Sujet de thse - Institut d`Optique Graduate School

Sujet de thèse
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Commande optimale en optique adaptative grand champ :
validation ciel
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Contacts :
IOGS :
Caroline Kulcsár – [email protected]
Henri-François Raynaud – [email protected]
Onera :
Jean-Marc Conan – [email protected]
TOUS LES TÉLESCOPES TERRESTRES ont une résolution dégradée par la turbulence
atmosphérique (mélanges de flux d’air de températures différentes), qui déforme les
images provenant de l’infini. Les images astronomiques, réalisées avec de longs
temps de pose, sont ainsi irrémédiablement dégradées : la résolution correspond alors à ce que l’on aurait avec
un télescope de quelques dizaines de
centimètres de diamètre, quel que soit
le diamètre utilisé.
L’OPTIQUE ADAPTATIVE (OA) a révolutionné l’astronomie en corrigeant les
effets de la turbulence. Le principe
(voir figure) consiste à compenser les
aberrations optiques en observant
l’objet après passage sur la surface
d’un miroir déformable : cette déformation compensatrice est réalisée par le
biais d’actionneurs situés sous la très
fine surface réfléchissante. Un régulateur commande en temps réel le miroir
déformable à partir de mesures des déformations fournies par un analyseur de surface
d’onde. Le principe est de produire un front d’onde plan, c’est-à-dire une image longue
pose nette, en corrigeant 500 à 1000 fois par seconde.
L'OPTIQUE ADAPTATIVE GRAND CHAMP est un concept d’OA novateur en imagerie haute
résolution angulaire pour l'astronomie au sol, en offrant une réponse à de nouveaux
enjeux en astronomie, et en particulier à l’étude de la formation et de l’évolution des
galaxies. Ce nouveau concept d'OA, dite OA tomographique, utilise plusieurs
analyseurs de front d'onde sur étoiles laser et naturelles et plusieurs miroirs
déformables pour analyser et corriger le volume turbulent dans différentes directions
d’intérêt. Ces nouveaux enjeux requièrent également des télescopes de plus grande
taille pour gagner en résolution et en collection de flux. Le projet European Extremely
Large Telescope (E-ELT de diamètre ~40m) donne ainsi une place centrale aux
systèmes d’OA. De part ses dimensions gigantesques, ce projet très ambitieux
constitue une rupture à la fois du point de vue technologique et scientifique.
L'OA TOMOGRAPHIQUE est un sujet de recherche très actif depuis une dizaine d’années,
avec des études comprenant des analyses théoriques, des simulations numériques et
des démonstrations en laboratoire. L'Onera est un acteur majeur de ces thématiques.
La collaboration initiée en 2001 avec l’équipe dirigée par C. Kulcsár (anciennement au
L2TI, actuellement à l’IOGS) en commande optimale a donné lieu à de nombreux
travaux appréciés de la communauté internationale, avec des validations en
laboratoire sur le banc d’OA grand champ HOMER. De nombreux aspects sont
cependant difficiles à reproduire en laboratoire : turbulence (variabilité, distribution en
volume...), environnement du télescope (résidus de pointage, vibrations...), effets
spécifiques aux étoiles laser (indétermination du tilt, géométrie 3D).
LES VALIDATIONS SUR LE CIEL sont donc critiques pour
montrer l’intérêt des développements en OA tomographique, optimiser les performances en utilisation
opérationnelle et proposer de nouvelles méthodologies
adaptées à ce contexte. Un consortium européen mené
par l'Université de Durham et l'Observatoire de ParisMeudon (LESIA) a développé le démonstrateur CANARY,
dédié à de telles validations au William Herschel
Telescope (WHT). Les premiers résultats obtenus en 2010
font une démonstration éclatante d'un mode d'OA
tomographique dit multi-objet. L'Onera et l’IOGS/L2TI
participent au projet depuis 2011 pour valider les concepts
de commande optimale. Les essais de l'été 2012, obtenus
au cours de la thèse de G. Sivo (doctorant IOGS-Onera),
ont permis la première démonstration de commande
optimale sur un télescope, en OA classique comme en OA
grand champ, principalement sur étoiles naturelles.
Le WHT et son laser pour
étoiles artificielles
LA THÈSE PROPOSÉE s'inscrit dans l'axe de ces travaux. Elle vise à développer et à
valider sur le ciel la commande optimale dans le nouveau contexte de l’OA
tomographique laser (LTAO), où plusieurs étoiles laser et naturelles sont utilisées. La
campagne de tests sur le ciel de LTAO aura lieu en été 2014. Le/la doctorant(e)
s’appuiera, pour préparer ces tests, sur les données acquises lors des campagnes
précédentes. Leur analyse permettra d’affiner dans le nouveau contexte de la LTAO le
choix des modèles, de proposer des stratégies de choix des paramètres, de définir des
indicateurs de performance, et d’optimiser ainsi la commande sur la base de données
temps réel acquises sur un système opérationnel. La configuration LTAO est d'un
intérêt majeur pour les futurs instruments ELT. De nouvelles analyses en termes
notamment de robustesse aux erreurs de calibrations et de modèle statistique de la
turbulence devront donc être menées pour une mise en perspective des
développements des OA pour l'ELT.
Collaborations : Ces travaux seront menés en étroite collaboration entre l'Onera et
l'IOGS, ainsi qu’avec l'Observatoire de Meudon (correspondant : Eric Gendron, LESIA)
et l'Université de Durham (correspondant : Richard Meyers).
Financement envisagé : Onera + autre organisme à définir
Lieu : IOGS et Onera (Châtillon)