cahier des charges du « seeing monitor
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TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU CNR Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 Page : 1 sur 12 CAHIER DES CHARGES DU « SEEING MONITOR » Mots-clés : Turbulence, seeing, site, ... Auteur Claude LE MEN Lecteurs Arturo LOPEZ ARISTE Approuvé/Accepté par Bernard GELLY Liste de diffusion (ordre alphabétique) Pour application Pour commentaires Didier LAFORGUE Laurent MARÉCHAL Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc Pour information Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU CNR Page : 2 sur 12 Historique Version Révision Date Commentaires 1.0 Documents associés Nom du document Référence du document -"Solar Scintillation Seeing Monitor", Edward J. Seykora, 1992 DOC-SEEING-01 Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU CNR Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 Page : 3 sur 12 TABLE DES MATIERES CAHIER DES CHARGES DU « SEEING MONITOR » page 1. Objet 4 2. Description de la fonction 4 2.1 Principe de la fonction 4 2.2 Découpage fonctionnel 4 2.3 Variables d'entrée et de sortie 5 2.4 Variables de Calcul 6 3. Spécifications fonctionnelles 7 3.1 Cellule photoélectrique 7 3.2 Mise en forme du signal 10 3.3 Acquisition du signal 10 3.4 Traitement du signal 11 3.5 Interfaces 12 4. Exigences de vérification 12 4.1 Réglage de l'Offset - Photocourant d'obscurité 12 4.2 Mesure du bruit 12 4.3 Calibrage du Seeing 13 Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU CNR 4 sur 12 Page : 1. Objet L’objet de ce document est définir le cahier des charges de la fonction dite de "Moniteur de seeing" en partant du principe du scintillateur Seykora existant (ref. DocSeeing-01). 2. Description de la fonction 2.1 Principe de la fonction Le principe de la mesure de seeing par scintillateur est décrit en détail dans le document en référence (ref. Doc-Seeing-01). Succintement, on rappelle que le "seeing" peut être relié à l'éclairement solaire moyen Ecl et à la variation d'éclairement due à la scintillation ÄEcl(t) par la relation linéaire: Seeing [arcsec] = K. ∆Ecl (t ) avec K = 1900 arcsec Ecl (1) Cette formulation sera considérée valable pour le scintillateur en question, à savoir pour les paramètres de la cellule dont nous disposons déja. Le coefficient d'étalonnage K est donné à titre indicatif et devra être vérifié. Le principe de la fonction se résume donc à la mesure des 2 mesurandes suivants: - L'éclairement énergétique spectrique moyen: - L'éclairement énergétique spectrique "scintillant": 2.2 Ecl ÄEcl(t) [ W.m-2.nm-1 ] [ W.m-2.nm-1 ] Découpage fonctionnel Le schéma synoptique de la fonction est donné en figure 1. Capteur Mise en forme Acquisition Traitement S E E I N G Figure 1: Schéma synoptique de découpage de la fonction Le découpage fonctionnel conduit à 4 sous -fonctions: - Fonction "Capteur": Convertir le mesurande (Eclairement solaire) en photocourant, - Fonction "Mise en Forme": convertir le photocourant en tensions utilisables, - Fonction "Acquisition": digitaliser les tensions analogiques, - Fonction "Traitement": calculer le "seeing" à pa rtir des tensions digitalisées. Les variables utilisées par ces 4 fonctions sont décrites dans le paragraphe suivant. Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU 2.3 CNR Page : 5 sur 12 Variables d'entrée et de sortie 2.3.1 Fonction "Capteur" Capteur Ecl+ ÄEcl(t) Iph+ ÄIph(t) Figure 2-1: Variables d'entrée et de sortie de la fonction "Capteur" Variable d'entrée: Variable de sortie: - Eclairement solaire (continu + scintillation): Ecl+ÄEcl(t) [W.m-2.nm-1] - Photocourant (continu + scintillation): Iph+ ÄIph(t) [A] 2.3.2 Fonction "Mise en Forme" Mise en forme Iph+ ÄIph(t) V ÄV(t) Figure 2-2: Variables d'entrée et de sortie de la fonction "Mise en Forme" Variable d'entrée: Variable de sortie: - Photocourant (continu + scintillation): Iph+ ÄIph(t) - Tension d'éclairement (composante continu): V - Tension de scintillation (composante alternative): ÄV(t) [A] [V] [V] 2.3.3 Fonction "Acquisition" V ÄV(t) Vi Acquisition avec i = [0 ... 2n] ÄVi(t) avec i = [0 ... 2n] Figure 2-3: Variables d'entrée et de sortie de la fonction "Acquisition" Variable d'entrée: - Tension d'éclairement (composante continu): V - Tension de scintillation (composante alternative): ÄV(t) Variable de sortie: - Tension d'éclairement discrétisée: Vi - Tension de scintillation discrétisé: ÄVi(t) Les deux tensions de sortie sont discrétisées sur n bits, soient 2n niveaux. 2.3.4 Fonction "Traitement" Vi avec i = [0 ... 2n] ÄVi(t) avec i = [0 ... 2n] Traitement Seeing Figure 2-4: Variables d'entrée et de sortie de la fonction "Traitement" Variable d'entrée: Variable de sortie: - Tension d'éclairement discrétisée: - Tension de scintillation discrétisé: - Seeing: Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc Vi ÄVi(t) Seeing [arcsec] TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU 2.4 CNR Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 Page : 6 sur 12 Variables de Calcul Dans ce paragraphe sont décrites les variables et fonctions reliant les variables d'entrée et de sortie des sous-fonctions. 2.4.1 Fonction "Capteur" La fonction reliant les variables d'entrée et de sortie est donnée par la relation: I ph + ∆I ph (t ) = ∫ (Ecl + ∆Ecl (t ) ).T (λ ). A.S (λ ).dλ (2) λ où: ë est la longueur d'onde en [ nm ] T(ë) est la transmission spectrale du ou des filtres utilisés en [u.a.] A est la surface de détection utile du capteur en [ m2 ] S(ë) est la sensibilité spectrale absolue du détecteur en [ A.W -1 ] 2.4.2 Fonction "Mise en Forme" La fonction "mise en forme" se décompose en trois étapes: - 1 étape de préamplification courant / tension sur la variable d'entrée - 1 étape de "séparation" des composantes continu V et alternative ÄV(t) - 1 étape d'amplification tension / tension sur la composante alternative ÄV(t) La fonction de préamplification courant / tension est donnée par la relation: V + ∆VG (t ) = RL .(I ph + ∆I ph (t ) ) (3) où: RL est la résistance de charge utilisée pour l'amplificateur courant / tension [ Ù ] La fonction d'amplification tension / tension alternative est donnée par la relation: ∆V (t ) = G.∆VG (t ) (4) où: G est le gain de l'amplificateur tension / tension [ u.a. ] La fonction globale est donc donnée par les relations: V = RL .I ph et ∆V (t ) = G.RL .∆I ph (t ) (5) 2.4.3 Fonction "Acquisition" La fonction "acquisition" est une digitalisation par convertisseur Analogique/Numérique sans fonction de calcul entre les variables d'entrée et de sortie. 2.4.4 Fonction "Traitement" La fonction reliant les variables d'entrée et de sortie est alors donnée par la relation: Seeing [arcsec] = K ∆Vi (t ) . avec K = 1900 arcsec G Vi Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc (6) Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU CNR 7 sur 12 Page : 3. Spécifications fonctionnelles 3.1 Capteur photoélectrique La fonction "capteur" est assurée par: - une photodiode Silicium de diamètre 10 mm - 1 filtre Schott type BG-18 d'épaisseur 1,0 mm, - 1 filtre Schott type KG-3 d'épaisseur 1,0 mm. Calculons le photocourant produit par cette photodiode à partir de la relation 2 (rappel): I ph = ∫ Ecl.T (λ ). A.S (λ ).dλ avec: λ -Ecl: Eclairement énergétique spectrique du soleil en [ W.m-2.nm-1 ] pour lequel nous considérons le spectre solaire normalisé AM0 (spectre solaire avant atmosphère pour un angle zénithal de 0º (élévation = 90º). -T(ë): Transmission de la combinaison des filtres BG-18 et KG-3 pour laquelle nous considérons les données constructeur (Schott). Cette courbe est montrée en figure 3.1. Seeing Monitor: Filters Transm ission BG 18 KG 3 Assoc. 