Astronomie radar et radioastronomie à l’aide du radar transhorizon Nostradamus

Un fleuron technologique français au service de la science 24/10/2015
Publication REE REE 2015-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-4:14194
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Astronomie radar et radioastronomie à l’aide du radar transhorizon Nostradamus

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SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES REE N°4/2015 87 URSI 2015 Astronomie radar et radioastronomie à l’aide du radar transhorizon Nostradamus Par Jean-François Degurse1, Jean-Philippe Molinié2 , Véronique Rannou2 , Sylvie Marcos3 Ingénieur d’études, Direction Technique, THALES Systèmes aéroportés1 Ingénieurs de recherche, département Electromagnétisme et radar, ONERA2 Directeur de recherche, L2S, UMR 8506, CNRS-CentraleSupélec-université Paris-Sud3 The Nostradamus radar system is a set of 288 antenna elements distributed over the arms of a three- branches star. It is operating in High Frequency waves (6 to 28 MHz) that bounce on the ionosphere, reaching areas far beyond the horizon. As an early warning radar system, its primary purpose was the detection of aircraft at long ranges from 700 to several thousand kilometers.. Whereas over-the-horizon (OTH) radars are usually bistatic and require huge linear antenna networks to beam the signals, the special surface distribution of Nostrada- mus makes it possible to control the electronic beams both in azimuth and elevation. This original conception of the system allows its use in many scientific fields. In the past years, researches have been carried out on the ionosphere, on oceanography and on seismology. More recently, the radar has been used at trans-ionospheric frequencies to do radar astronomy by detecting meteorites and the Moon, and radio astronomy by observing Jovian and Solar radio emissions. Few large instruments operate at decameter wave mainly because of man made radio frequency interference and because of the poor signal to noise ratio of cosmic sources. However, interest for this frequency domain has recently been making something of a comeback, as new giant telescopes are being built. After a quick presentation of the OTH radar, we present some space observations that have been made. These radio observations are compared to data coming from a decameter radio telescope, the Nancay Decameter Array located in France. Finally, we will discuss about possible other experi- ments that could be carried out in the future. ABSTRACT Figure 1: Les antennes du radar Nostradamus – Source : Degurse. SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 88 REE N°4/2015 Introduction Le radar Nostradamus est un radar transhorizon à ondes de ciel. Il utilise la réflexion des ondes basses fréquences sur l’ionosphère pour voir au-delà de l’horizon. Sa fonction pre- mière est la veille lointaine, c’est-à-dire la surveillance de grands secteurs à très longue distance. Cependant, la concep- tion originale du système a rendu possible son utilisation dans divers autres domaines scientifiques. En effet, le radar a été utilisé pour mener, entre autres, des recherches sur l’ionos- phère, en océanographie et en sismologie. Plus récemment, le radar a été utilisé à des fréquences trans-ionosphériques de manière active pour des applications d’astronomie radar, ainsi que de manière passive pour de la radioastronomie. Peu d’instruments opèrent aux longueurs d’ondes décamétriques, principalement à cause des interfé- rences d’origine humaine qui gênent l’observation des sources cosmiques, bien plus faibles. Cependant, l’intérêt pour ces lon- gueurs d’ondes grandit et de nouveaux instruments tels que LOFAR [2] ont récemment été construits. Par rapport aux radio- télescopes, le radar peut aussi observer de manière active en émettant des ondes radar, et ainsi effectuer de l’astronomie radar, ce que très peu d’instruments sont capables de faire [1]. Après une brève présentation