LESIA - Observatoire de Paris

RPWS/HFR, un récepteur programmable

Baptiste Cecconi — 2011-10-04T08:04:41Z

Le récepteur RPWS/HFR est constitué de 2 récepteurs analogiques débouchant sur une partie numérique qui traite le signal en temps réel. Chacun des récepteurs est connecté à une entrée sélectionnée parmi les 3 antennes électriques de l'expérience RPWS. Ces 3 antennes sont nommées +X, –X et Z (voir la figure 1).

Cet article détaille les différents paramètres de l'instrument. Pour une discussion sur la méthodologie d'analyse (étalonnage, traitements de données) voir cet article.

Antennes électriques

Les antennes +X et –X peuvent être utilisées simultanément en formant un dipôle que l'on notera D. Les deux entrées E_x et E_z peuvent donc être connectées aux antennes suivantes :

– entrée E_x : antenne +X, –X, D ou aucune.

– entrée E_z : antenne Z ou aucune.

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Figure 1.: La sonde Cassini et les antennes électriques de l'expérience RPWS. Les 3 antennes électriques (+X, –X et Z) sont nommées en référence à la nomenclature des axes du repère de la sonde. Chaque monopôle mesure 10m de long. L'antenne Z est dans le plan (y,z), incliné de 37 degrés par rapport à z vers l'axe y. Les antennes +X et–X sont symétriques par rapport au plan (y,z) et sont séparées de 120 degrés. Le plan formé par les antennes +X et –X fait un angle de 70 degrés avec l'antenne Z. Les deux monopôles +X et –X peuvent être électriquement associés pour obtenir un dipôle noté D. Figure extraite de [Cecconi et Zarka, Radio Science, 2005.]

Gamme de fréquence

Chaque récepteur contient 5 bandes d'analyses nommées A, B et C, H1 et H2 couvrant toute la gamme 3.5kHz-16.125MHz.

– La bande A couvre la gamme 3.5-16kHz, la bande B 16-71kHz et la bande C 71-190kHz. Chacune de ces bandes peut être analysée selon 8, 16 ou 32 canaux espacés de manière logarithmique.

– Les bandes H1 et H2 sont constituées d'une bande de largeur spectrale 25kHz dont la fréquence centrale est ajustable à l'aide d'un oscillateur. Pour la bande H1, la fréquence centrale peut varier de 100kHz à 4125kHz par pas de n×25kHz (n≥1). Pour la bande H2, la fréquence centrale peut varier de 125kHz à 16125kHz par pas de n×50kHz (n≥1). La bande H2 n'est donc couverte que de manière discontinue. L'analyse des mesures H1 et H2 peut être faite sur 1, 2, 4, ou 8 canaux espacés linéairement dans la bande de 25kHz. Notons que les bandes H1 et H2 sont toujours programmées de manière à ce que leurs gammes de fréquences ne se recouvrent pas.

En ce qui concerne la résolution temporelle, les bandes A, B et C peuvent avoir des temps d'intégration de 125, 250, 500 ou 1000ms, la bande H1, des temps d'intégration de 20, 40, 80 ou 160ms et la bande H2, des temps d'intégration de 10, 20, 40 ou 80ms. Notons bien que ces temps d'intégration ne sont pas les temps d'acquisition mais la somme du temps d'acquisition (où le signal est effectivement enregistré) et du temps d'analyse (qui dépend des opérations effectuées pendant une analyse). Le temps réel d'acquisition représente 22%, 9%, 2.6% et 19% du temps d'intégration respectivement pour les bandes A, B, C et H1/H2. Le temps d'intégration peut être vu comme l'intervalle entre le début d'une mesure et le début de la suivante.

Enfin, plusieurs types de mesures sont possibles. HFR contient un DSP (processeur de traitement du signal) qui peut calculer à chaque mesure les autocorrélations des 2 entrées (xE_x*> et zE_z*>) et l'intercorrélation complexe des 2 entrées (Re[xE_z*>] et Im[xE_z*>]). La série de mesure instantanée constituée de ces 4 valeurs est appelée “mesure 2–antennes”.

