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ProjetsH19

Liste des projets de session en astrophysique

Télédétection des propriétés des lampadaires depuis l'espace

Ce projet s'inscrit dans un de mes projets de recherche qui consiste à monter un système pour procéder à la télédétection des appareils d'éclairage depuis les airs. Le système devra comporter deux caméras couleur pointant le nadir. La première avec une haute résolution qui permettra de localiser un luminaire à la fois et de déterminer son spectre ainsi que les propriétés géométriques et spectrales des surface avoisinantes. La seconde caméra possède une plus basse résolution mais un angle de visé plus grand ce qui permettra de sonder la fonction d'émission de lumière selon l'angle zénithal. Ce système sera éventuellement embarqué sur un drône ou sur un ballon stratosphérique.

Nous avons la chance d'avoir été retenus comme expérience embarquée du projet STRATOS. Ce projet est mené conjointement par les agences spatiales canadienne et européenne. Nous aurons donc une place sur l'un de leurs vol de ballon pour monter jusqu'à 36km d'altitude. Le lancement est prévu pour la fin du mois d'août 2019. D'ici cette date, il faut concevoir, assembler et tester le système.

En plus des cameras, ce système devra comporter un mécanisme de stabilisation, tel qu'un gimbal, ainsi qu'un système de contrôle et de backup des images utilisant un mini-ordinateur raspberry pi. Des tests de stabilité seront exécutés dans le labo. De plus, comme les caméras seront soumises à des température extrèmement froides, il faudra s'assurer qu'elles soient protégées au niveau thermique. Pour ces deux aspects, il faudra mettre au point une plateforme de test en labo.

Pour reconnaître les spectres des lampe et pour déterminer les paramètres de temps de pose des caméras, vous aurez à aller au sommet du Mont Mégantic et pointer les caméras vers des lampadaires lointains. Vous devrez aussi aller mesurer les spectres d'un certain nombre de ces lampadaires. Vous devrez ensuite écrire un programme permettant d'associer un spectre avec les trois couleurs de l'image obtenue avec la caméra haute résolution. Pour ce faire l'une des étapes préliminaire sera de monter une base de données des types spectraux et des indice de couleur comme le ratio des couleurs verte et bleue et/ou verte et rouge. Le programme fera la reconnaissance des spectres en cherchant les ratios de couleur les plus proches dans la banque de spectres.

Lien vers la page du projet STRATOS

Éléments à réaliser

Concevoir une structure pour abriter les caméras et le stabilisateur.

  • S'assurer qu'elle entre dans les dimensions d'une cellule de la nacelle de l'agence spatiale
  • S'assurer qu'elle soit isolée mais légère.
    • Envisager un squelette externe rempli de mousse uréthane
    • Penser à utiliser des matériaux à changement de phase à l'intérieur
    • Prévoir une fenêtre en lexan vers le nadir

Tester les configurations optimales de temps d'exposition et ISO des caméras

  • Depuis le sommet du Mont-Mégantic. Tenter d'avoir une visée directe vers des sources à environ 36 km.
  • Identifier les villages correspondants à ces distances. Voici le viewshed http://www.heywhatsthat.com/?view=KSEPNBXF
  • Les pixels ne devraient pas être saturés.

Mettre au point le contrôle des caméras

  • Configurer et tester la prise de mesure et l'archivage des données à l'aide d'un ou de deux ordinateurs raspberry pi
  • Mettre au point un 2e niveau de backup des images sur le disque réseau de la nacelle.
  • Concevoir l'alimentation des caméras et des raspverry pi à partir de l'alimentation fournie par l'agence spatiale 28V @ 8A
    • Prévoir une stepdown module pour diminuer la tension d'alimentation (l'alimentation fournie par la nacelle est 28V @ 8A à une alimentation de 5V

Concevoir/tester la fixation des caméras et stabilisateur

  • Concevoir et fabriquer un stabilisateur gyroscopique utilisant un "bearing ball joint"et des moteurs DC 5 Volts couplés à des roues d'intertie ou encore réussir à installer le gimbal pour qu'il s'insère dans une cellule de nacelle (on peut possiblement dépasser dans une cellule voisine en évitant une barre latérale.
  • Peut-on mettre les deux caméras sur le stabilisateur ou faut-il répliquer le stabilisateur?
  • Alimenter les caméras et le stabilisateur via du 5V DC. Déterminer la puissance requise pour alimenter lesl deux caméras et les moteurs des stabilisateurs.

