A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008

Qualification du Mont
Wilson pour la HRA
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Site testing campaign at Mt Wilson

Objectifs:

Caractérisation du site au moyen de GSM et MOSP:



Intercalibration du DIMM local par GSM
Dimensionnement des techniques HRA




Excursion des franges (suiveur des franges)
Cophasage (angle isopistonique)
Systèmes d’OA
Optimisation des techniques HRA


Seeing, échelle externe, isoplanétisme et temps de cohérence.
Temps d’exposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des
données interférométriques et d’OA.
Optique atmosphérique:


Vérification du modèle de turbulence optique
Isotropie de l’échelle externe
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Modélisation du piston
Observations GSM/PTI, Mt Palomar sept. 2001
Vitesse ~10m/s
l = 2.2 mm
PTI: base = 110m et D=0.4m
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Site testing campaign at Mt Wilson

Objectifs:

Caractérisation du site au moyen de GSM et MOSP:



Intercalibration du DIMM local par GSM
Dimensionnement des techniques HRA




Excursion des franges (suiveur des franges)
Cophasage (angle isopistonique)
Systèmes d’OA
Optimisation des techniques HRA


Seeing, échelle externe, isoplanétisme et temps de cohérence.
Temps d’exposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des
données interférométriques et d’OA.
Optique atmosphérique:


Vérification du modèle de turbulence optique
Isotropie de l’échelle externe
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Optique Atmosphérique & HRA

Conception des systèmes d’OA:




Nombre de mlentilles, d’actuateurs (r0)
Bande passante de la correction (t0)
Amplitude des miroirs déformables (r0,L0)
Besoin en tip/tilt (r0,L0)
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Echelle externe & tip/tilt
Calcul de la variance
des coefficients des
polynômes de
Zernike en fonction
du mode i et du
rapport D/L0
tip/tilt
Lo inf
4m
8-10m
TMT
OWL
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Optimisation des observations HRA

Conception des systèmes d’OA:





Amplitude des miroirs déformables (r0,L0)
Nombre de mlentilles, d’actuateurs (r0)
Bande passante de la correction (t0)
Besoins en tip/tilt (r0,L0)
Optimisation des observations:



Choix des références (q0)
Modélisation de la PSF (r0,L0)
Nombre de modes à corriger (L0)
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OA et échelle externe
DN [(D/r0)5/3]
Residual error variance
DN for different D/L0
and different orders N :
L0  
L0=D
DN<4 10-2 (D/r0)5/3
D=10m
Strehl Ratio:
SR~ exp(-DN)
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OA Multi-Conjuguée
Références

Dimensionnement des
MCAO:




Cn2(z)
Couche turbulente 2
Nbre & positions des MDs
Spécifications des SFOs
(mlentilles, actuateurs &
bande passante)
Course des MDs
Besoins en tip/tilt
Besoins de profils:
 CN2(h)
 L0(h)
 v(h)
Couche turbulente 1
Télescope
Miroir déformable 1
Module de
commande
Miroir déformable 2
Analyseurs de
Surface d’onde
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Site testing campaign at Mt Wilson

Objectifs:

Caractérisation du site au moyen de GSM et MOSP:



Intercalibration du DIMM local par GSM
Dimensionnement des techniques HRA




Excursion des franges (suiveur des franges)
Cophasage (angle isopistonique)
Systèmes d’OA
Optimisation des techniques HRA


Seeing, échelle externe, isoplanétisme et temps de cohérence.
Temps d’exposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des
données interférométriques et d’OA.
Optique atmosphérique:


Vérification du modèle de turbulence optique
Isotropie de l’échelle externe
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Observations GI2T/GSM
Mai,Juin 2003 et Juin 2004 à Calern
Différentes bases utilisées: 11, 12, 15 & 32m
GI2T
GSM
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Quel modèle pour la turbulence
atmosphérique?

Modèle de Kolmogorov n’est valide que dans le
domaine inertiel (l0 et L0)

Pour les grandes bases les modèles empiriques
rendent mieux compte du comportement des fronts
d’onde:


Von Karman, Greenwood-Tarazano, Exponentiel
L’écart par rapport à Kolmogorov pour les grandes
bases est confirmé par les observations
interférométriques.
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Quel modèle pour la turbulence
atmosphérique?
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GSM & MOSP
GSM working layout at La Silla (Chile) Sept. 1997
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
MCAO
Spécifications des ELTs:

*
*
*
Besoins de profileurs:
Scidar, Ballons, MASS…




Nbre & positions des DMs
Spécifications des WFS
(mlentilles, actuateurs & bande
passante)
Course des DMs
Profils de L0(h)
Besoins en tip/tilt
}
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Statistiques de L0 à partir de GSM
L0 < 10m
Paranal:
>24%
La Palma: >32%
Pachon:
>12%
Mauna Kea: >25%
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Détermination des positions des DMs

The MDs positions are obtained by optimization of
isoplanatic angle:

Tokovinin et al., JOSA 17 (10), Oct. 2000
q M5 / 3
8/3
 2 
 2.905  sec z  0h C N2 (h) FM (h, H1 ,H 2 ,..., H M )dh
 l 
2
max