Dynamique et sensibilité

L'étage analogique du récepteur (qui effectue le filtrage en fréquence) contient une boucle d'asservissement qui permet d'ajuster automatiquement le gain du récepteur de façon à fournir un signal de niveau constant sur la rampe d'échantillonnage analogique–numérique (ADC, Analog to Digital Converter) qui se trouve en entrée de la partie numérique du récepteur (Figure 2). Cet ajustement automatique est appelé CAG (Contrôle Automatique de Gain). Ainsi, la qualité de la numérisation dépendra peu du niveau du signal. Le temps caractéristique d'ajustement du gain du CAG est de l'ordre de 1ms. Ces signaux numérisés (sur 32 bits) sont filtrés puis intégrés en auto- et/ou en intercorrélations dans le DSP. Ces dernières mesures sont ensuite compressées sur 8 bits selon un codage pseudologarithmique (appelé “compression–log” par la suite). Le système CAG/compression–log permet d'atteindre une dynamique d'environ 90dB.

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Figure 2.: Schéma de principe de la boucle de CAG et du DSP du récepteur RPWS/HFR. Sur chacune des deux voies analogiques Ex et Ez, une boucle de CAG ajuste le niveau du signal en entrée des ADC. La partie numérique, programmée dans le DSP, effectue l'intégration en auto- ou intercorrélations puis la compression–log des mesures. En amont des entrées Ex et Ez se trouvent les antennes et leurs pré-amplis. Les filtres passe–bande permettent de sélectionner la bande d'analyse. En sortie, le DSP envoie au DPU (Digital Processing Unit ; ou unité de traitement numérique en français) 6 mots de 8 bits à chaque mesure 2-antennes (agcX, agcZ, autoX, AutoZ, crossR et crossI) ainsi que 2 bits de signes (signes de CrXZ et CiXZ) qui n'ont pas été représentés sur le schéma. Figure Extraite de la thèse de doctorat de B. Cecconi (Chapitre 3).

La sensibilité du récepteur RPWS/HFR est conforme aux spécifications initiales : le bruit du récepteur est de l'ordre de 7nV/Hz^1/2. Pour comparaison, les récepteurs radio basse fréquence des satellites Cluster ont une sensibilité de 100nV/Hz^1/2 et celui du satellite Wind, 10nV/Hz^1/2. Cette grande sensibilité nous permet d'envisager la mesure du rayonnement radio galactique pour des fréquences supérieures à 200kHz.

Mode Goniopolarimétrique

Comme on vient de le voir, le récepteur est complètement programmable. Pratiquement toutes les combinaisons des paramètres décrits plus haut sont possibles. Il revient donc aux opérateurs scientifiques du projet de définir les modes opératoires en fonction des différentes observations. Un mode opératoire est une configuration de balayage en fréquence (bandes actives, nombre de canaux par bande, etc), de résolution temporelle (temps d'intégration), d'antennes sélectionnées en entrées et de type de corrélations effectuées par le DSP.

L'analyse goniopolarimétrique nécessite les autocorrélations aux bornes des 3 antennes et deux intercorrélations complexes. Une mesure instantanée de HFR ne peut produire que 4 mesures au maximum (2 autocorrélations et 1 intercorrélation complexe). Un mode opératoire a été défini pour obtenir des données goniopolarimétriques en effectuant successivement les 4 mesures sur deux couples d'antennes différents. C'est ce qu'on appelle le mode “GP” (pour Goniopolarimétrie).

Ce mode consiste donc à enregistrer les autocorrélations sur +X et Z et l'intercorrélation correspondante au cours d'une première mesure et les autocorrélations sur –X et Z et l'intercorrélation correspondante au cours d'une seconde mesure effectuée immédiatement après. Le récepteur RPWS/HFR étant capable de changer instantanément de mode opératoire aussi souvent qu'à chaque mesure, cet échange d'antenne sur l'entrée Ex à chaque mesure ne pose techniquement aucun problème. On obtient alors 8 mesures. L'autocorrélation sur l'antenne Z est mesurée 2 fois. On a donc bien les 7 mesures nécessaires à l'inversion goniopolarimétrique. La série de 8 mesures du mode GP est appelée “mesure 3–antennes”.

