Mesures optiques de profils de turbulence atmosphérique pour les futurs systèmes d'optique adaptative PDF Download

Author: Juliette Voyez
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L'optique adaptative classique est limitée par l'anisoplanétisme. Pour remédier à cette limitation, de nouveaux concepts, appelés optiques adaptatives grand champ, ont été développés. Ces systèmes analysent la turbulence atmosphérique dans le volume, ce qui accroît le champ de correction. Ces techniques requièrent une connaissance précise du profil de Cn2. Mon étude consiste à valider sur le ciel une nouvelle technique de mesure du profil de Cn2, appelée CO-SLIDAR, à partir des corrélations des mesures de pentes et de scintillation réalisées avec un analyseur Shack-Hartmann sur étoile binaire. Elle s'organise autour de deux grands axes. On réalise d'abord une simulation bout-en-bout de la reconstruction du profil de Cn2 dans un cas concret d'observation astronomique. On peut ainsi étudier l'impact des différentes sources d'erreur sur la reconstruction du profil de Cn2. Ceci nous permet d'améliorer la procédure d'estimation du profil de Cn2, en prenant en compte les bruits de détection. La deuxième partie de mon étude se consacre à la validation expérimentale. On dimensionne et caractérise en laboratoire un banc d'acquisition, le banc ProMeO. Ceci conduit à une bonne connaissance du fonctionnement du banc et nous permet de corriger certains effets instrumentaux. Le banc ProMeO est finalement couplé au télescope MeO de 1,5 m de diamètre. Les données acquises permettent une reconstruction du profil de Cn2, du sol jusqu'à 17 km, avec une résolution de 600 m. Les profils obtenus par la méthode CO-SLIDAR sont comparés avec succès à des profils issus de données météorologiques. L'ensemble de ces travaux constitue la première validation sur le ciel de la méthode CO-SLIDAR.

Author: Khanh Linh Nguyen
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La connaissance de la turbulence atmosphérique en visée horizontale permet de mieux appréhender la physique des flux de chaleur à l'interface sol-atmosphère. Elle permet également, en visée verticale, d'améliorer les performances des futurs systèmes d'optique adaptative grand-champ pour l'observation astronomique. Le profil de Cn2 caractérise localement la force de la turbulence. La méthode CO-SLIDAR, développée par l'ONERA, permet de réaliser des profils de Cn2 le long de la ligne de visée du télescope à partir des pentes et de scintillations mesurées par un Analyseur de Shack-Hartmann sur source double. Cette méthode a été validée en visée verticale mais n'avait pas encore montré son efficacité en visée horizontale. Les deux expériences à Lannemezan et à Châtillon-Meudon ont vu la mise en place d'un nouveau profilomètre Shack-Hartmann Infrarouge : le SCINDAR. Elles ont été réalisées sur des surfaces respectivement hétérogène et homogène par morceaux, et elles participent à la validation de la méthode pour des applications agronomiques et écologiques. Mon étude consiste à améliorer le traitement du signal du profilomètre SCINDAR et à valider la méthode CO-SLIDAR pour des mesures de la turbulence atmosphérique proche du sol. Cette méthode a été adaptée en utilisant un formalisme de propagation en onde sphérique. L'étude a permis d'identifier et prendre en compte des sources d'erreur dans le traitement : à savoir la vibration de la machine à froid de l'analyseur de front d'onde cryogénique du SCINDAR et l'étendue des sources dans les fonctions de poids du modèle direct posé pour le traitement des données. Mon étude se consacre à l'amélioration du traitement des données du SCINDAR et à la validation expérimentale des profils de Cn2 obtenus avec des mesures de Cn2 acquises par des scintillomètres. J'ai construit tout d'abord une base de données de pentes et scintillations de qualité vérifiée. Pour l'inversion des données, j'ai choisi la régularisation L1L2 qui est adaptée pour des mesures de Cn2 proches du sol. La méthode de réglage des hyperparamètres de cette régularisation est non-supervisée. Elle permet d'augmenter la fiabilité et la précision de l'estimation du profil de Cn2 de façon pragmatique à l'aide des erreurs relatives sur les paramètres turbulents macroscopiques. Le profilomètre SCINDAR avec la méthode CO-SLIDAR ainsi améliorée produit finalement des profils de Cn2 d'excellente qualité. Ces profils sont comparés avec succès aux mesures des scintillomètres. L'ensemble de ces travaux constitue l'adaptation de la méthode CO-SLIDAR pour des mesures de la turbulence proche du sol.