Concevoir et construire une plateforme de test de stabilisation

  • On doit simuler les mouvements possibles de la nacelle et vérifier la performance du stabilisateur
    • Roulis
    • Tanguage
    • Rotation

Tester le système en environnement froid (environ -50 C)

Définir la procédure de tests pré-lancement

Participer au lancement fin août 2019 (facultatif)

La couleur de la lumière intrusive nocturne

Cartographier la couleur de la pollution lumineuse sur le territoire de la ville de East Angus et éventuellement Sherbrooke. Procéder à la réalisation d'une carte de l'indice de suppression de la mélatonine. L'indice de suppression de la mélatonine est étroitement lié au risque de développer les cancers de la prostate et du sein. Pour procéder à cette cartographie, vous devrez sillonner les rues de la ville concernée avec un LANcube. Cet appareil développé par l'équipe du professeur Martin Aubé permet de caractériser la couleur de la lumière intrusive dans toutes les directions. Le capteur devra être assemblé, et étalonné avec différentes sources connues afin d'établir une relation entre la répartition des couleurs et l'indice de suppression de la mélatonine. L'indice des sources sera calculé à partir des spectres des sources que vous aurez à acquérir expérimentalement. Le LANcube sera monté sur le toit d'une voiture pour procéder à la cartographie de l'intensité et de la couleur de la lumière intrusive. Vous devrez écrire un programme informatique utilisant en entrée les données récoltées par le LANcube et produisant en sortie l'indice de suppression de la mélatonine. De plus vous devrez générer des images de la suppression de la mélatonine et du l'éclairement horizontal (en lux) à l'aide d'un programme d'interpolation et d'écriture d'image que vous aurez créé vous même.

Option de suite: Il serait intéressant de mettre la carte de suppression de la mélatonine en ligne avec une contextualisation photographique des pires et meilleurs cas d'éclairage de la ville. Ce site constituerait un outils d'éducation et de conscientisation de la population envers les impacts des pratiques d'éclairage sur la santé des citoyens.

Éléments à réaliser

Assembler un appareil LANcube

  • Ce travail sera fait en collaboration avec Thomas Goulet-Soucy, mon étudiant à la maîtrise.

Établir le temps d'intégration optimal du LANcube

  • Le plus petit est le mieux car il permettra plus de précision de localisation sur la carte (il y aura moins de distance entre chaque point). Toutefois il faut avoir assez de signal au capteur pour avoir une bonne précision photométrique.
  • Configurer ce temps d'integration comme un des modes du LANcube. Ce travail sera fait en collaboration avec Thomas Goulet-Soucy, mon étudiant à la maîtrise.

Établir la relation spectre vs couleurs mesurées

  • Construire une banque de données spectrale de nombreux luminaires des villes East Angus et de Sherbrooke
  • Prendre soin de choisir plusieurs luminaires de même type (HPS, LED, Metal Halide etc) pour connaître la variabilité du spectre dans chaque type.
  • Prendre simultanément les mesures du luminaire avec le LANcube placé sur le toît de la voiture stationnée près de chaque luminaire.
  • Pour chacun des spectres, calculer l'indice de suppression de la mélatonine.

Écrire un programme de reconnaissance de spectre

  • Le programme en python calculera la distance des trois couleurs mesurées avec chacun des éléments de la banque de donnée et utilisera le concept de plus proche voisin pour lui associer un spectre.
  • Une fois le spectre reconnu, vous pourrez lui associer un indice de suppression de la mélatonine.
  • Le programme devra prendre les données récoltées dans une ville avec le LANcube et ajouter des colonnes dans le fichier ou le numéro de spectre et l'indice de suppression de mélatonine seront identifiés.

Acquisition des données des villes

  • Sillonner les rues de East Angus avec le LANcube et rassembler de nombreuse mesures geolocalisées

Production d'une carte de suppression de la mélatonine

  • Écrire un programme d'interpolation qui déterminera l'indice de suppression de la mélatonine sur une grille latitude-longitude fixe. L'interpolation à privilégier serait en 1/r^2 avec un rayon maximal d'action de quelques dizaines de mètres.
  • Géoréférencer cette image pour pouvoir la superposer à openstreetmap dans un système d'information géographique.

Modéliser la brillance nocturne du ciel sur la réserve naturelle du Mont-Bellevue

Utiliser le modèle de transfert radiatif Illumina pour modéliser la brillance du ciel à différents endroits du parc du Mont-Bellevue. Comparer avec le New world atlas of light pollution. Établir un plan optimisé de restauration du ciel étoilé. Modéliser des scénarios de conversion d'éclairage vers les DEL pc amber en supposant des interventions selon des anneaux concentriques centrés sur un site anticipé pour l'établissement de la première oasis de ciel étoilé en milieu urbain. Dans le câdre de ce projet, vous devrez aller échantillonner les spectres de différents lampadaires sur le terrain afin de déterminer un spectre moyen pour chaque type de lampadaire (sodium haute pression, halogénure métallique, DEL pc ambre, etc). Les résultats du modèles devront être projetés géographiquement sous forme de carte couleur et pour procéder à cette opération, vous aurez à écrire votre propre programme informatique.