Les deux mesures 2–antennes successives sont séparées d'un laps de temps qui dépend de la résolution temporelle choisie pour le mode. Ce décalage temporel peut varier de 125ms à 1s dans les bandes A, B et C, et de 20 à 160ms dans la bandes H1 (la bande H2 n'est en pratique pas utilisée en mode GP puisque les fréquences correspondantes ne respectent pas l'hypothèse de dipôle court nécessaire à la goniopolarimétrie). Une mesure 3–antennes se fait donc en moins de 300ms dans la bande H1 à comparer aux 12 secondes nécessaires à l'analyse goniopolarimétrique dans le cas d'Ulysses. Enfin, puisque l'acquisition d'un spectre nécessite le balayage de toute la gamme de fréquence de RPWS/HFR, 2 mesures 3–antennes à la même fréquence sont espacées d'1 à 2 minutes.

RPWS/HFR, méthodologie

Baptiste Cecconi — 2011-10-04T08:04:26Z

Le récepteur radio RPWS/HFR (Radio and Plasma Waves Science/High Frequency Receiver) enregistre simultanément les auto- et intercorrélations des signaux mesurés sur 2 antennes électriques. Afin d'analyser ces mesures, il faut étalonner l'outil de mesure que constitue le récepteur et les antennes. Les mesures étalonnées pourront alors être traitées à l'aide de divers algorithmes, comme la goniopolarimétrie pour étudier les ondes électromagnétiques venant de sources distantes, ou bien la spectroscopie du bruit quasi-thermique pour étudier les paramètres locaux du plasma.

Etalonnage

L'étalonnage de l'instrument doit permettre de reconstruire a posteriori le signal capté par les antennes. Il faut donc étalonner chaque maillon de la chaîne de réception : antennes, préamplificateurs, et récepteur.

– Etalonnage du préamplificateur et du récepteur

Cet étalonnage est effectué au sol, avant le lancement. Comme le récepteur RPWS/HFR mesure des auto- et intercorrélations entre les signaux mesurés sur ses deux voies d'analyses, il faut étalonner la chaine de réception à la fois en gain et en phase. On effectue cet étalonnage en envoyant des signaux synthétique dans la chaine de réception et on analyse ensuite les résultats. La figure ci-dessous montre les résultats des mesures de phases pour les sous-bandes HF1 et HF2.

Différence de phase introduite par le récepteur (préamplificateur (...)" />
Mesure des déphasages des différentes voies du récepteur RPWS/HFR: Différence de phase introduite par le récepteur (préamplificateur récepteur) pour la partie haute fréquence du récepteur Cassini/RPWS/HFR. Les trois configurations d'antennes possibles sur cette voie d'analyse ont été étalonnées (trait plein : antenne +X ; trait pointillé court : antenne −X ; trait pointillé long : dipole ±X). En trait gras, les mesures pour le sous-récepteur HF1, en trait fin, pour HF2.

– Etalonnage des antennes (longueur effective)

On doit aussi étalonner les longueurs effectives des antennes. En effet, le corps du satellite, dont la taille est comparable à celle des antennes (∼10m), va perturber la réponse des antennes. On schématise donc l'antenne, le satellite et le récepteur comme un diviseur de tension (voir la figure ci-dessous).

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Schéma électrique équivalent d'une chaîne de réception radio.: L'onde électromagnétique impose une différence de potentiel V_h le long de l'antenne. L'antenne est modélisée par son impédance d'antenne Z_a et sa capacité de base C_b. Le récepteur détecte une tension V′_h. Figure tirée de la thèse de B. Cecconi [2004].

Le calcul de la longueur effective h' se fait à l'aide d'une source connue. On utilise pour cela le rayonnement galactique, dont on a modélisé la forme du spectre (l'intensité en fonction de la fréquence).