Author: Jérôme Maire
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Pages : 177

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Les futurs très grands télescopes donneront la possibilité d’effectuer des observations à très Haute Résolution Angulaire, mais leur conception nécessite une connaissance précise des effets optiques de la turbulence atmosphérique sur de grandes échelles spatiales. Cette étude porte sur la validation expérimentale de la modélisation de la turbulence optique lors de l’observation astronomique à partir du sol. La caractérisation des propriétés spatiales du front d’onde est effectuée à partir des grandes bases de mesure utilisées par les interféromètres stellaires optiquesGI2T-REGAIN et VLTI-AMBER. A ces échelles, les déformations du front d’onde ne suivent pas les mêmes lois statistiques et cette étude confirme que l’amplitude des déformations spatiales du front d’onde n’augmente pas indéfiniment avec l’allongement de la base de mesure. Cette étude met en évidence la saturation des grandeurs liées aux déformations spatiales lorsque les distances considérées dépassent la valeur de l’échelle externe de cohérence spatiale du front d’onde. Le GSM (« Generalized Seeing Monitor »), unique instrument dédié à la mesure de l’échelle externe, est utilisé dans unze configuration étendue pour tester expérimentalement les différents modèles existants de turbulence optique lors d’observations sur le site de Calern. Une modélisation multi-couche de l’échelle externe est aussi proposée afin de rendre compte des effets optiques de la turbulence atmosphérique selon la distribution en altitude. Les résultats de cette étude permettent de mieux dimensionner les systèmes d’optique adaptative de nouvelle génération associée aux futurs rands télescopes et interféromètres à très grandes bases. Enfin, cette étude a consisté à développer l’instrument MOSP (« Monitor of Outer Scale Profile ») mesurant la distribution verticale de l’échelle externe à partir de l’observation du limbe de la Lune. Plusieurs campagnes d’observation ont été effectuées aux Observatoires de Haute-Provence et de Mauna Kea et les premières mesures de profils d’échelle externe sont présentées.

Author: François Chassat
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Pages : 218

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Author: Brice Le Roux
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Pages : 210

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La turbulence atmosphérique perturbe la propagation de la lumière provenant d’objets astronomiques. Au foyer du télescope, on observe sur l’image obtenue une perte de résolution angulaire. L’optique adaptative permet de trouver la résolution théorique du télescope. L’Optique Adaptative Multiconjuguée devrait de plus permettre d’élargir le champ isoplanétique en sortie du système. Dans le contexte des futurs systèmes d’Optique Adaptative (à haute dynamique ou à grand champ), la loi de commande du système doit être choisie de façon à optimiser les performances. Elle doit notamment permettre de minimiser l’erreur temporelle ou l’anisoplanétisme résiduel. Nous proposons une commande optimale au sens de la variance de phase résiduelle minimale pour l’Optique Adaptative Classique et l’Optique Adaptative Multiconjuguée. L’approche que nous présentons est basée sur une estimation de la phase turbulente par filtrage de Kalman suivie d’une commande par retour d’état, développés dans un formalisme d’état. Cette approche prend en compte les connaissances a priori disponibles sur le bruit de mesure, le profil de turbulence en altitude, la statistique de Kolmogorov ou encore la vitesse d’évolution de la turbulence. Nous quantifions le gain apporté par cette loi de commande vis-à-vis d’une approche traditionnelle par des simulations numériques en OA classique et multiconjuguée et nous discutons la robustesse des performances approche optimale. Nous présentons également une mise en place d’une validation expérimentale sur le banc BOA de l’Onera.

