A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Qualification du Mont Wilson pour la HRA...

A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008

Qualification du Qualification du Mont Wilson pour la Mont Wilson pour la

HRAHRA


Site testing campaign at Mt WilsonSite testing campaign at Mt Wilson Objectifs:Objectifs:

Caractérisation du site au moyen de GSM et MOSP:Caractérisation du site au moyen de GSM et MOSP: Seeing, échelle externe, isoplanétisme et temps de cohérence.Seeing, échelle externe, isoplanétisme et temps de cohérence.

Intercalibration du DIMM local par GSMIntercalibration du DIMM local par GSM Dimensionnement des techniques HRADimensionnement des techniques HRA

Excursion des franges (suiveur des franges)Excursion des franges (suiveur des franges) Cophasage (angle isopistonique)Cophasage (angle isopistonique) Systèmes d’OASystèmes d’OA

Optimisation des techniques HRAOptimisation des techniques HRA Temps d’exposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des Temps d’exposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des

données interférométriques et d’OA.données interférométriques et d’OA. Optique atmosphérique:Optique atmosphérique:

Vérification du modèle de turbulence optiqueVérification du modèle de turbulence optique Isotropie de l’échelle externeIsotropie de l’échelle externe


Modélisation du pistonObservations GSM/PTI, Mt Palomar sept. 2001

Vitesse ~10m/s = 2.2 m PTI: base = 110m et D=0.4m


Optique Atmosphérique & HRAOptique Atmosphérique & HRA

Conception des systèmes d’OA:Conception des systèmes d’OA: Nombre de Nombre de lentilles, d’actuateurs (rlentilles, d’actuateurs (r00))

Bande passante de la correction (Bande passante de la correction (00))

Amplitude des miroirs déformables (rAmplitude des miroirs déformables (r00,L,L00))

Besoin en tip/tilt (rBesoin en tip/tilt (r00,L,L00))


Lo infLo inf

4 m4 m

8-10m8-10m

TMTTMT

OWLOWL

Echelle externe & tip/tiltEchelle externe & tip/tilt

Calcul de la Calcul de la variance des variance des coefficients des coefficients des polynômes de polynômes de ZernikeZernike en en fonction du mode i fonction du mode i et du rapport D/Let du rapport D/L00

tip/tilttip/tilt


Optimisation des observations HRAOptimisation des observations HRA

Conception des systèmes d’OA:Conception des systèmes d’OA: Amplitude des miroirs déformables (rAmplitude des miroirs déformables (r00,L,L00))

Nombre de Nombre de lentilles, d’actuateurs (rlentilles, d’actuateurs (r00))

Bande passante de la correction (Bande passante de la correction (00))

Besoins en tip/tiltBesoins en tip/tilt (r(r00,L,L00))

Optimisation des observations:Optimisation des observations: Choix des référencesChoix des références ( (00))

Modélisation de la PSFModélisation de la PSF (r (r00,L,L00))

Nombre de modes à corrigerNombre de modes à corriger (L(L00))


[(

D/r

[(D

/r00))

5/3

5/3 ]

]

OA et échelle externeOA et échelle externe

Residual error variance Residual error variance

N N for different D/Lfor different D/L00

and different orders N :and different orders N :

D=10m<4 10<4 10-2 -2 (D/r(D/r00))5/35/3

L0=D0L

Strehl Ratio:Strehl Ratio:

SR~ exp(-SR~ exp(-NN))


OA Multi-ConjuguéeOA Multi-Conjuguée

Dimensionnement des MCAO:

Nbre & positions des MDs Spécifications des SFOs

(lentilles, actuateurs & bande passante)

Course des MDs Besoins en tip/tilt

Besoins de profils: CN

2(h)

L0(h) v(h)

Références

Couche turbulente 2

Couche turbulente 1

Miroir déformable 1

Module de commande

Miroir déformable 2

SFO SFO

Télescope

Cn2(z)

Analyseurs deSurface d’onde


Différentes bases utilisées: 11, 12, 15 & 32m

Observations GI2T/GSMMai,Juin 2003 et Juin 2004 à Calern

GSM

GI2T


Quel modèle pour la turbulence Quel modèle pour la turbulence atmosphérique?atmosphérique?

