Diffusomètre - Scatterometer
Un diffusomètre ou diffusionmeter est un instrument scientifique pour mesurer le retour d'un faisceau d'ondes lumineuses ou radar dispersés par diffusion dans un milieu tel que l' air. Des diffuseurs utilisant la lumière visible se trouvent dans les aéroports ou le long des routes pour mesurer la visibilité horizontale . Les diffusiomètres radar utilisent la radio ou les micro-ondes pour déterminer la section efficace radar normalisée (σ 0 , « sigma zéro » ou « sigma zéro ») d'une surface. Ils sont souvent montés sur des satellites météorologiques pour déterminer la vitesse et la direction du vent, et sont utilisés dans les industries pour analyser la rugosité des surfaces.
Optique
Les diffusionmètres optiques sont des appareils utilisés en météorologie pour trouver la portée optique ou la visibilité horizontale. Ils se composent d'une source lumineuse, généralement un laser , et d'un récepteur. Les deux sont placés à un angle de 35° vers le bas, dirigés vers un espace commun. La diffusion latérale par l'air le long du faisceau lumineux est quantifiée en tant que coefficient d'atténuation . Tout écart par rapport au coefficient d'extinction en air clair (par exemple dans le brouillard) est mesuré et est inversement proportionnel à la visibilité (plus la perte est importante, plus la visibilité est faible).
Ces dispositifs se trouvent dans les stations météorologiques automatiques pour la visibilité générale, le long des pistes d'aéroport pour la portée visuelle des pistes , ou le long des routes pour les conditions visuelles. Leur principal inconvénient est que la mesure se fait sur le très petit volume d'air entre l'émetteur et le récepteur. La visibilité signalée n'est donc représentative des conditions générales autour de l'instrument que dans des conditions généralisées ( brouillard synoptique par exemple). Ce n'est pas toujours le cas (par exemple, brouillard inégal).
diffusiomètre radar
Un diffusiomètre radar fonctionne en transmettant une impulsion d' énergie micro - onde vers la surface de la Terre et en mesurant l'énergie réfléchie. Une mesure séparée de la puissance de bruit seul est effectuée et soustraite de la mesure signal + bruit pour déterminer la puissance du signal de rétrodiffusion . Sigma-0 (σ⁰) est calculé à partir de la mesure de la puissance du signal en utilisant l'équation radar cible distribuée. Les instruments diffusiométriques sont calibrés de manière très précise afin d'effectuer des mesures de rétrodiffusion précises.
La principale application de la diffusion spatiale a été la mesure des vents près de la surface au- dessus de l' océan . De tels instruments sont connus sous le nom de diffusiomètres à vent. En combinant des mesures sigma-0 sous différents angles d' azimut , le vecteur vent près de la surface au - dessus de la surface de l'océan peut être déterminé à l'aide d'une fonction de modèle géophysique (GMF) qui relie le vent et la rétrodiffusion. Au-dessus de l'océan, la rétrodiffusion radar résulte de la diffusion par les ondes de gravité capillaire générées par le vent, qui sont généralement en équilibre avec le vent près de la surface au-dessus de l'océan. Le mécanisme de diffusion est connu sous le nom de diffusion de Bragg , qui se produit à partir des ondes en résonance avec les micro-ondes.
La puissance rétrodiffusée dépend de la vitesse et de la direction du vent. Vue sous différents angles d'azimut, la rétrodiffusion observée à partir de ces ondes varie. Ces variations peuvent être exploitées pour estimer le vent de surface de la mer, c'est-à-dire sa vitesse et sa direction. Ce processus d'estimation est parfois appelé « récupération du vent » ou « inversion de la fonction du modèle » . Il s'agit d'une procédure d'inversion non linéaire basée sur une connaissance précise du GMF (sous une forme empirique ou semi-empirique) qui relie la rétrodiffusion du diffusiomètre et le vecteur vent. La récupération nécessite des mesures de diffusiomètre à diversité angulaire avec le GMF, qui est fourni par le diffusiomètre effectuant plusieurs mesures de rétrodiffusion du même endroit sur la surface de l'océan à partir de différents angles d'azimut.