Author: Tarik Noël
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Pages : 202

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DANS LE DOMAINE DE L'ASTRONOMIE, LA RESOLUTION DES IMAGES FORMEES AU FOYER DES TELESCOPES EST LIMITEE PAR LA TURBULENCE ATMOSPHERIQUE. LES SYSTEMES D'OPTIQUE ADAPTATIVE PERMETTENT DE CORRIGER EN TEMPS REEL LES EFFETS DE LA TURBULENCE ET AINSI DE SE RAPPROCHER DE LA RESOLUTION THEORIQUE DES TELESCOPES. LA CONCEPTION ET LES PERFORMANCES DES SYSTEMES D'OPTIQUE ADAPTATIVE REPOSENT POUR BEAUCOUP SUR L'ANALYSE DE SURFACE D'ONDE, CAR C'EST ELLE QUI FOURNIT L'INFORMATION SUR LA TURBULENCE QUI SERVIRA A CORRIGER LE FRONT D'ONDE. LE TRAVAIL PRESENTE DANS CETTE THESE PORTE SUR LA CARACTERISATION SPATIALE ET TEMPORELLE DE LA TURBULENCE ATMOSPHERIQUE AVEC UN ANALYSEUR DE TYPE SHACK HARTMANN. LES PERFORMANCES DES SYSTEMES D'OPTIQUE ADAPTATIVE SONT SEVEREMENT LIMITEES PAR LE BRUIT DE MESURE PRESENT SUR L'ANALYSEUR DE SHACK HARTMANN. POUR MINIMISER CE BRUIT, JE PRESENTE UNE ETUDE PAR SIMULATION QUI MONTRE COMMENT DIMENSIONNER LES SYSTEMES D'ANALYSE DE SURFACE D'ONDE EN FONCTION DU FLUX ET DES CONDITIONS DE TURBULENCE. PARALLELEMENT A LA MAITRISE DU BRUIT DE MESURE, J'INSISTE SUR LA NECESSITE DE PRENDRE EN COMPTE LA DIMENSION FINIE DE L'ECHELLE EXTERNE (ECHELLE DE FORMATION DE LA TURBULENCE). JE PRESENTE UNE ANALYSE THEORIQUE DE L'INFLUENCE DE L'ECHELLE EXTERNE SUR L'EVOLUTION TEMPORELLE DES FRONTS D'ONDE. CETTE ANALYSE S'APPUIE SUR L'ETUDE DES SPECTRES DE PUISSANCE TEMPORELS DES ANGLES D'ARRIVEE (MESURES DU SHACK HARTMANN) ET DE LA PHASE DECOMPOSEE SUR LA BASE DES POLYNOMES DE ZERNIKE. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX OBTENUS LORS D'UNE EXPERIENCE EFFECTUEE A LA PALMA (CANARIES), SUR LE NORDIC OPTICAL TELESCOPE SONT PRESENTES. CETTE EXPERIENCE A CONSISTE A FAIRE DE L'ANALYSE DE FRONT D'ONDE AVEC UN SHACK HARTMANN EN Y ASSOCIANT DES INSTRUMENTS DE SONDAGE VERTICAL DE L'ATMOSPHERE : SCIDAR ET BALLONS SONDE. J'UTILISE L'INFORMATION APPORTEE PAR LES SONDAGES ATMOSPHERIQUES POUR VALIDER ET AMELIORER L'INTERPRETATION DES RESULTATS ISSUS DU DEPOUILLEMENT DES MESURES DE FRONT D'ONDE.

Author: Caroline Dessenne
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Category : Imaging systems in astronomy
Languages : fr
Pages : 296

