E. LA MAQUETTE METEOSAT
Résumé — Un modèle de démonstration de l'éventuel radiomètre millimétrique de Météosat de seconde génération a été conçu et réalisé à l'Observatoire de Meudon, avec l'aide de diverses parties. Ce chapitre présente le plan de cette maquette qui doit voler sur un avion en 1991.
1. UN PEU D'HISTOIRE
Au sein de l'Observatoire de Paris–Meudon et de l'Ecole normale supérieure, l'équipe technique du DEMIRM a pour vocation essentielle de concevoir et réaliser des récepteurs pour la radioastronomie millimétrique et submillimétrique. Vers 1985, l'équipe a cependant commencé à participer à des réponses à des appels d'offres lancés par l'Agence spatiale européenne et à réaliser des études pour le CNES, concernant des instruments destinés au sondage en ondes millimétriques de l'atmosphère terrestre à des fins météorologiques. Ces études et réponses ont été menées avec des partenaires industriels : Aérospatiale, Alcatel Espace, Matra Espace. Les deux plus gros projets, sources de ces travaux, ont été AMSU-B et le sondeur millimétrique de Météosat de seconde génération : voir les nombreux rapports du Département, en particulier ceux réalisés pour le CNES 1.
Les études sur Météosat ont abouti au dessin et à la fabrication d'un modèle de démonstration du sondeur millimétrique. La conception et la réalisation de ce modèle ont bénéficié d'un financement du CNES et d'un support technique de Matra. Deux desseins, d'importance relative différente suivant les jugements, auront guidé cette entreprise :
– Montrer la faisabilité technique (française !) d'un instrument de sondage millimétrique ;
– Par des campagnes de vol sur avion, valider (ou infirmer ou corriger) des modèles de transfert radiatif et fournir des données utiles pour la préparation des missions par satellites, complétant ainsi les instruments MTS, AMMS et MARSS : voir I.D.3.
Ce modèle de démonstration est appelé maquette Météosat. Cette maquette a été conçue puis assemblée à Meudon entre 1987 et 1990. Rappelons que nous avons personnellement peu participé à sa conception et pas du tout à son assemblage.
(Note de bas de
page)
1 : Il serait bien difficile de retracer l'histoire de toutes ces études techniques. Sur les plans politique et économique, le projet AMSU-B a été riche en rebondissements.
2. DESCRIPTION DE LA MAQUETTE
La définition des dix canaux de fréquences est en tous points conformes au spécifications correspondantes de Ravenne [esa, 1987 (a)], rappelées dans la partie I.
D'autre part, on veut que tous les canaux du sondeur millimétrique de Météosat "regardent" , à un instant donné, vers la même zone au sol (coincident beam footprints). On ne peut donc placer plusieurs cornets (un par bande de fréquence, ou même un par canal de fréquence) dans le plan focal d'un réflecteur principal, solution qui éviterait le filtrage des canaux en quasi-optique ou en guide. Pour la maquette, cette spécification est allégée : on a choisi de concevoir un système avec deux faisceaux à l'entrée de la partie quasi optique. Un des faisceaux est relatif aux canaux 1 à 5 (vers 118 GHz) et l'autre aux canaux 6 à 10. La difficile séparation entre 110 GHz (canal 6) et 114,55 GHz (bas du canal 5), qui n'aurait pu être correctement réalisée qu'au moyen d'un filtre Fabry-Pérot, est ainsi évitée.
Sur la figure 1 (document Meudon) sont indiqués tous les éléments quasi optiques de la maquette :
– Plaques dichroïques (voir III.B.3.a) pour la séparation des bandes de fréquence.
– Miroirs ellipsoïdaux pour focaliser les signaux et rendre tout l'instrument plus compact, lentilles pour les focalisations finales avant les cornets scalaires (III.B.2).
– Rotateurs de polarisation permettant de recevoir alternativement deux composantes orthogonales du signal (III.B.4).
– Polariseur (III.B.3.b) pour les canaux de la bande à 118 GHz ; un seul mélangeur pour les cinq canaux aurait de trop mauvaises performances : d'où deux mélangeurs, chacun étant sensible à une seule polarisation (orthogonale ou parallèle aux fils du polariseur).
Les rotateurs, miroirs, dichroïques et polariseur sont tous attaqués sous 15° d'incidence (angle entre les faisceaux incident et réfléchi : 30°).
La figure 2 [Abba et al., 1990] présente le tableau synoptique de tout l'appareil. Les mélangeurs sont de type Schottky, avec anode connectée par un whisker. Certains oscillateurs de type Gunn InP sont stabilisés par une boucle de phase ; tous les oscillateurs délivrent une puissance suffisante pour que l'on puisse se contenter d'un couplage en guide (et non en quasi-optique) avant l'entrée dans les mélangeurs. Une description sommaire de la partie FI occupe le bas de la figure. Revenir à la section III.A.2 pour de compendieux commentaires sur ces types d'éléments.
L'étalonnage se fera sans doute avec l'observation d'une source chaude et d'une source froide par le biais d'un miroir tournant, avant la première plaque dichroïque.
La largeur à 3 dB du lobe principal des cornets est égale à 4,5°. On n'envisage pas d'ajouter de réflecteur primaire pour diminuer cette ouverture.
Le volume occupé par la maquette est d'environ 70 x 50 x 30 cm3 pour un poids de 50 kg. La consommation électrique est voisine de 300 W.
La maquette devrait, en 1991, être montée sur l'avion français ARAT (Avion de Recherche Atmosphérique et de Télédétection, Fokker 27) ou sur un autre avion.
Figure 1 : partie quasi optique.
Figure 2 : schéma synoptique de la maquette.
Photographies (pages suivantes) : éléments de la maquette et maquette sur table.
Première page :
– En haut : plaque dichroïque et, à gauche, rotateur de polarisation
;
– En bas à gauche : cornets cannelés, pour diverses
fréquences entre 110 et 183 GHz ;
– En bas à droite : module de réception pour les canaux
8, 9 et 10 vers 183 GHz ; on distingue, à gauche et de haut en bas,
l'oscillateur Gunn vers 92 GHz, un isolateur, le mélangeur harmonique de la
boucle à verrouillage de phase de l'oscillateur, un atténuateur (rouge) et le
doubleur de fréquence (derrière le cornet) ; la sortie de cette chaîne est
envoyée, avec la sortie du cornet (maintenu par une rondelle noire) vers le
mélangeur au moyen d'un coupleur. Sous le mélangeur se trouve le dispositif
séparateur de canaux ("triplexeur"), alimentant les amplificateurs
et filtres FI situé dans la grande boîte en haut à droite ; les trois sorties
seront connectées à la boîte de détection.
Deuxième page :
Au premier plan (à gauche) se trouve tout le système
quasi optique (voir figure 1). On remarque à gauche les dos de quatre miroirs,
puis les dos et les électroniques de commande des trois rotateurs de polarisation
des canaux 6, 7, et 8-9-10, le rotateur de polarisation (de face) pour les
canaux 1 à 5 à 118 GHz et en dessous la grille polarisante pour séparer les
canaux 1-2 et 3-4-5 ; les deux plaques dichroïques ne sont pas bien visibles ;
plus à droite, on distingue trois lentilles ; derrière elles, au second plan,
sont alignés les 5 modules de réception (la mécanique de l'un d'entre eux n'est
pas visible) ; au-dessus des lentilles est posée la boîte de détection avec ses
dix prises correspondant aux dix canaux.
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