Développement labo

OSIRIS

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Historique, contexte et enjeux

Le LOA développe et déploie depuis trente ans des instruments aéroportés dont des prototypes d'instruments destinés à voler dans l'espace à bords de satellites d'observation de la Terre. L'instrument OSIRIS, fruit de cette longue activité, est l'héritier de la version aéroportée de POLDER (de 1990 à 2001) et de l'exploitation des données des trois POLDER spatiaux à bord des plateformes ADEOS-I (1996-97), ADEOS-II (2003) et PARASOL (2004-2013). Ces travaux ont conduit, d'une part à valider le concept original, d'autre part à proposer des évolutions instrumentales afin d'étendre la couverture spectrale au proche et au moyen infrarouge, de 940 à 2200 nm. Ces évolutions ont permis de qualifier le concept instrumental pour l'avenir de l'observation spatiale. OSIRIS est aujourd'hui le prototype aéroporté des instruments 3MI qui voleront à bord des satellites européens MetOp-SG-A de 2022 à 2040 dans le cadre de Sentinel-5 / Copernicus. Cette participation à un programme opérationnel d'observation de la Terre depuis l'espace est la garantie de vingt années d'observations continues et cohérentes des aérosols et des nuages. L'originalité du concept instrumental permettra d'inverser des paramètres avancés (absorption et spéciation des aérosols, géométrie et microphysique des nuages), complexes (aérosols au-dessus des nuages, couches mixtes) ou encore à découvrir...

Description de l'instrument

OSIRIS est composé de deux têtes optiques distinctes et autonomes -> lien sur vue 3D de l'instrument, dédiées l'une à l'observation du domaine visible et proche infra-rouge (de 440 à 940 nm -> lien sur spectre visible), l'autre à l'observation du domaine proche et moyen infra-rouge (940 à 2200 nm -> lien sur spectre SWIR). Chacune des têtes optiques est composée :

  • d'une optique grand-champ (VIS et SWIR)
  • de deux roues porte-filtres, l'une recevant les filtres spectraux, l'autre les analyseurs
  • d'un capteur 2D (résolutions respectives, techno, ...)

Bande spectrale de la tête visible

Bande spectrale de l'infrarouge

Tableau des caractéristiques des polariseurs

Chacune des têtes enchaîne les prises de vue séquentiellement avec une combinaison librement programmable des filtres spectraux et polarisés grâce à la rotation des roues, opérée par des moteurs pas à pas. Pour chaque bande spectrale, il est ainsi possible de faire une mesure de la luminance totale, ou de la composante polarisée de la luminance en combinant trois mesures réalisées avec trois polariseurs orientés à 60° entre eux. Les trois mesures polarisées ne sont donc pas simultanées, ce qui n'est pas sans conséquence sur les traitements à opérer sur les données... L'enchaînement des combinaisons (bande spectrale / polariseur) programmé a une durée variable (typiquement de quelques secondes) selon la séquence choisie et le temps d'intégration fixé pour chaque mesure (soit manuellement lors de la programmation de la séquence, soit avec une méthode d’ajustement automatique qui permet de l’adapter en fonction de la scène visée). Cet enchaînement, qui inclut une à deux mesures d'obscurité grâce à un obturateur présent sur chaque roue polariseur, est ensuite répété tout le long du vol...

Ces mesures sont complétées, en vol, par des mesures d'attitude et de localisation à une fréquence de 5 Hz, obtenues grâce à deux centrales inertielles et à un capteur GPS.


Principe de prise de vue
Caractérisation et modèle radiométrique

Afin de convertir les comptes-numériques (CN) délivrés par l'instrument en luminances normalisées, polarisées ou non, une caractérisation détaillée et approfondie doit être menée à bien, en s'appuyant :

  • sur des mesures en laboratoire, selon divers protocoles
  • sur des traitements des données issues des mesures en laboratoire
  • sur des mesures en vol dans des situations favorables afin de contrôler les paramètres inversés avec les mesures en laboratoire

Les protocoles de mesure en laboratoire sont conçus et définis à partir des paramètres du modèle radiométrique de l'instrument. Ce modèle permet de convertir la grandeur physique en entrée de l'instrument (luminance) en comptes numériques délivrés par l'instrument. Une fois caractérisé chacun des paramètres du modèle radiométrique, il faudra inverser le modèle pour chaque pixel, c’est à dire passer du compte numérique enregistré à la luminance observéeC'est la chaîne de traitement de niveau 1 qui réalise, parmi d'autres choses, cette inversion...