Éléments à réaliser

S'initier au système d'exploitation linux

Se familiariser avec le modèle illumina et bien comprendre ce qu'il fait

  • Bien comprendre les entrées et sorties du modèle
  • Bien comprendre les mécanismes calculés par le modèle
  • Étudier le guide d'utilisation

Échantillonner des spectres dans la ville

  • Utiliser un spectromètre pour échantillonner des spectres de différentes technologies présentes sur le territoire de la ville (HPS, Metal Halide, DEL blanches, DEL pc amber).
  • Calculer le spectre moyen de chaque type de technologie
  • Pour augmenter la taille de votre base de données spectrales, vous pourrez faire appel aux spectres récoltés par l'équipe travaillant sur la couleur de la lumière intrusive.

Monter la base de données d'entrée du modèle - mode satellite

  • Combiner des images satellite avec des sondages google streetmap et in situ pour créer un inventaire de la ville de Sherbrooke

Exécuter le modèle pour la situation actuelle de Sherbrooke

  • Faire calculer la brillance du ciel au zénith et dans les 8 directions cardinales principales pour chaque km2 de la réserve et pour les rues avoisinantes.

Simuler des scénarios de conversion des éclairage avoisinants

  • Simuler des scénarios de conversion des luminaires HPS et Metal Halide vers du DEL PC amber
  • Utiliser des zones de conversion circulaires centrées sur le parc de tir à l'arc et tester plusieurs rayon de cercles.

Analyser les résultats

  • Produire des cartes et les analyser afin que votre travail puisse servir par la suite à l'instauration de la première oasis de ciel étoilé en milieu urbain.

Dans l'espace ou presque

Cette expérience consiste à mettre au point une plate-forme de lancement pour effectuer des mesures jusqu'à proximité de l'espace soit autour de 30 km au-dessus du sol. Nous tenterons de faire monter un ballon avec une charge utile comprenant micro-controleur, caméra et capteurs visibles, UV, température et pression ainsi qu'un compteur Geiger jusque dans la troposphère à la jonction de la tropopause et la stratopause.

Matériel

Liens

Étude des rayons cosmiques en fonction de l’altitude

Questions de recherche

Est-ce que le niveau de rayonnement augmente au fur et à mesure qu'on se rapproche de l'espace? Peut-on en déduire la masse d'air entre notre capteur et l'espace? Est-ce que l'atmosphère constitue en quelque sorte un bouclier contre les rayons cosmique et si oui dans quelle mesure? Peut-on identifier un ou plusieurs types de particules composant les rayons cosmiques? Les variables usuelles de la météorologie comme la pression, la température et l'humidité relative devront être notés aux moments de l'acquisition des mesures. De plus, l'épaisseur optique des aérosols mesurée à la station AERONET de Sherbrooke devra aussi être notée. Le projet devra comporter la réduction et l'analyse d'un assez grand volume de données. Vous devrez faire ce traitement de données avec un programme informatique que vous aurez vous-même composé. Vous devrez mettre au point des systèmes de détection des rayons cosmiques au sol afin de complémenter les données mesurées depuis l'espace. Ce système sera idéalement installé sur le toît de la voiture utilisée pour suivre le ballon au moment du lancement.

Étude de l'ozonosphère : mesure de la radiation UV horizontale en fonction de l’altitude.

Questions de recherche

Est-ce que le niveau de rayonnement augmente au fur et à mesure qu'on se rapproche de l'espace? Peut-on en déduire la masse d'air entre notre capteur et l'espace? Est-ce la même valeur selon la longueur d'onde du capteur utilisé? Est-ce que l'atmosphère constitue en quelque sorte un bouclier contre les rayons UV et si oui dans quelle mesure? Es-t'il possible de détecter la "couche d'ozone" et peut-on faire un lien avec le profil de température? Dans le cadre de ce projet, vous aurez à mesurer le spectre solaire avec et sans nuages à quelques reprises pour vérifier si la quantité d'UV varie en fonction des conditions atmosphériques. Les variables usuelles de la météorologie comme la pression, la température et l'humidité relative devront être notés aux moments de l'acquisition des mesures. De plus, l'épaisseur optique des aérosols mesurée à la station AERONET de Sherbrooke devra aussi être notée. Le projet devra comporter la réduction et l'analyse d'un assez grand volume de données.

Éléments à réaliser

Bon nombre de ces éléments devront faire l'objet de collaboration entre les deux équipes UV et Rayons cosmiques.

Mise au point du système de mesure

  • Conception et les tests sur le hardware
  • Programmation des arduino

Étalonnage des capteurs

  • Projet UV: Utiliser votre capteur en même temps que les mesures spectroscopiques du rayonnement solaire afin de valider la qualité des mesures faites par votre capteur. Et procéder à son étalonnage.
  • Projet Rayons Cosmiques: Utiliser votre capteur en même temps que les mesures faites au sol avec compteur Geiger ou autre afin de valider la qualité des mesures faites par votre capteur. Et procéder à son étalonnage.

Mise au point du packaging

Tests pré-lancement

  • Tester l'ensemble du système dans un environnement très froid (environ -50C) afin de valider le bon fonctionnement des capteurs incluant leur une potentielle dérive de l'étalonnage ainsi que la durée de vie de l'alimentation électrique.

Mise au point du système de mesure sur le toît de la voiture

  • Répliquer le système de mesure embarqué sur la ballon et le placer sur le toît de la voiture lors du lancement.
  • Une fixation magnétique sera fournie par le professeur.

Lancement

  • Le lancement sera fait au cours du mois d'avril. Le professeur verra à décider la date optimale de lancement en fonction de la météo. Lorsque les conditions seront favorables, il contactera alors l'équipe de garde aux alentours de 18h et s'assurera de commander une mini-fourgonnette auprès de l'agence de location. Les membres de l'équipe devront être présents à 8h30 dans le stationnement en face de l'entrée principale du pavillon 5. En principe tout le matériel devra être chargé par les techniciens avant 8h30.

Analyse des données

  • Après le lancement, viendra la phase d'analyse des données. Chaque équipe aura alors à valoriser les données récoltées pour répondre à sa question de recherche.
  • L'analyse des données devra se faire par la conception d'un programme python

Construire et tester un télescope à miroirs multiples

Construire un télescope à mirroirs multiples et tester ses performances avec une caméra numérique. Puisque les miroirs de télescopes utilisent des supports vitreux et que ces derniers sont flexibles, il a été constaté que la construction d'un miroir monolithique de plus de 5m était mécaniquement impossible. Pour contourner cette limite et continuer à accroître le diamètre des télescope, les télescope à miroirs multiples ont été conçus. Bien que ce concept permette de solutionner la question des déformations de surface d'un seul grand miroir, il vient au coût de la nécessité que chaque segment de miroir doive suivre une courbe complexe dont l'assemblage suive une parabole ainsi que de des difficultés de positionnement et d'alignement. En effet le positionnement/alignement doit être fait à une fraction de longueur d'onde. Tous les grands télescopes modernes utilisent néanmoins cette technique qui pour être optimale doit s'accompagner d'une optique active ou les différents segments sont alignés continuellement avec un ordinateur de sorte à maintenir la condition d'interférence constructive entre les faisceaux provenant de chaque miroir. Ceci implique qu'un laser doit être utilisé pour orienter l'optique active.

Éléments à réaliser

Utiliser des masques placés devant l'ouverture du télescope du cégep pour caractériser les performances d'un télescope multiple.

  • Déterminer le gain en sensibilité selon le nombre de miroir simulés de leur distance au centre et de la surface totale des miroirs.
  • Déterminer la résolution des images (patron de diffraction) des même paramètres.
  • Vérifiez si les changements de résolution dépendent de la longueur d'onde. Pour ce faire utilisez des filtres de couleur ou des sources de couleur. Et déterminez le spectre d'émission et de transmittance des sources/filtres.
  • Vérifiez l'effet d'une disposition des miroirs ne respectant pas de symétrie radiale sur les images et patrons de diffraction.
  • Concevoir un programme informatique capable de prendre l'image du patron de diffraction et de déterminer automatiquement la résolution en procédant à une analyse de la forme du patron détectée par la caméra. Utilisez à cet effet l'équation de Fraunhofer.

Vrai miroirs multiples

  • Utilisez 4 miroirs sphériques à longue focale pour construire votre propre télescope à miroirs multiples.
  • Concevez une système mécanique de haute précision pouvant éventuellement exploiter des piézoélectriques pour une ajustement final à la fraction d'une longueur d'onde.
  • Faire la collimation des 4 miroirs avec un laser sur la table optique.
  • Comparez les images obtenues avec son équivalent en terme de nombre de miroir et taille des miroirs en utilisant les masques et le télescope du cégep.

Projets non choisis

Autres projets avec supplément en spectroscopie
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