La synthèse d`ouverture optique » : Frédéric Cassaing
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SOO Spécificités Instruments Traitement des données La Synthè Synthèse d’Ouverture Optique Frédéric Cassaing ONERA/DOTA/HRA Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales Département d’Optique Théorique et Appliquée unité Haute Résolution Angulaire [email protected] 92 Chatillon Tél : 01 46 73 48 54 1 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 2 Plan de l’exposé exposé • • • • Principes de la Synthèse d’Ouverture Optique (SOO) Techniques spécifiques Principaux types d’instruments Reconstruction de l’objet Conclusion SOO Spécificités Instruments Traitement des données 3 Définition de la SOO • Remplacer une pupille de diamètre B (a) par – des sous-pupilles de diamètre D réparties sur zone de diamètre B – offrant une résolution comparable à (a). B θ D D (a) (a) (b) (b) (c) (c) • (b) Fixes : ``télescope multi-pupilles'' ou ``réseau de télescopes'' • (c) Mobiles par rapport à l'objet : ``Synthèse d'Ouverture Optique'' Techniques similaires SOO par la suite SOO Spécificités Instruments Traitement des données De la SOO ? Four solaire d’Odeillo Feu tricolore à LED Flotte romaine à Syracuse (214 av JC) Inté Intérêt des systè systèmes multimulti-pupilles 4 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 5 Notion de cohé cohérence • Détection optique du champ électrique E I=<|E|²> • Recombinaison de E1 et E2 : I=<|E1+E2|²> = <|E1|²> + <|E2|²> + 2Re(<E1.E2*>) • Deux cas : Cas incohérent – <E1.E2*> = 0 I=<|E1|²> + <|E2|²> = somme des intensités – <E1.E2*> ≠ 0 Cas cohérent I = somme des intensités + franges d’interférences • En pratique : E1 et E2 cohérents issus de la même source – Cohérence temporelle : différence de trajet < Lc=λ²/δλ – Cohérence spatiale : extension de la source < λ/B SOO Spécificités Instruments Traitement des données Impact d’une pupille discontinue • Instrument d’optique = filtre passe-bas • Caractérisé par sa fonction de transfert, déduite de l’autocorrélation de la pupille • Exemple (en 1D) : Une pupille Deux pupilles cohérentes 6 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 7 Exemple λ/B λ/B λ/D Une pupille optimisé optimisée, mê même trè très lacunaire, peut fournir une image équivalente à celle d’ d’une pupille pleine SOO Spécificités Instruments Traitement des données Techniques de recombinaison : 1) « Michelson » • • • • Superposition des faisceaux par une lame séparatrice Nombre de faisceaux = 2 Mesure dans le plan pupille Modulation temporelle de la différence de marche 1 2 I’(t1) I’(t2) I’(t3) ∆Φ(t) a) • Observables : visibilité et phase des franges 8 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 9 Techniques de recombinaison : 2) « trous d’ d’Young » • • • • • Superposition des faisceaux avec un léger angle Nombre de faisceaux : quelconque Mesure dans le plan focal Modulation spatiale intrinsèque de la différence de marche Observable : Image(x,y) SOO Spécificités Instruments Traitement des données 10 Le pointage en SOO Ligne à retard grande course indispensable si pointage individuel SOO Spécificités Instruments Traitement des données 11 Le cophasage : principe • But : corriger basculement + piston sur les sous-pupilles (origines : défauts d’alignements, turbulence, vibrations) (cf optique adaptative) Surface d’onde déformée pleine pupille Surface d’onde déformée vue par des sous-pupilles • Surface d’onde en SOO ≈ pistons + tilts • Analyseur de surface d’onde senseur de cophasage. Particularité : pupille discontinue interférométrie • Correcteurs : ligne à retard (piston), miroirs de pointage (tip/tilt) SOO Spécificités Instruments Traitement des données Les capteurs de cophasage • Analyseurs de surface d’onde “classiques” : • Mesure de pente ou de courbure : inadapté en SOO • Fonctionnent souvent avec un objet ponctuel • Mesure de phase sur une pupille discontinue : • Technique interférométrique nécessaire (usuellement : plan pupille + modulation) • Gestion des sauts de franges (mesure polychromatique) • Sur objet étendu : plan pupille peu exploitable • Analyseurs de surface d’onde spécifiques en SOO 12 SOO Spécificités Instruments Traitement des données Un capteur de cophasage : la diversité diversité de phase • Mesure de 2 images – Plan focal – Plan extra-focal • Recherche de – L’aberration inconnue – L’objet inconnu • Problème inverse (résolution usuelle itérative) • Mesure temps-réel : nouvelle méthode Onera demande de brevet Pupille Image focale Image extra-focale 13 SOO Spécificités Instruments Traitement des données Instruments de type Fizeau • Principe: sous-pupilles = portions d’un primaire fictif • Historique: masque de Fizeau (1868) • Mise en œuvre : – Enregistrement de l’image focale – Déconvolution D • Particularités : – Grand champ possible –L~B B – Cophasage segments L 14 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 15 Exemples d’ d’instruments de type Fizeau KECK (Hawaii, B=10m, 36 segments D=1.8m) JWST (6m) SOO Spécificités Instruments Traitement des données Instruments de type Michelson • Principe: sous-pupilles = télescopes élémentaires, indépendants • Historique: Labeyrie (1974) • Mise en œuvre : – Enregistrement de visibilités (complexes) – Reconstruction