28 Mars 2017

Radiomètre imageur infrarouge

L'instrument Imageur Infrarouge est la fourniture française à la charge utile scientifique de la mission Calipso.
Il a été développé par la Société SODERN sous la maîtrise d'œuvre du CNES.
Le Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) a conçu et développé le corps noir de l'instrument et réalisé son étalonnage au sol.

L'instrument IIR est un radiomètre imageur à 3 canaux dans l'infrarouge thermique à 8.65 µm, 10.6 µm et 12.05 µm.
Les images de l'IIR permettront de situer le contexte de la mesure lidar de nuit et d'assurer la co-registration avec le radiomètre multispectral Modis embarqué sur le satellite Aqua.
Les mesures de l'IIR, utilisées avec les produits du lidar, permettront de plus de restituer la taille des particules de glace dans les nuages semi-transparents.

Le nombre et le choix des bandes spectrales ont été optimisés pour augmenter l'efficacité de cette restitution. En effet alors que le couple classique de canaux 11-12 µm est sensible aux petites particules, le couple 8.5-12 µm est plus sensible aux grosses particules. Une meilleure discrimination des effets d'absorption et de diffusion des cristaux de forme complexe est recherchée avec une différentiation des sphères et des formes hexagonales.

La conception de l'IIR utilise une adaptation d'une caméra infrarouge monocanal développée dans le cadre du projet Iasi sur Metop. Celle-ci utilise un détecteur microbolométrique non refroidi.

Description de l'IIR

L'IIR est constitué :

  • D'une partie caméra à proprement parler (ISM), elle-même constituée d'un objectif ouvert à 0.75 optimisé pour les longueurs d'onde infrarouge thermique, d'un détecteur matriciel microbolométrique, d'une électronique spécifique, d'un radiateur assurant le refroidissement de l'ensemble, de pièces mécaniques.
  • D'une roue porte-filtres permettant d'intercaler tour à tour 3 filtres spectraux devant la caméra.
  • D'un corps noir qui sert à étalonner la caméra.
  • D'un miroir de changement de visée qui permet de viser séquentiellement la Terre, le corps noir et en direction de l'espace froid (seconde source pour l'étalonnage).

Principales caractéristiques techniques

  • Bandes spectrales : 3 bandes sélectionnées par 3 filtres spectraux
Centre : 8.65 µm Largeur de bande : 0.9 µm
Centre : 10.6 µm Largeur de bande : 0.6 µm
Centre : 12.05 µm Largeur de bande : 1 µm
  • Champ de Vue instantané de 64 km x 64 km au sol
  • Echantillonnage au sol de 1 km x 1 km
  • Performance radiométrique
NedT < 0.5 K @ 210 K
Précision d'étalonnage absolu < 1 K
  • Masse : 24 kg
  • Volume : 490 x 550 x 320 mm³
  • Consommation : 27 W
  • Débit de données : 50 kbps

Développement

L'IIR est fabriqué par la "Société anonyme d'études et réalisation nucléaires" (SODERN) localisée à Limeil-Brévannes, sous contrat CNES. Parmi les composants, le détecteur matriciel à µbolomètres est un détecteur commercial BOEING U3000.

Calibration au sol

La mesure des températures de brillance infrarouge avec la précision requise pour les applications scientifiques nécessite l'emport d'un système de calibration à bord.
Celui-ci consiste à intercaler avec les images de la terre des images de scènes froide et chaude uniformes et de température stable et connues avec précision... comme on le fait pour étalonner un thermomètre domestique. La scène froide est obtenue en visant l'espace (dont la température est à 3 K) tandis que la scène chaude est réalisée en imageant un corps noir.
Il s'agit d'un dispositif annulaire peint en noir de 9 cm de diamètre conçu au LMD pour avoir des propriétés proches d'un corps noir idéal. Son émissivité a été estimée supérieure à 0.986

Une caractérisation radiométrique complète de l'instrument a été réalisée avant tir par le LMD dans une chambre à vide.

Le traitement de niveau 1

Les images brutes de l'IIR sont traitées opérationnellement par la NASA avec une chaîne de traitement spécifiée par le CNES.
Ce traitement, dit de niveau 1, réalise :

  • le raccordement et la projection des images (dans les 3 canaux) sur une même grille géographique centrée sur la position du spot lidar et
  • l'étalonnage radiométrique en vol à partir des images de calibration encadrant les prises de vues.

Les radiances projetées et étalonnées sont disponibles pour les utilisateurs dans un produit IIR niveau 1B organisé par demi-orbites.

Le traitement de niveau 2

Le traitement de niveau 2 a pour objet de fournir l'émissivité des nuages et la taille des particules des nuages de glace semi-transparents.
Deux produits sont générés, l'un sur la trace du lidar, et l'autre sur la fauchée (64 km) de l'IIR.
Les algorithmes de traitement ont été spécifiés par l'IPSL et seront mis en œuvre dans le centre de mission Calipso.

La technique classique du "split window" a été adaptée pour tirer le meilleur parti de la mesure de l'altitude et de la classification de scène fournies par le lidar.
Les calculs d'émissivité du nuage utilisent ainsi en entrée l'altitude du nuage, convertie en température via le profil météo, qui réduit un poste important d'erreur de la méthode.
De plus, l'utilisation de la dépolarisation mesurée par le lidar fournit une information sur la forme des particules qui permet d'affiner encore la recherche de leur taille.
Une autre amélioration réside dans le choix des modèles de particules utilisées dans les tables précalculées et dans le soin apporté au calcul des propriétés optiques de ces particules.

Les simulations réalisées sur des données de campagnes aéroportées montrent un gain significatif sur la restitution de la taille des particules.

En dehors de la trace du lidar, un algorithme étend la restitution de taille à un voisinage de pixels pour lesquels la mesure lidar est suffisamment représentative.
L'homogénéité de la scène est évaluée au moyen de l'image IIR elle-même et d'image visible, acquise de jour par la caméra WFC.

Le Centre d'expertise technique de l'imageur

Le Centre d'expertise technique imageur permet au CNES d'assurer sa responsabilité d'expertise technique sur l'IIR qui comprend 2 volets :

  • un volet instrumental : suivi technique de l'instrument en vol
  • un volet qualité image : recette en vol et suivi en orbite de la qualité géométrique et radiométrique de l'IIR, c'est-à-dire de la qualité du produit de niveau 1.

Le Centre d'expertise technique imageur s'appuie sur une structure d'accueil informatique baptisée TEC mettant à disposition des exploitants et des experts l'environnement de travail nécessaire pour mener à bien leurs investigations. Le TEC reçoit du MOCC les données de surveillance de l'IIR et de l'ASDC ou du SCF les données brutes (niveau 0), les produits de niveau 1 et de calibration.

Le TEC a été développé par Cap Gemini sous maîtrise d'œuvre CNES. Il est situé au Centre Spatial de Toulouse et sera opéré par les équipes du CNES.