De par la complexité de l'instrument et la nature des grandeurs physiques observées, le modèle radiométrique d'OSIRIS est assez détaillé, et nécessite de mesurer un grand nombre de paramètres. La forme analytique interactive ci-dessous détaille le modèle ainsi que les paramètres associés comme les grandes lignes du protocole de mesure et de traitement déployé pour les mesurer :

Les campagnes de mesure

Ces cinq dernières années, l'instrument OSIRIS a participé à trois grandes campagnes de mesures à bord du Falcon 20 géré par SAFIRE (Service des Avions Français Instrumentés pour la Recherche en Environnement, infrastructure du CNRS-INSU/CNES/Météo-France). Chaque campagne s'est déroulée sur une à trois semaines, à raison d'un à deux vols par jour. L'avion vole à une altitude approximative de 10 000 m, à une vitesse constante d'environ 200m/s, le long de grands axes en ligne droite (des « branches »).

Les campagnes peuvent être génériques, ou dédiées à l'étude de processus particuliers. D'autres instruments fonctionnent en général en synergie avec OSIRIS, à bord de l'avion et parfois au sol.

Pour le LOA, les données récoltées à l'occasion de ces campagnes de mesures sont l'occasion à la fois de qualifier l'instrument, de contrôler l'étalonnage en vol, mais également d'étudier des mécanismes fins en utilisant les caractéristiques uniques d'OSIRIS. Enfin, c'est également l'occasion de développer de nouveaux algorithmes de détermination des caractéristiques des nuages et des aérosols dans la perspective du développement des algorithmes de traitement des données 3MI.

CHARMEX (2013)

La campagne Charmex 2013 a eu lieu en Sicile en juin / juillet 2013, à l'occasion d'une campagne de mesure européenne dans le cadre du programme d'étude des aérosols à l'échelle de la méditerranée CharMEx
http://charmex.lsce.ipsl.fr/
Cette campagne est marquée par de nombreux vols par temps clair au-dessus de la mer.

Traces des vols pendant la campagne CharMEx (juillet 2013)

Image en lumière polarisée au dessus de nuages épais, avec le transect dans le plan principal en luminance pour les trois longueurs d'ondes utilisées. On observe l'arc en ciel ainsi que la diffusion par les molécules au dessus du nuage.

La même scène observée par la tête infra-rouge ; de nombreux pixels morts émaillent l'image (défaut du capteur SWIR).

Illustration d'une scène claire le long de la côte, après la registration (recalage) spectrale.

CALIOSIRIS (2014)

La campagne Caliosiris 2014 a eu lieu à Toulouse en octobre 2014. C'est une campagne conjointe avec le Lidar aéroporté LNG du Latmos. Cette campagne est marquée par de nombreux vols au-dessus de nuages, au-dessus du golfe de Gascogne ou de la Méditerranée.

Traces des vols pendant la campagne Caliosiris (octobre 2014)

Image lors du passage au dessus d'un front de nuages fractionnés. Le plan principal est parallèle au front, avec le glitter en haut de l'image (le soleil est assez bas sur l'horizon).

Image monochromatique en lumière polarisée dans le proche infra-rouge (arc en ciel)

Image en lumière polarisée dans le visible ; la scène est complexe, on observe le glitter à droite (sans nuages), le trait de côte, et l'arc en ciel à gauche (au dessus des nuages)

AEROCLO (2017)

La campagne Aéroclo-sA a eu lieu en Namibie en aout/septembre 2017. C'est une campagne internationale de mesure dédiée à l'observation des aérosols caractéristiques de cette région (désertiques et/ou de combustion, parfois au-dessus des nuages).

Traces des vols pendant la campagne Aeroclo (septembre 2017)

Vols d'OSIRIS pendant la journée du 6 septembre 2017. L'image de fond est une observation spatial (VIIRS). On mesure l'intérêt de la mesure polarisée pour observer l'atmosphère en minimisant la perturbation de la surface terrestre (double image en lumière naturelle et polarisée)

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).

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