Proposition de thèse de Klein L.

Proposition de thèse de Klein L.
Proposant
Nom : Klein L.
E-mail : [email protected]
Téléphone : 01 45 07 77 61
Laboratoire : LESIA
Code d'unité : UMR 8109
Adresse : Observatoire de Meudon, Bat. 14
Statut : Astr
Co-proposant
Nom : da Silva Bruno
E-mail : [email protected]
Téléphone : 02 48 51 88 02
Laboratoire : USN Nançay
Code d'unité :
Adresse : Station de radioastronomie, 18330 Nançay
Statut : IR
Thèse
Numéro : 66
Titre : Numérisation rapide d'un système synchronisé d'antennes radio multi-réparties tel que le
Radiohéliographe de Nançay
Résumé :
Imagerie radio et relations Soleil-Terre
L'impact du Soleil sur l'Héliosphère provient de phénomènes variés:
1.Les trous coronaux, au travers du vent solaire rapide, créent dans le milieu interplanétaire des régions
d'interaction qui balaient périodiquement la Terre et engendrent des orages géomagnétiques récurrents.
2.L'activité éruptive du Soleil crée des perturbations – éjections de masse, ondes de choc, particules chargées
de haute énergie – qui traversent le milieu interplanétaire et peuvent interagir avec le champ magnétique ou la
haute atmosphère terrestres.
La compréhension des relations de cause en effet est un sujet de premier plan de la physique héliosphérique
actuelle. Il a motivé des projets majeurs des dernières années comme les missions SoHO de l'ESA et
STEREO de la NASA, avec une forte participation Européenne et en particulier Française. Le projet Solar
Orbiter de l'ESA va dans quelques années envoyer une sonde sur une orbite avec périhélie près du Soleil (0,3
UA). Elle constitue un pas en avant majeur, car elle prendra des observations in situ de perturbations solaires
bien moins altérées par la propagation interplanétaire qu'à 1 UA. Pour assurer ses objectifs scientifiques, le
projet aura besoin d'observations des régions d'origine des perturbations dans la couronne solaire. Elles
seront en partie faites par des instruments embarqués. Mais la spectro-imagerie radio au sol fournit des
diagnostics uniques, en exploitant un mécanisme simple d'émission de la couronne calme (rayonnement de
freinage) et puisqu'elle est sensible aux populations non thermiques d'électrons accélérées lors des
événements éruptifs, donc aux processus de libération d'énergie.
Le Radiohéliographe de Nançay (NRH)
C'est actuellement le seul imageur radio dédié à l'observation de la couronne solaire dans la gamme de
fréquence 150 – 450 MHz. Cette gamme correspond à une zone de l'atmosphère solaire où se fait la
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connexion entre la basse couronne, à l'origine de l'activité éruptive, et le milieu interplanétaire. Les
observations quotidiennes sont mises à la disposition de la communauté solaire internationale, qui les utilise
intensivement (plus de 100 évènements téléchargés par an). Depuis plus de 20 ans, le NRH est à l'origine de
nombreux résultats sur l'accélération des particules, le démarrage et la propagation des éjections de masse
coronales, l'injection de particules dans le milieu interplanétaire, la propagation des ondes de choc dans la
couronne, les structures magnétiques à grande échelle dans la couronne... Ses capacités seront un atout
précieux à l'exploitation de Solar Orbiter et aussi de la sonde Solar Probe de la NASA, et sont une forte
motivation pour le maintenir en service, en l'améliorant, pour la durée prévue de ces deux missions spatiales.
Le Radiohéliographe possède 48 antennes, qui sont combinées en 648 interféromètres (bientôt 1128). Les
images sont obtenues par une transformation de Fourier sur les sorties des interféromètres, et des opérations
de déconvolution. La conception de l'instrument, relativement ancienne, tient compte des besoins de la
physique solaire : bonne qualité d'image instantanée, faible temps d'intégration (moins de 100 ms), réception
de signaux très variables en présence de brouilleurs puissants (haute dynamique) et observation quasi
simultanée d'un ensemble de fréquences qui couvre raisonnablement la bande totale. Elle accuse cependant
maintenant son âge: les différentes fréquences sont observées en commutation temporelle, d'où une perte de
sensibilité, et la stabilité générale de l'instrument, satisfaisante pour l'observation de sursauts, atteint ses
limites quand on veut faire des images très précises de l'émission thermique du plasma coronal.
Plusieurs solutions sont envisageables pour améliorer l'instrument, au moins sur ces deux points. La plus
novatrice (numérisation directe du signal au pied des antennes) fait l'objet de cette proposition de thèse. Cette
solution nécessite des études sur plusieurs points, dont la synchronisation des horloges d'échantillonnage sur
des antennes distantes et la maîtrise du brouillage du signal antenne par l'électronique numérique proche.
L'étude à mener pour cet instrument aura a priori des retombées pour tout type d'interféromètre futur.
