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montage et utilisation d'un radiomètre artisanal

mis à jour le 05/11/2003


radiometre

Notice et plan de construction d'un radiomètre réalisé au laboratoire de SVT avec des composants usuels. Quelques exemples d'utilisations pour mesurer la réflectance et l'albedo.

mots clés : radiomètre, télédétection, images satellitaires, albédo, laboratoire, réflectance, montage


La partie du nouveau programme de seconde "La planète Terre et son environnement " permet une initiation des élèves à l'étude des images satellitales. L'étude des principes de la radiométrie est donc nécessaire et demande que l'on s'équipe en radiomètres.     Les radiomètres que l'on trouve chez certains fournisseurs sont d'un coût relativement élevé ce qui impose souvent l'achat d'un seul de ces appareils pour un laboratoire d'un établissement. Dans ces conditions il est difficile de permettre à tous les élèves d'une classe de réaliser les mesures par eux-mêmes, ce qui limite l'intérêt pédagogique d'une telle initiation.     Pour un prix de revient très inférieur, la réalisation de radiomètres artisanaux permet de faire manipuler tous les élèves d'une classe. C'est aussi l'occasion de décloisonner notre discipline en travaillant avec nos collègues de Mathématiques, de Physique-Chimie et d'Histoire-Géographie en permettant les relations transversales avec leurs programmes.     L'aspect artisanal du radiomètre présente l'avantage de montrer aux élèves les différents éléments qui le constitue et de faire le parallèle avec les éléments des satellites ce qui leur permet de mieux comprendre le principe d'acquisition des données radiomètriques. Les radiomètres du commerce qui sont des "boites fermées" ne permettent pas cela à moins d'en démonter un ce qui n'est pas à conseiller vu leur prix d'achat.     Une des limites du radiomètre artisanal est qu'il n'est pas transportable ce qui ne permet pas de confronter les analyses des valeurs radiométriques des images satellitales réalisées en classe avec les données réelles mesurées sur le terrain.
Une autre limite est que sa précision n'est pas très grande par rapport à certains radiomètres du commerce (leur prix est proportionnel avec leur précision) mais les mesures réalisées permettent une bonne comparaison relative des valeurs ce qui est le plus important pour la compréhension des principes de la radiométrie par les élèves.


Principe et matériel : Schéma de principe - Liste des composants - Matériel divers - Se procurer le matériel
Construction : Le circuit imprimé - Le tube de visée - Le porte-filtres - La mise en boîtier - Les réglages
Utilisation pratique :
Réglage du zéro - Déterminer le champ du capteur - Déterminer le pixel image - Radiométrie
Résultats : Mesure de l'énergie réfléchie - Mesure de l'albédo - Mesure des réflectances


 


Principe et matériel.

  Le montage du radiomètre artisanal proposé est une adaptation du radiomètre mis au point par J. Vogt et décrit dans le n° 701 du "Bulletin de l'Union des Physiciens" page 207. J'en ai eu connaissance au cours du stage "Images satellitales" que j'ai suivi au lycée Guy Moquet de  Chateaubriand en juin 1998.

Schéma de principe :

 Un capteur représenté par la photodiode D3 transforme la lumière qu'il reçoit en grandeur électrique. Celle ci est amplifiée par le circuit intégré CI, puis mesurée par le voltmètre numérique V. 
En intercalant les filtres appropriés entre la photodiode et la source de la lumière qu'elle reçoit, on peut simuler le fonctionnement du détecteur d'un satellite comme le radiomètre HRV du satellite SPOT.


