Commande à haute performance des systèmes d'optique adaptative pour les ELT

par Léonard Prengere

Projet de thèse en Sciences de l'information et de la communication

Sous la direction de Caroline Kulcsar et de Henri-François Raynaud.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , Systèmes d'imagerie et physique des images (equipe de recherche) et de Institut d'optique théorique et appliquée (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Les systèmes d'optique adaptative (OA) astronomiques permettent de compenser les effets de la turbulence atmosphérique en commandant en temps réel un ou plusieurs miroirs déformables (MD) à partir de mesures de déformation de front d'onde fournies par un analyseur de surface d'onde (ASO). Dans le cas des futurs ELT (Extremely Large Telescopes, ou télescopes extrêmement grands), les systèmes d'OA exhiberont des dimensions dépassant de très loin les systèmes actuels, avec des ordres de grandeurs autour de la dizaine de milliers d'actionneurs par MD, le double de mesures par ASO, et des configurations comportant par exemple une dizaine d'ASO et plusieurs MD. Les travaux menés en optique adaptative dans le groupe SPIM sur cette thématique ont conduit à proposer des solutions de commande via une reconstruction statique dans l'espace de Fourier [1], ou via la modélisation d'un système dynamique avec une commande distribuée ou à gain approximé [2, 3], avec des complexités adaptées aux exigences des ELT. La commande distribuée, qui repose sur un filtre de Kalman en Fourier, a été évaluée dans le cadre d'une collaboration avec TMT (Thirty Meter Telescope, futur télescope de 30m nord-américain) afin de valider sa complexité calculatoire [4]. Avec le développement de l'E-ELT (European-ELT), les problématiques de grand nombre de degrés de liberté deviennent plus que jamais cruciales. Les résultats obtenus dans l'équipe pourront servir la conception de lois de commande performantes capables de compenser de fortes perturbations et adaptées aux systèmes d'OA grand champ, tout en ayant une complexité compatible avec ces futurs instruments géants. Dans ce contexte, la thèse proposée vise les objectifs suivants : • développer des modèles du comportement dynamiques des perturbations ainsi que les procédures d'identification de leurs paramètres en combinant a priori physiques et assimilation des données d'entrée-sortie de la boucle d'OA elle-même; • sur le plan théorique, explorer la problématique de la commande optimale pour différentes dimensions, et proposer des adaptations permettant d'atteindre des niveaux de complexité acceptables ; • simuler les différentes solutions en prenant comme premier exemple l'OA multi-conjuguée MAORY prévue pour l'E-ELT : complexité de l'ordre de 7000 actionneurs, 90000 mesures, et une reconstruction de 6 couches atmosphériques, pour une fréquence de boucle d'au moins 1kHz ; • évaluer sur le banc d'OA MINOA installé à l'IOGS les solutions les plus prometteuses.

  • Titre traduit

    High performance control of adaptive optics systems for ELTs


  • Résumé

    Astronomical Adaptive Optics (AO) systems enable to compensate for the effects of atmospheric turbulence using one or several Deformable Mirrors (DMs) controlled in real time from measurements from one or several Wavefront Sensors (WFSs). With future ELTs (Extremely Large Telescopes), AO systems will exhibit dimensions far greater than existing systems, with orders of magnitude of up to a dozen thousand actuators per MD, double that number of measurements per WFS, for configurations which may include a dozen MDs and several WFSs. Previous works conducted within the SPIM group on this topic led to several candidate control solutions, based on a static reconstruction in Fourier space [1] or alternatively on the modelisation of a dynamical system with distributed control or an approximated gain [2,3], with complexity adjusted to ELTs' constraints. Distributed AO control -- based on a Kalman filter in Fourier space, has been developped in the framework of a collaboration with TMT (the North Americain Thirty Meter Telescope project) in order to valide its computational complexity [4]. With the E-ELT (European ELT) project, the large degrees of freedom issue is becoming ever more critical. Results from this PhD research will be used for the design of high-performance control laws capable of compensating strong disturbances and adapted to wide-field AO systems, yet having a computational complexity compatible with future giant instruments. In this framework, the aims of the proposed PhD research are: • to develop models of the disturbances's dynamics, together with identification procedures for their parameters, combining physical priors and assimilated input-output data from the AO loop itself; • to investigate from a theoretical standpoint the problem of optimal control for different dimensions, and to propose adaptations enabling to reach acceptable levels of complexity; • to simulate different solutions by taking as a first benchmark the MAORY multi-conjugate AO system under development for the E-ELT: complexity of around 7000 actuators and 9000 measurements, reconstruction of 6 atmospheric layers at a loop frequency of at least 1KHz; • to test the most promising solutions on the MINOA AO bench installed at IOGS.