1,0 0,9 0,8 Transmission 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 Wavelength [nm] Figure 3.1: Transmission de la combinaison des filtres BG-18 et KG-3 Cette association de filtres produit un filtre passe-bande de caractéristiques suivantes: - longueur d'onde centrale: 510 nm - largeur de bande (mi-hauteur): 220 nm. - A: L'aire de la surface active du détecteur: soit A= 78.5 mm2 (78,5.10-6 m2) - S(ë): Sensibilité spectrale relative en [ A/W ] pour laquelle nous considérons, en l'absence de données constructeur, une courbe typique de détecteur Si similaire de Hamamatsu. Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU CNR 8 sur 12 Page : La figure 3.2 ci-dessous montre la répartition spectrale solaire AM0 prise comme référence (courbe en noir) et la répartition énergétique spectrique vue par le détecteur après filtrage par la transmission T(ë) des filtres BG-18 et KG-3 (courbe en bleu). S p e c t r a l Irra d i a n c e o n S e e i n g M o n ito r C e ll 2 Spectral Irradiance [W/m /nm] A M 0 S o lar Spectra C e ll S p e c t r a l I r r a d i a n c e 2 ,0 1 ,9 1 ,8 1 ,7 1 ,6 1 ,5 1 ,4 1 ,3 1 ,2 1 ,1 1 ,0 0 ,9 0 ,8 0 ,7 0 ,6 0 ,5 0 ,4 0 ,3 0 ,2 0 ,1 0 ,0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 W a v e le n g t h [ n m ] Figure 3.2: Eclairement énergétique spectrique (avant et après filtrage) La figure 3.3 donne l'intensité spectrale par unité de surface détectée par la cellule. S p e c t r a l In t e n s i t y o n S e e i n g M o n i t o r C e l l 0,55 0,50 0,40 2 Spectral Intensity [A/m /nm] 0,45 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 W a v e le n g t h [ n m ] Figure 3.3: Intensité spectrique par unité de surface détectée par la cellule Si Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc 1000 Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU CNR Page : 9 sur 12 De l'intégration sur tout le spectre de ces 2 courbes on déduit les valeurs d'éclairement: - Eclairement énergétique maximum = 345 W.m-2 - Flux énergétique maximum = 27 mW (pour la surface A=78,5 mm2 ) où encore sur le photocourant: - Photocourant par unité de surface = 95 A.m-2 - Photocourant maximum, Iph = 7,5 mA. Nous avons pris comme référence le spectre solaire AM0 (avant atmosphère), le spectre solaire 1.0 (après atmosphère) donne une atténuation relative de l'ordre de 80 %. Le photocourant maximum devient donc: Iph = 6,0 mA. Compte-tenu des variations journalières dues à l'angle zenithal, ce photocourant varie selon la courbe montrée en figure 3.4. Elevation [ degree ] Day-tim e V ariations of the Cell Intensity 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 Intensity [ mA ] Figure 3.4: Variations quotidiennes du photocourant avec l'angle d'élévation Les limites haute et basse en élévation sont pour Themis de 6º et 87,5º. Le photocourant est donc suivant l'élévation compris dans la plage: 0,6 mA Iph 6 mA. Ce courant maximum de 6 mA est trop fort pour ce type de photodiode (risque de saturation), nous limiterons donc le courant maximum à 1,2 mA par une densité de 0,7 (transmision 20 %). La nouvelle courbe de variation quotidienne est illustrée en figure 3.5. Elevation [ degree ] Day-tim e V ariations of the Cell