Soutenance mémoire
Fonte de la banquise, élévation du niveau des océans, pénurie d’eau potable, sécheresses et inondations plus fréquentes, migrations de la population (…), afin d’analyser et de prévoir les changements climatiques futurs, de nombreuses études se portent sur les mécanismes du cycle de l’eau à l’échelle globale. Celui-ci définit en effet les différents flux entre les réservoirs d’eau liquide, gazeuse ou solide. Il relie donc naturellement les océans, l’atmosphère, les terres émergées et la cryosphère, comme le montre la Figure I.1. Un dérèglement ou une accélération de ce cycle pourrait engendrer des inondations ou des sècheresses et aurait, par conséquent un impact humain très important. Or, le cycle hydrologique global reste encore très mal connu, et notamment deux paramètres géophysiques : l’humidité des sols et la salinité des océans.
D’un point de vue démographique, l’humidité des sols est le premier élément de contrôle de la croissance des plantes, et par conséquent de l’implantation de la population. De plus, c’est une variable importante dans le système climatique et météorologique car elle est essentielle pour la régulation des échanges d’eau et d’énergie entre le sol et la basse atmosphère .
En effet, elle est fortement liée à :
– la variabilité des précipitations (principe de rétroaction entre humidité des sols et précipitations). Un niveau anormalement élevé d’humidité du sol se traduit par une augmentation de la fréquence et de l’amplitude des processus orageux, par exemple.
– l’évaporation. Elle intervient donc dans les échanges de flux de chaleur du sol vers l’atmosphère. Une zone présentant un fort taux d’humidité entraîne une humidité atmosphérique élevée et donc des températures plus basses.
A l’échelle régionale, l’agriculture peut avoir un impact sur les échanges d’eau et d’énergie dû d’une part, aux changements d’utilisation du sol (de forêt à terrain cultivé par exemple) et d’autre part à l’irrigation. L’irrigation affecte le cycle de l’eau en réduisant le débit des fleuves, augmentant l’évaporation des sols, et en augmentant la transpiration des plantes. Un tel changement dans les échanges eau énergie modifie le comportement climatique non seulement à l’échelle régionale mais également à l’échelle globale. La salinité des océans est un des paramètres qui gouvernent la circulation océanique globale, qui est une composante importante du système climatique de la planète. Elle est à la fois actrice de la physique de l’océan, en influant sur la formation et sur la circulation des masses d’eau, et traceur, en permettant l’identification des différentes masses d’eau. Les variations de la salinité sont dues aux phénomènes d’évaporation (augmentation de la salinité, majoritairement observée aux latitudes subtropicales), de précipitation (baisse de la salinité), aux décharges fluviales, à la circulation océanique et dans les régions polaires, aux phénomènes de fonte et formation des glaces .
Si la densité de la couche superficielle de l’eau de mer augmente suffisamment, la colonne d’eau devient instable du point de vu gravitationnel et l’eau plus dense s’enfonce plus profondément. Cette circulation verticale dans les océans, réglée par la température et la salinité, est un composant important du moteur thermique de la Terre et elle est cruciale pour la régulation du climat. Par exemple, les eaux chaudes et salées du Gulf Stream transportent la chaleur des Caraïbes vers l’Arctique. L’Europe peut ainsi bénéficier d’un climat plus doux qu’elle ne le ferait autrement.
La compréhension de ces deux phénomènes est donc capitale pour la gestion des ressources d’eau, pour le développement des stratégies agricoles, ainsi que pour la prévention des risques (humains et matériels) dans le cas d’évènements extrêmes. Une mesure systématique à l’échelle globale de ces paramètres, avec une analyse des variations saisonnières et interannuelles apparaît alors comme une nécessité. En conséquence, seule une mission spatiale, basée sur la télédétection, peut fournir des données sur une couverture globale et à un rythme satisfaisant. La mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) menée par l’Agence Spatiale Européenne (ESA, European Space Agency), prévoit de mesurer à la fois la salinité des océans et l’humidité des sols avec un seul et même instrument.
