui-ci. Le temps choisit pour la première dépend essentiellement de la « pente » de la coupure (« front gate »). Plus celle-ci est raide et plus il est possible de mesurer la réponse à des temps très courts (i.e. obtenir une information sur les faibles profondeurs) et de maximiser le nombre de décroissances TDEM mesurées sur une distance relativement courte. Un compromis apparaît alors ici clairement. En effet, on a pu voir qu‟une bonne profondeur de pénétration nécessitait l‟émission d‟un moment magnétique important. Or ceci s‟accompagne également d‟une augmentation du courant et/ou du nombre de tours dans la boucle, ce qui induit un temps de coupure relativement long. La résolution verticale et latérale s‟en retrouve alors affectée. La décision entre puissance et résolution dépend donc de l‟objet géologique à caractériser.

Les mesures étant très sensibles au bruit, celles-ci sont moyennées sur des intervalles de temps appelés « fenêtres » (Figure 1.11). La décroissance du champ secondaire est alors échantillonnée par ces moyennes, traitées comme étant acquises à des temps t correspondant au centre de leurs fenêtres de temps respectives. Etant donné que le bruit est plus important aux temps longs (Munkholm et Auken, 1996) et que la résolution et la vitesse de diffusion diminuent avec le temps (Nabighian, 1979), la taille de la fenêtre de temps augmente logarithmiquement. Cette procédure est appelée « Log-Gating ».

La mesure est également filtrée par un ou plusieurs filtres Passe-Bas (Effersø et al., 1999) afin de réduire les bruits provenant des émetteurs AM ; ces filtres, induisant une déformation de la mesure, doivent être pris en compte lors de la modélisation (Auken et al., 2000).

3.2.3. L’acquisition

Durant le vol, la répétition du cycle émission/réception permet de mesurer différentes décroissances du champ secondaire, caractérisant, en différentes positions le long de la ligne de vol, la variation de la conductivité/résistivité dans le sous-sol. La distance entre chaque mesure (i.e. la résolution latérale) dépend alors de la vitesse de vol mais également des temps caractéristiques de la forme d‟onde ainsi que des traitements effectués.

Deux émissions successives vont avoir des polarités contraires (Figure 1.11). Le temps nécessaire pour émettre ces deux signaux et mesurer les deux réponses associées est alors défini par la fréquence de base de la forme d‟onde. Celle-ci est généralement choisie comme multiple ou sous-multiple du 50 Hz (en France) afin de rendre cohérent le bruit provenant du réseau électrique. Celui-ci peut alors être réduit en moyennant

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les réponses mesurées pour deux émissions de polarités opposées. Les décroissances ainsi obtenues sont généralement une nouvelle fois moyennées, lors d‟une étape appelée « Gate Stacking », afin de réduire le bruit contenu dans les données. Ainsi, plus la fréquence de base est grande ou plus on moyenne de mesures entre elles et plus la résolution latérale diminue.