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L'OPTIQUE ADAPTATIVE EST UNE TECHNIQUE QUI PERMET DE CORRIGER LES EFFETS DE LA TURBULENCE ATMOSPHERIQUE EN TEMPS-REEL ET D'OBTENIR DES IMAGES ASTRONOMIQUES A TRES HAUTE RESOLUTION PROCHES DE LA LIMITE DE DIFFRACTION. CEPENDANT LA CORRECTION N'EST SOUVENT QUE PARTIELLE, EN PARTICULIER PARCE QUE LA BANDE PASSANTE DES SYSTEMES D'OPTIQUE ADAPTATIVE EST REDUITE PAR UN RETARD TEMPOREL DANS LA BOUCLE D'ASSERVISSEMENT ET PARCE QUE LES MESURES DE LA PHASE TURBULENTE SERVANT A PILOTER L'INSTRUMENT DE CORRECTION SONT BRUITEES. L'OBJET DE CETTE THESE EST L'ETUDE D'UNE COMMANDE SPATIO-TEMPORELLE D'UN SYSTEME D'OPTIQUE ADAPTATIVE ADAPTEE AUX CONDITIONS DE TURBULENCE ATMOSPHERIQUE ET DE BRUIT DE MESURE, ET PERMETTANT DE COMPENSER LE RETARD TEMPOREL. JE SYNTHETISE UNE COMMANDE PREDICTIVE LINEAIRE ET MODALE QUI MINIMISE L'ERREUR QUADRATIQUE MOYENNE DE LA PHASE RESIDUELLE DES IMAGES CORRIGEES. LA MINIMISATION EST REALISEE A L'AIDE D'UN ALGORITHME DES MOINDRES CARRES MODIFIE. LE PREDICTEUR AINSI DETERMINE EST TEL QUE SA FONCTION DE TRANSFERT EST LA PLUS PROCHE POSSIBLE DU RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT SPECTRAL DU SIGNAL TURBULENT A CORRIGER. PAR DES SIMULATIONS NUMERIQUES, JE MONTRE QU'IL EST PARTICULIEREMENT INTERESSANT D'UTILISER CE PREDICTEUR LORSQUE LA VITESSE DU VENT DANS LES COUCHES TURBULENTES ET LE RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT DES MESURES DE LA PHASE TURBULENTE SONT ELEVES. JE MONTRE QUE LE PREDICTEUR PERMET DE FILTRER LES VIBRATIONS PARASITES AFFECTANT CERTAINS GRANDS TELESCOPES. LES RESULTATS THEORIQUES SONT CONFIRMES AVEC UNE GRANDE PRECISION PAR DES EXPERIENCES EN LABORATOIRE ET A L'OBSERVATOIRE DE HAUTE-PROVENCE A L'AIDE DU BANC D'OPTIQUE ADAPTATIVE DE L'ONERA. AFIN DE M'ASSURER QUE DES ERREURS D'ETALONNAGE, LIEES A DU BRUIT DE MESURE ET A DES DESALIGNEMENTS OPTIQUES, N'AFFECTENT PAS LES PERFORMANCES PREVUES DU SYSTEME, J'ETUDIE LES MARGES DE TOLERANCE DE CHACUNE D'ENTRE ELLES.

Author: Nicolas Védrenne
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Languages : fr
Pages : 293

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L’optique adaptative multi-conjuguée (OAMC) a été proposée en astronomie pour augmenter le champ de correction de l’optique adaptative. En imagerie terrestre, les effets de la turbulence atmosphérique sont plus importants : le champ de correction est encore plus faible et les effets diffractifs de la propagation ne peuvent être négligés. L’objectif de cette thèse est de déterminer les performances et les limites de l’OAMC lorsque les effets de la propagation sont pris en compte. Pour cette étude, nous nous sommes placés dans une configuration idéale où les effets de la turbulence sont simulés par deux couches parfaitement conjuguées avec deux miroirs déformables. Nous avons montré que l’OAMC pourrait permettre d’apporter une correction satisfaisante même dans les cas de très fortes perturbations. La limitation ultime de la correction est due à la troncature de la pupille qui provoque en particulier des fluctuations d’intensité dans le plan image de la pupille. Nous avons proposé un modèle de réponse impulsionnelle prenant en compte ces effets. Nous avons montré que ces fluctuations représentent un problème majeur pour la mise en œuvre d’une OAMC en perturbant la mesure de front d’onde. Parallèlement, en se plaçant dans le cadre des faibles perturbations, nous avons évalué analytiquement les corrélations des mesures de l’analyseur de Shack-Hartmann (pentes et intensités) en fonction du profil de Cn2. Nous avons utilisé ce formalisme pour étudier l’erreur d’anisoplanétisme sur les mesures de front d’onde par Shack-Hartmann avec un objet étendu. Nous avons ensuite montré qu’il était possible de l’appliquer à la détermination du profil de Cn2 par inversion des mesures.

