Etude des performances des spectromètres miniatures infrarouge à base d'AOTF

par Clément Royer

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de François Poulet et de Cédric Pilorget.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec IAS - Institut d'Astrophysique Spatiale (laboratoire) , Système solaire et systèmes planétaires (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 04-09-2017 .


  • Résumé

    La spectroscopie proche-infrarouge, et notamment l'imagerie hyperspectrale, a révolutionné au cours des dernières décennies notre compréhension de l'évolution des objets du Système Solaire, notamment par sa capacité à identifier et caractériser les minéraux, glaces et composés organiques présents en surface. Les instruments utilisant cette technique sont désormais présents sur la plupart des missions spatiales d'exploration en orbite (exemples : OMEGA et SPICAM sur Mars Express, CRISM sur Mars Reconnaissance Orbiter, VIRTIS sur Rosetta) et maintenant sur les atterrisseurs et rovers dédiés aux analyses in situ (exemples : MicrOmega sur Hayabusa-2/Mascot et ExoMars, ISEM sur ExoMars, IRS/SuperCam sur Mars 2020). Leur miniaturisation, tout en augmentant leur capacité d'analyse, devient ainsi indispensable. Pour cela, une piste privilégiée depuis maintenant une dizaine d'années consiste à utiliser des filtres acousto-optiques (AOTF) comme système de dispersion. Ces systèmes compacts disposent en particulier d'une grande ouverture et d'un rendement de filtrage proche de 100%, qui en font des systèmes particulièrement performants (plusieurs ordres de grandeur supérieurs à un système basé sur un réseau de diffraction), tout en offrant une très grande souplesse d'utilisation. Les AOTFs sont déjà au cœur de certains instruments tels que MicrOmega/Hayabusa-2 et MicrOmega/ExoMars (microscope hyperspectral proche-IR), ainsi que SuperCam sur le rover Mars2020 (spectromètre ponctuel proche-IR) actuellement en développement. Des activités récentes de R&T menées à l'IAS ont également montré la capacité de ces systèmes à réaliser du filtrage en maintenant les performances d'imagerie. Cela ouvre la possibilité de développer des imageurs hyperspectraux ultracompacts, effectuant des analyses depuis l'orbite. C'est notamment le concept de l'instrument MacrOmega, proposé pour la mission MMX (Mars Moon eXplorer) de la JAXA. C'est dans ce cadre que les travaux de thèse s'effectueront avec pour objectif principal de développer et d'optimiser les performances de ces systèmes de spectroscopie proche-infrarouge miniaturisés de nouvelle génération. Au plan instrumental, le volet majeur de la thèse consistera à mettre en place un banc optique intégrant les différents sous-systèmes d'une maquette d'un instrument (AOTF travaillant en imagerie, détecteur, électronique de pilotage, etc.). Des tests spécifiques au niveau de certains sous-systèmes et au niveau du système intégré de la maquette seront effectués afin de valider le concept d'imagerie hyperspectrale par transmission. Une évaluation des performances sera effectuée pour déboucher sur des perspectives d'amélioration de l'instrument en termes de ressources et d'opérations. L'étudiant supervisera ces tests et sera responsable de leur exploitation. Il participera par ailleurs aux améliorations/adaptations instrumentales avec l'équipe technique IAS dédiée à ce projet. L'expérience acquise sera ainsi critique dans la préparation des développements d'imageurs hyperspectraux dédiés aux missions futures d'exploration du Système Solaire, tant in situ que depuis l'orbite (exemple : MacrOmega/MMX). En parallèle, et cela constituera le second volet de sa thèse, l'étudiant complétera son expertise en imagerie spectrale par AOTF au travers une participation active à la campagne d'étalonnage radiométrique de la voie infrarouge IRS de l'instrument SuperCam/Mars 2020. Elle aura lieu début 2018, sous la responsabilité de l'IAS, et se situera donc idéalement dans le déroulé de cette thèse. L'étudiant exploitera les données de l'étalonnage afin de fournir la fonction de transfert de la voie IRS, critique pour le traitement et l'interprétation des données qui seront acquises tout au long des opérations à la surface de Mars. Cette partie des travaux se fera en partenariat avec l'IRAP, co-responsable de SuperCam et du LESIA, responsable de la voie IRS.

  • Titre traduit

    Study of the performances of miniaturized IR spectrometers based on AOTF


  • Résumé

    In recent decades, the Near Infrared (NIR) hyperspectral imagery has brought a revolution in our understanding of the evolution of the Solar System bodies by its ability to identify and characterize the surface minerals, ices and organic compounds. Most of the current space orbiters payload contain instruments using this technique, such as OMEGA/MarsExpress, SPICAM/MarsExpress, CRISM/Mars Reconnaissance Orbiter, VIRTIS/Rosetta. And now, landers and rovers dedicated to in situ exploration are equipped with NIR spectral imagers : MicrOmega/MASCOT/Hayabusa-2, MicrOmega/ExoMars Rover, ISEM/ExoMars Rover, IRS/SuperCam/Mars2020. It is thus indispensable to improve the versatility of these instruments by miniaturize them. For this purpose, during the past 10 years, the use of acousto-optic filters (AOTF) is studied as the most promising technology. The AOTF's compactness, flexibility and very high filtering efficiency (almost 100%, compared to the few percent of the diffraction gratings) make this technology particularly effective. AOTFs are already equipping several instruments such as MicrOmega/MASCOT/Hayabusa-2, MicrOmega/ExoMars Rover and IRS/SuperCam/Mars2020. Recent R&T activities at the Institut d'Astrophysique Spatiale has demonstrated the imaging ability of these devices, paving the way to a new generation of ultra-compact NIR hyperspectral imagers. This is in particular the concept of MacrOmega proposed to the JAXA Martian Moon eXploration (MMX) mission. The PhD work fully takes place in this framework since its main goal is to develop and optimize the performances of this new generation of miniaturized NIR spectrometers. In terms of instrumentation, the main activity of the PhD will consist in the implementation of an optical breadboard containing the various subsystems of an instrument based on an AOTF working in imagery. Tests at subsystem level and at global instrument level will be performed to validate the concept of hyperspectral imagery by transmission, and performances assessment will lead to developmental perspectives in terms of operation and resources. The PhD student will supervise these tests and will work with the technical staff of the IAS to design the instrumental improvements/adaptations. The acquired experience will be thus critical for the coming development of hyperspectral imagers dedicated to Solar System exploration missions, from the orbit and in-situ as well (e.g. MacrOmega/MMX). Meanwhile, the second part of the PhD work will consist in the active participation to the calibration campaign of the IRS/SuperCam/Mars 2020 instrument. It will take place in early 2018 under the responsibility of the IAS. The PhD student will process the calibration data to provide the instrumental transfer function of IRS, which is critical to understand the future operation data taken from Mars surface. This part of the work will be performed in partnership with IRAP, co-I of SuperCam, and LESIA, in charge of IRS.