L’OPTIQUE SPATIALE
DOSSIE R Le sondeur infrarouge IASI
Elsa JACQUETTE, Elisa BALDIT et l’équipe projet IASI CNES
Quel temps fera-t-il demain ? Quelle est la qualité de l’air ? Quels sont les signes du réchauffement de notre planète ? Les avions pourront-ils voler suite à l’éruption volcanique de l’Eyjafjallajökull ? Les enjeux de la météorologie, de la chimie atmosphérique et de la climatologie sont nombreux et de plus en plus présents dans notre société et notre quotidien. IASI, Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge, a été développé pour fournir des données pour la communauté météorologique opérationnelle et les communautés scientifiques en chimie atmosphérique et en climatologie afin de répondre à toutes ces questions.
ASI est un spectro-radiomètre embarqué Isur les satellites météorologiques euro- péens en orbite polaire MetOp, dévelop- pé par le CNES et réalisé par Thalès Alenia Space, dans le cadre d’une coopération avec EUMETSAT. EUMETSAT exploite l’ins- trument en vol avec le support technique du CNES. La mission IASI a été prévue initialement pour durer 15 ans avec la fabrication de trois modèles de vol (trois instruments identiques destinés à être lancés dans l’espace) : le 1er modèle a été lancé en octobre 2006 à bord de MetOp-A, le second a été lancé en septembre 2012 à bord de MetOp-B, et le lancement du troisième modèle sur MetOp-C est prévu Figure 1. Exemple de spectre IASI, avec les principaux contributeurs aux signatures spectrales. pour 2018.
La mission principale de IASI [1] est de dont la concentration est inférieure à 1 % Mission fournir des mesures de profils de tem- du volume de l’atmosphère), dont notam-
pérature et d’humidité pour la prévision ment l’ozone (O3), le protoxyde d’azote
IASI permet de sonder l’atmosphère météorologique avec une précision de (N2O) et le monoxyde de carbone (CO) dans le domaine infrarouge sur une 1 K pour la température et de 10 % pour (présenté à la figure 2a), et même l’am-
couverture mondiale avec une grande l’humidité avec une résolution verticale de moniac (NH3) ou le dioxyde de souffre
précision, et ceci 2 fois par jour (9h30 1 km. Ces données sont utilisées comme (SO2, lié aux éruptions volcaniques par et 21h30 heure locale) : soit 1,2 million état initial dans les modèles numériques exemple) sont détectables, voire quanti- de spectres atmosphériques mesurés de prévision météorologique, et leur pré- fiables, grâce à la qualité radiométrique et chaque jour. IASI mesure le rayonnement cision influence directement la qualité des spectrale des mesures IASI. infrarouge émis en permanence par le sys- prévisions. Actuellement la majorité des Enfin les performances en étalon- tème Terre/atmosphère, un exemple de centres de prévision météorologique du nage absolu de IASI et sa longue durée spectre IASI est présenté à la figure 1. Les monde (dont Météo France, UK MetOffice d’exploitation (plus de 15 ans avec trois molécules présentes dans l’atmosphère ou le centre européen ECMWF) utilisent les missions successives de 5 ans chacune) absorbent ou émettent du rayonnement données IASI tant dans les modèles glo- permettent de constituer des séries à des longueurs d’onde très précises, l’in- baux que dans les modèles d’échelle fine. temporelles de plusieurs variables clima- tensité du spectre à ces nombres d’onde Au-delà de la mission opérationnelle tiques essentielles parmi lesquelles on est caractéristique de la température et « météo », IASI permet également d’étu- peut citer : la température, l’humidité, les de la quantité de molécules présentes dier la composition chimique de l’atmos- nuages, les aérosols, les propriétés des
