Les OEM (Ondes Electromagnétiques) et leurs APPLICATIONS (CR 4)

Atelier Sciences – Roger MEVEL (06 07 86 84 63)

CR de la Séance n°4 du 4/12/2017 

Les OEM (Ondes Electromagnétiques) et leurs APPLICATIONS

1 – Ce qu’il faut (ou faudrait…) retenir des 3 séances de 2016

Une onde électromagnétique comporte à la fois un champ électrique et un champ magnétique oscillant à la même fréquence. Ces deux champs, perpendiculaires l’un par rapport à l’autre se propagent dans un milieu selon une direction orthogonale (figure ci-dessous).
La propagation de ces ondes s’effectue à une vitesse qui dépend du milieu considéré. Dans le vide, la vitesse de propagation est égale à 3.10
8 m/s. 1

Une onde électromagnétique est caractérisée par plusieurs grandeurs physiques : La période (T) : elle représente le temps nécessaire pour que l’onde effectue un cycle. L’unité est la seconde. La fréquence (f) : inverse de la période, elle traduit le nombre de cycles par unité de temps.
Elle s’exprime en Hertz (Hz) – un Hz équivaut à une oscillation par seconde –
La longueur d’onde (λ) : elle exprime le caractère oscillatoire périodique de l’onde dans l’espace.
C’est la longueur parcourue par l’onde pendant une période T dans l’espace (figure ci-dessus) donc la distance séparant deux crêtes successives.
Nous avons donc la relation suivante : λ = c T ou encore
λ= c/f car f = 1/T Par conséquent, plus la longueur d’onde est petite, plus la fréquence est élevée, et réciproquement. Les échanges d’énergie portée par le rayonnement électromagnétique ne se font pas de manière continue,2

mais de façon discrète, sous forme de paquets d’énergie, véhiculés par des corpuscules élémentaires immatériels, les photons. La relation suivante exprime la quantité d’énergie (E) associée à un photon en fonction de la fréquence de l’onde : E = h f ou h est la constante de Planck (6,625.10-34 J.s).
Ainsi, les rayonnements électromagnétiques de courte longueur d’onde ou de fréquence élevée véhiculent davantage d’énergie que les rayonnements de grande longueur d’onde (basse fréquence).

Le spectre électromagnétique représente la répartition des ondes électromagnétiques en fonction de leur longueur d’onde, de leur fréquence ou bien encore de leur énergie (figure ci-dessous).

En partant des ondes les plus énergétiques, on distingue successivement :

  • Les rayons gamma (ɤ) : ils sont dus aux radiations émises par les éléments radioactifs.
    Très énergétiques, ils traversent facilement la matière et sont très dangereux pour les cellules vivantes.
    Leurs longueurs d’onde s’étendent d’un centième de milliardième (10
    -14 m ou 0,01pm) à un milliardième (10-12 m ou 1 pm) de millimètre.
  • Les rayons X : rayonnements très énergétiques traversant plus ou moins facilement les corps matériels et un peu moins nocifs que les rayons gamma, ils sont utilisés notamment en médecine pour les radiographies, dans l’industrie (contrôle des bagages dans le transport aérien), et dans la recherche pour l’étude de la matière (rayonnement synchrotron).
    Les rayons X ont des longueurs d’onde comprises entre un milliardième (10
    -12 m ou 1 pm) et un cent millième (10-8 m ou 10 nm) de millimètre.
  • Les ultraviolets : rayonnements qui restent assez énergétiques, ils sont nocifs pour la peau. Heureusement pour nous, une grande part des ultraviolets est stoppée par l’ozone atmosphérique qui sert de bouclier protecteur des cellules.
    Leurs longueurs d’onde s’échelonnent d’un cent millième (10
    -8 m ou 10 nm) à quatre dixièmes de millième (4.10-7 m ou 0,4 µm) de millimètre.
  • Le domaine visible : correspond à la partie très étroite du spectre électromagnétique perceptible par notre œil. C’est dans le domaine visible que le rayonnement solaire atteint son maximum (0,5 μm) et c’est également dans cette portion du spectre que l’on peut distinguer les 7 couleurs de l’arc en ciel (violet-indigo-bleu-vert-jaune-orange-rouge). Il s’étend de quatre dixièmes de millième (4.10-7 m ou 0,4 µm) –  lumière violette  – à huit dixièmes de millième (8.10-7 m ou 0,8 µm) de millimètre –  lumière rouge.
  • L’infrarouge : rayonnement émis par tous les corps dont la température est supérieure au zéro absolu (-273°C).
    En télédétection, on utilise certaines bandes spectrales de l’infrarouge pour mesurer la température des surfaces terrestres et océaniques, ainsi que celle des nuages.
    La gamme des infrarouges couvre les longueurs d’onde allant de huit dixièmes de millième de millimètre (8.10
    -7 m ou 0,8 µm) à un millimètre (10-3 m ou 1 mm).
  • Les ondes radar ou hyperfréquences : Cette région du spectre est utilisée pour mesurer le rayonnement émis par la surface terrestre et s’apparente dans ce cas à la télédétection dans l’infrarouge thermique, mais également par les capteurs actifs comme les systèmes radar.
    Un capteur radar émet son propre rayonnement électromagnétique et en analysant le signal rétrodiffusé, il permet de localiser et d’identifier les objets, et de calculer leur vitesse de déplacement s’ils sont en mouvement. Et ceci, quelle que soit la couverture nuageuse, de jour comme de nuit.
    Le domaine des hyperfréquences s’étend des longueurs d’onde de l’ordre du centimètre jusqu’au mètre.
  • Les ondes radio : Ce domaine de longueurs d’onde est le plus vaste du spectre électromagnétique et concerne les ondes qui ont les plus basses fréquences. Il s’étend des longueurs d’onde de quelques cm à plusieurs km.
    Relativement faciles à émettre et à recevoir, les ondes radio sont utilisées pour la transmission de l’information (radio, télévision et téléphone). La bande FM des postes de radio correspond à des longueurs d’onde de l’ordre du mètre. Celles utilisées pour les téléphones cellulaires sont de l’ordre de 10 cm environ.

