Autres instruments

Radiomètre infrarouge thermique

Mesure des luminances infrarouges

Vous pouvez consulter l'ensemble de la base sur la page suivante.

Les radiomètres multispectraux TIR CLIMAT (Conveyable Low-noise Infrared radiometer for Measurements of Atmosphere and ground surface Targets) permettent la mesure des luminances infrarouges émises par différentes cibles dans plusieurs canaux spectraux (jusqu’à six) situés dans la fenêtre atmosphérique 8-14 µm. Le concept et la qualification de ces instruments est le fruit d’un partenariat entre le LOA (M. Legrand et G. Brogniez) et l'entreprise CIMEL (Jean-Pierre et Nicolas Buis) qui s’est également chargée de leur construction, de leur mise au point et de leur commercialisation. L’instrument a été a été présenté dans deux thèses d’Université (Abuhassan, N., 1995 ; Pietras, C., 1996), ainsi que dans trois publications dans des revues de rang A (Sicard et al., 1998 ; Legrand et al., 2000 ; Brogniez et al., 2003).
Il existe deux types d’instruments : Les instruments aéroportés (CE332) et les instruments de terrain (CE321T et CE312).

  • Les instruments aéroportés : Ils comportent trois cavités, chacune ayant leur optique propre. Les mesures dans leurs trois canaux spectraux sont alors effectuées en simultanéité.
  • Les instruments de terrain : Ils ne sont munis que d’une seule cavité optique devant laquelle tourne un barillet porte-filtres prévu pour pouvoir comporter jusqu’à six filtres interférentiels. Les mesures sont alors effectuées de manière successive.

CE332

CE312

CE312T

Le radiomètre CE332 fait partie de l’instrumentation de base des avions F20 et ATR-42 de l’UMS SAFIRE. Il est installé sur les deux avions en visée vers le bas.

Illustration de l'installation d’un radiomètre CE312T sur le terrain.

Visée du corps noir de contrôle

Visée ciel (angle zénithal : 45°)

La luminance spectrale mesurée peut-être convertie en température de brillance de la cible visée (le ciel, les nuages, la surface terrestre, océanique, etc., selon les applications). Pour l’observation du ciel, le rayonnement émis dans chaque canal dépend de la température de l’atmosphère, de la présence de nuages et d’aérosols, de leurs abondances et de leurs propriétés. Les applications possibles sont diverses ; dans le domaine de la physique atmosphérique, on peut rappeler la détermination de la température de surface de la mer en mode aéroporté, l’étude des cristaux de glace dans les cirrus et des particules minérales constituant les panaches de poussière désertique (Brogniez et al. 2004 ; Pancrati, 2003).
Aujourd’hui, la synergie avec des mesures lidar et radiométriques (Hemmer et al. 2018) permet d’accroître en quantité et en qualité les informations sur les propriétés des cirrus, comme l’obtention du profil de contenu en glace. Une analyse combinée des observations radiométriques, lidar et photométriques (AERONET) peut également améliorer notre compréhension des propriétés de la poussière désertique (Derimian et al., 2017).

L’optique de ces radiomètres est conçue suivant le principe de Köhler, qui permet de définir le champ optique (FOV) de façon rigoureuse (la contribution radiative d’un élément extérieur à ce champ est nulle). Le FOV est de 3.5° pour les radiomètres CE332, il est de 10° pour les radiomètres CE312 et CE312T. Cette conception assure également l’absence de vignettage (flux uniforme sur le détecteur), évitant les points chauds et empêche ainsi les biais (car la sensibilité du détecteur n’est pas uniforme sur toute sa surface). Cette optique est placée dans une cavité thermiquement isolée dont la température est monitorée.

Les radiomètres CE332 possèdent trois canaux étroits notés C09, C11 et C12, respectivement centrés à 8.7 µm, 10.8 µm et 12.0 µm. Leur bande passante spectrale est d’environ 1 µm FWHM. Les radiomètres CE312 et CE312T possèdent en plus un canal large, noté W, couvrant le domaine 8-14 µm.

Les radiomètres sont munis de détecteurs thermiques (thermopile) de détectivité élevée indépendante de la longueur d’onde. En terme de température de brillance, le bruit de la mesure est typiquement de 0.03 K dans chaque canal.