Schéma de principe


Liste des composants :

- Résistances 1/2 W, 5%, couche métal :
    R1 : 1 kΩ
    R2 : 470 Ω
    R3 : 4,7 kΩ
    R4 : 3,3 MΩ
- Ajustable miniature horizontal :
    A1 : 100 kΩ
- Potentiomètres rotatifs :
    P1 : logarithmique 1 MΩ
    P2 : linéaire 470 Ω
- Condensateurs polyesters LCC Milfeuil, 63 V :
    C1 : 47 nF
- Diodes de redressement, 50 V :
    D1, D2 : 1N 4001
- Photodiode :
    D3 : BPW 34 B
- Circuit intégré DIP 8 :
    CI : µA 741 ou TL 081
- Support de circuit intégré :
    1 support DIL 8 contacts tulipe pour le circuit intégré CI
- Douilles 4 mm de sécurité fixation par écrou :
    a : rouge
    b : jaune
    c : noire
    d : verte
    e : verte
    f : bleue
    g : blanche
- Fiches mâles 4 mm de sécurité :
    f : bleue
    g : blanche
- Circuit imprimé époxy-cuivre :
    1 morceau de 35 mm x 45 mm
- Fils de câblage :
    2 m de fil souple de section 0,14 mm2 pour les connexions internes des composants
    1 m de câble souple pour haut-parleurs type scindex de 2 x 0,14 mm2 de section et repérés
- Boîtier plastique :
    1 coffret MMP 20 M

Matériel divers :

- 1 feuille de carton blanc épaisseur 3 mm.
- 1 morceau de 6 cm de tube de diamètre intérieur 16 mm. L'intérieur est à peindre en noir.
- 1 morceau de polystyrène expansé.
- 1 morceau de ruban adhésif noir.
- 1 morceau de ruban adhésif double face.
- 1 filtre vert Kodak n° 58.
- 1 filtre rouge Kodak n° 29.
- 1 filtre infrarouge Kodak n° 87C.
- 3 filtres infrarouges Schott BG° 39.
- 5 cordons de mesure avec fiche de sécurité : 1 rouge, 1 jaune, 1 noir, 2 verts (peuvent-être empruntés aux physiciens).
- 1 support avec noix de serrage (peut-être emprunté aux physiciens).
- 1 alimentation stabilisée symétrique ±15 V (peut-être empruntée aux physiciens).
- 1 multimètre numérique calibre 20 V continus (peut-être emprunté aux physiciens).
- 1 lampe de 75 W sur support orientable.


Se procurer le matériel :

- Les composants électroniques sont très courants. On les trouve sans aucune difficulté dans tous les magasins d'électronique.
- La feuille de carton blanc est disponible dans les papeteries.
- Le tube de diamètre intérieur 16 mm est disponible dans les magasins de bricolage : tube aluminium ou tube métallique chromé.
- Les filtres Kodak sont disponibles dans les magasins spécialisés pour la photographie.
-Les filtres Schott BG sont disponibles chez SCHOTT France - 8, rue Fournier - 92110 CLICHY



Construction.


Le circuit imprimé :

La construction du radiomètre artisanal débute par la réalisation du circuit imprimé simple face. Je l'ai personnellement réalisé à l'aide d'un stylo spécial en dessinant à la main les pistes reliant les composants. On peut éventuellement demander ce travail au secteur technologique ou au club électronique de l'établissement. Le tracé vu du côté des composants, l'implantation des composants et le plan de câblage est fourni ci-dessous.


Le circuit imprimé


Il faudra veiller à respecter l'orientation des diodes D1 et D2 et du circuit intégré CI qui sera monté sur son support. L'insertion du circuit intégré CI sur son support ne sera réalisée qu'en dernier quand tous les autres composants auront été soudés.
Il est conseillé d'étamer au fer à souder par exemple les pistes cuivrées du circuit imprimé ce qui garantira au montage une très longue longévité dans le temps.


Le circuit imprimé

Le tube de visée :

- Souder le câble souple pour haut-parleurs type scindex aux pattes de la photodiode : ne pas les isoler avec du ruban adhésif car la colle est souvent partiellement conductrice et bien les isoler cependant en les plantant dans le polystyrène expansé. Se servir du repérage des fils pour mémoriser la polarité de la photodiode.
- Fixer la photodiode au fond du tube dont l'intérieur est peint en noir comme indiqué sur le schéma ci-dessous :


Montage de la photodiode



- Mettre la photodiode à l'abri des infrarouges arrivant sur le dessus du tube par plusieurs épaisseurs de papier aluminium et recouvrir l'ensemble de ruban adhésif noir.
- Fixer les fiches mâles de sécurité f et g à l'autre extrémité du câble souple pour haut-parleurs type scindex en respectant les couleurs et donc la polarité de la photodiode.




