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

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

2 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Site 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 GSM Intercalibration du DIMM local par GSM Dimensionnement des techniques HRA Dimensionnement des techniques HRA Excursion des franges (suiveur des franges) Excursion des franges (suiveur des franges) Cophasage (angle isopistonique) Cophasage (angle isopistonique) Systèmes dOA Systèmes dOA Optimisation des techniques HRA Optimisation des techniques HRA Temps dexposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des données interférométriques et dOA. Temps dexposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des données interférométriques et dOA. Optique atmosphérique: Optique atmosphérique: Vérification du modèle de turbulence optique Vérification du modèle de turbulence optique Isotropie de léchelle externe Isotropie de léchelle externe

3 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Modélisation du piston Observations GSM/PTI, Mt Palomar sept Vitesse ~10m/s = 2.2 m PTI: base = 110m et D=0.4m

4 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Site 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 GSM Intercalibration du DIMM local par GSM Dimensionnement des techniques HRA Dimensionnement des techniques HRA Excursion des franges (suiveur des franges) Excursion des franges (suiveur des franges) Cophasage (angle isopistonique) Cophasage (angle isopistonique) Systèmes dOA Systèmes dOA Optimisation des techniques HRA Optimisation des techniques HRA Temps dexposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des données interférométriques et dOA. Temps dexposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des données interférométriques et dOA. Optique atmosphérique: Optique atmosphérique: Vérification du modèle de turbulence optique Vérification du modèle de turbulence optique Isotropie de léchelle externe Isotropie de léchelle externe

5 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Optique Atmosph é rique & HRA Conception des systèmes dOA: Conception des systèmes dOA: Nombre de lentilles, dactuateurs (r 0 ) Nombre de lentilles, dactuateurs (r 0 ) Bande passante de la correction ( 0 ) Bande passante de la correction ( 0 ) Amplitude des miroirs déformables (r 0,L 0 ) Amplitude des miroirs déformables (r 0,L 0 ) Besoin en tip/tilt (r 0,L 0 ) Besoin en tip/tilt (r 0,L 0 )

6 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Lo inf 4 m 8-10mTMTOWL Echelle externe & tip/tilt Calcul de la variance des coefficients des polynômes de Zernike en fonction du mode i et du rapport D/L 0 tip/tilt

7 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Optimisation des observations HRA Conception des systèmes dOA: Conception des systèmes dOA: Amplitude des miroirs déformables (r 0,L 0 ) Amplitude des miroirs déformables (r 0,L 0 ) Nombre de lentilles, dactuateurs (r 0 ) Nombre de lentilles, dactuateurs (r 0 ) Bande passante de la correction ( 0 ) Bande passante de la correction ( 0 ) Besoins en tip/tilt (r 0,L 0 ) Besoins en tip/tilt (r 0,L 0 ) Optimisation des observations: Optimisation des observations: Choix des références ( 0 ) Choix des références ( 0 ) Modélisation de la PSF (r 0,L 0 ) Modélisation de la PSF (r 0,L 0 ) Nombre de modes à corriger (L 0 ) Nombre de modes à corriger (L 0 )

8 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 [(D/r 0 ) 5/3 ] [(D/r 0 ) 5/3 ] OA et échelle externe Residual error variance N for different D/L 0 N for different D/L 0 and different orders N : D=10m < (D/r 0 ) 5/3 < (D/r 0 ) 5/3 L 0 =D Strehl Ratio: Strehl Ratio: SR~ exp(- N ) SR~ exp(- N )

9 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 OA Multi-Conjuguée n Dimensionnement des MCAO: n Nbre & positions des MDs n Spécifications des SFOs ( lentilles, actuateurs & bande passante) n Course des MDs n Besoins en tip/tilt Besoins de profils: C N 2 (h) L 0 (h) v(h) Références Couche turbulente 2 Couche turbulente 1 Miroir déformable 1 Module de commande Miroir déformable 2 SFO Télescope C n 2 (z) Analyseurs de Surface donde

10 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Site 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 GSM Intercalibration du DIMM local par GSM Dimensionnement des techniques HRA Dimensionnement des techniques HRA Excursion des franges (suiveur des franges) Excursion des franges (suiveur des franges) Cophasage (angle isopistonique) Cophasage (angle isopistonique) Systèmes dOA Systèmes dOA Optimisation des techniques HRA Optimisation des techniques HRA Temps dexposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des données interférométriques et dOA. Temps dexposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des données interférométriques et dOA. Optique atmosphérique: Optique atmosphérique: Vérification du modèle de turbulence optique Vérification du modèle de turbulence optique Isotropie de léchelle externe Isotropie de léchelle externe

11 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Différentes bases utilisées: 11, 12, 15 & 32m Observations GI2T/GSM Mai,Juin 2003 et Juin 2004 à Calern GSM GI2T

12 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Quel modèle pour la turbulence atmosphérique? Modèle de Kolmogorov nest valide que dans le domaine inertiel (l 0 et L 0 ) Modèle de Kolmogorov nest valide que dans le domaine inertiel (l 0 et L 0 ) Pour les grandes bases les modèles empiriques rendent mieux compte du comportement des fronts donde: Pour les grandes bases les modèles empiriques rendent mieux compte du comportement des fronts donde: Von Karman, Greenwood-Tarazano, Exponentiel Von Karman, Greenwood-Tarazano, Exponentiel Lécart par rapport à Kolmogorov pour les grandes bases est confirmé par les observations interférométriques. Lécart par rapport à Kolmogorov pour les grandes bases est confirmé par les observations interférométriques.