Les mesures du vent par diffusiomètre sont utilisées pour l'interaction air-mer, les études climatiques et sont particulièrement utiles pour la surveillance des ouragans . Les données de rétrodiffusion du diffusiomètre sont appliquées à l'étude de la végétation , de l'humidité du sol , de la glace polaire , du suivi des icebergs de l' Antarctique et du changement global . Les mesures du diffusiomètre ont été utilisées pour mesurer les vents au-dessus des dunes de sable et de neige depuis l'espace. Les applications non terrestres comprennent l'étude des lunes du système solaire à l'aide de sondes spatiales. C'est notamment le cas de la mission NASA/ESA Cassini vers Saturne et ses lunes.
Plusieurs générations de diffusiomètres à vent ont été pilotées dans l'espace par la NASA , l' ESA et la NASDA . Le premier diffusiomètre de vent opérationnel était connu sous le nom de diffusiomètre Seasat (SASS) et a été lancé en 1978. Il s'agissait d'un système à faisceau en éventail fonctionnant en bande Ku (14 GHz). En 1991, l'ESA a lancé le diffusiomètre européen de télédétection satellite ERS-1 Advanced Microwave Instrument (AMI), suivi du diffusiomètre ERS-2 AMI en 1995. Les deux systèmes à faisceau en éventail AMI fonctionnaient en bande C (5,6 GHz). En 1996, la NASA a lancé le NASA Scatterometer (NSCAT), à bord du satellite NASDA ADEOS I , un système de faisceau en éventail en bande Ku. La NASA a lancé le premier diffusiomètre à balayage, connu sous le nom de SeaWinds , sur QuikSCAT en 1999. Il fonctionnait en bande Ku. Un deuxième instrument SeaWinds a été embarqué sur le NASDA ADEOS-2 en 2002. L' Organisation indienne de recherche spatiale a lancé un diffusiomètre en bande Ku sur sa plate-forme Oceansat-2 en 2009. L' ESA et EUMETSAT ont lancé le premier ASCAT en bande C en 2006 à bord de Metop - UNE. Le Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS), lancé en 2016, est une constellation de huit petits satellites utilisant une approche bistatique en analysant la réflexion de la surface de la Terre des signaux du Global Positioning System (GPS), plutôt que d'utiliser un émetteur radar embarqué.
Contribution à la botanique
Les diffusiomètres ont aidé à prouver l'hypothèse, datant du milieu du XIXe siècle, de la dispersion anisotrope (dépendante de la direction) à longue distance par le vent pour expliquer les fortes affinités floristiques entre les masses continentales.
Un travail, publié par la revue Science en mai 2004 sous le titre "Wind as a Long-Distance Dispersal Vehicle in the Southern Hemisphere", a utilisé des mesures quotidiennes de l'azimut et de la vitesse du vent prises par le diffusiomètre SeaWinds de 1999 à 2003. Ils ont trouvé un corrélation plus forte des similitudes floristiques avec la connectivité du vent qu'avec les proximités géographiques, ce qui soutient l'idée que le vent est un véhicule de dispersion pour de nombreux organismes dans l'hémisphère sud.
Fabrication de semi-conducteurs et de précision
Les diffusiomètres sont largement utilisés en métrologie pour la rugosité des surfaces polies et rodées dans les industries des semi-conducteurs et de l'usinage de précision. Ils offrent une alternative rapide et sans contact aux méthodes traditionnelles de stylet pour l'évaluation de la topographie. Les diffusiomètres sont compatibles avec l'environnement sous vide, ne sont pas sensibles aux vibrations et peuvent être facilement intégrés au traitement de surface et à d'autres outils de métrologie.
Les usages
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Exemples d'utilisation sur des satellites d'observation de la Terre ou des instruments installés, et dates d'exploitation :
- Instrument NSCAT (NASA Scatterometer) sur ADEOS I (1996-97)
- Instrument SeaWinds sur QuikSCAT (2001-2009)
- Instrument OSCAT-2 sur SCATSAT-1 (lancé en 2016)
- Instrument SCAT sur Oceansat-2 (2009-2014)
- ISS-RapidScat sur la Station spatiale internationale (2014-2016)
- ASCAT sur les satellites MetOp
- La constellation CYGNSS (lancée en 2016)