Les ondes radio AM (Amplitude Modulation) et FM (Frequency Modulation)

Les grandes ondes (GO) ou ondes longues (OL), Long Waves (LW en anglais) (30 kHz à 300 kHz –longueur d’onde de 10 km à 1 km[ ) se propagent par onde de sol et sont utilisées par les stations de radio en modulation d’amplitude, pour des communications à moyenne distance (500 à 1 000 km). Un seul émetteur LW couvre à peu près tout le territoire national.

Les petites ondes (PO) ou ondes moyennes (OM), Medium Waves (MW en anglais) (300 à 3 000 kHzlongueur d’onde de 1 km à 100 m) ) se propagent également par onde de sol.

Notons que pour ce qui est de la « radio » la disparition de la modulation d’amplitude, programmée pour 2016 et 2017, devrait permettre à Radio France de réaliser 13 millions d’euros d’économies. Elle signe la fin d’une époque. Finie, la réception de France Inter en ondes longues (LO), sur la fréquence 162 kHz. Terminée, la captation de France Bleu et France Info en ondes moyennes (OM, entre 525 kHz et 1605 kHz). Cependant de nombreuses autres applications subsistent (radiolocalisation – balises de détresse …)

Les ondes courtes (OC) ou Shortwave (SW en anglais) (MHz et 30 MHz – longueur d’onde de 100 m à 10 m) se propagent par réflexions successives entre le sol ou la mer et l’ionosphère avec donc une portée de plusieurs milliers de kilomètres (domaine entre autres des radioamateurs).

La bande des très hautes fréquences (very high frequency/VHF) est la partie du spectre radioélectrique s’étendant de 30 MHz à 300 MHz, soit de 10 à 1 m de longueur d’onde. Ces ondes se propagent en vue directe. La radio FM est un procédé de radiodiffusion de programmes radiophoniques en modulation de fréquence (ou FM pour Frequency modulation) dans la gamme des très hautes fréquences (VHF). Dans la plupart des pays, c’est plus précisément la bande 87,5 – 108 MHz souvent appelée « bande FM » dans le grand public.

2 – C-R séance du 4/01/2017

La modulation sert à transmettre le signal utile S(t) (le son ici) fourni par le microphone à l’aide d’un autre signal P(t) (porteuse) d’une fréquence nettement plus élevée. Il est évident que tous les postes émetteurs de radio utilisent une plage de fréquences audibles pour nous faire entendre leurs programmes. Donc si tous les émetteurs envoyaient directement ces fréquences, nous n’aurions que du bruit à la réception. En attribuant à chacun une porteuse différente, à la réception nous choisissons le programme voulu en sélectionnant sa porteuse (elle peut être définie par sa fréquence ou parfois par sa longueur d’onde). Il suffit alors de démoduler le signal pour avoir accès à l’information d’origine que l’on applique à un haut-parleur. La modulation est également utilisée pour des liaisons numériques (ordinateurs, fax). On parle alors de modem (modulateur – démodulateur). 

