7 Octobre 2014

Instrument

Le rôle de l'instrument embarqué T2L2 est de détecter puis de dater l'instant d'arrivée d'impulsions laser émises depuis les stations de télémétrie au sol. Pour cela, il réalise les opérations suivantes :

  • Mesure du flux d'albédo terrestre afin de déterminer le niveau résiduel de bruit lumineux en dessous duquel il ne sera pas possible de discerner une impulsion laser et d'ajuster en conséquence le seuil de détection de l'impulsion,
  • Détection d'une impulsion, c'est-à-dire d'un signal lumineux qui se détache suffisamment du bruit ambiant,
  • Mesure de l'énergie lumineuse associée à l'impulsion laser,
  • Génération, à partir du signal lumineux, du signal électrique à dater,
  • Datation grossière et fine du signal électrique dans la base de temps locale de l'instrument.

Pour réaliser cela, l'instrument T2L2 repose sur trois fonctions principales :

  • Un dispositif de détection linéaire, architecturé autour d'un photo détecteur utilisé en mode gain linéaire, qui assure tout à la fois la mesure du flux d'albédo terrestre, la détection de l'impulsion lumineuse et la mesure de son énergie,
  • Un dispositif de détection non linéaire, architecturé autour d'un photo détecteur utilisé en mode Geiger, qui assure la conversion du pulse laser en pulse électrique,
  • Un dispositif de datation composé d'un compteur binaire et d'un vernier électronique qui assure les datations grossières et fines du signal électrique. Ce dispositif est synchronisé par une horloge externe à 10 MHz.

Le tout est complété par une électronique de servitude qui assure le contrôle du fonctionnement de l'instrument, la collecte des données scientifiques et de surveillance, la communication avec le satellite et la génération des tensions d'alimentation.

Il en découle l'architecture de l'instrument T2L2 décrite dans la Figure ci-dessous. Nous y retrouvons les deux principaux éléments :

  • L'ensemble optique comprenant deux boîtiers "Voie Non Linéaire" et "Voie Linéaire", intégré sur une platine qui supporte aussi les éléments du contrôle thermique actif. Il est positionné à l'extérieur du module charge utile, à l'extrémité d'un mât et en regard de la Terre.

  • Le boîtier électronique, placé à l'intérieur du module charge utile sur le même mur que l'instrument DORIS auquel il est relié via le signal d'horloge à 10 MHz.

Architecture instrument
Architecture instrument

L'ensemble optique de l'instrument T2L2 se décompose en trois éléments :

  • Le boîtier optique de la voie non-linéaire qui collecte et filtre une partie de l'impulsion laser et la transporte, via une fibre optique vers le boîtier électronique. Il abrite l'optique de collection de l'impulsion laser, qui possède un champ de vue de ± 55 °, et d'injection de la fibre optique.
  • Le boîtier optique de la voie linéaire qui collecte et filtre une partie de l'impulsion laser vers le photo-détecteur linéaire qui assure la mesure du bruit solaire et la génération des signaux nécessaires à la détection et à la mesure de l'amplitude de l'impulsion. Il comprend l'optique de couplage et l'électronique de proximité du photo détecteur. Cette électronique assure la mise en forme des signaux électriques.
  • Les éléments du Contrôle Thermique Actif, thermistances et réchauffeurs, nécessaires au maintien des boîtiers optiques dans leur gamme de température nominale de fonctionnement. Ces éléments sont pilotés directement par la plate forme PROTEUS.

Boâtier voie lineaire  Boâtier voie non lineaire
Boîtiers optiques de T2L2 (© SESO)

Il existe une contrainte de co-alignement de ces deux boîtiers à 0,1°. Il faut de plus assurer que le rapport entre le flux reçu par la détection linéaire et le flux reçu par la détection non linéaire reste constant (à 10% près) quelles que soient l'incidence du flux lumineux et l'orientation de sa polarisation.

Le principe de fonctionnement qui repose sur l'utilisation du LRA, déjà implanté sur Jason-2, nécessite de positionner les boîtiers optiques au plus près du LRA. Ensuite, l'attitude du satellite devra être prise en compte lors des calculs de transfert de temps pour compenser la différence de chemin optique entre la station laser et le point de référence optique du LRA d'une part et le point de référence de datation du boîtier optique non linéaire d'autre part.

Ensemble optique T2L2
Ensemble optique T2L2

Le boîtier électronique de l'instrument T2L2 se décompose en 4 éléments :

  • Le Module Optique reçoit la lumière collectée par le boîtier optique de la voie non linéaire et la focalise sur le photo détecteur non linéaire. Il est constitué d'un ligne à retard optique, fibre optique enroulée sur un touret, et d'une optique de couplage du photo détecteur. Afin de garantir un bon rapport signal sur bruit, cette optique est équipée d'un filtre interférentiel étroit, 2 nm, centré autour de la longueur d'onde du laser.
  • L'Electronique de Détection pilote le fonctionnement des deux photo détecteurs, ajustement du seuil de détection, déclenchement du photo détecteur non linéaire, et assure le traitement des signaux électriques, mesure de l'énergie en particulier, qui en sont issus.
  • L'Electronique de Datation, cœur de l'instrument T2L2, est organisée autour d'un compteur logique et d'un vernier qui assurent la datation grossière et fine des événements, optiques ou électriques, détectés par l'instrument. Le compteur comme le vernier sont pilotés par une horloge synthétisée à partir du signal 10 MHz fourni par l'horloge externe constituée par l'OUS DORIS. Cette électronique gère aussi l'ensemble du processus de calibration interne de l'instrument.
  • L'Electronique de Servitude regroupe les fonctions de gestion de l'instrument, pilotage des fonctions de datation et de détection, acquisition des données de datation, numérisation des télémesures, communication avec le satellite, de la distribution de l'énergie, à partir de 28 V Jason-2.

Boitier electronique
Boîtier électronique (© Erems)