du radar Nostradamus, nous présenterons une application du système en astronomie radar, puis, nous étudierons des observations passives du Soleil et de Jupiter en bande HF. Les radars transhorizon et les sciences de l’espace La portée des systèmes de détection radar classiques est, comme les systèmes optiques, limitée par l’horizon radioélec- trique, due à la sphéricité de la Terre. En utilisant la réflexion des ondes basse fréquence (< 20 MHz) sur l’ionosphère, les radars transhorizon à ondes de ciel, également appelés OTH-B pour Over-The-Horizon Backscatter sont capables de voir bien au-delà de l’horizon, jusqu’à plusieurs milliers de kilomètres, les rendant particulièrement utiles pour effectuer des missions de veille lointaine et d’alerte précoce [3]. Vers la fin des années 60, les États-Unis et l’URSS ont conçu et déployé de tels sys- tèmes avec pour but la détection d’éventuels lancements de missiles balistiques, ainsi que la poursuite d’aéronefs à très longue distance. Plus récemment, l’Australie, la Chine et la France ont aussi développé de tels systèmes, étendant égale- ment leur domaine d’emploi à la détection de bateaux. D’autres systèmes radars fonctionnant en bande HF ont aussi été développés pour des activités de recherche et d’étude de l’ionosphère : le réseau de radar superDARN aux pôles [4] ainsi que les radars russe SURA [5] et américain HAARP [6]. Ces deux derniers ont été utilisés conjointement avec d’autres instruments, le radiotélescope ukrainien UTR-2 et la sonde WIND respectivement, pour détecter les éjections de masse coronale solaire (CME) ainsi que l’écho radar rétro- diffusé par la Lune [1]. Jusqu’à présent, les radars OTH n’ont été que très rare- ment utilisés en astronomie, à l’exception du radar américain AN/TPS-71 ROTHR pour la détection de CME [7]. En dépit du fait que la radioastronomie HF reste largement inexplorée – d’une part à cause de la pollution radioélectrique liée aux acti- vités humaines et des effets de dispersion dus à l’ionosphère, d’autre part à cause du faible rapport signal à bruit des sources cosmiques à ces fréquences et de la nécessité de disposer d’instruments de grande taille pour obtenir une bonne résolu- tion angulaire à ces longueurs d’onde – peu de tentatives ont été faites pour détecter des sources cosmiques par les radars transhorizon. La principale raison à cela, en dehors des aspects liés aux applications militaires, est que la plupart de ces sys- tèmes sont des réseaux monodimensionnels d’antennes (pou- vant mesurer plusieurs kilomètres), ce qui leur permet d’avoir une très bonne résolution angulaire en azimut mais pas en élé- vation. Pour une application de veille lointaine, cela n’est pas important parce qu’ils disposent généralement de sondeurs verticaux ionosphériques situés approximativement à mi-dis- tance de la zone à couvrir. Ces sondeurs verticaux permettent de connaître les conditions de propagation. La connaissance de ces conditions associées à la mesure du retard temporel de l’écho de sol, permettent d’estimer la distance au sol de cet écho. En ajoutant la direction azimutale du signal, les coordon- nées géographiques d’un objet détecté peuvent ainsi être esti- mées. La conception originale du radar français Nostradamus ne souffre pas de cette limitation pour l’observation de l’es- pace. L’objectif de cet article est de présenter les capacités de ce radar dans ce domaine. Nous présenterons dans une première partie les expé- rimentations qui ont été effectuées en mode actif avec le radar Nostradamus, c’est-à-dire avec l’émission active. Dans ce mode, le radar fonctionne de la même façon que lorsqu’il est utilisé pour sa fonction principale qui est la détection d’objets mobiles à grande distance. Dans une deuxième partie, nous présenterons des obser- vations qui ont été faites en mode passif, c’est-à-dire où l’émis- sion du radar est désactivée. Le radar fonctionne alors de la même manière qu’un radiotélescope. Le radar Nostradamus Le réseau d’antennes Le radar