PLASMA 3

Objectifs scientifiques

Le LOA propose l’étude et la fabrication d’une nouvelle monture robotisée qui permettra la réalisation d’un photomètre mobile de nouvelle génération : PLASMA-3. La mesure et l’étude de la variabilité des aérosols sont parmi les objectifs scientifiques du LOA et sont également au cœur de missions du SNO PHOTONS / AERONET-EARLINET servant une large communauté.
Depuis plusieurs années, le LOA développe et valorise une nouvelle classe de photomètre mobile PLASMA (Photomètre Léger Aéroporté pour la Surveillance des Masses d’Air) intégré sur les avions de recherche français (Falcon et ATR-42) ainsi que sur le système mobile terrestre (MAMS). Cette première version permet la mesure de l’AOD (épaisseur optique aérosols) spectrale au cours du mouvement du vecteur la portant. Elle ne permet pas, cependant, la mesure de la luminance atmosphérique descendante directionnelle, indispensable pour atteindre l’absorption des aérosols par exemple. Elle n’est pas étanche, ce qui complique sa mise en œuvre opérationnelle. Les prototypes PLASMA 1/2 ont pris part à de nombreuses campagnes scientifiques (CHARMEX, AEROCLOSA, MOABAI, FIREX-AQ) et aux préparations et validation de missions spatiales. L’amélioration des performances, l’accroissement des capacités de mesures et la nécessité de pouvoir équiper plusieurs types de vecteurs, y compris les bateaux, ont incité le LOA à conduire 2 nouveaux développements instrumentaux parallèles.

Pour répondre au besoin d’observation automatiques sur bateau, le LOA a modifié, en partenariat avec CIMEL, le photomètre commercial CE318T, pour lui permettre de fonctionner sur vecteurs lents comme les bateaux. Le Marion Dufresne est ainsi instrumenté fin 2020 dans le cadre du projet MAP-IO. Ce système utilise un robot standard CIMEL, malheureusement trop lent pour des vecteurs plus rapides comme avion et voiture.
Le LOA a donc envisagé une évolution de PLASMA sur la base d’un nouveau robot portant, cette fois, un tête optique photométrique standard et commerciale CIMEL. L’intérêt de cette approche est d’utiliser toutes les capacités du photomètre CIMEL pour les mesures d’AOD de jour, de nuit, et les luminances angulaires et spectrales atmosphériques. Un prototype de ce robot a été réalisé en impression 3D, en 2019, avec des fonds propres et un support des programmes IDEAS et QA4EO (Quality Assurance for Earth Observation) de l’ESA qui soutiennent le LOA sur ces activités de préparation Cal/Val. L’intégration de la tête CIMEL et de l ‘électronique de commande a été menée à bien en 2019, si bien que le premier prototype de PLASMA 3 est bientôt disponible pour les premières mesures et évaluation du concept.

Les missions spatiales (CNES, ESA, EUMETSAT, par exemple 3MI) bénéficieront de campagnes de validation intégrant ces photomètres mobiles. Le LOA a proposé une activité pilote sur la photométrie mobile dans H2020/ACTRIS-IMP. Ces développements sont intégrés dans les activités du Laboratoire Commun AGORA (Aerosol & Gas Optical Remote Analysis – Laboratory), en cours de signature entre l’université de Lille, le CNRS et CIMEL.
Le soutien de la DT-INSU est nécessaire pour réaliser un premier prototype industriel de ce robot qui intéresse le LOA et ses collaborateurs dans le cadre de l’IR ACTRIS. Le succès de ce projet ouvrira le marché de la photométrie mobile à CIMEL.

Description technique

Le premier démonstrateur de PLASMA 3 en impression 3D fonctionne, en mode débuggage, depuis juillet 2019.
Ses principales fonctions seront de :

• Suivre le Soleil (et la Lune) pour réaliser des mesures de l’épaisseur optique aérosols au standard AERONET/ACTRIS.
• Fonctionner sur une voiture, soit avec une réactivité correspondant aux mouvements, vibrations et vitesses d’un véhicule de manip.
• Réaliser des mesures de luminance atmosphérique directionnelle (géométrie de l’almucantar) avec une incertitude de position angulaire de l’ordre du degré.

Le concept envisagé rassemble 3 éléments :

• La tête optique (CE318T) fabriquée par CIMEL et homologuée par le réseau AERONET
• Une central GPS et inertielle type avion (ELLIPSE2D SBG) donnant des coordonnées très précises et une attitude de l’ordre 0.2°
• Le robot tracker de versions antérieures de PLASMA.

Les éléments assemblés ne remplissent pas encore le cahier des charges. Ce premier prototype ne pointe pas correctement et l’asservissement demande à être plus fin malgré la bonne précision de la centrale. En 2020, différentes stratégies (mécanique et électronique) ont été testées avec l’équipe instrumentation du LOA pour améliorer le concept. Fin 2020, courant 2021, il est prévu de tester et valider ce démonstrateur 3D à l’aide de notre système mobile MAMS. Une application web et serveur, STRAP (Système de Traitement des AOD de PLASMA), est aussi en développement au LOA (projet informatique). L’objectif est de traiter en temps réel les données de PLASMA. Elle sera finalisée en 2021.

Une fois ce démonstrateur validé, Le LOA souhaite que la DT réalise une version ayant une meilleure précision fonctionnant sur tous vecteurs de manière autonome. En quelque sorte l’instrument devra fonctionner dès que l’avion, la voiture, le bateau, … se déplacent. Deux objectifs ont été ciblés.
Il faudrait rendre l’instrument complétement étanche. C’est le principal défaut des versions PLASMA 1 et 2. Le démonstrateur PLASMA-3 a la tête CIMEL étanche mais ne gèrera pas les projections d’eau sur les optiques. Dès qu’une goutte d’eau contamine la lentille solaire la mesure est faussée (même après séchage -dépôts-). Sur la version mobile pour bateau le LOA évacue les embruns par surpression dans les collimateurs optiques. Sur la version 3D il est prévu une position de parking (non étanche) qui masque les optiques au repos lorsque les conditions météo ne sont pas propices pour les mesures. Le but est de trouver une solution mixte qui gère les projections accidentelles avec un flux d’air et une position de parking étanche.
Le 2ème objectif est de construire une tête aérodynamique comme les premières versions de PLASMA fonctionnant sur les avions de SAFIRE. Il faudrait concevoir un instrument pouvant être installé comme équipement de base sur les avions. L’idée est que l’instrument puisse fonctionner pour chaque vol. Une conception robuste, certifié et standard est demandé pour les 2 types d’avions (ATR, Falcon ou son successeur).

Contact DT : Nicolas Geyskens
Contact demandeur : Luc Blarel