Analyse de front d'onde en plan focal : développement d'algorithmes temps-réel et application au cophasage de télescopes multipupilles imageurs

Wavefront analysis in the focal plane : development of real-time algorithms and application to the cophasing of phased-array imager telescopes

• Auteur / Autrice : Isabelle Mocoeur
• Direction : Denis Mourard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, océan, espace. Astrophysique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Inversion (géophysique)

Télescopes

Interférométrie

Mots clés libres

AInterferometrie optique

Analyse de surface d'onde

Cophasage

Résumé

La Synthèse d'Ouverture Optique permet d'obtenir la résolution d'un instrument de grand diamètre en faisant interférer les faisceaux issus de plusieurs sous-pupilles de diamètre inférieur. Pour être opérationnelle, cette méthode nécessite la mesure des aberrations différentielles entre les pupilles (opération dite de cophasage). Dans ce contexte, les techniques de type plan focal comme le phase retrieval ou la diversité de phase (basées respectivement sur l'acquisition d'une ou d'au moins deux images dans des conditions de phase différentes) offre un avantage certain. Toutefois, ces estimateurs présentent l'inconvénient d'être itératifs donc potentiellement coûteux en temps de calcul. Dans ce manuscrit, nous nous proposons de développer de nouveaux estimateurs qui soient analytiques, permettant ainsi une estimation en temps-réel des aberrations sur objet étendu. Pour cela, nous démontrons qu'en exprimant le critère à minimiser sous forme quadratique nous aboutissons à une estimée simple de la phase recherchée. Nous montrons également que l'expression de ce nouveau critère peut être obtenue en considérant une forme affine de la fonction de transfert. Les performances obtenues en simulation révèlent qu'il est possible de fermer une boucle de cophasage à faible flux et par la même occasion de restaurer l'objet observé dans un but d'imagerie. La mise en œuvre expérimentale de l'ensemble des algorithmes dans le cadre de différents projets permet d'affirmer que l'approche plan focal peut désormais être utilisée pour cophaser des systèmes multipupilles complexes.

Optical interferometry allows to reach the resolution of a large instrument by coupling several sub-apertures of lower diameter. However, this method requires a very accurate control of the optical paths, especially the differential aberrations between the apertures (so-called cophasing operation). In this context, focal-plane sensors as phase retrieval or phase diversity techniques (based respectively on the acquisition of one or at least two images aberrated with a known phase) appears to be an advantageous solution with a very simple opto-mechanical setup. However, these estimators are iterative and consequently potentially time-consuming. In this manuscript, we propose new algorithms which are well-suited for real-time cophasing on extended objects. We demonstrate that a quadratic criterion can be derived, which allows to express the solution under a simple analytical form. We also show that the expression of this new criterion can be obtained in the case of small phase perturbations considering a linear expression of the optical transfer function. The performance we obtained on simulated data demonstrates the possibility of using the analytic algorithms in a closed-loop system at low fluxes and restoring the observed object as well. Experimental validations of both iterative and analytic estimators for various projects confirm that the focal plane approach now can be used for the cophasing of complex phased-array systems.