Seismologic space instrumentation : transfer function of the 6 axes InSight seismometer and development of a picometric interferometric displacement sensor.
Instrumentation sismologique spatiale : Fonction de transfert du sismomètre 6 axes InSight et développement d’un capteur de déplacement picométrique par interférométrie.
Résumé
The understanding of the Solar System formation and its evolution is deeply connected to the knowledge on its planetary interior structures. In situ studies with seismometers are therefore crucial to probe the internal structure (distribution and thickness of layers) and composition of the terrestrial planets.
Indeed, SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) will land on Mars in 2018 (NASA InSight mission). Two types of sensors of the SEIS instrument, the VBBs (Very Broad Band) and SPs (Short Period), are mounted on the LVL (a mechanical levelling system) for which the purpose is twofold: ensure a level placement of the sensors on the Martian ground under yet unknown local conditions and provide mechanical coupling to the ground. In this thesis, we developed a simplified analytical model of the LVL structure in order to reproduce its mechanical behaviour by predicting its resonances and transfer function. This model will allow estimation of the LVL effect on the VBBs and SPs data recorded on Mars. It is first implemented numerically and its validation is then guaranteed thanks to the observation of many similarities between our results and those of the laboratory experiments realized with the LVL flight model. These comparisons prove the model fidelity with reality. After some simulations, we noticed a clear influence of the mechanical coupling between the LVL feet and the ground in the resonances found. For this reason, an inversion study has been realized in order to study if this model could allow an estimation of the elastic properties of the InSight landing site regolith. Another work consists in modeling the 3 VBBs and the 3 SPs on the LVL and to observe the response of the 6 axes SEIS instrument in translation and rotation. This study can allow to estimate the performances of SEIS, especially in rotation that can be one important information to recover the phase velocity of surface seismic waves, highly dependent on the ground composition. This can be realized on Mars with an active seismic experiment thanks to the other main instrument of the InSight mission: HP3.
Today, new projects are also being considered for a seismic return to the Moon. Indeed, the Apollo seismometers had good resolution in ground displacement but were however unable to detect the Lunar ground seismic noise, named "meteoritic hum". This noise is possibly due to the continuous fall of micro-meteorites and its amplitude has been estimated to be about 1/100 of the resolution of the Apollo sensors. Core seismic phases, although detected through stacking, have not also been individually recorded. A new generation of broadband seismometers, 100 to 1000 times more sensitive than the Apollo ones are therefore requested. This sensitivity will allow to reach the lunar seismic noise floor and thus permit to take benefit of all the waves generated by the Moon seismic activity. The core of such seismometer will be the proof mass displacement sensor, with extreme improvement in performances, linearity and noise level. During this thesis, we developed an optical readout prototype for an high-sensitive lunar seismometer, based on the use of gravitational waves detectors’ technology. Indeed, this is the reference in terms of interferometric measurements at low frequency and very low noise levels. The prototype is based on the "Pound-Drever-Hall" laser frequency stabilization technique. The objective is to improve the sensitivity of InSight VBBs by about 2 orders of magnitude. The measurement principle is presented in this manuscript, as well as the expected performances, the technical choices made for the experimental implementation and the first results.
La compréhension de la formation du Système Solaire et de son évolution est profondément connectée aux connaissances que nous pouvons avoir sur les structures internes de ses planètes. Des études sismiques in-situ sont donc cruciales pour sonder la structure (répartition et épaisseur des couches) et la composition interne des planètes telluriques.
L'instrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) se posera sur Mars en 2018 (mission InSight de la NASA). Il contient deux types de capteurs sismiques: les VBBs (Very Broad Band) et SPs (Short Period), montés sur le LVL (système de nivellement mécanique) qui a un double objectif: assurer le placement horizontal des capteurs sur le sol de Mars dans des conditions locales inconnues et fournir leur couplage mécanique au sol. Dans cette thèse, un modèle analytique simple du LVL est développé afin de reproduire son comportement mécanique grâce au calcul de ses résonances et de sa fonction de transfert. Ce modèle permettra d'étudier l'effet du LVL sur les données sismiques des VBBs et SPs enregistrées sur Mars. Celui-ci est d'abord implémenté numériquement puis sa validation est garantie grâce à l'observation de grandes similitudes entre nos résultats et ceux des expériences réalisées en laboratoire avec le modèle de vol du LVL. Ces comparaisons prouvent ainsi la fidélité du modèle à la réalité. Après quelques simulations, on remarque également une influence importante du couplage mécanique entre les pieds du LVL et le sol dans les résonances trouvées. Une étude d'inversion est alors réalisée afin d'observer si le modèle pourrait permettre une estimation des propriétés élastiques du sol au niveau du site d'atterrissage InSight. Un autre travail consiste à modéliser les 6 capteurs VBBs et SPs sur le LVL et observer la réponse de l'instrument 6 axes en translation et en rotation. Cette étude permet notamment d'estimer les performances de SEIS en rotation, qui peut être une information clé pour déterminer la vitesse de phase des ondes sismiques de surface, fortement dépendantes de la composition du sol. Cette vitesse sera calculée sur Mars en réalisant une expérience sismique active grâce à l'autre instrument principal d'InSight: HP3.
Aujourd'hui, de nouveaux projets sont étudiés pour un retour sismique sur la Lune. En effet, bien qu'ayant une bonne résolution en terme de déplacement du sol les sismomètres Apollo étaient cependant incapables de détecter le bruit sismique du sol lunaire, appelé "meteoritic hum". Ce bruit, dû aux chutes continues de micro-météorites, a une amplitude estimée à 1/100$^\text{ème}$ de la résolution des sismomètres Apollo. Les phases sismiques du noyau, même si estimées grâce au "stacking" des données, n'ont pas non plus été directement enregistrées. Une nouvelle génération de sismomètres, 100 à 1000 fois plus sensibles que ceux d'Apollo, est donc désirée. Cette sensibilité pourrait permettre d'atteindre le plancher du bruit sismique lunaire et de tirer ainsi bénéfice de l'intégralité des ondes générées par l'activité sismique lunaire. La structure d'un tel sismomètre serait un capteur de déplacement, toujours lié à une masse d'épreuve, mais présentant de grosses améliorations en termes de performance, linéarité, et niveau de bruit. Pendant cette thèse, un prototype de système de lecture optique de déplacement pour sismomètre lunaire ultra-sensible est développé, basé sur l'utilisation de la technologie des détecteurs d'ondes gravitationnelles. En effet, celle-ci est une référence en termes de mesures interférométriques à basse fréquence et très bas niveau de bruit. Le prototype construit est ainsi basé sur la technique de stabilisation laser appelée "Pound-Drever-Hall". L'objectif est d'améliorer la sensibilité des VBBs d'InSight d'environ 2 ordres de grandeur. Le principe de la mesure est présenté dans ce manuscrit, ainsi que ses performances attendues, les choix techniques d'implémentation de l'expérience et les premiers résultats.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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