La Figure ci-dessous schématise la tête optique de l’instrument. Le détecteur est placé au fond de la tête optique dont la température est mesurée au moyen d’une sonde au platine. La lame ZnSe permet de s’assurer du rejet du rayonnement extérieur des longueurs d’onde supérieures à 15 µm.



Schéma de la tête optique des radiomètres CE312 ou CE312T
Banc d’étalonnage radiométrique

Le radiomètre fourni des mesures exprimées en comptes numériques. La transformation de ces comptes numériques en données physiques (températures de brillance ou luminances) nécessite un étalonnage utilisant un corps noir de référence.
Le corps noir de référence consiste en une petite ouverture dans une cavité fermée. Les dimensions de la cavité sont optimisées de façon à ce que tout rayonnement qui pénètre dans la cavité s’y trouve piégé. Lorsque l'équilibre thermodynamique est atteint, le rayonnement émis par l’ouverture est alors uniquement fonction de la température de la cavité (Loi de Stefan-Boltzmann). La conception de ce banc d’étalonnage (principe du système, optimisation des dimensions internes du corps noir, la réalisation et l’installation du système), ont été effectués au LOA (G. Brogniez, 1992).
Du point de vue de la réalisation pratique de ce banc d’étalonnage de conception originale, le principal problème qu’il a fallu résoudre est celui du dépôt de givre sur les parois du corps noir lorsque celui-ci est porté à très basse température. Pour y remédier, le corps noir a été placé dans un caisson thermiquement isolé.

(i) Un flux d’air est préalablement asséché grâce à premier refroidissement (passage dans siphon baignant dans un liquide réfrigéré).

(ii) Il est ensuite fortement refroidit par son passage dans un serpentin plongeant dans un vase Dewar empli d’azote liquide.

(iii) Il est enfin envoyé depuis le bas du caisson de façon à chasser l’air humide du caisson. Ce flux d’air permet au corps noir d’atteindre des températures très basses (de l’ordre de -100°C) sans apparition de dépôt de givre.

(iv) Pour les températures positives, un manchon chauffant par effet Joule est placé autour du corps noir.

1. Principe de la mesure

La réponse de l’instrument, en comptes numériques (CN), est linéaire avec l’intensité du rayonnement reçu au niveau du détecteur. Les radiomètres étant munis d’un miroir doré escamotable, la mesure s’effectue en deux temps :

  • 1. Mesure en position ‘Optique ouverte’ (visée source) :
  • 2. Mesure en position ‘Optique occultée par le miroir’ ou ‘Mesure cavité’ dite ‘Référence radiométrique’ :
  • 3. La luminance normalisée émise par la source se déduit des deux mesures précédentes (pos. 1 - pos. 2) et on déduit :

    Luminance normalisée issue de la source dans le canal ’i’ et reçue par le détecteur

    Luminance normalisée émise par le détecteur dans le canal ‘i’.

    Différence entre les comptes numériques ‘miroir ouvert’ – ‘miroir fermé’

    Sensibilité du radiomètre dans le canal ‘i’.

2. Étalonnage de l’instrument

La tête optique est placée devant le corps noir de référence dont la température TBB est variable. Pour chaque température du corps noir, l’intensité incidente sur le détecteur dans le canal ‘i’ s’écrit :

TcL est la température de la cavité. La sensibilité σi dépendant de la température, l’étalonnage doit s’effectuer en maintenant TcL le plus constant possible.

La sensibilité dans ce canal s’en déduit après une régression linéaire portant sur toutes les températures TBB du corps noir relevées lors de l’étalonnage :


Exemple de résultat de détermination des sensibilités (obtenue avec un radiomètre CE312T)
À PROPOS DU LABORATOIRE

Le Laboratoire d'Optique Atmosphérique est une Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l'Université de Lille - Sciences et Technologies, spécialisée dans l'étude des nuages, des aérosols, de leurs précurseurs et de leurs impacts environnementaux (climat, pollution).

Mentions légales
NOUS CONTACTER
LOA UMR 8518
UFR de Physique - Bâtiment P5
Université de Lille
59655 Villeneuve d'Ascq Cedex
03 20 43 45 32 / 03 20 33 62 98
© 2015-2019 Laboratoire d'Optique Atmosphérique, Tous droits réservés.