Qualification du Mont Wilson pour la HRA

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

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

9. OA Multi-Conjuguée 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. 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 working layout at La Silla (Chile) Sept. 1997 GSM & MOSP

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

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 2DMs 3DMs

19. Example of CN2 profile at Pachon M1 M2 M3 M1 M2 M3 Oct. 5 Oct. 10

20. tip/tilt tip/tilt tip/tilt tip/tilt Need of tip/tilt L0=20.4m L0=17m L0=46m L0=62m

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

22. Preliminary results 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 PachonOctober 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

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

47. The GSM optical device

48. Monitor de seeing: DIMM

49. Moniteur bord lunaire • Seeing eo • Isoplanétisme qo • Temps de cohérenceto • Echelle externe Lo • Profil de Lo • Profil de CN2

50. MISOLFA • Seeing eo • Isoplanétisme qo • Temps de cohérenceto • Echelle externe Lo • Profil de CN2