Le porte-filtres :

- Réaliser le support du porte-filtres en découpant plusieurs épaisseurs de carton blanc que l'on collera ensemble afin de réaliser une glissière, fixée sur le tube de visée, dans laquelle coulissera le porte-filtres. S'inspirer de la photographie ci-dessous :


Le support du porte-filtres


- Coller le support du porte-filtres sur l'extrémité du tube de visée, côté opposé à la photodiode.
- Réaliser le porte-filtres en découpant plusieurs épaisseurs de carton blanc que l'on collera ensemble afin de réaliser 5 fenêtres. Dans les 3 fenêtres centrales, on fixera un filtre Kodak recouvert d'un filtre Schott BG. La première fenêtre sera obturée et peinte en noir, la dernière ne comportera pas de filtre. 
S'inspirer de la photographie ci-dessous :


Le porte-filtres


La mise en boîtier :

- Percer les faces latérales du boîtier plastique pour fixer les douilles isolées a à g.
- Percer le couvercle du boîtier plastique pour fixer les potentiomètres d'étalonnage et du zéro.
- Fixer le circuit imprimé, coté cuivre dirigé vers le fond du boîtier plastique avec un peu de ruban adhésif double face.
- Câbler les douilles isolées et les potentiomètres avec le fil souple en suivant le plan de câblage.


La mise en boîtier

Les réglages :

- Fixer le tube de visée sur le support et serrer la noix de serrage.
- Obturer le tube de visée en mettant en service la 1ère fenêtre peinte en noir.
- Réaliser toutes les connections et tous les branchements au boîtier : alimentation, voltmètre numérique, détecteur. Bien respecter les polarités en se référant aux couleurs des fiches et des douilles.
- Positionner le curseur de l'ajustable A1 au milieu de sa course. Faire de même avec les potentiomètres de réglage P1 et P2.
- Mettre le voltmètre numérique sur le calibre 20 V continus et mettre l'alimentation sous tension.
- Ajuster le potentiomètre P2 de façon à lire la valeur "0.00" sur le voltmètre numérique. En cas d'impossibilité, régler l'ajustable A1 pour y parvenir.
- En cas de problèmes, vérifier les connections et branchements, l'implantation des composants, ...
- Fermer le boîtier plastique en mettant le couvercle. Le radiomètre est terminé.


Le radiomètre terminé

Utilisation pratique.


Pour obtenir des résultats aussi proches que possible de la réalité, il faut manipuler très soigneusement et éviter toutes réflexions parasites de lumière. Il faut travailler dans l'obscurité en fermant les rideaux de la pièce et porter des vêtements sombres.

Réglage du zéro :


- Positionner le tube de visée à 20 cm environ au-dessus de la table de travail.
- Mettre en service le multimètre et l'alimentation symétrique.
- Allumer la lampe après l'avoir placée à 25 cm environ de la cible visée par le capteur.
- Obturer le tube de visée en mettant en service la 1ère fenêtre peinte en noir.
- Ajuster le potentiomètre "zéro" pour lire la valeur "0.00" sur le voltmètre.
- Ne plus toucher à ce réglage.