numérique de l’objet (ajustement de modèle) • Particularités : – B >> D – Synthèse par rotation terrestre D1 – Ligne à retard de grande course D2 – Champ limité par le modèle En pratique, 1 à quelques λ/D 16 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 17 Exemples d’ d’instruments de type Michelson I2T 1995 (Nice, D=25cm) VLTI (4xD=8m/1,8m,B=200m) SOO Spécificités Instruments Traitement des données 18 Instruments de type coronographe interfé interféromé rométrique • Principe : transmission nulle par interférence destructive • Historique : Bracewell (1978) • Mise en œuvre : – Création d’une frange noire achromatique – Étoile frange noire – Planète frange blanche π • Particularité : – Données très lacunaires – nul E1=-E2 parfaite symétrie – Cophasage critique (λ/1000) D SOO Spécificités Instruments Traitement des données 19 Exemple de coronographe interfé interféromé rométrique Pegase (projet CNES 2004) spectrométrie d’exo-planètes 200 m Persée (réalisation CNES 2007-9) banc de validation au sol SOO Spécificités Instruments Traitement des données 20 Télescopie de Fourier : principe X 111 000 000 111 000 111 réception détection émission • On éclaire l’objet de manière structurée (sinusoïde) • On collecte tous les photons reçus sur un mono-détecteur • On mesure donc une fréquence spatiale de l’objet • En pratique, modulation temporelle (défilement des franges). (L. Mugnier, ONERA/DOTA) SOO Spécificités Instruments Traitement des données 21 Instrument de type “SAR” SAR” optique • Principe : éclairage laser de la scène + mesure cohérente • Historique : techniques radio (Synthetic Aperture Radar) • Mise en œuvre : – Eclairage laser – Détection hétérodyne – Déplacement de l’optique – Reconstruction numérique • Particularité : – Cophasage numérique DOTA/SLS SOO Spécificités Instruments Traitement des données Réseaux imageurs de té télescopes • Principe: sous-pupilles = télescopes élémentaires, liés • Historique: MMT (1979) • Mise en œuvre : – Télescopes élémentaires + périscopes + recombinaison – Enregistrement plan focal – Grand champ possible (homothétie pupillaire) D B – Déconvolution • Particularités : L – Cophasage des faisceaux après réduction 22 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 23 Exemple de ré réseaux imageurs de té télescopes MMT MIDAS (Bmax=1,5m, D=0,35m) LBT (Bmax=20m, D=8m) SOO Spécificités Instruments Traitement des données 24 Réseaux de té télescopes « galette » • Principe: réseau de télescopes aminci au maximum • Historique: ONERA (2004), brevet (2007) • Mise en œuvre : – Enregistrement d’une image focale, déconvolution D – Ou émission laser, B recombinaison incohérente • Particularités : L – Structure planaire L~D << B – Cophasage passif si B petit SOO Spécificités Instruments Traitement des données 25 Exemple de ré réseaux de té télescopes « galette » • Validation du concept sous Zemax • Champ : jusqu’à 10 000 x 10 000 pixels dans le visible • Démonstrateur prochainement ? SOO Spécificités Instruments Traitement des données 26 Reconstruction d’ d’objet pour un interfé interféromè romètre stellaire • Exemple : étoile = disque uniforme de diamètre α visibilité = 2J1(x)/x où x proportionel à αB/λ • α se déduit des visibilités mesurées à différentes bases | visibilité | 1 0 Base SOO Spécificités Instruments Traitement des données 27 Reconstruction d’ d’objet pour un interfé interféromè romètre stellaire : ré résultats Wisard (Concours international 2004) Objet Couverture fréquentielle Objet vu par un 100m • Modélisation myope des données • A priori « spike-preserving » S. Meimon & L. Mugnier, ONERA/DOTA Reconstruction L2 Reconstruction L1-L2 SOO Spécificités Instruments Traitement des données Reconstruction d’ d’objet pour un interfé interféromè romètre imageur/1 L. Mugnier, ONERA/DOTA Pupille FTO Vue 3D Objet (scène observée) 28 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 29 Reconstruction d’ d’objet pour un interfé interféromè romètre imageur/2 Un seul télescope élémentaire Image restaurée (« edge-preserving ») Interféromètre complet Télescope monolithique équivalent • Points-clés : – Conception de régularisations adaptées – Prise en compte fine de la statistique du bruit – Prise en compte d’une connaissance imparfaite de l’instrument • La conception système doit optimiser la chaine complète instrument + traitements SOO Spécificités Instruments Traitement des données Optimisation de configuration pupillaire par approche « planification d’ d’expé expérience » Config. initiale (Golay 9) FTO initiale Configuration et critère minimisé FTO optimisée 30 SOO Spécificités Instruments Traitement des données 31 Conclusion • Synthèse d’Ouverture Optique : – Idée introduite il y a fort longtemps ! – Instruments multi-pupille fréquents en radio-fréquence – Nombreuses applications, limitées par les perturbations • MAIS en raison des – Evolutions techniques : lasers, capteurs, ordinateurs, cophasage – Besoins opérationnels croissants : résolution, compacité • La synthèse d’ouverture optique apparaît comme solution viable – Résultats en interférométrie stellaire depuis quelques années – Projets astronomiques spatiaux ambitieux (ESA, CNES) – SOO considérée pour l’observation de la Terre (orbite GEO)