Nostradamus est un système constitué de 288 antennes biconiques distribuées le long de trois bras disposés en étoile, séparés de 120°. Chaque bras mesure environ 400 REE N°4/2015 89 Astronomie radar et radioastronomie à l’aide du radar transhorizon Nostradamus mètres de long. Les antennes sont aléatoirement distribuées dans les 80 mètres de largeur de chaque bras. Une partie seu- lement des antennes est utilisée à l’émission tandis que toutes sont employées à la réception. Il fonctionne en bande HF (de 6 MHz à 28 MHz). En tant que radar de veille lointaine, sa fonc- tion principale est la détection d’aéronefs à des distances allant de 700 à plusieurs milliers de kilomètres. Alors que les radars transhorizon sont généralement des grands réseaux linéaires bistatiques, la conception particulière du radar Nostradamus lui permet de contrôler le faisceau d’émission et de réception en azimut et en élévation. Cette répartition d’antennes permet une couverture de 360° en azimut. La configuration monos- tatique limite les problèmes de propagation puisqu’il n’y a qu’un point de réflexion sur l’ionosphère à considérer. Le radar n’utilise aucun sondeur ionosphérique externe, il effectue lui- même un sondage de l’ionosphère à partir des échos rétrodif- fusés par le sol. Ces sondages sont faits périodiquement en alternance avec le mode de veille radar. Les systèmes d’émission et de réception Une centaine d’émetteurs, reliés à chaque antenne d’émis- sion constitue le système d’émission du radar. Les émetteurs sont installés dans des tunnels souterrains parcourant chaque bras du réseau. Chaque émetteur est piloté par le système de gestion qui permet de contrôler le gain et la focalisation du faisceau. La totalité du réseau est utilisée pour la réception. Les antennes sont regroupées en sous-réseaux afin de réduire la quantité de données qui doivent être numérisées et trans- mises au calculateur de traitement du signal et de l’informa- tion. Le faisceau de réception y est alors formé par le calcul. Le radar opère sur une bande instantanée de réception de quelques dizaines de kilohertz et possède un système de gestion de fréquences complexe. Afin de déterminer les fréquences optimales à utiliser, une évaluation de l’occupa- tion des canaux fréquentiels ainsi que du niveau de bruit est effectuée. Cette recherche de fréquences claires est active en Figure 2 : Carte représentant la hauteur des vagues (à droite) et la direction des vents (à gauche) reconstruite à partir des observations du radar Nostradamus – Source : Degurse. SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 90 REE N°4/2015 permanence et est réalisée en utilisant une antenne indépen- dante du réseau d’antennes principal. Une statistique basée sur les niveaux de bruit est faite pour chaque canal fréquentiel qui sont alors classifiés selon leur degré d’occupation. La fré- quence d’émission est finalement choisie en fonction de cette classification, des résultats du sondage ionosphérique précé- dent ainsi que de la direction et de la distance du secteur surveillé. L’utilisation de sondages ionosphériques périodiques permet de suivre les évolutions des conditions de propagation et d’assurer la permanence de la veille sur le secteur choisi par l’opérateur radar. Applications en géoscience En plus de sa mission première, le radar a aussi été utilisé à des fins de recherches scientifiques : des raies de Bragg rétrodiffusées par la mer [8] ; - tions de l’ionosphère [9] ; en élévation et en fréquence [10]. Astronomie radar à l’aide du radar Nostradamus Préambule : le mode actif Nous rappelons ici très brièvement le principe de fonc- tionnement d’un radar. Un radar émet une série de M impul- sions correspondant au temps d’émission suivies d’un temps de réception, ces signaux répétitifs sont appelés également récurrences. Les impulsions contiennent le code radar qui est B centrée sur une fréquence porteuse Fp transmise dans un temps Te et est reçue pendant un temps de réception Tr qui suit le temps d’émission. On définit la durée de la récurrence par Trecu = (Te + Tr ). Le rapport Te /Trecu est appelé « facteur de forme ». La fréquence de répétition, également appelée Fr, est égale à 1/(Te + Tr). Pour chaque récurrence, le signal reçu est échantillonné à une fréquence Fech qui est généralement égale à B. Chaque case ainsi échantillonnée correspond au temps d’aller-retour du signal et donne donc une information sur la distance de l’objet. La résolution distance d’un radar est égale à . Afin d’augmenter le rapport signal sur bruit, le signal reçu est corrélé avec le signal émis, cette étape étant appelée « compression distance ». Le temps long, de récurrence à récurrence, correspond quant à lui au temps d’intégration cohérente. Une transformée de Fourier sur cette dimension produit un spectre Doppler pour chaque case distance et donne ainsi une information sur la vitesse de l’objet. Enfin, en disposant de plusieurs antennes de réception, nous obtenons une information spatiale sur l’ob- jet puisque la différence de phase entre les antennes dépend de l’angle d’arrivée du signal. Pour former un faisceau dans une direction donnée, un terme de phase est appliqué aux signaux de chaque antenne de réception pour compenser le dépha- sage dû à la direction d’arrivée du signal et ainsi maximiser le gain du réseau dans cette direction. Pour qu’une onde électromagnétique puisse pénétrer dans un milieu ionisé, sa fréquence porteuse doit être supérieure à la fréquence plasma du milieu. La pulsation plasma du milieu est définie par : où ne est la densité d’électrons, e est la charge élémentaire, me est la masse de l’électron et 0 est la permittivité du vide. On en déduit la fréquence plasma qui est approximée par . En fonctionnement normal, le radar Nostradamus utilise les couches de l’ionosphère pour réfracter ses signaux vers le sol et détecter des cibles au-delà de l’horizon. Les couches ionos- solaire. Pour les applications radar, les fréquences porteuses de Nostradamus sont choisies afin de ne pas traverser l’ionos- phère. Pour les applications d’astronomie radar et de radioas- tronomie, les fréquences porteuses utilisées (aux alentours de 25 MHz en journée) traversent les couches ionosphériques. Cependant cette traversée introduit des déformations. Les principales sont un retard de propagation supplémentaire, un biais sur la localisation angulaire et un décalage en fréquence Doppler. Ces défauts sont présents dans les mesures obte- nues sur les objets détectés. Détection de la Lune en basse fréquence En utilisant les fréquences de fonctionnement les plus hautes du radar, il est possible de détecter des objets se trou- vant au-delà de l’atmosphère terrestre. La puissance d’émis- sion du radar permet d’envisager la détection de la Lune qui REE N°4/2015 91 Astronomie radar et radioastronomie à l’aide du radar transhorizon Nostradamus se situe à environ 384 000 km de la Terre. Cette distance implique un temps d’aller-retour des ondes radar de plus de 2 secondes, ce qui est bien supérieur à la période de répétition maximale autorisée par le système, dimensionnée pour obser- ver des distances de quelques milliers de kilomètres. Le signal rétrodiffusé par la Lune est alors dit ambigu en distance. La fré- quence de répétition du radar (Fr ), c’est-à-dire la fréquence à laquelle sont transmises les impulsions, a dû être judicieuse- ment choisie pour que les échos lunaires reviennent entière- ment dans une période d’écoute du radar, et non d’émission. La fréquence d’émission a été fixée à 20,5 MHz ce qui per- met au signal de traverser l’ionosphère avec de faibles biais. La bande d’émission est de 20 kHz, ce qui implique une réso- lution en distance de 7,5 km, le temps d’émission est de Te = 3 ms et la période de répétition Trecu = 30 ms. Le fac- teur de forme est donc de 10 %. Le temps d’intégration est de 7,68 s, c’est-à-dire 256 impulsions. L’écho lunaire reçu par le radar est nettement observable sur l’image distance-Doppler de la figure 3. Le signal de la Lune revenant après plusieurs impulsions radar, la distance est ambigüe et l’axe distance ne correspond pas à la distance réelle entre le système et la Lune. En revanche, il est possible de mesurer le rayon de notre satellite. Chaque anneau de sur- face iso-distance renvoie un signal décalé en temps du fait de sa distance avec le radar (voir schéma de la figure 4). La lon- gueur de l’écho correspond ainsi au rayon du satellite. Le rayon mesuré à l’aide du radar Nostradamus est d’environ 1 800 km, pour une valeur réelle de 1 734 km. Le léger décalage en fré- quence Doppler des ondes réfléchies est dû au biais ionos- phérique. La Lune ou des satellites artificiels pourraient être utilisés afin de mesurer ce biais dans ces bandes de fréquence. On peut également voir une ondulation de l’écho reçu sur l’axe distance, elle est due à la diffraction de Fresnel. L’autre intérêt de cette expérience tient au fait que les ondes HF pénètrent dans le régolithe lunaire et permettraient ainsi de sonder le sous-sol de la Lune. On estime ainsi la profon- deur de pénétration des ondes, ce qui procure des renseigne- Figure 3 : Image distance-Doppler de la Lune – Source : Degurse. Figure 4 : Schéma présentant les anneaux iso-distance renvoyant le signal radar de la Lune. SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 92 REE N°4/2015 ments sur la composition du sous-sol, où certains scientifiques espèrent encore trouver de l’eau en bonne quantité. Par ail- leurs, les mesures de la Lune en ondes HF permettraient de connaître certains paramètres de la surface lunaire, comme la permittivité diélectrique et la conductivité de la surface. Des études plus poussées pourraient utiliser le mouvement de la Lune par rapport à la Terre (principe de l’ISAR) et obtenir une image bien plus précise du satellite en bande HF. Détection de météorites Le radar Nostradamus est capable de détecter les météores qui entrent continuellement dans l’atmosphère terrestre. Ces météorites constituent en réalité une gêne pour le radar en fonctionnement normal et un traitement d’excision de signaux impulsionnels est effectué en permanence afin de supprimer ces échos qui perturbent la détection des cibles d’intérêt. Les échos rétrodiffusés lors de la rentrée atmosphérique d’un objet ne viennent pas de l’objet lui-même. Ils proviennent du canal ionisé créé par l’objet. La densité du plasma, et donc sa fré- quence, déterminent la durée et l’évolution du plasma créé. Deux types d’échos sont observés : les traînées sous-denses, où seule une partie du rayonnement est rétrodiffusée, et les traî- nées sur-denses qui réfléchissent toutes les ondes transmises. La figure 6 montre une image distance-récurrence obte- nue grâce au radar Nostradamus sur laquelle apparaissent deux traînées de météores. Il n’est pas nécessaire d’effectuer une intégration par transformée de Fourier pour détecter les échos de météores. Le profil temporel permet de déterminer la nature de la traînée et ainsi donner une indication sur la taille de l’objet entrant dans l’atmosphère. Figure 5 : Principe de réflexion sur une traînée de météore (à gauche) et profil temporel d’une réflexion sur une traînée « sous-dense » (à droite). Figure 6 : Carte temps-distance d’une observation à fréquence trans-ionosphérique – Source : Degurse. REE N°4/2015 93 Astronomie radar et radioastronomie à l’aide du radar transhorizon Nostradamus Les rayons cosmiques, en interagissant avec l’atmosphère, créent des gerbes de plasma similaires à celles crées par les météores bien que les traînées créées soient plus brèves et moins importantes. Une étude statistique de ces signaux consti- tuerait un nouveau moyen d’étudier ces rayons cosmiques. Perspectives L’observation de l’espace en mode radar est limitée aux objets proches de la Terre. En effet, le rapport signal à bruit décroît en 1/D4 où D est la distance entre le radar et la cible ce qui rend difficile l’observation d’objets situés au-delà de la distance Terre-Lune. Il