Mesure de l’humidité des sols et de la salinité des océans
Choix de la bande L
La bande qui a été sélectionnée pour les mesures d’humidité des sols et de salinité des océans est la bande L (fréquence centrale f0=1.413 GHz, soit λ=21 cm), compte tenu de ces nombreux avantages. En effet, d’un point de vue technique, la bande L est réservée pour des applications de radioastronomie, et par conséquent interdite en émission (donc pas ou peu de perturbations autour de cette fréquence). Dans cette gamme de fréquence, l’influence de la vapeur d’eau (nuages) et d’eau liquide (précipitations) est faible, voire quasi-inexistante comme le montre la Figure I.4. Les mesures pourront donc être réalisées quelque soit la couverture nuageuse. De plus, la sensibilité radiométrique pour les mesures de salinité y est optimale [2]. Enfin l’émissivité d’un sol en bande L dépend fortement de son humidité (3 à 5 cm de profondeur contre 1 cm à plus haute fréquence) [3].
Description de la mission SMOS et de l’instrument MIRAS
La mission SMOS fait partie des missions d’exploration de la Terre menées par l’ESA. L’objectif de SMOS est de fournir des données globales sur l’humidité des sols et sur la salinité des océans, avec une fréquence et une résolution appropriées aux besoins des études climatiques, météorologiques et hydrologiques. De ce fait, SMOS vise à fournir une précision sur :
– l’estimation de l’humidité des sols de 4% avec une résolution spatiale d’environ 50 km (à titre d’exemple, cela revient à détecter l’équivalent d’une cuillère à café d’eau dans une poignée de terre). L’humidité peut varier entre quelques pourcents dans des zones arides et 40% dans des zones humides. La résolution requise par les applications météorologiques et climatiques est de l’ordre de la cinquantaine de kilomètres, ce qui est compatible avec SMOS. La couverture globale à l’échelle de la planète est obtenue tous les 3 jours.
– la salinité de 0.1 psu (practical salinity unit, unité de salinité pratique). La salinité moyenne des océans est de 35 psu, soit 35 grammes de sel par litre d’eau, 0.1 psu revient à détecter 0.1 gramme de sel dans 1 litre d’eau. La couverture globale est obtenue tous les 10 jours sur une zone de 200×200 km².
Ces données permettront de mieux comprendre le cycle de l’eau et en particulier les interactions entre la surface de la Terre et l’atmosphère, mais également d’améliorer les prévisions météorologiques et climatiques afin de trouver des applications dans des domaines tels que l’agriculture et la gestion des ressources en eau. D’un point de vue technique, observer la Terre en bande L nécessiterait une antenne de plusieurs mètres d’envergure pour garantir une couverture et une résolution spatiale adéquates, ce qui implique bien évidemment une charge beaucoup trop importante et onéreuse. La solution qui a été proposée pour remédier à ce problème repose sur un radiomètre interférométrique doté de plusieurs récepteurs capables de mesurer la différence de phase du rayonnement incident .
La technique repose sur la corrélation croisée des observations à partir de toutes les combinaisons possibles des paires de récepteurs. L’interférométrie mesure la différence de phase entre les ondes électromagnétiques avec 2 récepteurs ou plus qui se trouvent à distance connue les uns des autres (ligne de base). Tant que la différence de phase observée peut être associée aux ondes émises au même moment, l’origine de l’onde peut être déterminée [5]. Une image de mesure en 2D est prise toutes les 1,2 secondes. À mesure que le satellite suit sa trajectoire orbitale, chaque zone de mesure au sol est observée sous plusieurs angles différents par chaque récepteur d’antenne. L’instrument qui a été réalisé (Figure I.6), et qui constitue la charge utile de SMOS, est un radiomètre imageur à synthèse d’ouverture baptisé MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis). MIRAS est constitué de trois bras en forme de Y et comprend 69 antennes réparties uniformément, les LICEF (Light weight Cost-Effective Frontend), destinées à mesurer le rayonnement de la cible qui sera ensuite transmis à une unité de corrélation centrale. Cette dernière se chargera d’effectuer les calculs de corrélation interférométrique croisée. De cette manière le volume de données transmises au sol est considérablement réduit. Toutes les deux semaines, un étalonnage absolu est effectué avec une cible de l’espace dont la valeur est connue. Pour cela, le satellite effectue des manœuvres d’orientations spécifiques. Grâce à ce nouveau procédé, SMOS est la première mission spatiale capable de fournir une cartographie de l’humidité des sols et de la salinité des océans sur l’ensemble du globe. Le lancement du satellite a été réalisé en novembre 2009, pour une durée de vie de 5 ans.