Intensity 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Intensity [ mA ] Figure 3.5: Variations quotidiennes du photocourant avec l'angle d'élévation La plage utile de photocourant est donc: 0,1 mA Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc Iph 1,2 mA. 1,2 TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU 3.2 CNR Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 Page : 10 sur 12 Mise en forme du signal 3.2.1 Préamplification courant / tension Spécifications: - amplificateur courant / tension: - plage de photocourant utile: - plage de courant à amplifier: - résistance de charge RL max: - résistance de charge RL min: - bruit en tension amplifiée: type "transimpédance" 0,1 mA Iph 1,2 mA 0,02 mA Iph 2 mA RL < 2,5 KÙ (tension max. 5 V) RL > 1 KÙ (tension min. 0,1 V) < 1.10-5 . RL. 0,1 mA (<0,02 arcsec à 0,1 mA) (exemple: < 1 ìV pour RL = 1 KÙ) - bande passante: 5 kHz < BP < 10 kHz (bruit = NEP.S(ë).BP0,5=3.10-15.0,29.100 = 10-13 A => négligeable) - réglage de l'offset de tension: circuit de réglage de l'offset par potentiomètre. 3.2.2 Séparation composante continue et alternative La fonction a pour but de séparer analogiquement la composante continue V et la composante alternative ÄV(t). En effet, le rapport entre ces deux composantes (rappel: ÄV(t)/V= 5,3.10-4 pour 1 arcsec) est tellement faible, qu'une mesure directe du signal donne une dynamique de 105 pour 0,02 arcsec, soit une digitalisation sur 17 bits au moins. Il faut donc séparer cette composante alternative ÄV(t) de la composante continue V, de façon à pouvoir l'amplifier séparément et ainsi diminuer la digitalisation. Spécifications: - composante continue V: - Gain=1 (compte-tenu du filtrage) - Filtrage "passe-bas", - composante alternative ÄV:- Filtrage "passe-bande", 0,2 Hz f 2 kHz 3.2.3 Amplification tension / tension alternative Spécifications: - plage de seeing: 0,02 arcsec Seeing 3,5 arcsec - plage de tension d'entrée: (RL . 0,1mA).10-5 ÄV (RL . 1,2mA).2.10-3 (La limite basse correspond à un seeing de 0,02 arcsec vu sur la limite basse de composante continue Iph=0,1 mA. La limite haute correspond à un seeing de 3, 5 arcsec vu sur la limite haute de composante continue Iph=1,2 mA. Exemple: RL = 1 KÙ => 1 ìV ÄV 2,4 mV) - gain d'amplification max.: G 4166666 / RL (tension max de sortie ±5V) - gain d'amplification min.: G > 4000000 / RL (tension min de sortie 2,5 mV) - précision du gain: ± 1 % (précision de 0,02 arcsec sur 2 arcsec) - bruit d'amplification: < G (RL . 0,1mA).10-5 V (soit <0,02 arcsec) - bande passante: > 2 kHz 3.3 Acquisition du signal Spécifications: - Carte PCI Analogique - Numérique: 2 voies minimum - Dynamique de tension: -5 V / +5 V (10V bipolaire) - numérisation: 12 bits (4096 niveaux) - LSB: 2,44 mV (12 bits - 10 V) - bande passante: > 2 kHz - cadence d'acquisition: 2 ms (à définir ) REM: Cette carte est déja disponible (16 voies) Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU 3.4 CNR Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 Page : 11 sur 12 Traitement du signal Spécifications: A la demande des astronomes, on doit dans une première phase fournir les signaux bruts. Puis dans une seconde phase (après leur étude), procéder à la visualisation telle qu'installée actuellement. La spécification de la première phase du traitement peut être: - création d'un fichier ASCII contenant: - 1 ligne d'entête: "DATE" (JJ-MM-AAA) - 1 ligne d'entête: "Heure" (hh-mm-ss) contenant l'heure de début d'acquisition - 1 ligne d'entête contenant le NOMBRE de points au format entier ( 00000001 NOMBRE 21600000 pour 12 heures à la cadence de 2 ms) - 1 ligne à 5 colonnes