est néanmoins envisageable d’utiliser Nostradamus pour détecter directement l’écho renvoyé par le plasma éjecté lors d’une éruption solaire (voir figure 7) bien que plusieurs conditions doivent être satisfaites : réfléchir les ondes émises par le radar. En effet, la fréquence de fonctionnement du radar doit être supérieure à la fré- quence plasma de l’ionosphère mais inférieure à la fréquence plasma de la matière éjectée qui elle diminue avec l’éloigne- ment par rapport au Soleil. Typiquement, cela donne des fré- quences allant de 10 à 80 MHz pour des distances de 1 à 5 décaler la bande de réception afin de recevoir les ondes for- tement décalées en Doppler à cause de la vitesse très élevée des particules de matière. Le décalage Doppler est où V est la vitesse radiale vers la Terre des particules éjec- tées. La vitesse des particules pouvant aller de 100 km/s à 1 500 km/s, cela implique des décalages Doppler positifs de 13 kHz à 100 kHz. Radioastronomie Le radar Nostradamus peut aussi être utilisé en mode pas- sif pour écouter l’espace en bande HF comme le font les radio- télescopes. Dans ce cas, l’émission du radar est désactivée, mais du fait de la conception du système, il n’est pas possible d’enregistrer des données pendant la période correspondant à l’émission du radar si elle était active. L’acquisition des signaux n’est donc pas continue. Dans notre système solaire, le Soleil et Jupiter émettent dans le spectre HF. Nous verrons que la sensibilité du radar Nostradamus n’est pas suffisante pour détecter le bruit continu émis par le Soleil à ces fréquences mais qu’il est capable de détecter les sursauts, dits “bursts”, émis notamment lors des éjections de masses solaires. Les émissions en bande HF de Jupiter sont plus directives et leur observation depuis la Terre dépend de la position de son satellite Io. Il est ainsi possible de connaître à l’avance les périodes où ces émissions vont avoir lieu. Observation du Soleil Deux observations du Soleil ont été effectuées pour tenter de détecter le bruit émis en continu par le Soleil. L’expérience a consisté à pointer le faisceau du radar dans une direction fixe, à une fréquence de 25,6 MHz, afin d’observer si le passage du Soleil dans le faisceau produit une élévation du plancher de bruit. La fréquence de 25,6 MHz a été choisie parce qu’elle se trouve dans la bande 25,55 – 25,67 MHz qui est l’une des deux bandes réservée à la radioastronomie en HF, l’autre étant la bande 13,36 – 13,41 MHz. La première séquence d’enregis- trement n’a montré aucune augmentation du niveau de bruit. En revanche, lors de la deuxième séquence d’enregistrement, deux augmentations très importantes du niveau de bruit ont été observées pendant un court moment lors du passage du Soleil dans le faisceau. Ce dernier a été effectué le 14/10/2011 entre Figure 7 : Principe de réflexion des ondes HF sur une éjection de masse coronale – Source : Rodriguez. SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 94 REE N°4/2015 11h10 TU et 12h00 TU avec un passage du Soleil au centre du lobe principal à 11h38’20’’ TU. Le faisceau du radar a été fixé à un azimut de 179,0° et une élévation de 33,0°. La figure 8 montre une image temps-fréquence de la puis- sance du signal reçue lors du deuxième enregistrement. Les deux traits verts délimitent l’intervalle de temps dans lequel le Soleil se trouve dans le lobe principal. On y voit les deux sursauts qui occupent toute la bande de réception. Des raies verticales très fines parcourant toute la bande de fréquence apparaissant régulièrement sont visibles sur la carte temps-fré- quence. Après une analyse plus poussée, ces raies semblent provenir de sondeurs ionosphériques. Pour confirmer que ces sursauts proviennent bien du Soleil, les données ont été comparées aux données enregistrées par le réseau décamétrique de l’observatoire de Nançay [11] (pour les fréquences allant d’environ 13 MHz à 40 MHz) et par le satellite WIND qui enregistrent en permanence les signaux provenant du Soleil