– Etalonnage des antennes (direction effective)

Enfin, pour pouvoir traiter les données avec les routines goniopolarimétriques, il faut aussi connaître la direction effective de chaque antenne (qui est différente de la direction physique de l'antenne à cause du corps du satellite, comme pour le cas précédent). Les directions effectives des antennes de Cassini/RPWS/HFR ont été étalonnées à plusieurs reprises (voir les détails dans cet article) :

à l'aide de codes numériques où l'on modélise la forme du satellite et on simule la réponse du système lors du passage d'une onde électromagnetique ;

en cuve rhéométrique, avec un modèle réduit de la sonde ;

lors du survol de Jupiter par Cassini (en 2000-2001), les émissions radio de Jupiter ont été utilisées comme source étalon. Le sonde Cassini était suffisamment loin de Jupiter pour faire l'hypothèse que la position des sources radios étaient confondue avec celle de la planète. Connaissant la position des sources radio, on a pu inverser le système et obtenir les direction effective des antennes ;

lors de la phase d'arrivée à Saturne, début 2004, la même opération a été effectuée, en utilisant cette fois les émissions radio de Saturne comme source étalon.

Les résultats de ces différents étalonnages sont cohérents. Mais on ne peut pas s'abstenir de la phase d'étalonnage en vol. C'est souvent une étape difficile, car il faut trouver une source étalon fiable et bien connue. Cependant, c'est la seule manière d'étalonner l'instrument réel.

Directions et longueurs physiques (en gras noir) et effectives (en (...)" />
Antennes électriques de Cassini: Directions et longueurs physiques (en gras noir) et effectives (en pointillé gras gris) des antennes électriques de Cassini.

Méthodes d'analyse

– Goniopolarimétrie

Le récepteur RPWS/HFR est un récepteur goniopolarimétrique. Les mesures qu'il fournit permettent de remonter à la direction d'arrivée, la polarisation et le flux des ondes électromagnétiques observées. Les mesures de flux et de polarisation sont mises à disposition sur cette page.

En utilisant un modèle de champ magnétique, il est aussi possible de remonter à la position tridimensionnelle des sources radio aurorales de Saturne. Nous produisons ainsi des cartes de position de source radio aurorales qui sont comparées aux autres observations d'aurores de Saturne, comme celles obtenues avec le télescope spatial Hubble ou l'instrument UVIS de la sonde Cassini. Ces données devraient être mises en ligne prochainement.

– Bruit Quasi-thermique

Le récepteur HFR permet aussi de mesurer les paramètres locaux du plasma, lorsque la densité locale est suffisamment élevée. Ainsi, lors de chaque survol de Saturne, la sonde Cassini se rapproche de la planète et on voit apparaître la signature des effets de résonances entre l'antenne et le plasma ambiant, caractéristique du bruit thermique. Voir par exemple sur ce spectre dynamique, en dessous de 100 kHz.

RPWS/HFR sur Cassini

Baptiste Cecconi — 2010-12-01T09:53:49Z

L'expérience RPWS

L'expérience RPWS (Radio and Plasma Wave Science) est composée d'une série d'antennes et de senseurs qui peuvent être reliés à différents récepteurs. On dénombre ainsi 3 antennes électriques de 10m (dont 2 peuvent être couplées en un dipôle), un détecteur de champ magnétique triaxial et une sonde de Langmuir. Ils sont tous associés à des préamplificateurs spécifiques permettant d'ajuster les niveaux de sorties des senseurs aux niveaux d'entrées des récepteurs. Les mesures sont enregistrées à l'aide de 5 récepteurs :

HFR Un récepteur haute fréquence couvrant la gamme 3.5kHz-16.125MHz connecté aux antennes électriques.
WBR Un récepteur de forme d'onde (10 kHz ou 80kHz de bande passante) permettant l'acquisition à de la forme d'onde en utilisant les senseurs électriques ou magnétiques.
MFR Un récepteur moyenne fréquence couvrant la gamme 25Hz-12.6kHz associé à 1 senseur parmi 4 (2 magnétiques et 2 électriques).
WFR Un récepteur basse fréquence de forme d'onde couvrant la gamme 0.1Hz-2.5kHz mesurant simultanément trois axes magnétiques et deux axes électriques.
LP Le récepteur associé à la sonde de Langmuir.