13 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Quel modèle pour la turbulence atmosphérique?

14 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 GSM & MOSP GSM working layout at La Silla (Chile) Sept. 1997

15 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 MCAO n Spécifications des ELTs: n Besoins de profileurs: Scidar, Ballons, MASS… n Nbre & positions des DMs n Spécifications des WFS ( lentilles, actuateurs & bande passante) n Course des DMs n Besoins en tip/tilt ***} Profils de L 0 (h)

16 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 L 0 < 10m Paranal: >24% La Palma: >32% Mauna Kea: >25% Pachon: >12% Statistiques de L 0 à partir de GSM

17 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 The MDs positions are obtained by optimization of isoplanatic angle: The MDs positions are obtained by optimization of isoplanatic angle: Tokovinin et al., JOSA 17 (10), Oct Tokovinin et al., JOSA 17 (10), Oct For 2 layers: For 2 layers: Détermination des positions des DMs

18 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 DMs positions for Pachon Campaign 3DMs 2DMs

19 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Example of C N 2 profile at Pachon Oct. 5 Oct. 10 M1M1M1M1 M2M2M2M2 M3M3M3M3 M1M1M1M1 M2M2M2M2 M3M3M3M3

20 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Need of tip/tilt tip/tilt tip/tilt tip/tilt L 0 =20.4m tip/tilt L 0 =17m L 0 =62m L 0 =46m

21 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 N O T H I N G P R I O F L E S Turbulent layers GS GSM DIMM Mast Radio receiver Ballon SSS Models Automatic Weather station Modélisation

22 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Preliminary results Preliminary results Date UT L 01 L 02 L 03 L 04 L 0-int L 0-GSM 10/04/ /05/ /06/ /07/ /08/ /09/1998 ? ? ? ? /10/ Borgnino, Appl. Opt., 1990 Date UT L 01 L 02 L 03 L 04 L 0-int L 0-GSM 10/04/ /05/ /06/ /07/ /08/ /09/1998 ? ? ? ? /10/

23 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Is GSM a L 0 profiler ? Reconstruction of the AA covariance using the 6 modules of the GSM: Reconstruction of the AA covariance using the 6 modules of the GSM:

24 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Angle of Arrival covariance Model Scidar/Balloons GSM Von Karman model: }

25 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Limitations of the method The GSM is not a real L 0 profiler: The GSM is not a real L 0 profiler: Different solutions are obtained Different solutions are obtained The final solution is obtained using different constraints on the results: The final solution is obtained using different constraints on the results: Constraints based on observations Constraints based on observations Time Processing limitation: Time Processing limitation: Low resolution of L 0 profil ---> 3 or 4 layers: Low resolution of L 0 profil ---> 3 or 4 layers: Layers are given by the DMs positions Layers are given by the DMs positions

26 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 A Combined GSM/Balloons campaign at Cerro Pachon October 98 C N 2 Profils from balloons: C N 2 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)

27 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Constraints on the L 0 profile Assumption: Assumption: The geophysical outer scale is directly related to wave-front coherence outer scale The geophysical outer scale is directly related to wave-front coherence outer scale Abahamid, Vernin & al., A&A, 2004 From balloons statistics: L 01 >L 02 L 01 >L 02 Median L 0 profile from 168 balloons

28 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Layers r 0 contribution Date Layer 1 r 0 (cm) Layer 2 r 0 (cm) Layer 3 r 0 (cm) Layer 4 r 0 (m) Ground r 0 (cm) 04 Oct. 9816,2752,1730,621,512,67 05 Oct. 9818,9443,3435,482,414,19 06 Oct ,7460,492,0229,72 07 Oct. 9838,9754,7451,332,2523,94 08 Oct. 9818, ,743,3916,36 Mean27, ,5322,31219,376 L 0-mean (m)

29 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Observation of lunar limb Measurement of the covariance of the lunar limb at different angular separation : Measurement of the covariance of the lunar limb at different angular separation : C ( )= C ( )= Angle of Arrival transverse fluctuations Angle of Arrival transverse fluctuations hjhjhjhj

30 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Observation of lunar limb hjhjhjhj h j h j

31 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Spatio-angular covariance Spatio-angular covariance n Transition from angular to spatial: n Von Karman model:

32 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Sensitivity to L 0 profile Pachon campaign: Pachon campaign: L 0 profil estimated from GSM. L 0 profil estimated from GSM. C N 2 profil from balloons C N 2 profil from balloons (21,17,62,46) (1,1,1,1) n Von Karman model

33 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Campaign at the OHP Observatory Nov. 21 – Dec. 06, 2004 Instruments: Instruments: Scidar Scidar Single Star Scidar Single Star Scidar Balloons Balloons GSM GSM MOSP MOSP DIMM DIMM

34 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Monitor of Outer Scale Profile: MOSP Components: Components: Telescope C8 Telescope C8 Barlow x5 Barlow x5 CCD (PixelFly) CCD (PixelFly) PC for acquisition & processing PC for acquisition & processing

35 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Data 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 mount Bad equatorial mount Next observations: Next observations: Mauna Kea in July on the UH24 simultaneously with G-Scidar and GSM. Mauna Kea in July on the UH24 simultaneously with G-Scidar and GSM.

