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 Les radiosondes à tubes de 1940 à 1970

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Histoire du radiosondage :
  Les préliminaires, de 1783 à 1928
  Les débuts du radiosondage : 1929 à 1940
  Les radiosondes à tubes de 1940 à 1970

Voir aussi :
 De la montgolfière à la radiosonde moderneLes radiosondages en mer, histoire - Le Wettermuseum de Lindenberg - Le "Musée virtuel" de Météo-France
Les radiosondes anciennes - La radiosonde M60Le système de codage en morse de la M60 - Le Grawschen Sektor - Principe du barocontacteur ou baroswitch - Les radiosondes françaises de type FM, partie mécanique -
   


  Durant la Deuxième guerre mondiale, le radiosondage s'est fortement développé, non pas tant pour les besoins de l'artillerie que pour ceux de l'aviation militaire. La technologie des radiosondes a beaucoup évolué dans le but de les rendre plus faciles à fabriquer en grandes séries, plus légères et moins chères.
Jusqu'à la généralisation de l'emploi des transistors, la plupart des radiosondes utilisaient en général un tube (rarement plus), au départ une triode, pour la réalisation de l'émetteur. La fabrication était simple, faisant surtout appel à des opérations de mécanique, y compris et surtout pour le codage des mesures P, T et U. La lampe, qui avait permis dès 1929, l'avènement du radiosondage, a été utilisée pendant 40 ans et ce, jusque dans les années 1990 sur 1680MHz. C'est vers le milieu des années 60 que sont apparues les toutes premières radiosondes entièrement transistorisées.

La transmission des informations

Quatre modes de transmission des valeurs physiques mesurées (pression, température, humidité...) ont été utilisés pour transformer l'information fournie par un capteur (déformation, variation de résistance...) et pour s'en servir pour moduler l'émetteur :
  1- codage de la valeur et transmission en morse ou en un certain nombre de tops, une tension de 1 volt se traduisant, par exemple, en un groupe de 10 impulsions.. La première radiosonde russe de Pavel Moltchanov transmettait directement en morse (en fait uniquement des points), ce qui facilitait à l'extrême le décodage à la réception. Sur la photo ci-dessous on distingue le "peigne", en forme d'arc de cercle, élément essentiel du système de codage Moltchanov.
Ce principe de transmettre des informations en morse fut repris dans les années 40 par la firme allemande Graw (Grawsonde 1939 et son Grawschen Sektor, radiosonde H50 en photo ci-dessous mais cette fois sous forme de points et de traits) et la M60, encore utilisée dans les années 1980, ne fonctionnaient pas autrement .
Le codage des informations est maintenant universellement utilisé, grâce aux circuits logiques, lors de la numérisation des signaux analogiques fournis par les capteurs.
  2- transformation de la valeur en un créneau de durée proportionnelle à la valeur à transmettre, système mécanique simple. Principe utilisé par Robert Bureau dès 1929. C'est le type désigné en anglais par le terme de "chronometric radiosonde". La radiosonde J-R3.2 fabriquée en 1963 par les sociétés suisses Thommen et Hasler est basée sur ce principe. Ce créneau de temps pouvait être rempli avec des tops qu'il suffisait de compter à l'arrivée (voir : Le système de codage de la radiosonde O.N.M.).
  3- modulation en amplitude de l'émetteur avec une tonalité BF de fréquence variable en fonction de l'information à transmettre. La radiosonde Kew MK1 de 1940 utilisait ce principe avec succès.
  4- modification de la fréquence d'émission, par exemple en utilisant la déformation d'un bilame pour agir sur la capacité d'un condensateur. Principe assez délicat à mettre en oeuvre pour conserver une bonne précision. Dans les années 30 le capteur pouvait être aussi un des composants des circuits de l'émetteur, par exemple une des deux armatures d'un condensateur ou bien le noyau d'une self. Un commutateur était utilisé pour que soient transmises tour à tour chacune des grandeurs mesurées. Paul Duckert utilisa ce principe pour sa première radiosonde. Cette technique a été adoptée par Vaisala pour sa RS11 mais en l'améliorant.
Ces quatre principes ont été utilisés pendant longtemps. L'utilisation de modules à transistors a ouvert la voie à d'autres systèmes comme la transformation de la tension issue d'un capteur en une fréquence audible utilisée pour moduler l'émetteur.

