17 Novembre 2014

Instrument GPR

À la Recherche de l'Eau

Sonder le sous sol

Disposer d'un instrument capable de sonder le sous-sol de la planète Mars, afin d'apporter des informations sur sa morphologie et sa structure interne jusqu'à une profondeur de l'ordre du kilomètre, est une des priorités affichées par la communauté scientifique sur les missions d'atterrisseur à venir.

Le radar pénétrateur GPR (Ground Penetrating Radar) a été conçu afin de répondre à ce besoin. Son objectif principal est de rechercher la présence de réservoirs d'eau, sous forme solide ou liquide, dans le sous-sol martien. Il contribuera également à accroître les connaissances sur la géologie de la planète en apportant des informations sur la structure des couches qui constituent les premiers kilomètres du manteau. Enfin, l'interaction des ondes électromagnétiques émises par le radar, avec les basses couches de l'ionosphère martienne renseigneront sur les caractéristiques de celle-ci.

Principe de fonctionnement

Principe fonctionnement GPR

Le GPR émet un signal (flèche rouge) dans une bande de fréquence de 2 à 4 MHz par une de ses antennes électriques. Le signal est réfléchi (flèche bleue) lors de l'impact sur une interface (ou un obstacle) séparant deux milieux de valeur de permittivité différente. En effet, les propriétés électriques (Permittivité) sont variables selon les constituants du matériau rencontré. La figure suivante illustre la structure du sous-sol martien et les permittivités associées obtenues à partir d'un modèle mathématique.

Principe fonctionnement GPR

L'onde réfléchie est captée par les antennes électriques et l'antenne magnétique du GPR. L'utilisation d'une antenne magnétique pour la détermination du vecteur de propagation des ondes réfléchies est une particularité du concept instrumental proposé. En effet, l'un des problèmes posés lors du traitement des données des GPR classiques, qui ne mesurent en général qu'une composante électrique, est celui de l'ambiguïté des directions d'arrivée des échos. Sur Terre, on s'affranchit de ce problème en effectuant un quadrillage du terrain avec le radar. Pour des missions planétaires où la mobilité est réduite, voire nulle pour des atterrisseurs fixes, il est difficile, voire impossible d'appliquer cette méthode. Le concept du GPR consiste à obtenir la direction d'arrivée des échos par l'analyse des composantes magnétiques du champ d'ondes au moyen d'une antenne magnétique, en complément des composantes électriques fournies par les antennes électriques. Ceci revient en quelque sorte à effectuer une "imagerie" 3D des réflecteurs dans le sous-sol.

Description de l'instrument

Le GPR est un instrument qui a été conçu avec un objectif de miniaturisation maximum. La masse total de l'instrument est d'environ 520 g (configuration deux antennes électriques). La puissance consommée varie en fonction du mode de sondage de 3,5 W à 7,5 W.

Le GPR est constitué de quatre sous-ensembles principaux :

Électronique Numérique

L'ensemble numérique comprend les fonctions relatives à :

  • La génération des impulsions radar à partir d'une DDS (Direct Digital Synthesis) intégrée dans un FPGA
  • La réception et le traitement des signaux réfléchis par le FPGA (additions cohérentes et traitement biphase et décodage des impulsions longues codées en phase (BPSK) pour améliorer le rapport signal sur bruit et réduire les bruits parasites)
  • Le contrôle du radar (gestion des paramètres de configuration du radar comme fréquence d'émission, durée d'impulsion, nombre d'additions cohérentes, ...) et la gestion des interfaces avec l'atterrisseur.
Electronique numérique

Électronique analogique

L'ensemble analogique comprend les fonctions suivantes :

  • Les filtres qui améliorent la réponse des circuits en aval comme l'amplificateur de puissance,
  • L'amplificateur de puissance 10 W avec les caractéristiques :
    • Largeur impulsion : 1 µs et 10 µs avec codage BPSK
    • Période de répétition : 100 µs
    • Bande passante : 100 kHZ- 4 MHz
    • Puissance entrée : 10 mW
    • Puissance crête de sortie : 10 W
    • Puissance moyenne : 0,1 W et 1 W
    • Classe de fonctionnement : B/AB
    • Impédances entrée sortie : 50 hm
    • TOS entrée sortie : < 1,5
    • Protections : en sortie vis-à-vis du court-circuit et du circuit ouvert
    • Température de fonctionnement : + 10°C, + 50°C
    • Refroidissement : par conduction
    • Alimentation : ± 15V
    • Densité de bruit en sortie de l'amplificateur entre impulsions : -140 dBm/Hz
  • Le récepteur composé d'un amplificateur de gain 60 dB et précédé d'un atténuateur à commande numérique qui permet l'adaptation de l'atténuation en fonction de la distance,
  • L'horloge 40 MHz.
Electronique analogique

Antennes électriques

Le GPR fonctionne de façon nominale avec deux antennes électriques. Celles-ci sont constituées d'un ruban de kapton métallisé d'une longueur de 35 m, d'une largeur de 10 mm et d'une épaisseur d'environ 20 µm. La technique de métallisation mise au point permet de faire varier progressivement la résistance de l'antenne de 27 W à 1008 W afin d'adapter ses performances à la transmission d'une impulsion de courte durée à spectre étendu. Pour déployer ces antennes de 35 m, il a fallu mettre au point un système d'éjection le moins encombrant, permettant d'installer l'antenne sur le maximum de sa longueur (35 m) et de façon la plus rectiligne possible et assurant l'intégrité de l'antenne durant ces opérations. La solution retenue est un déploiement balistique au moyen d'un dispositif pyrotechnique dont le principe s'apparente à un mortier. Une attention particulière a également été apportée pour la conception du système de bobinage où l'antenne est stockée avant son éjection afin d'éviter que le ruban ne soit vrillé après son installation ce qui serait préjudiciable aux performances de l'antenne.

L'ensemble de ces éléments s'intègre dans une demi sphère qui est installée sur le mur latéral du module de surface NetL.

Système de déploiementDévidoir de l antenne
Système de déploiementDévidoir de l'antenne

La séquence de déploiement prévue est la suivante :

  • La demi sphère enveloppe bascule pour libérer le mortier,
  • Le mortier pivote pour prendre un angle optimal pour l'éjection (a priori 45°),
  • Mise à feu et éjection de l'antenne.

Antenne magnétique

Pour déterminer la direction de propagation de l'onde radar réfléchie, il est nécessaire de mesurer les trois composantes orthogonales du vecteur champ magnétique de l'onde. Compte tenu du caractère stable dans le temps des phénomènes observés (couches géologiques) et du signal renvoyé, il n'est pas nécessaire de mesurer simultanément ces trois composantes. Une seule antenne magnétique installée judicieusement (avec un angle de 54,7°) sur la tête de la caméra panoramique (pivotante sur 360°) permet d'obtenir trois positions orthogonales de l'antenne et donc d'acquérir pour chacune d'elle la composante magnétique.

Position antenneAntenne Magnétique
Position de l'antenne magnétique sur la tête de caméraAntenne Magnétique

Organisation

Le Centre d'étude des Environnements Terrestre et Planétaire (CETP) assure la maître d'œuvre de l'instrument.

Contacts :Principal Investigateur :
Jean-Jacques Berthelier
CETP4 avenue de Neptune,
94107 St Maur des Fossés Cédex
tél : (01) 45 11 42 42
Courriel : berthelier@cetp.ipsl.fr
Responsable Instrument :
Richard Ney
CETP4 avenue de Neptune,
94107 St Maur des Fossés Cédex
tél : (01) 45 11 42 48
Courriel : ney@cetp.ipsl.fr