Systèmes de pointage et de calibration

Pointage

Le système de pointage de l’instrument est composé d’un miroir en aluminium orienté à 45◦ par rapport à l’axe du cornet permettant de sonder l’atmosphère à différentes élévations. Ce miroir étant plan et conducteur, on estime que la réflexion est totale sur sa surface. La rotation de ce miroir selon l’axe du cornet est effectuée par un moteur pas-à-pas ayant une résolution de 4000 pas par tour. La résolution angulaire est donc de 0,09 degrés. L’effet de l’erreur de pointage et l’optimisation de la calibration en élévation seront développés dans la partie 2.2.3. La Figure 2.2 détaille cette partie de l’instrument.

Charge équilibrée diélectrique

Le matériau micro-onde absorbant, aussi appelé charge équilibrée diélectrique, est placé dans la direction du zénith pour augmenter la température de brillance lors de la visée référence et ainsi avoir un niveau comparable à la visée signal à plus basse élévation, comme nous le verrons dans la section 2.2.1. Il est préférable que cette contribution soit constante sur toute la bande passante. Le principal problème est l’apparition d’une de ligne de base spectrale complexe causée par les réflexions sur la charge. Une étude détaillée sur l’optimisation du choix du matériau et de son orientation a été menée par Deuber et Kämpfer (2004). En suivant les conclusions de ce travail, nous utilisons l’absorbant micro-onde ECCOSORB AN-74 positionné verticalement et bisauté sur la tranche située vers le miroir. Le positionnement de l’absorbant est réalisé de

50 _{2. Le Radiomètre Mobile (MobRa)}

Fig. 2.2 – Le système de pointage et de calibration de MobRa. Gauche : Vue de coté. Droite :

Vue de dessus.

manière manuelle et optimisé par un contrôle visuel direct de la forme générale des spectres et pour que l’élévation de la visée signal correspondante soit comprise entre 25 et 35◦.

Déphaseur

Durant cette thèse, nous avons ajouté à l’instrument un déphaseur. Ce système, visible sur la Figure 2.2 et détaillé par la Figure 2.3, est composé d’une table de translation actionnée par un moteur pas à pas permettant de faire varier la distance cornet-miroir. Le but est de minimiser les ondulations sur les spectres causées par les réflexions parasites dans le système de réception et de visée. Le système peut se déplacer au maximum de 30 mm, cette distance est délimitée par deux ensembles butée/rupteur pour éviter d’amener la table en fin de course. la résolution du déplacement vertical a été estimée à 0,2 mm. Les mécanismes de réduction des ondes stationnaires seront étudiés en détail dans la partie 2.3.1.

Calibration

Comme exposé dans la partie 3.1.1, le radiomètre nécessite la mesure du rayonnement de deux entités considérées comme des corps noirs ayant des températures de brillance connues pour pouvoir calibrer le signal provenant de l’atmosphère. L’utilisation d’absorbants micro- ondes assimilables à des corps noirs permet, en connaissant la température physique de ces cibles, d’établir la relation entre valeur numérique mesurée par le spectromètre et température de brillance. Plus la différence de température entre les charges est grande, plus la mesure du gain total du système Gsys sera précise.

Charge chaude : Un absorbant micro-onde de type Emerson & Cumming HR-1 à température ambiante collé à une surface métallique fait office de charge chaude. Son coefficient de réflexion théorique à 22 GHz est de -30 dB, soit 0,1%.

2.1. Description de MobRa 51

Fig. 2.3 – Projection CAO du système de déphaseur. Les deux rupteurs et les butées permettent

de fixer les positions minimum et maximum de la translation.

Charge froide LN2 : L’azote liquide (LN2) est utilisé pour refroidir un absorbant micro-onde qui sert de charge froide. La température de brillance mesurée correspond alors à la température du point d’ébulliton de l’azote à pression ambiante. En dérivant la formule de Clapeyron, la relation entre température du point d’ébullition TLN2 et pression atmosphérique P est donnée

par : TLN2 =  T₀−1− ln _P P0  _R LLN2 −1 (2.1)

où T0est la température d’équilibre de l’azote liquide (77,4 K), P0la pression standard au niveau de la mer (1013,15 hPa), R la constante des gaz parfaits (8,31 JK−1mol−1) et LLN2 la chaleur

latente de vaporisation de l’azote liquide (5,6 kJ · mol−1).

Sur Terre, la pression atmosphérique pour un site donné varie rarement de plus de 100 hPa autour de la valeur moyenne annuelle. Cela représente une variation de la température de l’azote liquide inférieure à 1 K au niveau du sol.

Dans le cas particulier de MobRa, l’azote liquide est contenue dans un Dewar de 50 L floqué d’absorbant micro-onde placé sous le miroir. Une sonde de température de type thermocouple placée dans le Dewar permet d’une part de s’affranchir d’un capteur de pression, même si une erreur systématique dépendante de la sonde de l’ordre de 1 K est présente, et d’autre part de s’assurer de la présence d’azote liquide.

Charge froide ciel : Si les propriétés de la troposphère sont déterminées (température moyenne ¯Ttrop, opacité zénithale τtrop[z] ), il est possible d’utiliser le ciel comme charge froide

en calculant sa température de brillance à une élévation donnée. Pour cela, l’instrument doit être capable de pouvoir viser à toutes les élévations entre 20◦ et 90◦ (zénith). Les détails de cette méthode seront présentés dans la section 3.2.

52 _{2. Le Radiomètre Mobile (MobRa)} −40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 −40 −30 −20 −10 0

Simulated E−Plane radiation pattern

Angle [deg] Amplitude [dB] −10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 −5 −4 −3 −2 −1 0 1

Simulated E−Plane radiation pattern (zoom)

Angle [deg] Amplitude [dB] Esim 22.2GHz Esim 21.7GHz Esim 22.7GHz Esim 22.2GHz Esim 21.7GHz Esim 22.7GHz

(a) Diagrammes d’émission de 21,7 à 22,7 GHz

−40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 −40 −30 −20 −10 0

E−Plane radiation pattern @ 22.2 GHz

Angle [deg] Amplitude [dB] −10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 −5 −4 −3 −2 −1 0 1

E−Plane radiation pattern @ 22.2 GHz (zoom)

Angle [deg] Amplitude [dB] E_meas E_sim E Gauss fit E_meas E_sim E_{Gauss fit} (b) Diagramme d’émission à 22,2 GHz Fig. 2.4 – Diagrammes de rayonnement du cornet de MobRa dans le plan E (polarisation verti-

cale). (a) Simulations pour la fréquence centrale de 22,2 GHz et pour les fréquences aux extrémités

du spectre : 21,7 et 22,7 GHz. Haut: de -40 à +40◦. Bas: zoom pour les angles entre -10 et +10◦.

(b) Diagrammes mesuré (cercles verts), simulé (points bleus), et modélisé par une Gaussienne

(trait rouge). Comme pour (a), le panneau du bas est un zoom pour les angles entre -10 et +10◦.