Etude de nouvelles architectures d'imageurs hyperspectraux compact pour l'observation de la Terre

par Nathan Cariou

Projet de thèse en Optique et photonique

Sous la direction de Nicolas Guerineau.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec ONERA - Département Optique et Techniques Associées (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, l'ONERA développe une expertise dans le domaine de la spectrométrie à haute résolution spectrale. Celle-ci trouve en effet des applications dans des domaines très variés; par exemple le domaine spatial (intégration d'instruments optiques sur des satellites), l'environnement (tri des déchets), la détection et la quantification de fuites de gaz (dioxyde de carbone, méthane...) dans les installations industrielles (intégration d'instruments optiques sur des drones par exemple). Toutes ces applications nécessitent d'utiliser des instruments très compacts. De plus, se développe le besoin de disposer d'instruments de mesure capables de délivrer une image bi-dimensionnelle de la scène, avec, pour chaque point de la scène, une information instantanée de contenu spectral (instruments dits 'snapshot'). Pour répondre à ce besoin, l'ONERA étudie de nouveaux concepts instrumentaux, en particulier pour une utilisation dans l'infrarouge. Ce sujet de thèse porte particulièrement sur deux de ces concepts : un spectromètre à haute résolution spectrale et un spectro-imageur. Basées sur le principe de spectromètre statique par transformée de Fourier, ces solutions sont extrêmement compactes car elles sont directement intégrées au voisinage du détecteur infrarouge. Le spectromètre à haute résolution spectrale comprend une lame interférométrique collée sur le détecteur infrarouge, l'ensemble formant une cavité interférométrique sur le principe d'un interféromètre de Fizeau. Le spectro-imageur comprend, quant à lui, une cavité interférométrique associée à une matrice de microlentilles, l'ensemble étant placé à quelques millimètres seulement du détecteur infrarouge. L'ONERA travaille actuellement sur ces nouveaux concepts dans le cadre de plusieurs projets pour des applications spatiales (projet 'Microspectro Phase 0' en collaboration avec le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES), projet européen 'Scarbo' porté par Airbus Defense and Space) ou terrestres (détection de gaz). L'objectif de la thèse est de développer des méthodes d'étalonnage et de traitement adaptées à ces instruments, puis de les valider expérimentalement. Pour y parvenir, il faudra évaluer expérimentalement les performances de prototypes déjà réalisés à l'ONERA, afin de les comparer aux performances attendues de ces instruments. En s'appuyant sur l'expérience de l'ONERA dans la caractérisation de ce type d'instruments, il faudra proposer et mettre en œuvre en laboratoire des techniques de caractérisations innovantes adaptées aux performances accrues de ces composants. Une phase de traitement des données brutes acquises avec ces instruments est nécessaire pour déduire avec précision le spectre et l'image de la scène observée. A partir des travaux déjà effectués à l'ONERA, il faudra proposer des algorithmes de traitement des données brutes qui permettront de restituer le spectre et l'image de la scène observée. La conception optique de différents objectifs à placer en amont des deux instruments permettra d'adapter le champ de vue et d'autres paramètres instrumentaux à la scène observée. Ces objectifs pourront être réalisés et testés dans le cadre de cette thèse afin de démontrer les performances de ce type d'instruments en conditions opérationnelles.

  • Titre traduit

    Study of new architecture of compact imaging spectrometers for the Earth observation


  • Résumé

    For several years, the ONERA has been developing expertise in the field of spectrometry with high spectral resolution. This one indeed finds applications in very varied fields; for example the space domain (integration of optical instruments on satellites), the environment (sorting of waste), the detection and quantification of gas leaks (carbon dioxide, methane, etc.) in industrial installations (integration optical instruments on drones for example). All these applications require the use of very compact instruments. In addition, there is a growing need for measuring instruments capable of delivering a two-dimensional image of the scene, with, for each point of the scene, instantaneous information of spectral content (so-called 'snapshot' instruments). To meet this need, the ONERA is studying new instrumental concepts, particularly for use in the infrared. This thesis topic focuses on two of these concepts: a spectrometer with high spectral resolution and a spectro-imager. Based on the Fourier transform static spectrometer principle, these solutions are extremely compact because they are directly integrated in the vicinity of the infrared detector. The high-resolution spectral spectrometer comprises an interferometric plate glued to the infrared detector, the assembly forming an interferometric cavity on the principle of a Fizeau interferometer. The spectro-imager comprises, meanwhile, an interferometric cavity associated with a matrix of microlenses, the whole being placed only a few millimeters from the infrared detector. ONERA is currently working on these new concepts in several projects for space applications ('Microspectro Phase 0' project in collaboration with the National Center for Space Studies (CNES), a European project 'Scarbo' carried by Airbus Defense and Space) or terrestrial (gas detection). The aim of the thesis is to develop calibration and treatment methods adapted to these instruments, then to validate them experimentally. To achieve this, it will be necessary to experimentally evaluate the performances of prototypes already made at the ONERA, in order to compare them with the expected performances of these instruments. Based on the ONERA's experience in the characterization of this type of instrument, it will be necessary to propose and implement in the laboratory innovative characterization techniques adapted to the increased performance of these components. A phase of processing the raw data acquired with these instruments is necessary to accurately deduce the spectrum and the image of the observed scene. From the work already done at the ONERA, it will be necessary to propose algorithms for raw data processing that will make it possible to restore the spectrum and the image of the observed scene. The optical design of different lenses to be placed upstream of the two instruments will make it possible to adapt the field of view and other instrumental parameters to the observed scene. These objectives can be realized and tested as part of this thesis to demonstrate the performance of this type of instrument in operational conditions.