Déterminer le champ du capteur :

- Mettre en service la dernière fenêtre du porte-filtres qui ne comporte pas de filtre.
- Placer une feuille de papier canson blanc sous le tube de visée du capteur et noter la valeur lue sur le multimètre.
- Faire glisser sous le radiomètre et sur la feuille de papier canson blanc une bande de papier canson noir : on admet que lorsque la valeur lue sur le voltmètre varie de manière significative, la bande de papier canson noir est entrée dans le champ du radiomètre. Tracer au crayon la limite ainsi trouvée.
- Procéder de la même manière pour chacun des côtés.
- Évaluer la surface ainsi délimitée qui représente le champ d'observation du capteur en visée verticale.    On peut recommencer en augmentant ou en diminuant la hauteur du capteur par rapport à la cible et montrer l'influence de l'altitude sur la surface du champ d'observation du capteur et faire ainsi le parallèle avec les différents satellites (SPOT, METEOSAT, NOAA, ...).

Déterminer le pixel image :

- Mettre en service la dernière fenêtre du porte-filtres qui ne comporte pas de filtre.
- Placer une feuille de papier canson blanc sous le tube de visée du capteur.
- Découper 3 petits triangles de 1,5 cm de côté dans du papier canson noir et les placer dans le champ du radiomètre délimité précédemment de façon à ce qu'ils se recouvrent entièrement. Noter la valeur lue sur le multimètre
- Écarter lentement les triangles les uns des autres jusqu'à lire une variation significative sur le voltmètre. Tracer au crayon les limites ainsi trouvées au centre de l'espace délimité par les triangles.
- Évaluer la surface ainsi délimitée qui représente le pixel image, c'est à dire la plus petite surface élémentaire que le capteur est capable de voir. Faire le parallèle avec les différents satellites (SPOT, METEOSAT, NOAA, ...).

Radiométrie :  

Avant toute mesure il est nécessaire d'étalonner le radiomètre.

Il est à réaliser à chaque fois que l'on met en service un nouveau filtre parmi les filtres du porte-filtres selon le protocole suivant :
- Mettre en service le filtre choisi en faisant glisser la réglette porte-filtres dans son support.
- Placer une feuille de papier canson blanc sous le tube de visée du capteur.
- Ajuster le potentiomètre "Étalonnage" pour lire la valeur "0.92" sur le voltmètre avec les filtres verts et rouges et "9.2" sur le voltmètre avec le filtre infrarouge. Le papier canson blanc présentant une réflectance de 92%.


L'étalonnage du radiomètre


- Ne plus toucher à ce réglage tant que ce filtre restera en service.
- Les valeurs lues sur le multimètre seront ainsi facilement converties en valeurs radiométriques : une valeur de 0.92 lue sur le multimètre avec le filtre vert correspond à une valeur radiométrique de 92%, une valeur de 3.4 lue sur le multimètre avec le filtre infrarouge correspond à une valeur radiométrique de 34%.

Mesure de l'énergie réfléchie :

- Mettre en service la dernière fenêtre du porte-filtres qui ne comporte pas de filtre.
- Placer une feuille de papier canson noir sous le tube de visée du capteur.
- Recouvrir la feuille de canson noir de sable sec.
- Noter la valeur lue sur le multimètre.
- Recommencer en augmentant la distance de la lampe par rapport à la cible et montrer que les valeurs mesurées varient selon la position de la lampe.

Mesure de l'albédo :

- Mettre en service la dernière fenêtre du porte-filtres qui ne comporte pas de filtre.
- Placer la lampe à 25 cm environ de la cible visée par le capteur.
- Recouvrir la feuille de canson noir de sable sec.
- Noter la valeur lue sur le multimètre.
- Recommencer avec chacun des objets : sable humide, feuilles vertes, feuilles sèches, ... Il faudra veiller à placer les objets sur la feuille de canson noir ou dans un récipient peint en noir pour faire les mesures.    Chaque valeur lue correspond à l'albédo de chacun des objets, c'est à dire à la valeur du rapport de l'énergie réfléchie à l'énergie incidente. Elle est caractéristique de chaque milieu simulé par les objets testés.

