Qualification du Mont Wilson pour la HRA

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1 Qualification du Mont Wilson pour la HRA

2 Site testing campaign at Mt Wilson
Objectifs: Caractérisation du site au moyen de GSM et MOSP: Seeing, échelle externe, isoplanétisme et temps de cohérence. Intercalibration du DIMM local par GSM Dimensionnement des techniques HRA Excursion des franges (suiveur des franges) Cophasage (angle isopistonique) Systèmes d’OA Optimisation des techniques HRA Temps d’exposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des données interférométriques et d’OA. Optique atmosphérique: Vérification du modèle de turbulence optique Isotropie de l’échelle externe

3 Modélisation du piston Observations GSM/PTI, Mt Palomar sept. 2001
Vitesse ~10m/s l = 2.2 mm PTI: base = 110m et D=0.4m

4 Site testing campaign at Mt Wilson
Objectifs: Caractérisation du site au moyen de GSM et MOSP: Seeing, échelle externe, isoplanétisme et temps de cohérence. Intercalibration du DIMM local par GSM Dimensionnement des techniques HRA Excursion des franges (suiveur des franges) Cophasage (angle isopistonique) Systèmes d’OA Optimisation des techniques HRA Temps d’exposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des données interférométriques et d’OA. Optique atmosphérique: Vérification du modèle de turbulence optique Isotropie de l’échelle externe

5 Optique Atmosphérique & HRA
Conception des systèmes d’OA: Nombre de mlentilles, d’actuateurs (r0) Bande passante de la correction (t0) Amplitude des miroirs déformables (r0,L0) Besoin en tip/tilt (r0,L0)

6 Echelle externe & tip/tilt
Lo inf 4 m 8-10m TMT OWL Calcul de la variance des coefficients des polynômes de Zernike en fonction du mode i et du rapport D/L0 tip/tilt

7 Optimisation des observations HRA
Conception des systèmes d’OA: Amplitude des miroirs déformables (r0,L0) Nombre de mlentilles, d’actuateurs (r0) Bande passante de la correction (t0) Besoins en tip/tilt (r0,L0) Optimisation des observations: Choix des références (q0) Modélisation de la PSF (r0,L0) Nombre de modes à corriger (L0)

8 OA et échelle externe L0=D DN<4 10-2 (D/r0)5/3 D=10m
Residual error variance DN for different D/L0 and different orders N : L0=D Strehl Ratio: SR~ exp(-DN) DN< (D/r0)5/3 D=10m

9 OA Multi-Conjuguée Dimensionnement des MCAO: Besoins de profils:
Références Dimensionnement des MCAO: Nbre & positions des MDs Spécifications des SFOs (mlentilles, actuateurs & bande passante) Course des MDs Besoins en tip/tilt Cn2(z) Couche turbulente 2 Couche turbulente 1 Télescope Besoins de profils: CN2(h) L0(h) v(h) Miroir déformable 1 Module de commande Miroir déformable 2 SFO Analyseurs de Surface d’onde SFO

10 Site testing campaign at Mt Wilson
Objectifs: Caractérisation du site au moyen de GSM et MOSP: Seeing, échelle externe, isoplanétisme et temps de cohérence. Intercalibration du DIMM local par GSM Dimensionnement des techniques HRA Excursion des franges (suiveur des franges) Cophasage (angle isopistonique) Systèmes d’OA Optimisation des techniques HRA Temps d’exposition, PSF, isoplanétisme, isopistonique à partir des données interférométriques et d’OA. Optique atmosphérique: Vérification du modèle de turbulence optique Isotropie de l’échelle externe

11 Différentes bases utilisées: 11, 12, 15 & 32m
Observations GI2T/GSM Mai,Juin 2003 et Juin 2004 à Calern Différentes bases utilisées: 11, 12, 15 & 32m GI2T GSM

12 Quel modèle pour la turbulence atmosphérique?
Modèle de Kolmogorov n’est valide que dans le domaine inertiel (l0 et L0) Pour les grandes bases les modèles empiriques rendent mieux compte du comportement des fronts d’onde: Von Karman, Greenwood-Tarazano, Exponentiel L’écart par rapport à Kolmogorov pour les grandes bases est confirmé par les observations interférométriques.

13 Quel modèle pour la turbulence atmosphérique?

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

15 } MCAO Spécifications des ELTs:
Besoins de profileurs: Scidar, Ballons, MASS… Nbre & positions des DMs Spécifications des WFS (mlentilles, actuateurs & bande passante) Course des DMs Besoins en tip/tilt * } Profils de L0(h)

16 Statistiques de L0 à partir de GSM
L0 < 10m Paranal: >24% La Palma: >32% Mauna Kea: >25% Pachon: >12%

17 Détermination des positions des DMs
The MDs positions are obtained by optimization of isoplanatic angle: Tokovinin et al., JOSA 17 (10), Oct. 2000 For 2 layers:

18 DMs positions for Pachon Campaign

19 Example of CN2 profile at Pachon
Oct. 5 Oct. 10

20 Need of tip/tilt tip/tilt tip/tilt tip/tilt tip/tilt L0=20.4m L0=17m

21 Modélisation Ballon Turbulent layers Automatic Weather station S E L I
G F N O R P Models GS GSM DIMM Mast Radio receiver SSS

22 Preliminary results Date UT L01 L02 L03 L04 L0-int L0-GSM 19 16 71 61
10/04/1998 23.8 28.4 10/05/1998 23.6 22.6 10/06/1998 24.7 21.2 10/07/1998 23.7 28.5 10/08/1998 24.1 26.3 10/09/1998 ? ? ? ? 88.5 10/10/1998 57.2 Date UT L01 L02 L03 L04 L0-int L0-GSM 10/04/1998 23.8 28.4 10/05/1998 23.6 22.6 10/06/1998 24.7 21.2 10/07/1998 23.7 28.5 10/08/1998 24.1 26.3 10/09/1998 ? ? ? ? 88.5 10/10/1998 ? ? ? ? 57.2 Borgnino, Appl. Opt., 1990

23 Is GSM a L0 profiler ? Reconstruction of the AA covariance using the 6 modules of the GSM:

24 Angle of Arrival covariance
Scidar/Balloons } Model GSM Von Karman model:

25 Limitations of the method
The GSM is not a real L0 profiler: Different solutions are obtained The final solution is obtained using different constraints on the results: Constraints based on observations Time Processing limitation: Low resolution of L0 profil ---> 3 or 4 layers: Layers are given by the DMs positions

26 A Combined GSM/Balloons campaign at Cerro Pachon October 98
CN2 Profils from balloons: 1 balloon/night simultaneously with GSM. GSM measurements : 4 GSM units (baselines from 0 to 2m)

27 Constraints on the L0 profile
Assumption: The geophysical outer scale is directly related to wave-front coherence outer scale Abahamid, Vernin & al., A&A, 2004 Median L0 profile from 168 balloons From balloons statistics: L01>L02

28 Layers r0 contribution L0-mean (m) 20.4 17 62 46 Date Layer 1 r0 (cm)
r0 (m) Ground 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 3,39 16,36 Mean 27,31 74.4 46,532 2,312 19,376 L0-mean (m)

29 Observation of lunar limb
Measurement of the covariance of the lunar limb at different angular separation q: Ca(q)=<a(h) a(h+q)> Angle of Arrival transverse fluctuations hj

30 Observation of lunar limb
qhj hj

31 Spatio-angular covariance
Transition from angular to spatial: Von Karman model:

32 Sensitivity to L0 profile
Pachon campaign: L0 profil estimated from GSM. CN2 profil from balloons (21,17,62,46) (1,1,1,1) Von Karman model

33 Campaign at the OHP Observatory Nov. 21 – Dec. 06, 2004
Instruments: Scidar Single Star Scidar Balloons GSM MOSP DIMM

34 Monitor of Outer Scale Profile: MOSP
Components: Telescope C8 Barlow x5 CCD (PixelFly) PC for acquisition & processing

35 Data processing in progress
J. Maire is in charge of this processing. Pbs of tracking and vibrations: Bad equatorial mount Next observations: Mauna Kea in July on the UH24 simultaneously with G-Scidar and GSM.

36 Comparison MOSP/GSM

37 Conclusion Extraction of the outer scale profile from GSM:
Constraints on the model. New experiment: MOSP Real outer scale profiler Generalized monitor r0, q0 & t0. Observations in July at Mauna Kea simultaneously with Scidar and GSM.

38 Example of MOSP covariance

39 Statistics on CN2 profile from 168 balloons
Sites: La Palma OHP Paranal South pole Pachon Toulouse San Perdo Aire sur l’Adour Mean Hufnagel Median Abahamid, Vernin & al., A&A, 2004

40 Contraintes sur le profil L0(h)
Comparaison des échelles externes géophysiques de la couche planétaire et de l’atmosphère libre

41 Présélection des sites
Paramètres météo (Humidité, Ensoleillement, Température, Précipitations, Vents dominants). Vitesse à 200mb (Scintillation). Couche d’inversion température. Altitude. Vapeur d’eau (diffusion et absorption). Nombre très limité de sites optimisant ces critères

42 Evaluation des sites astronomiques
Energie turbulente CN2 Seeing eo (conditionne le nbre de mlentilles) Isoplanétisme qo Temps de cohérence to Echelle externe Lo Transparence du ciel (Photométrie)

43 Scidar Généralisé Permet de mesurer:
le profil de l ’énergie de la turbulence CN2 le seeing le profil du vent dans l ’atmosphère le temps de cohérence.

44 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. La fonction d’autocorrélation spatiale permet de remonter à l ’énergie de chacune des couches: profil de CN2(h). L’autocorrélation temporelle permet de remonter à V(h) r h

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

46 Generalized Seeing Monitor (GSM)
GSM working layout at La Silla (Chile) Sept. 1997 Seeing eo Isoplanétisme qo Temps de cohérence to Echelle externe Lo

47 The GSM optical device

48 Monitor de seeing: DIMM

49 Moniteur bord lunaire Seeing eo Isoplanétisme qo Temps de cohérence to
Echelle externe Lo Profil de Lo Profil de CN2

50 MISOLFA Seeing eo Isoplanétisme qo Temps de cohérence to
Echelle externe Lo Profil de CN2

51 Sites qualifiés

52 Résumé des résultats

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