Photoniques 73 dans l’atmosphère. phère : une vingtaine de gaz trace (gaz surfaces continentales (la température de
26 www.photoniques.com Disponible sur le site http://www.photoniques.com ou http://dx.doi.org/10.1051/photon/20147326 L’OPTIQUE SPATIALE DOSSIE R , 2009 LMD/CNRS et al. Un bond dans le nano Clerbaux positionnement par système piezoélectrique - Lancement de la série Qd’Aerotech: nano- positionneur piezo a b électrique QNP et Piezo contrôleur QLAB
Figure 2. (a) Colonne totale de CO. (b) Température de surface, juillet 2008. surface comme présentée à la figure 2b, de 0,5 cm-1 au niveau utilisateur, avec une ou l’émissivité) et les gaz à effet de serre stabilité relative de l’étalonnage spectral influencés par les activités humaines de 2.10-6 et une stabilité de la forme de comme le dioxyde de carbone (CO2) et le la réponse de l’instrument assurée sur la méthane (CH ). IASI permet le suivi de ces durée de vie grâce à des corrections au Les tables QNP présentent une 4 raideur hors norme grâce à une différentes variables climatiques de jour sol basées sur un modèle de l’instrument. fréquence de résonnance très comme de nuit, sur terre et en mer. Le bruit radiométrique exprimé en NEdT élevée et une résolution sub- (noise equivalent delta temperature) devant nanométrique. Elles sont donc une scène à 280 K varie en fonction du idéales pour les applications pointues De la mission à l’instrument nombre d’onde de 0,28 K à 645 cm-1 et de à faible encombrement telles que 0,47 K à 2400 cm-1. La précision de l’étalon- l’intérferometrie, la microscopie et les La qualité des mesures IASI tient à nage radiométrique est de 0,5 K à 280 K alignements d’extrême précision. Le contrôleur associé QLAB dispose quelques spécifications clefs au niveau de dans chaque canal spectral. d’un écran tactile et peut fonctionner l’instrument [1] : il mesure le spectre infra- de manière indépendante ou peut rouge émis par le système Terre/atmos- être connecté à un PC via Ethernet, phère sur une bande spectrale continue Instrument ce qui le rend extrémement flexible de 645 cm-1 à 2760 cm-1 (i.e., de 3,62 μm à dans toutes les situations. Avec des 15,5 μm), avec un échantillonnage spec- L’instrument IASI est un spectro-radio- performances sub-nanométriques et tral de 0,25 cm-1, une résolution spectrale mètre infrarouge basé sur le principe de un environnement de contrôle et de l’interféromètre de Michelson. Pour tenir programmation très convivial, obtenir un positionnement nanométrique les performances radiométriques de la n’aura jamais été aussi facile. mission, le champ instantané de l’ins- trument couvre 4 (2x2) pixels sondeurs de 12 km de diamètre chacun pour un champ total au sol de l’ordre de 50 km², Entièrement dévoué à la ce qui oblige l’interféromètre à travailler science du positionnement. hors de l’axe optique. Les pixels sondeurs dans le champ voient une différence de marche dépendant du champ (en cosinus Téléphone: +33 1 64 93 58 67 de l’angle du champ) et du fait de l’inté- Email: [email protected] gration spatiale due à l’étendue dans le www.aerotech.com champ des pixels de sondage, l’efficacité
de modulation des franges d’interférences Visitez go.aerotech.com/Q-Series14 diminue à grande différence de marche, pour en savoir plus. ce qui limite les performances spectrales
AT1013A-PPG-FR Figure 3. Maquette du cœur interférométrique. du sondeur. Le point de fonctionnement Photoniques 73
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Figure 5. L’instrument IASI en intégration.