Modèle de Kolmogorov n’est valide que dans le Modèle de Kolmogorov n’est valide que dans le domaine inertiel (ldomaine inertiel (l00 et L et L00))

Pour les grandes bases les modèles empiriques Pour les grandes bases les modèles empiriques rendent mieux compte du comportement des fronts rendent mieux compte du comportement des fronts d’onde:d’onde: Von Karman, Greenwood-Tarazano, ExponentielVon Karman, Greenwood-Tarazano, Exponentiel

L’écart par rapport à Kolmogorov pour les grandes L’écart par rapport à Kolmogorov pour les grandes bases est confirmé par les observations bases est confirmé par les observations interférométriques.interférométriques.


Quel modèle pour la turbulence Quel modèle pour la turbulence atmosphérique?atmosphérique?


GSM & MOSPGSM & MOSP

GSM working layout at La Silla (Chile) Sept. 1997


MCAOMCAO

Spécifications des ELTs:Spécifications des ELTs: Besoins de profileurs: Besoins de profileurs:

Scidar, Ballons, MASS…Scidar, Ballons, MASS… Nbre & positions des DMsNbre & positions des DMs Spécifications des WFS Spécifications des WFS

((lentilles, actuateurslentilles, actuateurs & bande & bande passante)passante)

Course des DMsCourse des DMs Besoins en tip/tiltBesoins en tip/tilt

**** **

}}Profils de LProfils de L00(h)(h)


L0 < 10m Paranal: >24%

La Palma: >32%

Mauna Kea: >25%

Pachon: >12%

Statistiques de LStatistiques de L00 à partir de GSM à partir de GSM


The MDs positions are obtained by optimization of The MDs positions are obtained by optimization of isoplanatic angle:isoplanatic angle: Tokovinin et al., JOSA 17 (10), Oct. 2000Tokovinin et al., JOSA 17 (10), Oct. 2000

dhHHHhFhCz Mh

MNM ),...,,,()(sec2

905.2 20 123/8

23/5

max

For 2 layers:For 2 layers:

]

5.05.0

[5.0),,(

23/52

3/51

3/512

3/512

3/52

3/51212

HhHh

HHHH

HhHhHHhF

Détermination des positions des DMs Détermination des positions des DMs


DMs positions for Pachon DMs positions for Pachon CampaignCampaign

4 5 6 7 8 9 10October 98

0

5

10

15

20

ed

ut

it

lA

HmkL3DMs3DMs 2DMs2DMs


0 5 10 15 20Altitude km

2

4

6

8

10

NC2

liforp01^

61

Example of CExample of CNN22 profile at Pachon profile at Pachon

0 5 10 15 20Altitude km

2

4

6

8

10

NC2

liforp01^

61

Oct. 5Oct. 5 Oct. 10Oct. 10

2.70

MG8.14

0

MG

MM11 MM22 MM33 MM11 MM22 MM33


Need of tip/tiltNeed of tip/tilt

tip/tilttip/tilt

tip/tilttip/tilt

tip/tilttip/tilt

LL00=20.4m=20.4m

tip/tilttip/tilt

LL00=17m=17m

LL00=62m=62m LL00=46m=46m


NO T H

IN

G

PR

I

OF

L

E

STurbulent layers

GS GSM DIMM Mast Radio receiver

Ballon

SSS

Models

Automatic Weatherstation

Modélisation Modélisation


Preliminary resultsPreliminary results

Date UTDate UT LL0101 L L02 02 LL0303 L L0404 LL0-int0-int LL0-GSM0-GSM

10/04/199810/04/1998 19 16 71 6119 16 71 61 23.823.8 28.428.410/05/199810/05/1998 18 16 76 2618 16 76 26 23.623.6 22.622.610/06/199810/06/1998 26 21 21 9626 21 21 96 24.724.7 21.221.210/07/199810/07/1998 18 16 61 3118 16 61 31 23.723.7 28.528.510/08/199810/08/1998 21 16 81 1621 16 81 16 24.124.1 26.326.310/09/199810/09/1998 ? ? ? ?? ? ? ? 88.588.510/10/199810/10/1998 ? ? ? ?? ? ? ? 57.257.2