Comparaison avec Aquarius et SMAP
Le 10 juin 2011, la National Aeronautics and Space Administration (NASA), en partenariat avec l’agence spatiale d’Argentine (Comision Nacional de Actividades Espaciales – CONAE), a mis sur orbite le satellite Aquarius, destiné à mesurer la salinité des océans. Ce dernier est constitué (entre autres) de trois radiomètres polarimétriques (de Dicke, avec injection de bruit pour le calibrage) à 1.413 GHz. Il est également équipé d’un réflecteur parabolique et de trois cornets ayant pour angle d’incidence respectif : 25.8°, 33.8° et 40.3°. [6]. Les résolutions au sol correspondant aux trois cornets sont respectivement de l’ordre de 70 km, 80 km et 90 km. Une couverture globale nécessitera un délai de 7 jours. Si l’on prend en considération la résolution au sol et l’échantillonnage temporel, Aquarius est légèrement moins performant que SMOS (respectivement de l’ordre de 50 km et 3jours). Cependant, Aquarius présente une résolution radiométrique meilleure (0.06K), principalement due à l’utilisation d’une antenne réelle. De ce fait, Aquarius pourrait servir à étalonner les mesures de salinité de SMOS.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 – Principe de la radiométrie micro-onde
Introduction
1.1 Mesure de l’humidité des sols et de la salinité des océans
1.1.1 Choix de la bande L
1.1.2 Description de la mission SMOS et de l’instrument MIRAS
1.1.3 Comparaison avec Aquarius et SMAP
1.1.4 Prise en compte des effets parasites
1.2 La télédétection
1.3 Présentation de plusieurs architectures de radiomètre
1.3.1 Radiomètre à puissance totale
1.3.2 Radiomètre de Dicke
1.3.3 Radiomètre à addition de bruit
1.3.4 Radiomètre à injection de bruit
1.3.5 Radiomètre à deux charges
1.3.6 Autres types de radiomètre
1.4 Les différents types d’étalonnage
1.4.1 Source froide externe ou interne ?
1.4.2 Etat de l’art des charges froides actives
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 2 – Réalisation de charges froides actives
Introduction
2.1 Intérêt des transistors bipolaires à hétérojonction SiGe
2.2 Conception du circuit
2.2.1 Choix du transistor
2.2.2 Objectifs
2.2.3 Conception du circuit
2.2.3.1 La charge froide active
2.2.3.2 Circuit de régulation en tension ajustable
2.2.4 Simulations
2.3 Résultats expérimentaux
2.3.1 Premiers résultats
2.3.2 Adaptation
2.3.3 Température de bruit en fonction de la fréquence
2.3.4 Test de sensibilité aux variations de température ambiante
2.4 Charge froide active réalisée à partir d’un PHEMT sur GaAs
2.4.1 Intérêt de ce circuit
2.4.2 Caractéristiques de L’ACL à PHEMT sur GaAs
2.4.2.1. Choix du transistor
2.4.2.2. Description du circuit
2.4.2.3. Alimentation
2.4.2.4. Simulations
2.4.2.5. Résultats expérimentaux
a- Adaptation
b- Température de bruit
c- Test de sensibilité aux variations de température ambiante
2.5 Intégration de l’ACL dans un sous-système
2.5.1 Motivations
2.5.2 Etude analytique
2.5.3 Conception d’un commutateur à diode PIN
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 – Description d’un radiomètre réalisé pour l’étude de stabilité de charges froides actives
Introduction
3.1 Architecture du radiomètre
3.1.1 Un outil mathématique : la variance d’Allan
3.1.2 Choix de l’architecture
3.1.3 Description du banc de mesure
3.1.3.1 Injection de bruit
3.1.3.2 Le récepteur
3.1.3.3 La partie vidéo
a- L’ amplificateur de tension et filtre passe-bas
b- Le détecteur
3.1.4 Procédure de mesure et équations du système
3.1.5 Acquisition et circuit de commande
3.2 Enceinte stabilisée en température
3.2.1 Nécessité d’un système stabilisé en température
3.2.2 Système de régulation de la température
3.2.3 Résultats expérimentaux
3.3 Caractéristiques du radiomètre
3.3.1 Expression de la sensibilité
3.3.2 Sources d’erreurs
3.3.3 Etude sur le gain du radiomètre
3.3.4 Etude de stabilité à long terme du radiomètre
3.3.4.1 Température physique à l’intérieur de l’enceinte
3.3.4.2 Gain du radiomètre
3.3.4.3 Température de bruit du récepteur
3.4 Problèmes rencontrés
3.4.1 La colle conductrice
3.4.2 Parasites au niveau électrique
3.4.3 Le circuit de commande
Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale
