Historique

Le projet POLDER a été initié et développé en coopération entre le CNES et le Laboratoire d’Optique Atmosphérique de l’Université de Lille. 

L’instrument a connu 3 versions successives.

POLDER-1 à bord du satellite ADEOS-I

La première version, POLDER-1 a volé à bord du satellite ADEOS-I de la NASDA (qui plus tard a fusionné avec d’autres agences pour donner la JAXA, l’actuelle agence spatiale japonaise). ADEOS-I a décollé à bord du lanceur H-II F4 le 17 août 1996. Le 28 août 1996, le satellite a connu une avarie sur ses panneaux solaires en raison d’une erreur de manœuvre orbitale, ce qui a conduit à une fin prématurée de sa mission le 30 juin 1997. ADEOS-I se trouvait sur une orbite héliosynchrone polaire avec une apogée à 804,6 km, un périgée à 789,0 km, une inclinaison de 98,625° et une période orbitale de 100,8 min.

ADEOS-I fut le plus grand satellite développé par le Japon, avec des dimensions de 4 x 4 x 5 m. Quand l'antenne et le panneau solaire (approx. 3 x 24 m) étaient déployés, il avait une taille de 11 m dans la direction de vol et 29 m dans la direction perpendiculaire.

POLDER-2 à bord du satellite ADEOS-II

La seconde version, POLDER-2, a volé à bord du satellite ADEOS-II de la NASDA. ADEOS-II a décollé à bord du lanceur H-IIA 202 le 14 décembre 2002. Le 23 octobre 2003, une avarie est survenue sur son panneau solaire, conduisant à nouveau à une fin de mission prématurée. Le satellite se trouvait sur une orbite héliosynchrone polaire avec altitude de 802,9 km, une inclinaison de 98,62° et une période orbitale de 101 min.

Le satellite Advanced Earth Observing Satellite-II (ADEOS-II), successeur d'ADEOS-I, a été développé pour des technologies avancées d'observation de la Terre. Il a acquis des données pour aider les chercheurs à comprendre les mécanismes de changement de l'environnement global tels que le réchauffement global et pour aider les activités de météorologie et de pêche.

POLDER-3 à bord du satellite Parasol

La troisième version, POLDER-3 (ou POLDER-P avec P pour Parasol), a volé à bord du satellite Parasol, lancé le 18 décembre 2004 par un lanceur Ariane-5 G+ et placé sur une orbite héliosynchrone polaire avec une altitude de 705 km et une inclinaison de 98,21° au sein du groupe de satellites A-Train.

Fonctionnement

La richesse spectrale directionnelle et polarisée des mesures POLDER a offert des possibilités nouvelles pour déterminer la phase, l'altitude des nuages, et pour discriminer les aérosols et les paramètres de la biosphère.

Multispectral

POLDER avait 9 bandes spectrales, dont 3 d'entre elles (443, 670 et 865 nm) étaient associées aux filtres polarisés (P1, P2 et P3). 3 bandes étaient dédiées à l'observation de la couleur de l'océan (443, 490, 565 nm). En plus des bandes 763 et 910 nm, choisies pour estimer l'absorption par l'oxygène et la vapeur d'eau, les canaux non-polarisés de POLDER ont été conçus pour permettre une comparaison directe avec les observations OCTS (Ocean Color and Temperature Scanner, instrument de mesure de la couleur et température de l’océan, embarqué sur ADEOS 1 en 1996).

Polarisation

La lumière naturelle émise par le soleil est non polarisée ou plutôt polarisée aléatoirement, mais certains processus physiques d'interaction du rayonnement avec la matière, orientent préférentiellement les vibrations et polarisent ce rayonnement.

La polarisation, quand elle est combinée à la directionnalité, ajoute une autre dimension aux analyses conventionnelles des signatures spectrales des aérosols et des nuages.

1. La réflexion sur un miroir est fortement polarisante. La réflexion spéculaire du soleil sur la mer donnait une tache brillante sur les images POLDER en lumière naturelle et un fort signal en lumière polarisée d'autant plus intense et étroit que la surface était plus calme.
2. Au premier ordre, hors phénomène de réflexion, le signal polarisé mesuré au sommet de l'atmosphère résulte de processus de diffusion primaire caractérisés par l'angle de diffusion  représentant la déviation entre les rayons incidents et réfléchis. C'est pourquoi les images polarisées de POLDER s'interprétaient naturellement avec les isocontours (lignes de même valeur) de l'angle de diffusion. La zone de rétrodiffusion était sombre car la polarisation s'annule autour de =180°.
3. La polarisation provenant de la diffusion par les molécules composant l'atmosphère domine le signal polarisé provenant de la surface : ceci explique la dominante bleue et un contraste terre-mer très atténué sur les images polarisées. Au-dessus des nuages, (blancs car spectralement neutres), la mesure de la polarisation moléculaire permet d'estimer leur altitude.
4. Le phénomène d'arc en ciel est sans doute plus connu pour ses couleurs que pour ses propriétés directionnelles et polarisées ! Il est caractéristique de la diffusion par les gouttelettes d'eau liquide observées sous un angle de 140° (l'observateur notera qu'il est alors dos au soleil). Dans cette géométrie particulière, les nuages d'eau liquide présentent une forte polarisation qui permet de les discriminer des nuages de glace.
5. Après soustraction du signal moléculaire et de la contribution de la surface, la polarisation résiduelle permet d'appréhender les aérosols sur terre.

Caractéristiques techniques

L'instrument POLDER était une caméra composée d'une matrice bi-dimensionnelle de détecteurs CCD, d'optiques télécentriques à très large champ de vue et une roue porte filtre tournante portant les filtres spectraux et polariseurs.

POLDER avait 15 bandes spectrales qui vont de 443 nm à 910 nm. Deux de ces bandes spectrales étaient centrées sur des bandes d'absorption moléculaires : 763 (O²) et 910 (H₂O).

Ce tableau présente les caractéristiques des bandes spectrales de l'instrument POLDER embarqué sur le satellite ADEOS-1. Les 9 bandes sont définies par leur longueur d'onde centrale, leur largeur spectrale et leurs capacités de mesure de la polarisation. Les niveaux de saturation sont donnés en unité de radiance normalisée, c'est-à-dire la radiance spectrale maximum mesurée divisée par l'irradiance spectrale solaire au nadir et multipliée par . Pour obtenir la réflectance dynamique (c’est-à-dire la réflectance apparente de la surface observée), il faut diviser cette valeur normalisée par cos(θs), où θs est l’angle zénithal solaire (l’angle entre la verticale locale et la direction du soleil).

Réponse instrumentale POLDER :

Performances

La performance radiométrique est exprimée en termes de ratio signal sur bruit pour une réflectance de 0,1 en présumant que le Soleil est au zénith.

Performance géométrique

Avec un champ de vue de ± 43° le long de la trace et de ± 51° perpendiculairement à la trace, POLDER a une trace au sol de 2400 km qui permet une couverture journalière de presque la totalité de la Terre.

La résolution de l'instrument était de 6 km x 7 km au nadir, augmentant avec de plus grands angles d'incidence en raison de la courbure de la Terre. Une taille de pixel de 6 km x 6 km est obtenue après ré-échantillonnage selon la grille géocodée POLDER.

Performance de superposition des canaux :

• 0,1 pixel pour les 3 composantes polarisées dans la même bande spectrale
• 0,1 pixel pour les différentes bandes spectrales dans la même séquence
• 0,2 pixel pour la superposition multidirectionnelle
• 0,4 pixel pour la superposition multi temporelle
• 1 pixel en localisation absolue

Performance radiométrique

Afin d'optimiser la qualité radiométrique des mesures, deux temps d'exposition pouvaient être programmés : le temps d'exposition court pour les cibles à haute réflectance (mode grande dynamique : High Dynamic Mode) et le temps long pour les cibles de faible réflectance (mode faible dynamique : Low Dynamic Mode).

Performances de calibration

• 2 à 3 % pour la calibration absolue (Diffusion Rayleigh).
• 1 % pour la calibration interbande (en conditions de glitter).
• 1 % pour la calibration basse fréquence inter-pixel (au-dessus des déserts et en conditions de glitter).
• 0.1% pour la calibration haute fréquence inter-pixel (au-dessus d'un couvert nuageux spatialement homogène).

Le ratio de polarisation était calibré au-dessus de cibles, en appliquant à la fois la polarisation haute et basse, avec une précision attendue de 1 %.