Le microscope hyperspectral infrarouge MICROMEGA de la mission

Le microscope hyperspectral infrarouge MICROMEGA de la mission Exomars a été validé à
l’IAS avec LabVIEW
"Grâce à LabVIEW, nous avons évité des mois de
développement logiciel, et nous avons pu nous
concentrer sur l’objectif principal : démontrer la
faisabilité de l’instrument"
- Corinne EVESQUE, Institut d’Astrophysique Spatiale
L'objectif :
Développer une maquette permettant d’acquérir, en quelques minutes, des cubes images d’échantillons pour en faire l’analyse spectrale. Elle doit
être représentative de l’instrument de vol et prouver sa capacité à identifier les minéraux afin d’être qualifiée par l’Agence Spatiale Européenne pour
l’embarquement sur le Rover de la mission Exomars.
La solution :
Élaborer un instrument performant, compact et modulaire, basé au maximum sur de l’instrumentation standard National Instruments. Contrôler
l’ensemble par un instrument virtuel NI LabVIEW de haut niveau qui permette une utilisation souple, ouverte et évolutive.
Auteur(s) :
Corinne EVESQUE - Institut d’Astrophysique Spatiale
MicrOmega est l’un des douze instruments qui équipera le Rover de la mission Exomars de l’Agence Spatiale Européenne. Le Rover prélèvera des
échantillons de sous-sol martien dont MicrOmega fera l’analyse minéralogique in situ. MicrOmega est conçu et réalisé sous la responsabilité de l’Institut
d’Astrophysique Spatiale d’Orsay. En 2008, nous devions démontrer la faisabilité d’un tel instrument à l’ESA. Pour cela nous avons développé une
maquette représentative de l’instrument de vol.
Un instrument sans équivalent terrestre
Avec un encombrement de 10 cm 3 et pesant moins d’un kilo, notre instrument réalise en moins de 5 mn des cubes images contenant jusqu’à 500 images,
sans consommer plus de 7 W.
Il est constitué d’un dispositif d’illumination monochromatique réglable par pas de 10 nm entre 0,8 et 2,6 µm sans pièce mobile qui éclaire l’échantillon. La
lumière réfléchie traverse une optique convergente pour atteindre le plan focal d’un détecteur infrarouge 320x256 pixels.
Les contraintes sont liées au caractère spatial de l’instrument : miniaturisation, faible puissance disponible, traitement antibactérien, temps de mesure
court, quantité de données limitée, pilotage depuis la terre.
Le dispositif d’illumination utilise les propriétés acousto-optiques d’un cristal de TeO2. Pour cela, il faut faire interagir une onde de lumière blanche avec
une onde RF réglable de 33 à 105 MHz appliquée au cristal par des électrodes. Le contrôle de ces deux ondes permet d’obtenir un éclairement
monochromatique réglable de 0,8 à 2,6 µm avec la fréquence du générateur RF. Nous utilisons des protocoles de communications USB et GPIB pour le
pilotage des alimentations nécessaires à ces deux fonctions.
Le détecteur est un dispositif photovoltaïque HgCdTe associé à un circuit d’intégration. Pendant le temps d’intégration, les charges sont stockées dans
une capacité d’entrée. La charge maximum est de 0,20 pC soit 1,25 Me- correspondant à un signal de sortie de 2,08 V. Le détecteur est associé à une
carte électronique multifonction qui délivre les signaux de sortie des 81920 pixels sur 14 bits à 3 MHz et sur quatre voies. Ces signaux sont acquis par
une carte d’acquisition rapide HSDIO 6541 à 50 MHz sur 32 voies. La carte HSDIO reçoit également sur sa ligne PFI (Programmable Function Input) n°1
le signal de synchronisation de ligne provenant du détecteur. La carte du détecteur contient un FPGA (Field Programmable Gate Array) qui génère les
signaux de commande et de temps d’intégration, accessibles à l’opérateur par quatre registres de 8 bits et programmables par le bus de donnée série
SPI. Nous utilisons le module de communication USB-SPI 8451(Serial Peripheral Interface) qui établit une communication maître-esclave et assure
l’écriture et la lecture des ordres de commande. Le module USB-SPI délivre aussi le signal logique de synchronisation d’images à la carte du détecteur.
La carte du détecteur permet enfin de contrôler la température du plan focal détecteur. En effet, ce dernier n’atteint ses performances qu’autour d’une
température de 200 K stabilisée à 0,1 K près. Un refroidisseur thermoélectrique assure le refroidissement dynamique tandis qu’une diode fournit
l’information de température.
Pour la surveillance de la température de l’instrument en de multiples points, nous avons choisi un châssis NI CompactDAQ, dont la diversité des
modules nous permet d’enregistrer l’évolution exacte des températures tant par des sondes platine trois ou quatre fils, que des thermocouples de tout
type ou des diodes (lectures de tension).
LabVIEW pour acquérir et visualiser des cubes images
La maquette est installée dans une cloche étanche sous flux d’azote afin de contrôler l’humidité relative et d’assurer les bonnes conditions d’utilisation du
détecteur.
La mise en œuvre de ces équipements a présenté plusieurs difficultés : logicielle pour la compatibilité des drivers avec LabVIEW que nous avons pu
résoudre grâce à l’intervention du support technique NI, et matérielle pour éliminer les sources de bruits externes et les masses flottantes.
Nous avons développé un instrument virtuel multi-onglets qui permet de paramétrer et utiliser chaque sous-système indépendamment selon le besoin de
l’expérience. On peut aussi réaliser automatiquement un cube image en mode « microscope », préalablement paramétré par un fichier .ini qui préfigure du
fonctionnement de l’instrument de vol par télécommandes depuis la Terre.
Le protocole de mesure comprend plusieurs étapes d’initialisation, acquisition, puis traitement des images pour s’affranchir des inévitables imperfections
de la chaîne de mesure. La programmation graphique de LabVIEW est parfaitement adaptée à ces tâches. L’initialisation, étape obligée de toute mesure,
comprend une dizaine de tâches faisant essentiellement appel aux registres du détecteur via le module USB-SPI. Ensuite, une étape de réglage vidéo
consiste à optimiser le temps d’intégration en fonction des conditions expérimentales d’illumination, de température ou de réflectance de l’échantillon.
Dans cette étape, la richesse des fonctions de LabVIEW, notamment mathématiques, a été très utile. Enfin, l’étape d’acquisition des images comprend
plusieurs séquences où LabVIEW gère l’illumination de l’échantillon, l’acquisition et le stockage des données selon les paramètres fixés par
l’expérimentateur. S’il le souhaite, l’opérateur peut immédiatement visualiser l’expérience grâce à la fonction de conversion des tableaux de pixels en
images.
Pour finir, les données sont automatiquement sauvegardées dans un fichier au format fits (flexible image transport system) traditionnellement utilisé dans
les applications spatiales. Ce format permet de sauver de gros tableaux trois dimensions (x, y, ) ainsi que des mots clés de type numérique ou
alphanumérique qui renferment les conditions expérimentales. Les données sont ainsi mises à la disposition de la communauté scientifique. L’utilisation
universelle de LabVIEW nous a permis de trouver les DLL (dynamic link library) fits pour LabVIEW 8.5 sur le site http://fits.gsfc.nasa.gov/fits_home.html (
http://fits.gsfc.nasa.gov/fits_home.html) de la NASA.
LabVIEW pour mettre au point un instrument spatialisable
La maquette a prouvé ses performances auprès de l’Agence spatiale Européenne : MicrOmega est sélectionné pour intégrer la prochaine mission
Exomars, lancement prévu en 2016.
En effet, nous obtenons des images d’excellente qualité avec un rapport signal à bruit supérieur à 100. En traçant le spectre sur chaque pixel de l’image
soit sur quelques mm2, on identifie les minéraux avec une résolution spectrale du nm. La comparaison des spectres de notre instrument à des spectres
de référence montre un accord total des bandes spectrales.
À présent, la maquette doit permettre de mettre au point et qualifier les différents sous-systèmes et d’évoluer vers un instrument spatialisable. En 2009,
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À présent, la maquette doit permettre de mettre au point et qualifier les différents sous-systèmes et d’évoluer vers un instrument spatialisable. En 2009,
nous intégrerons de nouvelles fonctionnalités telles que le contrôle thermique du plan focal du détecteur ou la diversification des systèmes d’illumination.
Ensuite, deux cartes électroniques, dont les composants seront qualifiés « spatial » (tenue au vide, aux vibrations, aux radiations) remplaceront
l’instrumentation standard. L’instrument virtuel sous LabVIEW évoluera de sorte à intégrer les nouvelles fonctionnalités ainsi que la communication avec le
PC, représentatif du Rover, par une liaison série rapide SpaceWire, 2 à 400 Mbit/s, bidirectionnelle et full-duplex imposée par la mission et définie par la
norme ECSS-E50-12A de l’European Cooperation for Space Standardization.
Sur le long chemin du développement de notre instrument et malgré ses contraintes spatiales, la programmation graphique de LabVIEW nous permet de
tester efficacement nos sous-systèmes et d’offrir à l’expérimentateur une interface de travail conviviale.
Décembre 2008
Informations sur l'auteur :
Corinne EVESQUE
Institut d’Astrophysique Spatiale
CNRS, UMR 8617 - Université de Paris Sud, Bâtiment 121
Orsay cedex 91405
France
[email protected] (mailto:[email protected])
2018, le Rover de la mission Exomars de l’Agence Spatiale Européenne arrive sur mars… À bord MicrOmega, conçu et testé à l’IAS grâce à LabVIEW, analyse le sol
martien.
Législation
Cet article a été rédigé par un utilisateur de National Instruments ("NI"). IL EST FOURNI "EN L'ÉTAT" SANS AUCUNE GARANTIE ET EST SOUMIS À CERTAINES
RESTRICTIONS COMME PLUS SPÉCIFIQUEMENT DÉTERMINÉES DANS LES CONDITIONS D'UTILISATION DE NI.COM (
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