36 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Comparison MOSP/GSM

37 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Conclusion 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: MOSP New experiment: MOSP Real outer scale profiler Real outer scale profiler Generalized monitor r, &. Generalized monitor r 0, 0 & 0. Observations in July at Mauna Kea simultaneously with Scidar and GSM. Observations in July at Mauna Kea simultaneously with Scidar and GSM.

38 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Example of MOSP covariance

39 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Statistics on C N 2 profile from 168 balloons Sites: Sites: La Palma La Palma OHP OHP Paranal Paranal South pole South pole Pachon Pachon Toulouse Toulouse San Perdo San Perdo Aire sur lAdour Aire sur lAdour Mean Median Hufnagel Abahamid, Vernin & al., A&A, 2004

40 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Contraintes sur le profil L 0 (h) n Comparaison des échelles externes géophysiques de la couche planétaire et de latmosphère libre

41 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Présélection des sites Paramètres météo (Humidité, Ensoleillement, Température, Précipitations, Vents dominants). Paramètres météo (Humidité, Ensoleillement, Température, Précipitations, Vents dominants). Vitesse à 200mb (Scintillation). Vitesse à 200mb (Scintillation). Couche dinversion température. Couche dinversion température. Altitude. Altitude. Vapeur deau (diffusion et absorption). Vapeur deau (diffusion et absorption). Nombre très limité de sites optimisant ces critères

42 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Evaluation des sites astronomiques Energie turbulente C N 2 Energie turbulente C N 2 Seeing o (conditionne le nbre de lentilles) Seeing o (conditionne le nbre de lentilles) Isoplanétisme o Isoplanétisme o Temps de cohérence o Temps de cohérence o Echelle externe L o Echelle externe L o Transparence du ciel (Photométrie) Transparence du ciel (Photométrie)

43 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Scidar Généralisé Permet de mesurer: Permet de mesurer: le profil de l énergie de la turbulence C N 2 le profil de l énergie de la turbulence C N 2 le seeing le seeing le profil du vent dans l atmosphère le profil du vent dans l atmosphère le temps de cohérence. le temps de cohérence.

44 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Principe du Scidar Généralisé Les rayons arrivants en B et C sont corrélés car ils passent par la même région de turbulence X se trouvant à l altitude h. Les rayons arrivants en B et C sont corrélés car ils passent par la même région de turbulence X se trouvant à l altitude h. La fonction dautocorrélation spatiale permet de remonter à l énergie de chacune des couches: profil de C N 2 (h). La fonction dautocorrélation spatiale permet de remonter à l énergie de chacune des couches: profil de C N 2 (h). Lautocorrélation temporelle permet de remonter à V(h) Lautocorrélation temporelle permet de remonter à V(h) h

45 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Sondages ballons Les ballons sont équipés de sondes de température, d un baromètre et d un altimètre. Les ballons sont équipés de sondes de température, d un baromètre et d un altimètre. Toutes les données sont envoyées à une station au sol. Toutes les données sont envoyées à une station au sol. La position du ballon par rapport à la station de réception est également disponible. Ce qui permet de remonter au profil de vitesse. La position du ballon par rapport à la station de réception est également disponible. Ce qui permet de remonter au profil de vitesse.

46 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Generalized Seeing Monitor (GSM) GSM working layout at La Silla (Chile) Sept Seeing o - Isoplanétisme o - Temps de cohérence o - Echelle externe L o

47 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars The GSM optical device

48 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Monitor de seeing: DIMM

49 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Moniteur bord lunaire - Seeing o - Isoplanétisme o - Temps de cohérence o - Echelle externe L o - Profil de L o - Profil de C N 2

50 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 MISOLFA - Seeing o - Isoplanétisme o - Temps de cohérence o - Echelle externe L o - Profil de C N 2

51 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Sites qualifiés

52 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 Résumé des résultats

53 A. Ziad, Journée scientifique VEGA/CHARA Mars 2008 U.Marrakech: Maroc Z. Benkhaldoun E. Habib ESO, Europe M. Sarazin N. Hubin UNAM, Mexique R. Avila L. Sanchez S. Cuevas UNSW: Australie J. Storey T.Travouillon Diverses collaborations IAC, Espagne C. Munoz M. Reyes ASC, Chine Yongqiang Yao Guoan Yang CRAAG, Algérie A.Irbah A. Berdja Caltech/Irvine, USA G. Chanan M. Schoeck E. Steinbring IFA, Hawaï, USA M. Chun R. Waïnscot GEMINI, USA F. Rigaut B.L. Ellerbroeck OT, Ouzbekistan Y. Tyllaiev I. Sabit T. Sadibekova


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