 
 Radiosonde de fabrication soviétique type Moltchanov    Radiosonde Graw H50


La montée en fréquence

Pour réduire les dimensions des antennes aussi bien en réception qu'en émission, le plus simple est d'utiliser une fréquence élevée. C'est ainsi que Robert Bureau de l'Office National météorologique (ONM) en France a utilisé d'abord des fréquences proches de 5 ou 7 MHz à la fin des années 20 pour arriver vers 23 MHz vers 1934 et sur 28 à 30MHz à partir de 1938, un doublet demi-onde sur 28MHz ne fait que 5m de longueur environ. L'émetteur situé dans la sonde est simplement relié à deux fils de 2,5m dont l'un pend sous la sonde et l'autre est relié à la ficelle accroché au ballon. L'émetteur est aussi plus compact puisque les bobines des circuits oscillants ne comportent que quelques spires. Les condensateurs variables éventuels sont égalements moins encombrants. La photo ci-contre représente l'émetteur d'une radiosonde belge des années 60 utilisant une double triode (12AU7) fonctionnant sur 27MHz. La haute-tension nécessaire pour le fonctionnement du tube est fabriquée à l'aide d'un circuit utilisant un transistor de puissance et un petit transformateur, le tout alimenté par quatre piles de 4,5 volts montées en série, un principe qui était déjà utilisé par William BLAIR vers 1924.
Cette bande de fréquences des 27-28MHz était encore utilisée dans les années 1980 (ex : Graw M60) mais elle avait un inconvénient : le suivi par radiogoniométrie du signal émis par la radiosonde pour déterminer le diagramme vertical des vents n'était guère possible. L'utilisation d'un cadre comme sur 2 ou 3 MHz ne pouvait pas être précise et la mesure de l'angle d'élevation était quasi impossible, les antennes directives ne convenaient pas. Il restait à monter en fréquence, d'abord sur 72 MHz avec des groupements d'antennes yagi directifs, puis en UHF (bande des 400MHz) pour arriver en SHF (bande des 1680MHz) où l'utilisation d'antennes à réflecteur parabolique (antennes utilisées pour les radars) permettait une mesure fine de la direction et de l'angle d'élévation de la sonde grâce à la grande directivité de ce type d'antenne aussi bien dans le plan vertical qu'horizontal. La M60 était généralement suivie par radar. Dans certains car l'émetteur habituel sur 27MHz de la radiosonde était doublé par un émetteur sur 400MHz pour le suivi par radio-théodolites
L'utilisation de fréquences de plus en plus hautes avec des émetteurs basés sur un simple auto-oscillateur avait pour inconvénient une dérive importante de la fréquence due principalement aux variations de la température.
En 1935, la bande des 72MHz était déjà utilisée aux USA, elle l'était encore après 1945 mais en 1947 la sonde Diamond-Hinman (USA) transmettait sur 395 MHz, rendant possible le suivi précis par radiothéodolite, tandis que la sonde britannique Kew MKII était sur 27.5 à 28MHz. Vers 1947 aux USA le suivi des radiosondes sur 72MHz était assuré par un radiothéodolite sur remorque, le SCR-658, équipée d'une antenne semblable à celle d'un radar de l'époque.
Début des années 1950 les radiosondes suisses émettaient sur 100MHz. La H50 (photo ci-dessus) de la firme allemande Graw était déclinée en plusieurs versions : 27MHz, 93MHz et 152-155MHz.
Pour éviter les interférences lors des comparaisons de radiosondes, (Uccle en 1965 ) on pouvait utiliser à la fois la bande 27MHz et la bande 152 MHz.
Un peu plus tard, vers 1955, la firme française Metox proposait une windsonde (un simple émetteur embarqué suivi par radiothéodolite) sur 400MHz en même temps que l'Allemand Sprenger dont la windsonde modèle P24 permettait la mesure des vents en émettant dans la bande 390-410 MHz.

Capteurs de pression

Comme le baromètre à mercure était bien trop encombrant, cher, fragile... les deux capteurs de pression utilisés d'abord sur les radiosondes ont été la capsule de Vidie et le tube de Bourdon. Ils sont basés sur le même principe : un récipient déformable et étanche dans lequel on a effectué le vide d'air. La pression atmosphérique a tendance à comprimer le récipient mais un ressort (enfermé dans la capsule de Vidi) ou bien la forme du récipient (tube de Bourdon) limitent cette déformation. Cette dernière, très faible pour de petites variations de pression, est amplifiée à l'aide d'un système mécanique à leviers. Les jeux, inévitables dans ce genre de mécanisme, introduisent une incertitude dont les effets sont modérés du fait que la pression varie toujours dans le même sens, en diminuant avec l'altitude. D'autre part, les frottements mécaniques provoquent un phénomène d'hystérésis et d'inertie qui fait que la mesure de pression, donc d'altitude, est décalée dans le temps. Les anciens, utilisateurs de baromètres anéroïdes à cadran, se souviennent qu'il était nécessaire de tapoter l'instrument pour avoir une lecture actualisée de la pression atmosphérique. La capsule de Vidie a été utilisée jusque dans les années 2000 par certaines radiosondes étatsuniennes. Les fortes variations de température rencontrées pendant la montée affectent le fonctionnement du capteur mais les perturbations sont atténuées par un dispositif de compensation de température et par des corrections introduites dans les calculs lors du dépouillement des données reçues.
L'hypsomètre, basé sur le phénomène d'ébullition de l'eau est à la fois très simple et très précis. Les radiosondes de Payerne en étaient équipées jusqu'en 2010 (voir Meteolabor SRS400-PTU).
Le capteur de pression représenté sur la photo ci-contre utilise quatre capsules. Il équipait une radiosonde de fabrication suisse.

En dehors de la mesure de pression continue, il est fréquent de rencontrer sur les radiosondes d'avant 1980 des dispositifs, les baro-contacteurs qui transmettent des tops lors des changements de niveau. Ainsi le domaine sol-16000m (1000 à 100 hPa) pouvait être décomposés en 15 niveaux, par exemple. Voir page : Principe du barocontacteur ou baroswitch   



Capteurs d'humidité

Jusqu'à la mise au point des capteurs résistifs ou capacitifs, les capteurs d'humidité étaient basés sur les variations de dimensions de matériaux organiques comme le cheveu ou la baudruche, une membrane très fine issue de l'intestin (caecum) de bovin, comme sur cette radiosonde DFR-MARS32 fabriquée en Tchécoslovaquie dans les années 80.
L'allongement d'un cheveu est faible (moins de 3%) mais il peut être amplifié avec un dispositif mécanique, à levier par exemple. Un de ses inconvénients est le temps de réponse très long, incompatible avec une mesure tous les 1000m mais il peut être fortement amélioré grâce à un traitement mécanique particulier, une forme de laminage. Comme pour le capteur de pression, le dispositif mécanique d'amplification et de codage n'arrange pas les choses.
La membrane de baudruche n'est pas plus précise, son inertie est d'autant plus grande que la température est basse, ainsi les valeurs de l'humidité relative mesurées à haute altitude sont-elles trop élevées.
La fiabilité des mesures d'humidité effectuées avec ce genre de capteurs est donc faible. La précision est bien inférieure à celle obtenue avec les mesures de température.
Peu de temps avant la seconde guerre mondiale des recherches ont été effectuées aux Etats-Unis pour améliorer le capteur d'humidité. Un capteur utilisant les propriétés hygroscopiques du chlorure de lithium a été mis au point par le National Bureau of Standards, il s'est imposé progressivement face aux capteurs utilisant la baudruche ou le cheveu quoique, dans les années 1970, la M60 utilisait encore un cheveu et la radiosonde suisse un capteur à baudruche.
Voir page : Radiosondage et mesure de l'humidité de l'air.



Capteurs de température

Les premiers capteurs de température embarqués sur les radiosondes étaient basés sur la déformation d'une plaque composée de deux lames en métaux ayant des coefficients de dilatation différents (une lame d'acier et une autre d'invar, par exemple). Ce "bilame métallique" se déforme proportionnellement aux variations de température et peut agir directement au niveau du système de codage, en déplaçant un curseur par exemple.
Le bilame métallique utilisé dans les débuts manquait de fiabilité et possédait une inertie thermique importante ; la constante de temps du capteur de température d'une radiosonde des années 40 pouvait dépasser 4 secondes dans la partie basse de la troposphère. D'abord amélioré par l'emploi de lames plus petites et plus minces, il a été remplacé progressivement par un capteur utilisant une thermistance (encore appelé "thermistor"), composant électronique dont la résistance varie en fonction de la température selon une loi connue et maîtrisée dès la fabrication. C'est à partir des années 50 que le perfectionnement des méthodes de fabrication des thermistances permit d'obtenir des éléments de caractéristiques identiques. Pourtant, le bilame métallique était encore utilisé sur la Graw M60 dans les années 1980 (photo ci-contre) , les mesures brutes étant corrigées pour tenir compte de l'inertie thermique du bilame.
Une des sources d'erreurs de mesure de température mais aussi d'humidité est le rayonnement : celui du soleil d'abord mais aussi celui des nuages, du ballon ou encore des éléments de la radiosonde, l'émetteur à tubes par exemple. C'est pourquoi les capteurs ont été placés dans une veine ou cheminée canalisant l'air à mesurer et protégeant les capteurs T et U des rayonnements thermiques parasites.