3

2

3/10

2

int0 )(

)()(

dhhC

dhhLhCL

N

N

Borgnino, Appl. Opt., 1990Borgnino, Appl. Opt., 1990

Date UTDate UT LL0101 L L02 02 LL0303 L L0404 LL0-int0-int LL0-GSM0-GSM

10/04/199810/04/1998 19 16 71 6119 16 71 61 23.823.8 28.428.410/05/199810/05/1998 18 16 76 2618 16 76 26 23.623.6 22.622.610/06/199810/06/1998 26 21 21 9626 21 21 96 24.724.7 21.221.210/07/199810/07/1998 18 16 61 3118 16 61 31 23.723.7 28.528.510/08/199810/08/1998 21 16 81 1621 16 81 16 24.124.1 26.326.310/09/199810/09/1998 ? ? ? ?? ? ? ? 88.588.510/10/199810/10/1998 ? ? ? ?? ? ? ? 57.257.2


Is GSM a LIs GSM a L00 profiler ? profiler ?

Reconstruction of the AA covariance using the 6 Reconstruction of the AA covariance using the 6 modules of the GSM:modules of the GSM:


Angle of Arrival covarianceAngle of Arrival covariance

)(

.

.

.

)(

)(

)(

.

.

.

)(

)(

)),(,(...)),(,()),(,(

....

....

....

..)),(,(.

)),(,(...)),(,()),(,(

2

1

2

222

112

01010

202

01201101

mnnN

N

N

nmmm

n

bCov

bCov

bCov

hhC

hhC

hhC

DhLbFDhLbFDhLbF

DhLbF

DhLbFDhLbFDhLbF

ModelModelScidar/BalloonsScidar/Balloons

GSMGSM

dffhCosfD

fDJfbJfbJ

hLffDhLbF jii

jji

2

2

120

6/11

20

230

)(2)2()2(

)(

1)),(,(

Von Karman model:Von Karman model:

}}


Limitations of the methodLimitations of the method

The GSM is not a real LThe GSM is not a real L00 profiler: profiler: Different solutions are obtainedDifferent solutions are obtained

The final solution is obtained using different The final solution is obtained using different constraints on the results:constraints on the results: Constraints based on observationsConstraints based on observations

Time Processing limitation:Time Processing limitation: Low resolution of LLow resolution of L00 profil ---> 3 or 4 layers: profil ---> 3 or 4 layers:

Layers are given by the DMs positionsLayers are given by the DMs positions


A Combined GSM/Balloons A Combined GSM/Balloons campaign at Cerro Pachoncampaign at Cerro Pachon

October 98October 98

CCNN2 2 Profils from balloons:Profils from balloons:

1 balloon/night simultaneously with GSM.1 balloon/night simultaneously with GSM.

GSM measurements :GSM measurements : 4 GSM units (baselines from 0 to 2m)4 GSM units (baselines from 0 to 2m)


Constraints on the LConstraints on the L00 profile profile

Assumption:Assumption: The geophysical outer scale is The geophysical outer scale is

directly related to wave-front directly related to wave-front coherence outer scalecoherence outer scale

Abahamid, Vernin & al., A&A, 2004Abahamid, Vernin & al., A&A, 2004

From balloons From balloons statistics:statistics:

LL0101>L>L02020 0.5 1 1.5 2

L0 m0

5

10

15

20

25

30

edutitlAmk

Median LMedian L00 profile profile

from 168 balloonsfrom 168 balloons


Layers rLayers r00 contribution contribution

DateLayer 1 r0 (cm)

Layer 2 r0 (cm)

Layer 3 r0 (cm)

Layer 4 r0 (m)

Groundr0 (cm)