La modulation d’amplitude : AM Dans ce type de modulation le signal source fait varier l’amplitude de la porteuse. On dit aussi que la source est l’enveloppe de la porteuse. Cette modulation est utilisée en radio AM. La modulation d’amplitude est très sensible aux perturbations électromagnétiques qui peuvent modifier l’amplitude de la porteuse et donc du signal source lors de la démodulation.

Modulation de fréquences : FM

  En modulation de fréquences le signal source fait varier la fréquence de la porteuse.

La modulation de fréquences est peu sensible aux perturbations électromagnétiques, car ces dernières provoquent des variations d’amplitude du signal mais pas de sa fréquence. Le signal démodulé est donc identique à celui de la source.

 

Spectre des fréquences à transmettre (cas de la parole)

 

Global Positioning System (GPS)

Le Global Positioning System (GPS) (en français Géo-positionnement par satellite) est un système de géolocalisation fonctionnant au niveau mondial et reposant sur l’exploitation de signaux radio émis par des satellites dédiés. Le système GPS permet de se situer où qu’on soit dans le monde.

Histoire

À l’origine, le GPS était un projet de recherche de l’armée américaine. Il a été lancé dans les années 1960 à la demande du président Richard Nixon. Le premier satellite est lancé en 1978 par une fusée Delta IV. En 1995, le déploiement des 24 satellites opérationnels (plus 4 en réserve) est achevé. Le système devient alors fonctionnel avec une précision limitée à une centaine de mètres pour un usage civil En 2000, le président Bill Clinton autorise une diffusion non restreinte des signaux GPS, permettant une précision d’une dizaine de mètres

Composition []

Segment spatial La constellation est organisée autour de 24 satellites principaux qui assurent la disponibilité mondiale du GPS, ce qui suppose d’avoir au moins quatre satellites visibles du sol partout dans le monde. Il y a toujours plus de satellites en orbite afin de maintenir ces 24 emplacements complets même en cas de panne. Les satellites évoluent sur six plans orbitaux ayant une inclinaison d’environ 55° sur l’équateur. Ils suivent une orbite quasi-circulaire de rayon 26 600 km environ (soit une altitude de 7 20 200 km) qu’ils parcourent en 11 h 58 min 2 s, soit un demi-jour sidéral. Ainsi, les satellites, vus du sol, reprennent la même position dans le ciel au bout d’un jour sidéral.

Un jour sidéral est la durée que met une planète pour faire un tour sur elle-même, indépendamment de sa révolution autour du Soleil. Le jour sidéral terrestre dure un petit peu plus de 23 h 56 min 4 s. C’est en raison de la révolution de la Terre autour du Soleil en même temps qu’elle tourne sur elle-même que le jour solaire dure quelques minutes de plus, soit 24 heures en moyenne (exactement puisque c’est ainsi qu’était définie l’heure avant les horloges atomiques).

Comparaison entre jour sidéral et jour solaire :
la planète positionnée en 1 met un jour sidéral pour arriver en 2 et un jour solaire pour arriver en 3

Les satellites sont la plupart du temps entourés d’une 9 couverture dorée, très visible. Cette couverture est nommée Multi-Layer Insolation (MLI), en Français isolation multicouches. Elle est composée de nombreux matériaux légers mais fortement réflecteurs, l’objectif étant de limiter les échanges radiatifs avec l’extérieur.

Un satellite, lorsqu’il est exposé au Soleil, peut avoir un côté à +150°C et un autre à -150°C

Segment de contrôle

C’est la partie qui permet de piloter et de surveiller le système. Il est composé de cinq stations au sol. Leur rôle est de mettre à jour les informations transmises par les satellites (éphémérides, paramètres d’horloge) et contrôler leur bon fonctionnement.

 

 

Segment utilisateur Le segment utilisateur regroupe l’ensemble des récepteurs GPS militaires et civils qui reçoivent et exploitent les signaux des satellites GPS pour calculer des données de position, de vitesse ou de temps. Comme les utilisateurs ne font que recevoir (ils n’émettent pas vers les satellites), le système ne peut être saturé et le nombre maximum d’utilisateurs GPS est illimité. En 2014, le nombre total de récepteur GPS est estimé à 3,6 milliards. Les smartphones avec GPS intégré sont les plus nombreux avec 3,08 milliards, suivi par les 260 millions d’assistants de navigation pour des applications routières. Le nombre restant d’appareils est réparti entre des applications variées : autres transports (aviation, ferroviaire, maritime), topographie, agriculture, infrastructure critique.