par acquisition ( cadence 2 ms?) contenant: - colonne 1: le temps T en milliseconde [ms] au format entier ( 00000000 T 21600000 pour 12 heures en continu) (4 octets) - colonne 2: la composante continue Vi mesurée au format scientifique: N.NNNE+00 (3 décimales) (2 octets) - colonne 3: la composante alternative ÄVi mesurée au format scientifique: N.NNNE+00 (3 décimales) (2 octets) - colonne 4: le rapport ÄVi / Vi calculé au format scientifique: N.NNNE+00 (3 décimales) (2 octets) - colonne 5: le seeing calculé (formule 7 ci-dessous) au format décimal: N.NN (2 décimales) (2 octets) - décimale: "." (point) (à définir ) - séparateur: ";" (à définir ) Seeing [arcsec] = K ∆Vi (t ) . avec K = 1900 arcsec et G : gain défini par l' amplificateur V/V G Vi Il va sans dire que ces fichiers sont très volumineux pour la cadence de 2 ms (12 octets par ligne) soient par exemple 247 Mo pour 12 heures en continu !. Il sera probablement indispensable de réfléchir: - à la diminution de la cadence d'acquisition, - à la troncature des fichiers (1 fichier par heure ?),... Il est donc prématuré de donner des spécifications sur le NOM et le STOCKAGE de ces fichiers. Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc TELESCOPE T H E M I S CNRS / INSU 3.5 CNR Réf . : CdC-Seeing Nº version : 1.0 Date : 12/09/2003 Page : 12 sur 12 Interfaces Spécifications: - de Capteur à Mise en forme: - de Mise en forme à Acquisition: - de Acquisition à Traitement: 1 cable coaxial bifilaire blindé connecteurs coaxiaux aux 2 extrémités -2 cables coaxiaux bifilaires blindés -connecteurs coaxiaux à 1 extrémité -connecteurs fonction de la carte d'acquisition à l'autre extrémité. carte d'acquisition embarquée par le PC Dans la situation actuelle, nous disposons du cable d'interface du Capteur à la Mise en forme (Capteur intégré au bouclier et Mise en Forme en salle d'observation). Ce cable transporte donc le photocourant Iph+ÄIph(t). Il va sans dire qu'il faut vérifier que la spécification de bruit est tenue moyennant une telle longueur de cable passant par l'enrouleur d'azimut. Dans le cas contraire, il faut envisager le déport de la fonction "Mise en Forme" (ou au moins de la préamplification courant / tension) en local du Capteur (sur le tube) afin de transporter dans le cable descendant en salle d'observation la tension V+ÄV(t). Ceci implique les spécifications d'interface supplémentaires suivantes: - séparation physique de la préamplifiaction courant / tension du reste de la fonction "Mise en forme": Preámplificateur A/V sur le tube et "Mise en Forme" en Salle d'observation. - fourniture de tension d'alimentation sur le tube (disponible par l'alimentation de la caméra "Chercheur" par exemple). Cette dernière configuration est recommandée. 4. Exigences de vérification 4.1 Réglage du Photocourant d'obscurité L'offset de photocourant d'obscurité (photodiode occultée) sera réglé par le circuit de réglage d'offset de l'amplificateur transimpédance jusqu'à obtenir une tension de sortie inférieure à 2,5 mV. 4.2 Mesure du bruit Le bruit en tension (photodiode éclairée artificiellement) sera mesurée en sortie de la fonction Mise en Forme sur les 2 voies V et ÄV(t). Ce bruit doit être inférieur à 2,5 mVcc. Le bruit en tension (photodiode éclairée artificiellement) sera mesurée en sortie de la fonction Acquisition sur les 2 voies V et ÄV(t). Ce bruit doit être inférieur à ±1 LSB. 4.3 Calibrage du Seeing Le calibrage du Seeing nécessite la connaissance du gain d'amplification V/V appliquée au signal ÄV(t). Ce gain G doit être mesuré avec une précision meilleure que 1%. Windows 95 - Word 7.0 – CdC_Seeing_Monitor . doc