04 Oct. 98 16,27 52,17 30,62 1,5 12,67

05 Oct. 98 18,94 43,34 35,48 2,4 14,19

06 Oct. 98 44 99,74 60,49 2,02 29,72

07 Oct. 98 38,97 54,74 51,33 2,25 23,94

08 Oct. 98 18,37 122 54,74 3,39 16,36

Mean 27,31 74.4 46,532 2,312 19,376

LL0-mean0-mean (m) 20.4 17 62 46 (m) 20.4 17 62 46


Observation of lunar limbObservation of lunar limb

Measurement of the Measurement of the covariance of the lunar limb at covariance of the lunar limb at different angular separation different angular separation ::

CC(()=<)=<(() ) ((++)>)>

Angle of Arrival transverse Angle of Arrival transverse fluctuationsfluctuations

hhjj


Observation of lunar limbObservation of lunar limb

hhjj

hhjj


Spatio-angular covarianceSpatio-angular covariance

)(),(),(),(),()( ,, hCrhrrrC sA

Transition from angular to spatial:Transition from angular to spatial:

Von Karman model:Von Karman model:

2

120

6/11

20

232,

)(2)2()2(

)(

1)(19.1)(

fD

fDJhfJhfJ

hLffhChC

jj

jjNjA


Sensitivity to LSensitivity to L00 profile profile

Pachon campaign:Pachon campaign: LL0 0 profil estimated profil estimated

from GSM.from GSM. CCNN

22 profil from profil from

balloonsballoons

(21,17,62,46)(21,17,62,46)

(1,1,1,1)(1,1,1,1)

Von Karman modelVon Karman model

)(2)( 2 CD


Campaign at the OHP Observatory Campaign at the OHP Observatory Nov. 21 – Dec. 06, 2004Nov. 21 – Dec. 06, 2004

Instruments:Instruments: ScidarScidar Single Star ScidarSingle Star Scidar BalloonsBalloons GSMGSM MOSPMOSP DIMMDIMM


Monitor of Outer Scale Profile: Monitor of Outer Scale Profile: MOSPMOSP

Components:Components: Telescope C8Telescope C8 Barlow x5Barlow x5 CCD CCD

(PixelFly)(PixelFly) PC for PC for

acquisition & acquisition & processingprocessing


Data processing in progressData processing in progress

J. Maire is in charge of this processing.J. Maire is in charge of this processing.

Pbs of tracking and vibrations:Pbs of tracking and vibrations: Bad equatorial mountBad equatorial mount

Next observations:Next observations: Mauna Kea in July on the UH24 Mauna Kea in July on the UH24

simultaneously with G-Scidar and GSM.simultaneously with G-Scidar and GSM.


Comparison MOSP/GSMComparison MOSP/GSM


ConclusionConclusion

Extraction of the outer scale profile from GSM:Extraction of the outer scale profile from GSM: Constraints on the model.Constraints on the model.

New experiment: MOSPNew experiment: MOSP Real outer scale profilerReal outer scale profiler Generalized monitor rGeneralized monitor r0, , 0 & & 0.. Observations in July at Mauna Kea simultaneously with Observations in July at Mauna Kea simultaneously with

Scidar and GSM.Scidar and GSM.


Example of MOSP covarianceExample of MOSP covariance


Statistics on CStatistics on CNN22 profile from 168 profile from 168

balloonsballoons

Sites:Sites: La PalmaLa Palma OHPOHP ParanalParanal South poleSouth pole PachonPachon ToulouseToulouse San PerdoSan Perdo Aire sur l’AdourAire sur l’Adour

MeanMean

MedianMedianHufnagelHufnagel

Abahamid, Vernin & al., A&A, 2004Abahamid, Vernin & al., A&A, 2004


Contraintes sur le profil LContraintes sur le profil L00(h) (h)

Comparaison des échelles externes géophysiques Comparaison des échelles externes géophysiques

de la couche planétaire et de l’atmosphère libre de la couche planétaire et de l’atmosphère libre


Présélection des sitesPrésélection des sites

Paramètres météo (Humidité, Ensoleillement, Paramètres météo (Humidité, Ensoleillement, Température, Précipitations, Vents dominants).Température, Précipitations, Vents dominants).

Vitesse à 200mb (Scintillation).Vitesse à 200mb (Scintillation). Couche d’inversion température.Couche d’inversion température. Altitude.Altitude. Vapeur d’eau (diffusion et absorption).Vapeur d’eau (diffusion et absorption).