en bande HF (pour les fréquences de 5 à 13 MHz). Ces données sont librement accessibles à tous [12]. La figure 9 qui présente la superposition de l’enregistre- ment effectué par Nostradamus avec les données observées par ces deux instruments. Elle montre que les deux pics détec- tés par Nostradamus ont aussi été observés par le RDN et WIND. Les émissions que montre le spectrographe sont les Figure 8 : Carte temps-fréquence obtenue lors du passage du Soleil dans le lobe principal. Les barres verticales vertes marquent l’entrée et la sortie du Soleil dans le faisceau du radar – Source : Degurse. Figure 9 : Superposition du spectrogramme fourni par l’observatoire de Nançay (en haut) et de la mesure de la puissance reçue par le radar Nostradamus (en bas). En vert, l’entrée du disque solaire dans le lobe du radar débute à 11h35’30’’ et le disque solaire quitte le lobe à 11h43’15’’ – Source : Degurse. REE N°4/2015 95 Astronomie radar et radioastronomie à l’aide du radar transhorizon Nostradamus émissions caractéristiques des faisceaux d’électrons qui tra- versent la couronne vers l’espace interplanétaire. Elles sont caractéristiques des bursts solaires [13]. Du fait de sa configuration en plusieurs sous-réseaux de réception, le radar Nostradamus permet, en plus, de mesu- rer la direction d’arrivée des signaux dans les lobes de sous- réseaux. Pour cela, nous utilisons la méthode de formation de faisceaux par le calcul. Elle consiste à appliquer une phase dif- férente au signal de chaque sous-réseau de manière à maxi- miser le gain dans une direction donnée. La figure suivante présente une imagerie du premier sursaut, avec un temps d’in- tégration de 2,56 secondes, réalisée par formation de voie par le calcul sur tout le domaine angulaire des sous-réseaux. On y voit que l’énergie ne vient pas du soleil mais d’une zone de la couronne solaire située à plusieurs rayons solaires. Les bursts solaires sont en généralement causés par l’éjection d’électrons Figure 10 : Imagerie angulaire d’un sursaut solaire à 25,6 MHz observé à 11h38 TU – Source : Degurse. Figure 11 : Image capturée par la sonde Soho le 14/10/2011 à 11h36 TU – Source NASA.gov. SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 96 REE N°4/2015 à haute énergie lors d’éruptions solaires, l’émission radio peut donc se trouver à plusieurs rayons solaires du Soleil. L’image présentée sur la figure 11 provient du coronographe C2 de l’instrument LASCO de la sonde SoHo qui se trouve au point de Lagrange L1. On y voit une importante éjection de masse coronale à 11h36 TU, soit deux minutes avant le sur- saut observé en basse fréquence par le radar Nostradamus. Les images ne peuvent cependant pas être directement comparées, le coronographe de la sonde SoHo, utilise des coordonnées solaires. C’est-à-dire que l’axe vertical est la projection de l’axe de rotation du Soleil sur le ciel, l’axe horizontal est donc la direc- tion est-ouest solaire. Il faut appliquer une rotation angulaire d’environ -26 degrés environ à l’image radio pour les comparer. Observation de Jupiter En plus du Soleil, une autre source de rayonnement HF peut être observée dans le système solaire, il s’agit de la pla- nète Jupiter. Des particules tournant en spirale le long des lignes de champ magnétique de Jupiter émettent de l’éner- gie sous forme de rayonnement cyclotron et synchrotron. Ces émissions sont généralement directives et certaines d’entre elles sont corrélées avec la position du satellite Io par rap- port à Jupiter et à la Terre. Il est donc possible de connaître à l’avance les périodes au cours desquelles nous nous atten- dons à observer certaines des plus fortes émissions HF. Une base de données donnant les probabilités d’émission de différentes sources est disponible sur le site de la sta- tion de radioastronomie de Nançay [12]. La date et l’heure de la campagne d’enregistrement ont été choisies en fonc- tion de ces probabilités. L’acquisition du signal a été effec- tuée le 14/12/2012 entre 21h15 TU et 