La mesure des vents

De jour et par temps clair, le théodolite et le ballon-pilote constituent ensemble le moyen le plus simple de mesurer la vitesse et la direction du vent dans les couches basses de l'atmosphère, jusqu'à la limite de visibilité ; la nuit une petite lanterne accrochée sous le ballon permettait le suivi. Dans les autres cas c'est le radiothéodolite et son antenne très directive qui permettent de suivre les déplacements de la radiosonde. En fait c'étaient trois ou quatre stations au sol actionnées par un ou deux opérateurs qui suivaient la sonde en vol. Les données transmises normalement par la sonde (P et T) permettent de calculer l'altitude. En France, de 1945 à 1950 le suivi des sondes type ONM était assuré généralement par trois radiogoniomètres placés l'un au centre de radiosondage et les deux autres à une trentaine de kilomètres environ de la station et l'une de l'autre, plutôt vers l'Est.
Le suivi d'un ballon-sonde par radiogoniométrie, expérimenté dès les années 1920 à Lindenberg en Allemagne ou par William Blair aux USA, fut perfectionné dans les années 30 et 40 grâce à l'utilisation des VHF et UHF et aboutit au radiothéodolite manoeuvré, comme le théodolite optique, par un ou deux opérateurs. Dans les années 1950, le radiothéodolite automatique (Automated Radio-Theodolite ou ART) était déjà en service aux Etats-Unis. Pour pouvoir mesurer par radiogoniométrie le déplacement horizontal d'une sonde PTU émettant sur 28MHz, le fabricant français Metox proposait à la fin des années 50 un émetteur supplémentaire 400MHz pour sa radiosonde de type CT.
Le développement du radar dès les années 40 a facilité les choses, il suffit d'ajouter un réflecteur-radar à la chaîne de vol pour suivre les mouvements de la sonde et en déduire les vents qui la font dériver. Le suivi de la radiosonde par radar était encore utilisé par l'armée française en 2011 avec des sondes comme la RS90A munie d'un réflecteur. En France, la Météorologie Nationale a mis en place à partir des années 1950 un radar fabriqué par la société britannique Decca (fabriqué sous licence par OMERA) qui a remplacé avantageusement les radiogoniomètres ou les radiothéodolites tant du point de vue économique que pour la précision des mesures. Cette méthode a perduré jusqu'à l'arrivée des sondes géolocalisées par les systèmes Omega et LORAN-C
Une solution nécessitant une puissance réduite au niveau du radar consiste à intégrer un transpondeur dans la sonde. Il ne reste qu'à mesurer le temps de transmission aller-retour du signal émis par le radar pour connaître la distance à laquelle se trouve la sonde. Dès 1940, une radiosonde remarquable fonctionnant comme un transpondeur a été développée pour la Wehrmacht : la WSE réémettait sur 27MHz le signal reçu sur 300MHz, la distance et la direction de la sonde étaient mesurées par une seule station au sol. La station de Payerne, en Suisse, a utilisé ce même principe, sur une seule fréquence, depuis les années 1970 jusqu'en 2010 (mais avec des sondes transistorisées comme la SRS-400W, par exemple).

Le boîtier

Les premières radiosondes étaient lourdes et coûteuses, certaines étaient protégées par un boîtier en bois, le volume de gaz nécessaire pour les enlever était important et parfois réparti dans plusieurs ballons de baudruche, le processus de fabrication des enveloppes ne permettant pas la production de ballons volumineux et bon marché. Pour les protéger du choc à l'atterrissage et limiter les coûts de reconditionnement, on plaçait le boîtier dans un panier en osier (France, Suisse, Inde...).
Très vite, les concepteurs et les fabricants ont cherché des solutions économiques. L'alimentation de l'émetteur a été optimisée, l'utilisation de tôle d'aluminium emboutie, de carton (voir radiosonde soviétique RKZ5 ci-contre) ou des nouvelles matières plastiques moulées a simplifié un peu la réalisation et a permis des économies de poids. Aux USA, où les radiosondes sont également recyclées, un boîtier robuste en plastique moulé protège les composants, il suffit généralement de remplacer les piles et les capteurs de température et d'humidité. Les radiosondes Vaisala sont simples et légères et par conséquent plus économiques. Par la légèreté de la charge utile ce n'est pas l'hélium que l'on cherche à économiser, puisque à cette époque le gonflage s'effectue généralement à l'hydrogène, mais c'est l'enveloppe en latex et le parachute. Pendant la guerre, la pénurie de caoutchouc a limité l'utilisation de la baudruche (latex), les Suisses ont dû réduire fortement les radiosondages et se sont mis à utiliser à nouveau des ballons en papier.
Le polystyrène expansé a fait son apparition dans les années 50. Il permettait à la fois une excellente isolation thermique et une bonne protection contre les chocs, tout ça avec une légèreté exceptionnelle.




  
     


Bibliographie

Ciel et Terre 1954
The invention and development of the radiosonde par Dubois, Multhauf et Ziegler - Smithsonian Institution
Die Entwicklung der deutschen Radiosonden von 1930 - 1955 par F. Trenkle (DFVLR) - 1982
The Determination Of Upper Winds By Electronic Means par R. A. Ewing, Meteorological Office, Wellington (NZ).- 1947
Arc-en-Ciel n°11 - 2014