Des magnétomètres scalaires pour l'observation de la Terre ?

Présentation de Jean-Michel Léger (CEA/Leti) au Workshop "Instrumentation Géophysique" | 3-5 juillet 2017, Brissac

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1. Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 DES MAGNÉTOMÈTRES SCALAIRES POUR L’OBSERVATION DE LA TERRE
2. | 2 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 Le champ magnétique terrestre et ses méthodes d’observation Conclusion Adaptation aux observatoires magnétiques Déclinaison vectorielle absolue Le magnétomètre à pompage optique de l’hélium Les magnétomètres scalaires au cœur des mesures
3. | 3 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 LE CHAMP MAGNÉTIQUE TERRESTRE, SUPERPOSITION DE DIFFÉRENTES SOURCES Les sources externes à l’origine des variations rapides du champ magnétique terrestre Les sources internes à l’origine de la structure principale du champ magnétique terrestre
4. | 4 Nom événement | Nom Prénom | Date SPECTRE FRÉQUENTIEL DU CHAMP MAGNÉTIQUE Seules les très basses fréquences sont susceptibles d’être d’origine interne
5. | 5 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 DES OBSERVATIONS LOCALES DEPUIS PLUSIEURS SIÈCLES Couverture spatiale inhomogène, perturbations anthropiques croissantes, fréquence d’acquisition basse Des mesures sur les routes maritimes aux levés aéromagnétiques en passant par les réseaux d’observatoires sol, des moyens permettant une observation à différentes échelles tant géographiques que temporelles
6. | 6 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 LES MESURES SATELLITE, UN RÉCENT MOYEN D’ÉTUDE COMPLÉMENTAIRE Observatoires, levés aéromagnétiques & maritimes très irréguliers (espace/temps) Satellite couverture globale, mais signaux rapides (déplacement du satellite) et sources de petites dimensions (décroissance du champ en 1/r3) durs à caractériser
7. | 7 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 • Le champ magnétique est par essence vectoriel mais les magnétomètres vectoriels souffrent intrinsèquement de remontées de bruit aux basses fréquences et d’une faible justesse par rapport à leur résolution (offsets, dérives des fonctions de transfert) : ils nécessitent d’être très régulièrement étalonnés • A l’inverse les magnétomètres scalaires sont très stables. Plusieurs technologies coexistent (magnétomètre à précession libre, RMN Overhauser, pompage optique des alcalins ou de l’hélium), avec des spécificités les rendant plus ou moins adaptés selon les applications visées • Les magnétomètres scalaires sont utilisés comme référence absolue, les magnétomètres vectoriels étant alors exploités en variomètres LES MAGNÉTOMÈTRES SCALAIRES, GARANTS DE LA QUALITÉ DES MESURES MAGNÉTIQUES
8. | 8 Nom événement | Nom Prénom | Date CHARGE UTILE TYPIQUE POUR UN SATELLITE (OU UN OBSERVATOIRE) MAGNÉTIQUE Combinaison d’instruments scalaire et vectoriel • Mesures scalaires pour étalonner les capteurs vectoriels et compenser leurs dérives (principalement offsets & fonctions de transfert) • Instruments vectoriels exploités alors comme variomètres (facteur déterminant : résolution ), alors que le magnétomètre scalaire est garant de la stabilité des mesures (caractéristique clé : justesse) Charge utile magnétique nominale de Swarm : CSC -fluxgates- & ASM -magnétomètre à résonance- SWARM satellite VFM sensor ASM DPUs ASM sensors Source: EADS-ASTRIUM
9. | 9 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 LE MAGNÉTOMÈTRE À POMPAGE OPTIQUE DE L’HÉLIUM Le magnétomètre scalaire hélium est un convertisseur champ/fréquence Spectroscopie atomique de l’hélium 4 reposant sur l’effet Zeeman Résonance magnétique
10. | 10 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 PERFORMANCES PRINCIPALES DU MAGNÉTOMÈTRE HÉLIUM
11. | 11 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 MESURES VECTORIELLES À PARTIR D’UN CAPTEUR SCALAIRE 1/2 ( ) ∑ = Ω + = = z y x i i i m o tot t b B B s , , cos r r r Superposition de3 modulations alternatives (amplitude ~ 50 nT) selon 3 directions orthogonales (architecture ASM-V) Analyse temps réel du signal scalaire 20 40 60 80 100 120 140 Hz 1 102 104 pT H1 H2 Hcroisé H0
12. | 12 Nom événement | Nom Prénom | Date CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES DE L’HÉLIUM VECTORIEL Absence d’offsets ⇒ uniquement six paramètres à déterminer (3 fonctions de transfert et 3 angles -déviations de l’orthogonalité-) Opération en boucle ouverte • Réalisation mécanique facilitée (homogénéité du champ & stabilité en température ) ☺ • Contrôle fin des conditions d’opération de l’instrument Mesures scalaire et vectorielles continues synchrones, prises au même point • Possibilité d’auto-étalonnage et évaluation systématique de la qualité des mesures • Interfaces réduites par rapport aux combinaisons traditionnelles scalaire/vectoriels • Synchronisation parfaite (et filtrages identiques) mais bande passante limitée • CEM simplifiée (mais contraintes élevées en bruit ambient basse fréquence) Précision vectorielle proportionnelle à B0 * Rscal , i.e meilleure @ bas champs (résolution angulaire constante, # 1 mdeg)
13. | 13 Nom événement | Nom Prénom | Date CONTRAINTES OPÉRATIONNELLES ASM-V fm Limite de linéarité o i m B b r r . • Fréquences de modulation choisies pour éviter tout recouvrement spectral (bande passante limitée) • Respect des conditions adiabatiques Fmi * bmi *Pi ≤ Cte (TR , γ) (impacte la précision) • La stabilité des fonctions de transfert conditionne directement la justesse des mesures vectorielles • La résolution vectorielle est dégradée par rapport à la scalaire d’un facteur bmi / B0 • Le bruit de champ ambiant doit être inférieur à la résolution scalaire aux fréquences de modulation (forte susceptibilité à l’environnement magnétique VLF)
14. | 14 Nom événement | Nom Prénom | Date • Fonctionnement en mode vectoriel depuis le lancement de la mission • Performances équivalentes à celles des fluxgates bien que nous soyons à l’extrémité d’un mât (problème de rigidité pour le transfert d’attitude) RÉSULTATS DE SWARM EN MODE VECTORIEL Le champ magnétique de la dynamo terrestre vu par le magnétomètre ASM de SWARM (Hulot et al., GRL, 2015) Variance d’Allan des résidus scalaires (Léger et al., EPS, 2015)
15. | 15 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 OPTIMISATION DES PERFORMANCES VECTORIELLES POUR APPLICATIONS À POSTE FIXE Evolution de la conception pour applications fixes • Gain en résolution ≈ * 30, i.e. σ < 30 pTrms en appliquant seulement deux modulations perpendiculaires d’amplitude augmentée superposées au champ statique • Justesse meilleure que 0,1 nT Qualification de l’instrument au LETI (précision, susceptibilité à l’environnement, stabilité court terme) Mesures de stabilité à l’observatoire de Chambon la Forêt (IPGP) (comparaison à des capteurs de référence) criticité de la stabilité d’attitude, validité de la référence vectorielle
16. | 16 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 MESURES INTRINSÈQUEMENT VECTORIELLES (EFFET HANLE) Cn Ø = 5 mm L = 5 mm C4 Ø = 34mm L = 52mm C2 Ø = 14mm L = 22mm résolution dégradée d’un facteur # 5 sur cellule de dimensions internes L5 Φ5 Réalisation L 10 cm, Φ 2,5 cm, 50 cm3, # 50 g Fonctionnement basé sur les résonances paramétriques en champ nul : architecture très similaire à celle d’un fluxgate…sans offsets Résolution < 1 pT/√Hz, bande passante de plusieurs centaines de Hz
17. | 17 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 • Résolution scalaire 1 pT/√Hz 0,2 pT /√Hz • Bande passante 100 Hz (burst) jusqu’à 400 Hz nominal • Résolution vectorielle 2 nT/ √Hz < 0,2 nT /√Hz • Bande passante vectorielle 0,4 Hz 0,2 Hz (5s = 40 km) Volume et masse sonde 0,5 l / 0,5 kg 50 cm3/50 g • Volume et masse DPU 5,25 l / 3,6 kg 150 * 150* 50 mm3 ? • Câbles de liaison DPU / sonde optiques & électriques (130 g/m actuellement) • Consommation 6 W < 3 W (politique qualité composants pour le cœur numérique ou encore de la mutualisation des CVs?) PERSPECTIVES D’ÉVOLUTION : NANOMAGSAT (12 U)
18. | 18 Séminaire RESIF Brissac| Léger Jean-Michel | 04/07/2017 • Une famille complète d’instruments construits autour d’un cœur scalaire, adaptés à différents problèmes scalaire + vectoriel embarqués (ASM-V Swarm ou applications mobiles) Résolution < 1 pT/√Hz du continu à quelques centaines de Hz pour le scalaire, justesse < 50 pT en scalaire; < 1 nT /√Hz du continu à # 1 Hz, justesse < 100 pT en vectoriel version miniaturisée scalaire + vectoriel embarqués optimisés (NanoMagSat) gain d’un facteur 5 à 10 sur les résolutions scalaire et vectorielles par rapport à l » ASM-V vectoriel optimisé pour observatoires à poste fixe < 30 pT /√Hz du continu à # 1 Hz, justesse < 100 pT en vectoriel vectoriel champ nul (résolution & bande passante vectorielle élevées) # 0,1 pT /√Hz du continu à # 1 kHz sur les composantes, • Une miniaturisation et une optimisation de la consommation souhaitables afin d’en étendre les champs d’application • Une démarche de diversification pour en faciliter la commercialisation (applications médicales type MEG, détection MAD, …) CONCLUSION
19. Leti, technology research institute Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Minatec Campus | 17 rue des Martyrs | 38054 Grenoble Cedex | France www.leti-cea.com