Le récepteur

Les fonctions du récepteur ainsi que les contraintes qui y sont associées sont décrites ci- dessous :

- Détecter l’intégralité du signal lumineux, et le traiter ; - Limiter le bruit électronique ;

- Optimiser la dynamique d’acquisition, afin de minimiser le bruit d’échantillonnage; - Optimiser la taille des données, pour améliorer l’autonomie du système;

- Faciliter l’acquisition des données sur de longues périodes ; - Optimiser la consommation en énergie du système.

On peut résumer les principales fonctions du récepteur des scintillomètres classiques (type LAS) en 3 parties. On représentera, entre parenthèses, les sorties BNC (Bayonet Neill- Concelman) du LAS (Wageningen, WUR) associées à la fonction :

- Récupération du signal lumineux (‘Detect’) ; - Démodulation du signal (‘Demod’) ;

- Traitement électronique du signal pour obtenir une valeur du Cn² (‘Cn²’) ;

Le signal subit aussi différents types de traitement analogiques (filtrage, amplification, intégration…) qui optimisent la réalisation des fonctions. La partie originale du prototype réalisé consiste à faire l’acquisition du signal démodulé sans traitement préalable, à l’aide d’un ordinateur à très faible consommation. Les données ainsi obtenues contiennent l’information sur la propagation du signal dans son intégralité.

Module électronique du récepteur

La partie électronique (Annexe 2) est donc allégée par rapport aux autres scintillomètres étant donné que le traitement du signal se fera de manière numérique. Elle se limite à la détection du signal à l’aide du photorécepteur, puis à la démodulation de ce dernier (cf. Fig. 2.2).

Figure 2.2: Schéma de fonctionnement de la partie électronique du récepteur (1) partant signal optique récupéré jusqu’au signal démodulé.

Le photorécepteur choisi est un UDT-455 (UDT Sensors, Inc) de la gamme Photops. Il s’agit d’une photodiode hybride avec amplificateur intégré, dont la gamme de fonctionnement est située entre 350-1100nm. La cellule réceptrice est assez large, puisque son diamètre est de 2.54mm (aire active 5.1mm²), et présente un signal rapport sur bruit très faible (puissance du bruit 1.4e-14 _{W/Hz). La fréquence de coupure (entre 30 et 60kHz) de la combinaison} photodiode/amplificateur est choisie de façon à pouvoir laisser passer toutes les harmoniques de la porteuse (signal carré), ce qui limite par la même occasion la taille de la cellule réceptrice (capacité de jonction plus grande, impliquant une fréquence de coupure plus faible). Un filtre visible (Edmund Optics) est disposé devant le récepteur afin de limiter les radiations arrivant sur la photodiode à celle provenant de la LED, i.e autour de 940nm (Fig. 2.3). On évite ainsi toute saturation possible de la cellule réceptrice due au rayonnement solaire.

Figure 2.3 : Gabarit du filtre optique limitant l’influence des longueurs d’onde du visible.

Le signal récupéré à la sortie de la photodiode est filtré pour les basses fréquences à l’aide d’un intégrateur, associé à une boucle de retour. On élimine ainsi la composante continue du signal. Afin d’améliorer la finesse du filtrage, j’ai ajouté un filtre passe haut du second ordre à 2kHz, améliorant la suppression de la composante continue et basse fréquence.

fréquence de la porteuse à 7kHz. Puis, le signal démodulé est filtré pour les hautes fréquences résiduelles à l’aide d’un filtre passe-bas de fréquence de coupure 400Hz. Le signal ainsi récupéré, et équivalent à la sortie ‘Demod’ du LAS, peut alors être enregistré afin d’être traité. L’acquisition du signal a été optimisée à l’aide d’une boucle de retour permettant de centrer le signal autour de 0±0.01V. Cette valeur correspond au milieu de la dynamique d’entrée de la carte d’acquisition. Cette boucle de retour est contrôlée à partir de l’interface utilisateur, et se règle lors de la mise en fonctionnement de l’instrument. Par la même occasion, un module d’amplification réglable (G = 1, 2, 4, 8) a été rajouté, lequel permet avec la carte d’acquisition (G = 0.5, 1, 10, 100) de choisir entre différents gains. Pour les premières valeurs de gain, le rapport signal sur bruit n’est que très faiblement affecté, ce qui n’est pas le cas pour les grands gains. Ce réglage s’effectue en parallèle du réglage de la boucle. L’association de ces 2 modules, permet une optimisation notable de la dynamique d’acquisition (cf. Fig. 2.4).

Figure 2.4 : Schéma du fonctionnement de la partie électronique du récepteur (2), partant du signal démodulé jusqu’au signal optimisé pour l’acquisition.

Acquisition du signal

Le signal ainsi optimisé, est numérisé sur une carte d’acquisition PCI-6014 (National Instrument, Inc.). L’interface utilisateur d’acquisition a été réalisée sous LabWindows Cvi et la fréquence d’échantillonnage réglée de façon à ne perdre aucune information. La gamme des fréquences, propres aux phénomènes turbulents observés en scintillométrie, se situe entre 0.03Hz et 400Hz (cf. Nieveen et al., 1998). La vitesse du vent peut avoir un impact sur la densité spectrale de puissance des scintillations : typiquement, un vent fort va décaler les fréquences utiles vers les hautes fréquences, alors qu’un vent faible les décalera vers les

basses fréquences ; cependant la gamme des fréquences utiles reste toujours inférieure à 400Hz. La première campagne de mesure effectuée en 2006 à Ste Foix d’Aigrefeuilles (20km à l’est de Toulouse), a été réalisée à une fréquence d’échantillonnage de 5kHz, afin d’éviter des problèmes possibles de repliements (‘aliasing’). Les résultats obtenus lors de cette période d’essai m’ont amené à diminuer la fréquence d’échantillonnage jusqu’à 1kHz, notamment dans le cadre de la campagne 2007/2008 à Lamasquère (40km à l’ouest de Toulouse). L’autre avantage a été de réduire considérablement la taille des fichiers enregistrées (164Mo à 1kHz).

Les fichiers sont ensuite transférés de l’ordinateur de terrain à un ordinateur portable, afin de laisser le système fonctionner en continu. Cette opération a été réalisée avec le logiciel libre UltraVNC (Virtual Network Controller, www.ultravnc.fr/), qui permet un accès facile via une connexion LAN (Local Area Network) à l’ordinateur sur le terrain. Le principal avantage de ce logiciel est la possibilité d’utiliser une interface déportée et donc d’avoir toutes les fonctions classiques d’un ordinateur portable. Ainsi toutes les manipulations sur l’ordinateur de terrain s’effectuent à partir de l’ordinateur portable, en utilisant l’ordinateur de terrain comme une station d’acquisition et de stockage très souple, performante et de grande capacité de stockage.