Chapitre 2 : Conception et réalisation d’un scintillomètre optique
2.2. Validation du prototype lors de la campagne Sud Ouest 2007-2008
2.2.3 Robustesse du scintillomètre
Le facteur de surestimation du Cn² n’est pas constant lors des différentes installations
du prototype. Ce problème inhérent au prototype est du à la mauvaise focalisation du faisceau engendrée en particulier par un mauvais alignement du scintillomètre. D’un point de vue théorique, un mauvais alignement du scintillomètre décale le point focal dans le plan focal et peut avoir pour conséquence que ce dernier ne soit pas inclus totalement sur la cellule photoréceptrice (Fig. 2.16).
Un mauvais alignement engendre une erreur sur le diamètre effectif « vu » par le récepteur. Effectivement, le diamètre d du point focal (légèrement supérieur à celui de la LED) est représentatif du diamètre D du miroir, après focalisation. Si le cercle de diamètre d n’est pas entièrement récupéré sur la cellule photoréceptrice, les variations observées ne sont pas celle du diamètre D, mais d’un diamètre inférieur à D. Dans des conditions turbulentes équivalentes, i.e pour un même Cn², la diminution du diamètre est traduit par une
augmentation de la variances du logarithme de l’amplitude du signal. Au niveau de l’utilisateur, celui-ci mesure un Cn² plus grand que celui qu’il devrait obtenir. Le diamètre D
effectivement détecté par le récepteur est appelé diamètre effectif (D ), avec D
Facteur de calibration appliqué de 2.8
2 7 /3 3 ²( ) 1.12 ln n eff I eff C D = σ D L− <Cn²( ) 1.12D σ2lnID7 /3L3 − =
En considérant le rapport 2.8 trouvé précédemment, on peut en déduire que le diamètre effectivement « vu » par le prototype est de 13cm. Cette différence due au montage et au positionnement du scintillomètre n’est pas spécifique au prototype et peut être observée avec d’autres scintillomètres (Moene et al. 2005b, Kleissl et al., 2008). Cependant, elle peut devenir importante lorsque la longueur focale augmente, étant donné que les défauts d’alignements sont amplifiés par la valeur de ce paramètre. Pour une même taille de cellule réceptrice, un système dont la focale est de 30cm (LAS), a une sensibilité à l’alignement deux fois moins grande qu’un système dont la focale est de 60cm (XLAS). Le prototype ayant une distance focale de 80cm, il devient très difficile d’effectuer un bon alignement de l’émetteur et du récepteur.
Afin de vérifier ce problème d’alignement, ce même système a été volontairement désaligné latéralement (≈1°). Comme cela était prévisible, le coefficient de proportionnalité augmente jusqu’à 3.4, et la corrélation R²=0.96. Une autre méthode permettant de calculer le diamètre effectif (Kleissl et al., 2008) est de positionner des anneaux obstructif devant l’émetteur et le récepteur afin de diminuer les diamètres, et de tracer la relation liant la racine carré de la puissance du signal au diamètre diminué.
Figure 2.16 : Schéma descriptif présentant la focalisation du faisceau sur la cellule réceptrice lors d’un alignement parfait, et lors d’un problème d’alignement.
Ces remarques clarifient les contraintes dues à l’utilisation de télescopes de Newton, et soulignent la précision nécessaire au positionnement des composants optoélectroniques dans le plan focal . Ceci engendre un diamètre effectif vu par le récepteur plus petit que le diamètre réel du miroir et donc une augmentation du Cn². Ces phénomènes ont été observés lors de
campagne de comparaison entre scintillomètres de type LAS Kipp&Zonen, les différences peuvent atteindrent 30% dans le cas d’optiques mal focalisées (Kleissl et al., 2008). De plus, il peut y avoir une inégalité des diamètres effectifs entre l’émetteur et le récepteur, ce qui modifie la fonction de pondération du scintillomètre. La surface d’étude étant homogène, les effets de cette modification sont négligeables.
2.3 Conclusion
Cette partie a permis de décrire les différentes étapes de la réalisation d’un scintillomètre optique à traitement numérique, en donnant toutes les indications nécessaires au développement de ce dernier. Les résultats obtenus avec ce prototype sont en accord avec les scintillomètres LAS.
L’acquisition numérique du signal et le post-traitement informatique, permettent d’atteindre les performances du LAS, avec en plus la souplesse du traitement, et l’amélioration de la précision sur la distance du transect. Ainsi, l’acquisition du signal ‘brut’ peut servir à effectuer des traitements supplémentaires afin d’obtenir des caractéristiques optiques et turbulentes complémentaires (Chapitre 4).
L’utilisation des télescopes de Newton, malgré leurs avantages, introduit un paramètre supplémentaire lié aux caractéristiques optiques de ces instruments et aux difficultés d’alignement qui en découlent. Finalement, cela implique d’ajouter un facteur de pondération qui varie en fonction du désalignement. La correction de ce facteur de pondération peut cependant se faire à l’aide d’un étalonnage avec un autre système de mesure sur une courte période, lors de l’installation. Les résultats ainsi obtenus sont équivalents à ceux des autres scintillomètres.
Les objectifs fixés en début de chapitre ont donc été atteints puisque nous avons : - acquis les connaissances techniques et expérimentales suffisantes pour modifier et
améliorer des scintillomètres grande ouverture ;
- réalisé un système d’acquisition et un traitement numérique fiable ;
- réalisé un prototype de scintillomètre large ouverture robuste, et facilement modifiable (bien que devant être calibré à chaque nouvelle installation);
En perspective d’évolution, les télescopes de Newton pourraient être remplacés soit par des miroirs à plus faible distance focale mais plus onéreux (Wageningen, WUR), soit par des lentilles de Fresnel (Kipp&Zonen). On peut alors réduire les contraintes d’alignement et de sensibilité du point focal. De la même manière, l’ordinateur basse consommation peut être remplacé, si nécessaire, par un système consommant encore moins (type datalogger) et qui ne comprendrait que le logiciel d’acquisition.