Author: Rémy Villecroze
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La résolution des télescopes astronomiques d'observation de l'Espace est sévèrement limitée par les aberrations évolutives liées à la turbulence atmosphérique. L'optique adaptative (OA) est une technique qui permet de corriger des dégradations apportées par la turbulence grâce à une mesure et une correction temps réel de ces aberrations à partir d'une ou de plusieurs sources de référence. Néanmoins, cette correction n'est pas optimale et les hautes fréquences sont souvent atténuées. Pour remédier à ce problème, un traitement d'image est nécessaire. Il comprend l'estimation de la fonction d'étalement du point (FEP) du système en temps réel et la déconvolution de celle-ci permettant ainsi d'améliorer la qualité de l'image acquise. L'étude effectuée ici consiste à la modélisation d'un système d'optique adaptative grand champ et d'un spectroimageur permettant de reconstruire la FEP à partir des données télémétriques enregistrées lors des observations. Elle porte plus précisément sur l'instrument de deuxième génération MUSE installé au VLT dans son mode grand champ (1arcmin2) et son système d'optique adaptative GALACSI associé. La particularité de l'instrument MUSE-GALACSI est d'avoir une analyse multidirectionnelles grand champ avec des étoiles laser et un système de correction de type GLAO (on somme l'ensemble des mesures pour une correction moyenne dans le champ). Le but de la thèse est d'estimer la FEP de l'instrument MUSE-GALACSI en tout point de son champ scientifique et pour l'ensemble des longueurs d'onde couvertes par son spectrographe. Pour cela, une étude complète du système a été effectuée pour en déterminer les sources d'erreurs principales. A partir de cette analyse, un algorithme innovant de reconstruction de la FEP a été proposé. Basé sur une approche analytique intégrant des inter corrélations angulaires dans les diverses directions d'analyse et de correction dans le champ, cet algorithme a été validé dans un premier temps grâce à des modèles End-to-End complexes puis testé sur des données réelles en utilisant l'instrument Gems, le module MCAO du telescope Gemini-Sud. Les données Gems, obtenues en mode GLAO, montrent que l'algorithme propose permet une estimation de la FEP avec une precision inférieure à quelques pourcents. La combinaison de validité par simulation et expérimentale ont permis de valider l'ensemble de l'approche proposée qui va à présent être complètement intégrée dans le processus d'acquisition des données de l'instrument MUSE.

Author: Stephan Harder
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La résolution angulaire des observations à partir du sol est limitée par la turbulence atmosphérique qui déforme aléatoirement le front d'onde de la lumière d'un objet céleste. L'optique adaptative a été développée pour corriger cette déformation en temps réel. Cependant, cette correction n'est souvent que partielle, et une déconvolution de l'image s'impose dans le but d'effectuer une photométrie de bonne précision. La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'estimation de la réponse impulsionnelle pour le système d'optique adaptative adonis du télescope de 3.6 m de l'eso. La variabilité des conditions atmosphériques rend difficile sa calibration par l'observation d'une source quasi-ponctuelle. Pour cela, j'ai utilisé la méthode développée pour le système d'optique adaptative pueo, qui estime la réponse impulsionnelle à partir des mesures de son senseur de courbure, et je l'ai adaptée au système adonis (base sur un senseur de shack-hartmann). J'ai appliqué la méthode à des données obtenues dans différentes conditions atmosphériques et je discute ses limites. En particulier, le modèle ne peut pas reproduire une certaine aberration variable dont l'origine est probablement due à la présence d'une turbulence locale et non-stationnaire. Cette turbulence est clairement mise en évidence par le comportement spatial et temporel de la phase résiduelle. Dans la deuxième partie de cette thèse, je présente et discute les résultats d'une étude sur la variabilité photométrique des Etoiles yy orionis qui sont des étoiles jeunes montrant dans leurs spectres la signature de l'accrétion de matière. En particulier, une variabilité photométrique a pu être détectée pour l'étoile yy ori. J'interprète cette variabilité par la présence d'une tache chaude relativement importante sur la surface de l'étoile, apparaissant et disparaissant périodiquement au cours de la rotation stellaire.