Nombre très limité de sites optimisant ces critèresNombre très limité de sites optimisant ces critères


Evaluation des sites Evaluation des sites astronomiquesastronomiques

Energie turbulente CEnergie turbulente CNN22

Seeing Seeing oo (conditionne le nbre de (conditionne le nbre de lentilles)lentilles) Isoplanétisme Isoplanétisme oo

Temps de cohérenceTemps de cohérence oo

Echelle externe Echelle externe oo

Transparence du ciel (Photométrie)Transparence du ciel (Photométrie)


Scidar GénéraliséScidar Généralisé

Permet de mesurer: Permet de mesurer: le profil de l ’énergie de le profil de l ’énergie de

la turbulence Cla turbulence CNN22

le seeingle seeing le profil du vent dans le profil du vent dans

l ’atmosphère l ’atmosphère le temps de cohérence.le temps de cohérence.


Principe du Scidar GénéraliséPrincipe du Scidar Généralisé Les rayons arrivants en B et C Les rayons arrivants en B et C

sont corrélés car ils passent par la sont corrélés car ils passent par la même région de turbulence X se même région de turbulence X se trouvant à l ’altitude h.trouvant à l ’altitude h.

La fonction d’autocorrélation La fonction d’autocorrélation spatiale permet de remonter à spatiale permet de remonter à l ’énergie de chacune des couches: l ’énergie de chacune des couches: profil de Cprofil de CNN

22(h).(h).

L’autocorrélation temporelle L’autocorrélation temporelle permet de remonter à V(h) permet de remonter à V(h)

h


Sondages ballonsSondages ballons

Les ballons sont équipés de sondes Les ballons sont équipés de sondes de température, d ’un baromètre et de température, d ’un baromètre et d ’un altimètre.d ’un altimètre.

Toutes les données sont envoyées Toutes les données sont envoyées à une station au sol.à une station au sol.

La position du ballon par rapport à La position du ballon par rapport à la station de réception est la station de réception est également disponible. Ce qui également disponible. Ce qui permet de remonter au profil de permet de remonter au profil de vitesse. vitesse.

2N

P

T

2T CC


Generalized Seeing Monitor Generalized Seeing Monitor (GSM)(GSM)

GSM working layout at La Silla (Chile) Sept. 1997

- Seeing Seeing oo

- Isoplanétisme Isoplanétisme oo

- Temps de cohérenceTemps de cohérence oo

- Echelle externe Echelle externe oo

47 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008

The GSM optical device The GSM optical device

)(tan2

1 1

CA

BD

p


Monitor de seeing: DIMMMonitor de seeing: DIMM


Moniteur bord lunaireMoniteur bord lunaire

-Seeing Seeing oo

-Isoplanétisme Isoplanétisme oo

-Temps de cohérenceTemps de cohérence oo

-Echelle externe Echelle externe oo

- Profil de Profil de oo

- Profil de CProfil de CNN22


MISOLFAMISOLFA

-Seeing Seeing oo

-Isoplanétisme Isoplanétisme oo

-Temps de cohérenceTemps de cohérence oo

-Echelle externe Echelle externe oo

-Profil de CProfil de CNN22


Sites qualifiés Sites qualifiés


Résumé des résultatsRésumé des résultats


U.Marrakech: MarocZ. BenkhaldounE. Habib

ESO, EuropeM. SarazinN. Hubin

UNAM, MexiqueR. AvilaL. SanchezS. Cuevas

UNSW: AustralieJ. StoreyT.Travouillon

Diverses collaborations

IAC, EspagneC. MunozM. Reyes

ASC, ChineYongqiang YaoGuoan Yang

CRAAG, AlgérieA. IrbahA. Berdja

Caltech/Irvine, USAG. ChananM. SchoeckE. Steinbring

IFA, Hawaï, USAM. ChunR. Waïnscot

GEMINI, USAF. RigautB.L. Ellerbroeck

OT, OuzbekistanY. TyllaievI. SabitT. Sadibekova

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