KaRIn : L'interféromètre radar en bande Ka

Crédits Nasa/JPL
Crédits Nasa/JPL

 KaRIn (Ka-band radar Interferometer), radar interféromètre en bande Ka est un nouveau type d'altimètre, héritant de l'expérience acquise sur les missions d’altimétrie précédentes (sur les altimètres classiques, mais aussi les radars à synthèse d'ouverture), ouvrant de nouvelles perspectives de mesure de la hauteur des surfaces d’eau.

Le principal instrument de Swot est un altimètre interférométrique qui possède un riche héritage basé sur 
(1) les nombreux succès des altimètres radar d'observation de l'océan, 
(2) la mission de topographie radar SRTM de la navette spatiale
et 
(3) les études pour le développement du Wide Swath Ocean Altimeter (WSOA).

Il s'agit d'un instrument d'observation proche du nadir, décrivant une fauchée de 120 km, qui utilisera deux antennes radar à synthèse d'ouverture (SAR) en bande Ka aux extrémités opposées d'un mat de 10 m pour mesurer la surface hautement réfléchissante de l'eau. Le traitement interférométrique SAR des impulsions retournées donne une résolution en azimut de 5 m et une résolution de 10 m à 70 m sur la largeur de la fauchée, avec une précision d'élévation de 50 cm. Le calcul de la moyenne spatiale sur une superficie de 1 km de l'océan améliore la précision de la hauteur  jusqu'à moins de 2 cm. KaRIn fournira une cartographie continue fonctionnant en mode d'émission à partir d'une antenne unique.

Voir la page dans Techniques>Altimétrie dédiée à l'altimètre-interferomètre pour plus d'information sur le principe de mesure.

Pour obtenir la longueur de base requise, KaRIn déploie deux antennes à réseaux réflecteurs de 5 m de long et de 0,25 m de large aux deux extrémités d'un mat ; Les deux antennes peuvent techniquement émettre et recevoir des impulsions radar, mais une seule émettra, les deux recevront. L'interféromètre est un système à double fauchée qui illumine alternativement les fauchées gauche et droite de chaque côté du nadir. Ceci est accompli par une double alimentation décalée fonctionnant avec des polarisations linéaires orthogonales (polarisations V et H), ce qui permet à l'antenne à réflecteur émettrice de générer deux faisceaux séparés, un pour chaque polarisation. KaRIn effectuera des mesures à proximité du nadir (angle de visée de 0,5° à 4,5° de chaque côté du nadir) en bande Ka (longueur d'onde de 0,84 cm, fréquence centrale 35,75 GHz).

Le KDES monté sur la structure
Le KDES monté sur la structure

L'architecture de KaRin architecture se compose de : 

le KaRIn Digital Electronics Subsystem (KDES)

Le sous-système électronique numérique de KaRIn reçoit les commandes du satellite et les données Doris (pour les informations d'altitude et de navigation) via un bus 1553, acquiert et met en paquets les données télémétriques du reste de l'instrument et envoie la télémesure KaRIn au satellite via la même interface. Il reçoit et numérise également les informations d'écho I & Q du RFU. Le KDES contrôle l’ensemble des équipements radar (RFU, HPA, alignement). Le débit de données de sortie maximum est de 360 Mbps. Pour limiter le débit de données au sol, le KDES traite et convertit les données numérisées en interférogrammes. Les données formatées sont ensuite transmises à la mémoire de masse (SSR). 

RFU KaRIn
RFU KaRIn

L'unité radio-fréquences (RFU)

C’est l’ensemble des composants analogiques nécessaires pour moduler/démoduler, amplifier et convertir en fréquence le signal de référence modulé jusqu'à l'amplificateur haute puissance et depuis le duplexeur. Les deux principaux sous-systèmes qui forment le RFU sont le duplexeur, qui est la matrice de commutation des signaux RF de/vers l’HyperBox, les EIKs, les sources d'antenne, et l'HyperBox, qui implémente toutes les autres fonctions du RFU : génération d'impulsions / émission et réception des échos / Up et Down conversion bande Ka /  LO IF & Calibration.

HPA (High Power Amplifier)

L'HPA amplifie le signal RF modulé envoyé par le RFU à un niveau de 1500 W RF pour transmission au sol. L'HPA se compose d'un Klystron à Interaction Étendue (l'EIK un amplificateur de micro-ondes), d'une alimentation haute tension construite par le JPL et d'un isolateur/filtre haute puissance fourni par la Nasa. L'unité est totalement redondée en raison de la criticité des amplificateurs de cette classe.

Antenne déployable (DAA: Deployable Antenna Assembly)

Il s'agit d'une structure déployable de haute précision, de grande rigidité et d’une remarquable stabilité qui permet de positionner parfaitement les réseaux réflecteurs par rapport aux sources montées sur la structure porteuse. L'ensemble se compose d'un ensemble mât intégré (IMA) et d'un ensemble réseau réflecteur intégré (IRA). Il doit être aussi rigide que possible pour garantir une base de référence stabilisée. Il est principalement composé de pièces en composite. Chaque IRA comporte un mécanisme d'alignement qui peut corriger le désalignement en tangage entre les deux réflecteurs.

Un des côté du mat d'antenne déployé
Un des côté du mat d'antenne déployé
Le mât KaRIn integré
Le mât KaRIn integré
Test des réflecteurs KaRIn
Test des réflecteurs KaRIn
[Translate to francais:] The KaRIn equipped metering structure
[Translate to francais:] The KaRIn equipped metering structure

La Centrale inertielle (IRU) de KaRIn

KaRIn inclut une centrale inertielle haute performance pour mesurer l'orientation mécanique de la base antennaire. L'équipement fait partie d'une gamme de produits largement éprouvés en vol. Il s'agit d'un gyroscope à fibre optique qui détecte la vitesse angulaire à l'aide d'un signal optique traversant une bobine de 5 km de fibre optique. Il n'y a pas de pièces mobiles. La fibre optique est garante d’ une très longue durée de vie. La centrale inertielle est tolérante aux pannes – elle comporte quatre canaux entièrement indépendants, dont trois sont suffisants pour remplir le besoin.

Paramètres système KaRIn

Paramètre Valeur
Fréquence au centre 35.75 GHz longueur d'onde 8.4 mm
TX largeur de bande 200 MHz 0.56 % de largeur de bande
TX longueur de Pulse 5.7 us possibilité d'opérer entre 3 - 9 us
Pulse Repetition Frequency (moyenne) 2 x 4420Hz varie de moins de 5% le long de l'orbite
Peak Transmit Power (EOL) 1500W
Longueur de la base physique 10 m
taille d'antenne 5 mx 0.25 m
Boresight Look Angle +/- 2.65 deg Swath look angles -0.65° to 3.9°
Polarisation, fauchée droite VV polarisation alternée entre des pulses
Polarisation, fauchée gauche HH consécutifs pour illuminer les deux fauchées.