For 2 layers:
F2 ( h, H1 , H 2 )  0.5[ h  H1
 h  H2
5/3
5 / 3
 0.5 H 2  H1
 0.5 H 2  H1
5/3
h  H
5/3
1
 h  H2
5/3
]
5/3 2
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DMs positions for Pachon
Campaign
2DMs
3DMs
Altitude
km
HL
20
15
10
5
0
4
5
6
7
October
98
8
9
10
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Example of CN2 profile at Pachon
M3
8
qM
 14.8
q0
10^ 16
G
10
6
CN2 profil
CN2 profil
10^ 16
10
M1 M 2
4
2
0
5
10
Altitude
Oct. 5
15
km
20
M1
M2
M3
G
8
qM
 7.2
q0
6
4
2
0
5
10
Altitude
15
km
20
Oct. 10
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Need of tip/tilt
tip/tilt
tip/tilt
L0=20.4m
tip/tilt
L0=17m
tip/tilt
L0=62m
L0=46m
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Modélisation
Ballon
Turbulent layers
S
E
L
N
OT H
I
G
N
Automatic
Weather
station
Models
GS
GSM
DIMM
Mast Radio receiver
I
F
O
R
P
SSS
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Preliminary results
Date
Date UT
UT
LL0101 LL0202 LL0303 LL0404
10/04/1998
10/04/1998
19
19 16
16 71
71 61
61
23.8
23.8
18
18 16
16 276
76 26
261 / 3 23.6
23.6 3
  C N (h) L0 (h)dh 
26
26 21
21 21
21 96
24.7
24.7
296
 C N (h)dh

18
18 16
16 61
61 31
31
23.7
23.7
21
21 16
16 81
81 16
16
24.1
Borgnino,
Appl.
Opt., 1990 24.1
?? ?? ?? ??
?? ?? ?? ??
10/05/1998
10/05/1998
10/06/1998
10/06/1998L0int
10/07/1998
10/07/1998
10/08/1998
10/08/1998
10/09/1998
10/09/1998
10/10/1998
10/10/1998
LL0-int
0-int
LL0-GSM
0-GSM
28.4
28.4
22.6
22.6
21.2
21.2
28.5
28.5
26.3
26.3
88.5
88.5
57.2
57.2
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Is GSM a L0 profiler ?

Reconstruction of the AA covariance using the 6
modules of the GSM:
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Angle of Arrival covariance
Scidar/Balloons
}
Model
GSM
 F (b1 , L0 (h1 ), D) F (b1 , L0 (h2 ), D) ... F (b1 , L0 (hn ), D)   C N2 (h1 )Dh1   Cov(b1 ) 

 C 2 (h )Dh   Cov(b ) 
.
F (b2 , L0 (h2 ), D) .
.
2
2

 N 2


 
.
.
.
.
.



.

 



.
.
.
.
.
.
 



 



.
.
.
.
.
.
 

 2

F
(
b
,
L
(
h
),
D
)
F
(
b
,
L
(
h
),
D
)
...
F
(
b
,
L
(
h
),
D
)
Cov
(
b
)
C
(
h
)
D
h

 N n

m
0 1
m
0 1
m
0
n
m 
n
Von Karman model:
 2
1 
3

F (bi , L0 (h j ), D)   f  f  2
L0 (h j ) 

11 / 6
2
J 0 (2fbi )  J 2 (2fbi ) 2 J1 (fD)  Cos2 lfh j df
 fD 
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Limitations of the method

The GSM is not a real L0 profiler:


The final solution is obtained using different
constraints on the results:


Different solutions are obtained
Constraints based on observations
Time Processing limitation:

Low resolution of L0 profil ---> 3 or 4 layers:

Layers are given by the DMs positions
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
A Combined GSM/Balloons
campaign at Cerro Pachon
October 98

CN2 Profils from balloons:


1 balloon/night simultaneously with GSM.
GSM measurements :

4 GSM units (baselines from 0 to 2m)
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Constraints on the L0 profile
Assumption:
The geophysical outer scale is
directly related to wave-front
coherence outer scale
Abahamid, Vernin & al., A&A, 2004
From balloons
statistics:
25
Median L0 profile
from 168 balloons
20
km

30
Altitude

15
10
5
L01>L02
0
0
0.5
L0
1
m
1.5
2
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Layers r0 contribution
Layer 1
r0 (cm)
Layer 2
r0 (cm)
Layer 3
r0 (cm)
Layer 4
r0 (m)
Ground
r0 (cm)
04 Oct. 98
16,27
52,17
30,62
1,5
12,67
05 Oct. 98
18,94
43,34
35,48
2,4
14,19
06 Oct. 98
44
99,74
60,49
2,02
29,72
07 Oct. 98
38,97
54,74
51,33
2,25
23,94
08 Oct. 98
18,37
122
54,74
3,39
16,36
Mean
27,31
74.4
46,532
2,312
19,376
Date
L0-mean (m)
20.4
17
62
46
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Observation of lunar limb

Measurement of the
covariance of the lunar limb at
different angular separation q:
Ca(q)=<a(h) a(h+q)>

hj
Angle of Arrival transverse
fluctuations
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Observation of lunar limb
qhj
hj
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Spatio-angular covariance
Transition from angular to spatial:


    
    
Ca , A (q )  a (r , h )a (r , h  q )  a (r  q h, h )a (r , h )  Ca ,s (q h)

Von Karman model:
11 / 6
 2

1

Ca , A (q )  1.19Dh j C (h j )  f  f  2

L
(
h
)
0
j 

2
 2 J1 (fD) 
J 0 (2fqh j )  J 2 (2fqh j ) fD 
 VEGA/CHARA Mars
 2008
A. Ziad, Journée scientifique
2
N
3
Sensitivity to L0 profile

Pachon campaign:


L0 profil estimated
from GSM.
CN2 profil from
balloons
Da(q)2a2Ca(q)

Von Karman model
(21,17,62,46)
(1,1,1,1)
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Campaign at the OHP Observatory
Nov. 21 – Dec. 06, 2004

Instruments:






Scidar
Single Star Scidar
Balloons
GSM
MOSP
DIMM
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Monitor of Outer Scale Profile:
MOSP

Components:




Telescope C8
Barlow x5
CCD
(PixelFly)
PC for
acquisition &
processing
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Data processing in progress

J. Maire is in charge of this processing.

Pbs of tracking and vibrations:


Bad equatorial mount
Next observations:

Mauna Kea in July on the UH24
simultaneously with G-Scidar and GSM.
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Comparison MOSP/GSM
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Conclusion

Extraction of the outer scale profile from GSM:


Constraints on the model.
New experiment: MOSP



Real outer scale profiler
Generalized monitor r0, q0 & t0.
Observations in July at Mauna Kea simultaneously with
Scidar and GSM.
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Example of MOSP covariance
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Statistics on CN2 profile from 168
balloons

Sites:








La Palma
OHP
Paranal
South pole
Pachon
Toulouse
San Perdo
Aire sur l’Adour
Mean
Hufnagel
Median
Abahamid, Vernin & al., A&A, 2004
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Contraintes sur le profil L0(h)
Comparaison des échelles externes géophysiques
de la couche planétaire et de l’atmosphère libre

A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Présélection des sites





Paramètres météo (Humidité, Ensoleillement,
Température, Précipitations, Vents dominants).
Vitesse à 200mb (Scintillation).
Couche d’inversion température.
Altitude.
Vapeur d’eau (diffusion et absorption).
Nombre très limité de sites optimisant ces critères
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Evaluation des sites
astronomiques






Energie turbulente CN2
Seeing eo (conditionne le nbre de mlentilles)
Isoplanétisme qo
Temps de cohérence to
Echelle externe Lo
Transparence du ciel (Photométrie)
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Scidar Généralisé

Permet de mesurer:




le profil de l ’énergie de
la turbulence CN2
le seeing
le profil du vent dans
l ’atmosphère
le temps de cohérence.
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Principe du Scidar Généralisé

Les rayons arrivants en B et C
sont corrélés car ils passent par la
même région de turbulence X se
trouvant à l ’altitude h.

La fonction d’autocorrélation
spatiale permet de remonter à
l ’énergie de chacune des couches:
profil de CN2(h).

r
h
L’autocorrélation temporelle
permet de remonter à V(h)
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Sondages ballons

Les ballons sont équipés de
sondes de température, d ’un
baromètre et d ’un altimètre.
2
T
P
C C


T
2
N
Toutes les données sont
envoyées à une station au sol.
La position du ballon par
rapport à la station de réception
est également disponible. Ce
qui permet de remonter au
profil de vitesse.
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Generalized Seeing Monitor
(GSM)
-
-
Seeing eo
Isoplanétisme qo
Temps de cohérence to
Echelle externe Lo
GSM working layout at La Silla (Chile) Sept. 1997
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
The GSM optical device

1
DB
tan 1 (
)
2
AC
a  p
47
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Monitor de seeing: DIMM
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Moniteur bord lunaire
eo
-Isoplanétisme qo
-Seeing
de cohérence to
-Echelle externe Lo
- Profil de Lo
- Profil de CN2
-Temps
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
MISOLFA
eo
-Isoplanétisme qo
-Seeing
de cohérence to
-Echelle externe Lo
-Profil de CN2
-Temps
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Sites qualifiés
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Résumé des résultats
A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008
Diverses collaborations
CRAAG, Algérie
UNSW: Australie
ASC, Chine
IAC, Espagne
A. Irbah
A. Berdja
J. Storey
T.Travouillon
Yongqiang Yao
Guoan Yang
C. Munoz
M. Reyes
ESO, Europe
M. Sarazin
N. Hubin
UNAM, Mexique U.Marrakech:
R. Avila
Maroc
L. Sanchez
S. Cuevas
Z. Benkhaldoun
E. Habib
OT, Ouzbekistan
Y. Tyllaiev
I. Sabit
T. Sadibekova
Caltech/Irvine, USA
GEMINI, USA
IFA, Hawaï, USA
G. Chanan
M. Schoeck
E. Steinbring
F. Rigaut
B.L. Ellerbroeck
M. Chun
R. Waïnscot
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