Les mesures issues de ces 5 récepteurs sont transmises au DPU (Digital Processing Unit). Le DPU se charge de la partie numérique du traitement des données, sauf pour HFR qui intègre son propre DSP (processeur de traitement du signal). Le DPU prend aussi en charge l'interface avec les modules de télémesure de la sonde.

L'instrument RPWS/HFR

Le récepteur RPWS/HFR (appelé aussi Kronos dans la nomenclature du CNES) est un récepteur radio permettant l'acquisition de données spectrotemporelles dans la gamme 3.5kHz-16.125MHz. Les paramètres détaillés du récepteur sont décrits sur cette page, tandis que la méthodologie d'analyse (étalonnage, traitements) est décrite ici. Ce récepteur a été conçu puis construit au pôle plasma du LESIA. Il a hérité des techniques déjà développées dans ce laboratoire pour les récepteurs radio URAP (embarqué sur la sonde Ulysses) et Waves (embarqué sur la sonde WIND).

Une des particularités du récepteur HFR-Kronos réside dans sa capacité à effectuer des mesures goniopolarimétriques. Cela permet aux chercheurs de pouvoir retrouver, à chaque instant, la direction d'arrivée de l'onde (et donc la direction dans laquelle se trouve la source radio), le flux de l'onde et son état de polarisation (qui donne des informations sur les processus d'émissions et de propagation). Le fait que ce type d'analyse soit possible sur des mesures instantannées (la précision temporelle est de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes) est nouveau pour le domaine radio : le récepteur URAP de la sonde Ulysses permettait de faire de telles mesures, mais seulement en utilisant au moins 12 secondes de données successives (il fallait donc que l'émission observée reste stable pendant cette période).

Les données produites par ce récepteur radio sont extrêmement fructueuses. De nombreuses études ont été publiées par (ou en collaboration avec) l'équipe RPWS/HFR du LESIA sur la magnétosphère de Saturne mais aussi sur les éclairs d'orages de Saturne, sur l'interaction magnétique entre Saturne et ses satellites naturels (comme Titan et Encelade), mais aussi sur les magnétosphères de Jupiter, de la Terre, ainsi que sur les émissions radio solaires.

Contribution du LESIA et de ses partenaires

Pr. Donald A. Gurnett (University of Iowa, Iowa, USA) est le principal investigateur (PI) du projet.

Les instituts suivants ont été impliqués dans le développement de l'instrument RPWS et suivent le déroulement de la mission :

Université d'Iowa, USA.

LESIA / Observatoire de Paris, France.

LPP-CNRS-Ecole Polytechnique, France.

LATMOS-CNRS-IPSL, France.

Goddard Space Flight Center-NASA, USA.

Université de Minnesota, USA.

Institut de Recherche Spatiale d'Uppsala, Suède.

Université de Sheffield, Royaume-Uni.

Space Research Institute de Graz, Autriche.

Personnels scientifiques du LESIA impliqués dans RPWS/HFR (Mise à jour Juin 2014)
Personnels scientifiques du LESIA impliqués dans RPWS/HFR
Nom	Responsabilités
P. Zarka	Co-Investigateur
A. Lecacheux	Co-Investigateur
B. Cecconi	Co-Investigateur
L. Lamy	Co-Investigateur
A.-L. Gautier	Scientifique Associée
P. Schippers	Post-Doc
R. Prangé	Scientifique Associée
M. Moncuquet	Scientifique Associé
N. Meyer-Vernet	Scientifique Associée

De nombreuses personnes ont également participé au développement de l'instrument depuis les premiers plans vers la fin des années 80. Le tableau ci-dessous dresse une liste des personnes qui ont activement participé à la mise au point de l'instrument.

Personnels techniques du LESIA impliqués dans RPWS/HFR (Mise à jour Juin 2014)
Personnels techniques du LESIA impliqués dans RPWS/HFR
Nom	Responsabilités
B. Manning (décédé)	Concepteur et premier chef de projet
N. Monge (retraité)	Chef de projet, tests, intégration et étalonnages
D. Carrière (retraité)	carte analogique
P. Fédou	Logiciel de vol
L. Belmont	Logiciel de vol
C. Guériau	fabrication et approvisionnement
P.-L. Astier
M. Dekkali