l’interférogramme, sur un cycle durant 216 ms (le temps supplémentaire est uti- lisé pour inverser le sens de déplacement du coin de cube mobile), soit pas moins de 146 millions d’allers-retours par an. En sortie de l’interféromètre, le faisceau est repris par un miroir parabolique hors axe pour faire l’image du champ de vue dans la boîte froide. C’est dans cette par- tie de l’instrument, refroidie passivement, que sont définis le champ et la pupille de l’instrument. Deux lames dichroïques en ZnSe permettent de séparer le faisceau suivant les 3 bandes spectrales et de les focaliser sur les détecteurs mono- éléments réalisés par SAT-SAGEM. En bande 1 (645 – 1230 cm-1) se trouve un boitier de détection basé sur un détec- teur de type photoconducteur à grande longueur d’onde de coupure, en bande 2 (1150 – 2050 cm-1) ce sont des photo- Figure 4. Schémas de l’instrument IASI. diodes en HgCdTe et en bande 3 (1900 – 2760 cm- 1), ce sont des photodiodes en InSb qui sont utilisées comme puces de IASI est un optimum permettant d’at- en ZnSe, le traitement séparateur multi- détectrices. Les détecteurs sont hybridés teindre à la fois les performances radio- couche réalisé par SAGEM-REOSC permet à un préamplificateur faible bruit travail- métriques et spectrales. d’obtenir un équilibre des voies trans- lant à température cryogénique conçu La mise en œuvre de ce concept ins- mises et réfléchies de 3,6 μm à 15,5 μm. et fourni par le CNES. L’imagerie de IASI trumental CNES a été confiée à Thalès Pour limiter les pertes radiométriques à est une imagerie pupillaire : c’est l’image Alenia Space [2]. La figure 4 illustre la 15,5 μm, la lame compensatrice en ZnSe de la pupille d’entrée située au niveau du conception de l’instrument. Le miroir de est déportée dans le bras réfléchi de miroir de scan, qui est faite sur les détec- scan, développé par RUAG, comporte l’interféromètre. Les deux miroirs de l’in- teurs permettant ainsi de dé-contraindre 2 axes : il permet de balayer la fauchée de terféromètre sont des coins de cube en dans une certaine mesure les besoins en l’instrument (couvrant environ 2000 km) ZERODUR traités or, pesant seulement uniformité spatiale. Compte tenu de la sur 90°. Le télescope d’entrée composé 170 g pour un diamètre de 90 mm (réalisa- géométrie des 4 pixels sondeurs, chaque de deux miroirs paraboliques assure un tion SAGEM-REOSC). Un des coins de cube plan focal comprend 4 zones détectrices filtrage des entrées thermiques et met est fixe tandis que l’autre est porté par un devant chacune desquelles se trouve une en forme le faisceau pour entrer dans mécanisme, (réalisé par CSEM), qui assure microlentille pour focaliser le signal. l’interféromètre. Elément clef du cœur in- une translation parfaitement rectiligne de La chaine de détection permet de
Photoniques 73 terférométrique, la lame séparatrice est 2 cm pendant les 152 ms d’acquisition de filtrer la composante ligne de base de
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l’interférogramme optique et d’acquérir le des utilisateurs pour ses performances qui DOSSIE R signal à des pas constants en diff érence de lui permettent de remplir pleinement ses marche. Ce signal d’acquisition est obtenu missions opérationnelles et scientifi ques. VOUS grâce à un sous-système métrologique qui En particulier, l’exceptionnelle stabilité s’articule autour d’une source laser stabili- spectrale et radiométrique de IASI en a fait AVEZ UN sée à 1,55 μm (réalisée par la Sodern avec l’instrument de référence pour l’inter-éta- une source fournie par CSO) et d’une chaine lonnage des instruments d’observation de CAPTEUR de détection détectant les passages à la Terre dans le cadre de l’eff ort internatio- 0 de la modulation du signal métrolo- nal du GSICS (qui s’assure de l’inter-étalon- DE 1”? gique à 1,55 μm. L’échantillonnage des nage entre les diff érents capteurs en vol). Nous