Mesure des réflectances :  

La réflectance correspondant à l'albédo pour une longueur d'onde particulière, il suffit donc de recommencer les mesures comme pour l'albédo des différents objets mais en mettant en service chacun des filtres du porte-filtres. Ne pas oublier de refaire l'étalonnage à chaque fois que l'on met en service un nouveau filtre.    On pourra faire le parallèle avec le capteur HRV du satellite SPOT puisque :
    - le filtre vert simule le canal 1 (XS1) : 500 à 600 nm du satellite,
    - le filtre rouge simule le canal 2 (XS2) : 600 à 700 nm du satellite,
    - le filtre infrarouge simule le canal 3 (XS3) : 800 à 900 nm (infrarouge proche) du satellite.

Résultats.


Mesure de l'énergie réfléchie :

Mesures réalisées sur sable sec et sans filtre
Distance lampe/cible Valeur mesurée
25 cm 30%
35 cm 26%
45 cm 22%
55 cm 14%
65 cm 5%


Mesure de l'énergie réfléchie  

On remarque que l'énergie réfléchie par un milieu simulé ici par le sable sec diminue quand il s'éloigne de la source de lumière. On peut faire le parallèle avec l'énergie réfléchie (et donc reçue) par les planètes du système solaire selon leur distance au Soleil.

Mesure de l'albédo :


Milieu Valeur mesurée
Feuilles vertes 12%
Feuilles mortes 22%
Aiguilles de pin 14%
Sable sec 30%
Sable humide 38%



Mesure de l'albédo 

L'albédo de chacun des milieux simulé par les objets testés est caractéristique.
Leur moyenne est proche de 0,23 ce qui est sensiblement différent de l'albédo de la Terre qui est de 0,29. C'est l'occasion de discuter des limites du modèle utilisé avec les élèves : précision et qualité des mesures, choix des objets, petit nombre d'objets testés, ...


Mesure des réflectances :



  Valeurs mesurées
Milieu XS1 : vert XS2 : rouge XS3: IR
Feuilles vertes 13% 21% 84%
Feuilles mortes 16% 29% 61%
Aiguilles de pin 17% 20% 74%
Sable sec 26% 34% 37%
Sable humide 22% 29% 27%


Mesure des réflectances  


En comparant les réponses spectrales des feuilles vertes et des feuilles mortes, on remarque que les feuilles vertes ont une réflectance élevée et donc qu'elles absorbent très fortement dans le rouge. Cette propriété est liée à la chlorophylle.

En comparant les réponses spectrales des feuilles vertes et des aiguilles de pin, on remarque que leur réflectance dans le rouge est comparable, mais la réflectance des aiguilles de pin dans l'infrarouge est plus faible et donc leur absorption est plus importante dans ce canal.

En comparant les réponses spectrales du sable sec et du sable humide, on remarque que quel que soit le canal la réflectance du sable sec est supérieure à celle du sable humide. Cette propriété est donc due à l'eau. La différence est plus marquée dans l'infrarouge, l'eau absorbant d'avantage dans ce canal.    Selon le canal considéré, les réponses spectrales des différents milieux sont caractéristiques. On peut donc interpréter les valeurs radiométriques mesurées par les satellites tels que SPOT en comparant dans les différents canaux. On remarquera que c'est le canal XS3 qui est le plus informatif permettant notamment de différencier les milieux avec végétation chlorophyllienne des milieux avec de l'eau. Le canal XS2 permet de distinguer les milieux avec végétation chlorophyllienne et les milieux avec de l'eau des autres milieux.

 
auteur(s) :

Christian Duqué, professeur de SVT au lycée De Lattre de Tassigny à La Roche-sur-Yon
Evelyne Pinatel, aide de laboratoire au lycée De Lattre de Tassigny à La Roche-sur-Yon

information(s) pédagogique(s)

niveau : 2nde, Terminale S

type pédagogique : préparation pédagogique, travaux pratiques

public visé : enseignant, personnel de laboratoire

contexte d'usage : atelier, laboratoire, classe

référence aux programmes :

La planète Terre et son environnement
Du passé géologique à l'évolution future de la planète

Atmosphère, hydrosphère, climats: du passé à l'avenir

MPS science et vision du monde

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