Principe de fonctionnement

Calcul de la position Le positionnement GPS fonctionne grâce à un moyen que vous connaissez sûrement : la triangulation (qui consiste à utiliser uniquement les distances pour localiser un objet ). Toutes les millisecondes, les satellites émettent des signaux codés sous forme d’onde radio émises sur deux fréquences différentes (1,6 et 1,2 GHz) qui se propagent à la vitesse de la lumière.

Le récepteur calcule le temps mis par l’onde émise par le satellite pour lui parvenir. La vitesse de propagation du signal étant connue, le récepteur détermine une sphère sur laquelle est nécessairement sa position. ( distance = temps x vitesse).

Avec un deuxième satellite, l’intersection des deux sphères forment un cercle.

 

Puis avec un troisième satellite, deux points.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En théorie il nous faut donc un quatrième satellite pour savoiroù on se trouve. En pratique on élimine l’un des deux points car il ne se trouve pas sur Terre mais à une position absurde (à l’extérieur de la constellation des satellites GPS ou dans les profondeurs de la Terre, par exemple). Trois satellites suffiraient donc pour connaître notre position sur le globe.

Cependant, pour la synchronisation de l’horloge du boîtier GPS, il faut la précision d’une horloge atomique. Votre boîtier GPS et votre téléphone n’en ont évidemment pas. Ils vont donc utiliser l’horodatage produite par une horloge atomique à bord d’un quatrième satellite.
Pour pouvoir utiliser le GPS, il faut donc un minium de quatre satellites : trois pour la position, et un supplémentaire pour la synchronisation.

L’horloge du satellite

La nécessité des horloges atomiques vient du fait qu’on cherche à avoir une précision très importante sur la position : de l’ordre de quelques mètres sur la surface de la Terre. Il faut donc une très grande précision dans les informations transmises à votre boîtier GPS. Pour donner une idée : une différence d’une microseconde (1 µs) correspond à une erreur de 300 mètres sur la position !

Le principe de l’horloge atomique repose sur un principe quantique15 fondamental : un atome ne peut exister que sous différents niveaux d’énergie bien quantifiés dépendant de la nature de cet atome. Lorsqu’il est « illuminé » par un faisceau de photons à la bonne énergie, l’atome peut chasser un électron d’une couche interne ; afin de conserver l’énergie, l’atome réagit en émettant un photon correspondant exactement à la différence d’énergie entre ces couches.

Le principe d’une horloge atomique devient donc « simple » : il suffit de compter la fréquence émise par un atome bien particulier comme elle est constante, elle devient une base de temps.

 Le Segment de Contrôle (dont la station principale est la Schriever Air Force Base dans le Colorado) établit le temps GPS à partir d’un ensemble d’horloges atomiques gérées par l’US Naval Observatory. Chaque satellite embarque une horloge atomique de précision, mais qui présente une dérive à long terme non négligeable. Pour éviter une désynchronisation du temps GPS entre les différents satellites, les paramètres de correction des horloges sont maintenus par le Segment de Contrôle et transmis dans le message de navigation de chaque satellite.

Synchronisation de l’horloge du récepteur

La base de temps des récepteurs GPS provient d’oscillateurs à quartz, qui peuvent aller d’un simple composant électronique fournissant du 10 MHz pour un appareil de type GPS pour l’automobile, à des oscillateurs plus performants compensant la dérive en température (OCXO ou TCXO). Mais, dans tous les cas, ces oscillateurs ne sont pas assez précis pour être utilisables pour le positionnement. Le récepteur est donc synchronisé sur le temps des horloges atomiques des satellites.

Stabilité de différents types d’horloge et d’oscillateur

Source de référence

Dérive par jour
(ordre de grandeur)

Montre à quartz 1 seconde
Oscillateur à quartz
contrôlé en température
(
TCXO)
10 millisecondes
Oscillateur à quartz
thermostaté (
OCXO)
0.1 milliseconde
Horloge atomique
d’un satellite GPS
10 nanosecondes
Horloge atomique
PHARAO
10 picosecondes

 

Jusqu’en 1956 la seconde était une fraction du jour solaire (1/86400) puis de 1956 à 1967 la seconde a été définie comme une fraction de l’année tropique (365,2422 jours solaires, intervalle de temps pour que le soleil retourne à la même position). Mais ce n’était pas assez précis, aussi à partir de 1967, la seconde a été définie à partir d’horloges atomiques

 

 

C’est à partir de 1967 que la seconde va être définie comme la durée de 9.129.631.770 périodes de la radiation correspondant à la transition de deux niveaux hyperfins de l’état fondamental du Cs 133.

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