avons les objectifs 12 signaux « interférogrammes » (4 pixels qu’il vous faut livrables sondeurs, dans 3 bandes spectrales) à un immédiatement! pas de 775 nm vérifi e les conditions de La suite Shannon ce qui permet de reconstituer NOUVEAU les spectres atmosphériques sans replie- Actuellement les 2 instruments IASI Prix TECHSPEC® Objectifs ment par la simple transformée de Fourier sur MetOp-A et MetOp-B sont opérés par à Focale Fixe Haute Réduits ! Résolution inverse de l’interférogramme. EUMETSAT, et la qualité des mesures et Une dernière prouesse réalisée sur les anomalies sont gérées par le centre l’instrument IASI concerne le traitement d’expertise du CNES à Toulouse, centre « bord » (i.e., à bord du satellite). En eff et, qui aura également en charge la phase pour des raisons de débit de télémesure d’étalonnage et validation de l’instrument et compte tenu de la quantité de données lors du lancement du 3e modèle de vol. Ce générées par l’instrument, il a été indis- dernier, après 10 ans de stockage au sol, UÊ *>Àv>ÌÃÊ«ÕÀʽëiVÌÊ pensable de passer de l’interférogramme va subir quelques réparations avant d’être et l’Automation au spectre à bord (permettant de passer lancé en 2018. UÊ i>`iÀÊÃÕÀÊiÃÊV>iÃÊ£ÈÊ]Ê de 45 Mbit/s d’interférogrammes bruts À la fi n de la mission IASI, la continuité Ê ÓxÊ]ÊÎäÊÊiÌÊxäÊ à 1,5 Mbit/s de spectres de niveau 0) et des mesures sera assurée par un nouvel UÊ V>}iÊ`iʽÀÃÊiÌÊ`ÕÊVÕÃ]Ê d’assurer par voie de conséquence l’éta- instrument, IASI-NG, qui cherche à faire Ê iÌÊiÌ>}iÊÀÌ>Ê«ÕÀÊÌÀià lonnage radiométrique à bord. Ainsi le deux fois mieux que son grand frère en processeur bord eff ectue une transformée résolution spectrale et en rapport signal Bénéficiez de 30% de Fourier et étalonne les spectres mesu- à bruit. Il est actuellement en phase de dé- `iÊÀiÃiÊÃÕÀÊiÃÊ«ÀÝÊ`½À}i]Ê iÌÊVÌ>VÌiâÕÃÊ«ÕÀÊÕiÊÀiÃiÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊ rés avec les spectres des visées sur le corps veloppement et sera lancé en 2021. ÃÕ««jiÌ>ÀiÊ>>ÌÊÕõսDÊ50% noir interne et l’espace froid (assimilé à un ÕÊ«ÕÃÊ«ÕÀÊ`iÃÊCOMMANDES SUR VOLUME corps noir froid). Pour plus de renseignements, voir le site Les mesures d’étalonnage radiomé- internet des missions scientifiques du trique sont mises à jour à chaque fauchée CNES : http://smsc.cnes.fr/IASI Venez nous rendre visite sur le (toutes les 8 secondes), ce qui permet de Stand 1 E41 à Stuttgart (Allemagne) s’aff ranchir des variations thermiques de 1 Les données IASI de « niveau 1 » correspondent à du 4 au 6 Novembre 2014 l’instrument sur l’orbite. L’étalonnage spec- des spectres atmosphériques complètement étalonnés tral de l’instrument quant à lui s’appuie sur et directement utilisables par les scientifiques, QUE PEUT-ON FAIRE la stabilité et la qualité du laser bord et contrairement aux données de « niveau 0 » en sortie POUR VOUS ? également sur la mesure physique elle- d’instrument qui ne sont pas complètement étalonnées même et en particulier les raies du CO2 et diffi cilement exploitables. stratosphériques (autour de 2370 cm-1) car elles sont visibles dans chaque spectre mesuré et permettent de mettre à jour le modèle de l’instrument implémenté dans le traitement sol. Ce modèle est utilisé en Références temps réel pour « dé-spatialiser » les me- [1] Cayla F., « L’interferomètre IASI », La météo- sures : c’est-à-dire en enlever tous les biais rologie 8e série, n° 32, p 23-39, février 2001. instrumentaux et générer des données de niveau 11 qui sont utilisées par les centres [2] Siméoni D. & al., “Design and develop- ment of IASI instrument”, Proc. SPIE 5543, de météorologie et par les scientifi ques. Infrared Spaceborne Remote Sensing XII, no- +33 (0)8 20 20 75 55 www.edmundoptics.fr/1-inch-FFL L’instrument IASI est reconnu aujour- vembre 2004.
d’hui par la communauté internationale Photoniques 73
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