23h30 TU. Pendant l’acquisition, le faisceau est continuellement pointé sur Jupiter. La fréquence de réception est constante à 21,437 MHz. Les trois courbes de la figure 12 présentent les puissances reçues en fonction de l’heure. La courbe noire est obtenue sans aucun traitement de réduction du bruit, tandis que les courbes rouge et bleue sont obtenues avec deux traitements de réduc- tion des interférences différents. Les résultats sont sensiblement les mêmes et mettent en évidence une période allant de 21h30 TU à 22h10 TU où nous observons de nombreux sursauts d’éner- gie. La figure 13 présente une image temps-fréquence de cette période de sursaut sur laquelle nous pouvons voir que ces sur- sauts occupent toute la bande de 30 kHz de réception. Ces résultats ont eux aussi été comparés aux enregistre- ments effectués par le radiotélescope RDN de l’Observatoire de Nançay. La figure 14 montre les spectrogrammes de 10 à 40 MHz obtenus en polarisation circulaire droite et circulaire gauche par le RDN. Le radar Nostradamus reçoit lui en polari- sation verticale uniquement, mais la polarisation des ondes HF lors de la traversée des couches ionosphériques est modifiée par l’effet Faraday. Les sursauts observés par le radar Nostradamus entre 21h30 TU et 22h30 TU sont clairement visibles et s’étendent sur une bande de fréquence allant de 15 MHz à plus de 30 MHz. Figure 12 : Puissance mesurée par le radar Nostradamus sur toute la bande de réception en fonction du temps sans traitement de réduction du bruit (en noir) et avec deux techniques de réduction du bruit différentes (rouge et bleu). REE N°4/2015 97 Astronomie radar et radioastronomie à l’aide du radar transhorizon Nostradamus Perspectives D’autres sources pourraient être observées en mode pas- sif avec le radar. Une des voies les plus prometteuses est l’observa- tion de pulsars en bande HF. Un enregistrement du pulsar PSR0804+74 a été effectuée en avril 2013 et attend d’être traité. Le traitement est plus complexe dans ce cas parce que le faible rapport signal sur bruit du pulsar demande un temps d’intégration long et une correction de la dispersion fréquen- tielle du signal. Conclusion Bien qu’étant conçu pour des applications militaires et de sécurité, le radar Nostradamus est un instrument unique per- mettant d’explorer de nombreux domaines scientifiques allant de l’océanographie à la sismologie. Figure 13 : Carte temps-fréquence reçue par le radar Nostradamus en observant Jupiter. Figure 14 : Spectrogrammes enregistrés par le Réseau Décamétrique de Nançay – Source Obs. Nançay. SONDER LA MATIÈRE PAR LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUESURSI 2015 98 REE N°4/2015 Dans cet article, nous avons présenté quelques expériences en sciences de l’espace et montré que le radar pouvait être utilisé en astronomie radar et en radioastronomie. Bien que n’ayant pas la sensibilité des radiotélescopes, il possède d’autres avantages comme sa structure en sous-réseaux et sa capacité d’émission. Références [1] Rodriguez, P., Kennedy, E., & Kossey, P. (2003). High frequency radar astronomy with HAARP. [2] Van Haarlem, M. P., Wise, M. W., Gunst, A. W., Heald, G., McKean, J. 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Solar flares, type III radio bursts, coronal mass ejections, and energetic particles. Journal of Geophysical Research: Space Physics (1978–2012), 107(A10), SSH-14. L'AUTEUR Jean-François Degurse est diplômé de l’université de Toulouse en astrophysique et instrumentation spatiale. En 2014, il obtient un doctorat en physique de l’université Paris-Sud. Ses travaux, réalisés au sein de l’ONERA en col- laboration avec le Laboratoire des Signaux et des Systèmes (CNRS-Univ.ParisSud-CentraleSupélec), portent sur des traitements spatio-temporels adaptatifs en environnement hétérogène dans un contexte de radar aéroporté. Il est au- jourd’hui ingénieur d’études radar à la Direction Technique de Thales Systèmes Aéroportés, où il travaille sur les évolu- tions futures du radar RBE2.