Objectifs et justifications de la proposition de thèse
Le but de cette proposition de thèse est d’explorer un nouveau concept technique propre à la radioastronomie
du futur, appliqué à l’interférométrie solaire. Cette étude porte sur la numérisation rapide d’un système
synchronisé en sortie d’antennes multi-réparties tel que le Radiohéliographe.
En interférométrie métrique, la transmission du signal analogique ou d'oscillateurs locaux par des câbles
coaxiaux ou des fibres optiques de grande longueur est toujours source d’erreurs et de fluctuations
importantes des chaines de réception radio-fréquence, de dynamique de la transmission. Elle a de plus un
coût élevé. La numérisation du signal en pied d'antenne peut résoudre ces problèmes. Elle est actuellement un
sujet d'étude pour les futurs radiotélescopes. Elle permettrait de simplifier les chaînes de réceptions radiofréquences, d’en diminuer la consommation électrique ainsi que les coûts d’entretiens et de maintenance.
L'application à l'observation du Soleil comporte cependant des contraintes originales, comme la grande
dynamique des signaux, qui ne sont pas prises en compte dans les études en cours pour les radiotélescopes
futurs. Le concept de numérisation et synchronisation multi-réparties constitue cependant un socle commun à
tout projet instrumental pour la radioastronomie moderne. Le saut technologique ainsi induit est un enjeu
grandissant dans des grands projets européens et internationaux.
Ce saut passe obligatoirement par une étude système, puis la validation des concepts par un prototype
d'interféromètre simplifié. Une étude des solutions adoptées dans les instruments construits ou à l'étude sera
menée, pour comparer les avantages des différentes conceptions.
Nature du travail : instrumentation,
Financements envisagés : LABEX,
LABEX, ANR, autres (préciser) : ESEP
Financement européen :
Moyens techniques à mettre en œuvre pour la réalisation de la thèse (instruments, code numérique, etc...) :
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Le travail de thèse commencera par une étude système s'appuyant sur des simulations. Le système de
réception comprend de nombreux éléments décrits ci dessous :
Les paraboles du Radiohéliographe contiennent 2 dipôles à 2 polarisations, ces dipôles couvrent
respectivement les gammes de fréquence 150 – 250 et 250 – 450 MHz.
Chaque dipôle devra d’abord amplifier en dégradant au minimum le rapport signal sur bruit (LNA: Low Noise
amplifier). Afin de différencier les dégradation du S/B (facteur de bruit) de la chaîne RF de celles dues à la
précision de la remise en phase pour compenser la différence de marche entre antennes, il sera bon de
prendre en compte les impédances des antennes qui font varier le facteur de bruit des LNA. La station de
radioastronomie de Nançay est équipée d’instruments de mesures de pointe pour cette caractérisation précise.
Les filtres seront choisis en fonction des mélangeurs. Ces derniers dépendront d’une étude initiale en fonction
du choix des convertisseurs analogiques numériques (ADC). L’étude de la dynamique des ADC est contrainte
par les fortes variations de puissance lors de la réception des éruptions solaires et émissions parasites. Cela
permettra d’identifier une solution système parmi celles issues des grands principes de numérisation sans
mélange ou en bande de base. Cette problématique apparaît actuellement dans les projets internationaux.
Les données numériques issues des ADC sont sérialisées et transmises sur des fibres optiques. Le nombre de
fibres et la vitesse de transmission feront l'objet d'un compromis entre les besoins et le coût des transmetteurs
standards à 10bits/s. La synchronisation de la fréquence d’horloge des ADC ainsi que la datation des données
numériques s’appuiera sur une étude actuellement coordonnée par la station de radioastronomie de Nançay.
Le labex FIRST-TF finance cette étude, qui est en partenariat avec le laboratoire UTINAM de Besançon et la
PME Gorgy Timing au profit des réseaux phasés denses pour SKA.
Il faudra donc étudier tous ces éléments au cours de la thèse, les points les plus délicats étant la
synchronisation des horloges d'échantillonnage sur des antennes distantes et la maîtrise du bruit que cette
électronique pourrait injecter dans les antennes. La grande dynamique nécessaire constitue une difficulté
supplémentaire.
Les simulations seront faites à l'aide de logiciels dédiés tels que ADS ou SystemVue d'Agilent. La validation du
concept pourra être faite avec au moins 2 chaines de réception simplifiées (une seule bande de fréquence et
une seule polarisation) et un backend éventuellement réduit à un corrélateur logiciel.
Le projet proposé s'inscrit-il dans le cadre d'un grande projet national, européen ou international ?
Indirectement - soutien au sol de la mission Solar Orbiter de l'ESA
Envisagez-vous une co-tutelle ? non
Si oui, avec quel laboratoire :
Avec quelle université d'inscription :
Le sujet peut-il être proposé à un étudiant Chilien, dans le cadre de l'accord CNRS CONICYT ? oui
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