Validation ciel d'une commande haute performance en optique adaptative classique et multi-objet sur le démonstrateur CANARY

par Gaetano Sivo

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Caroline Kulcsár et de Jean-Marc Conan.

Soutenue le 10-12-2013

à Paris 13 , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) .

Le président du jury était Hisham Abou-Kandil.

Le jury était composé de Simone Esposito, Eric Gendron, Henri-François Raynaud.

Les rapporteurs étaient Jean-Luc Beuzit, Aziz Ziad.

mots clés

• Filtre de Kalman
• Optique adaptative
• Turbulence atmosphérique
• Kalman, Filtrage de
• Astronomie -- Observations
• Vibrations

Résumé

L'optique adaptative (OA), qui permet de corriger en temps-réel les déformations du front d'onde induites par la turbulence atmosphérique, connaît une limitation fondamentale : l'anisoplanétisme. Pour y remédier, le concept d'OA grand champ (OAGC) a été proposé. La turbulence est mesurée dans plusieurs directions du champ de vue à l'aide d'étoiles guide naturelles et laser, et son impact corrigé sur les images par une commande basée sur une reconstruction tomographique. L'approche linéaire quadratique gaussienne (LQG) est bien adaptée à la conception de lois de commande en OAGC comme en OA classique. Elle permet d'estimer et de prédire la phase à l'aide d'un filtre de Kalman basé sur des a priori spatiaux et temporels. Les modèles d'état et commandes associées sont détaillés. On présente la première mise en oeuvre sur le ciel d'une commande LQG sur tous les modes, en OA classique et multi-objet, à l'aide du démonstrateur CANARY. Ces résultats sont obtenus avec identification du modèle de tip-tilt et filtrage des vibrations, ce qui constitue la première mise en oeuvre ciel de cette stratégie. Les a priori spatiaux de la phase en volume sont identifiés par la méthode LEARN. Des données issues du profilomètre stereoSCIDAR ont aussi été utilisées. Des comparaisons sont proposées avec une commande intégrateur en OA classique, avec un gain significatif en performances pour le LQG. Les comparaisons avec le reconstructeur statique APPLY (moindres carrés régularisés) en OA multi-objet mettent en évidence un gain du LQG dans certains cas (fort bruit en particulier). L'ensemble des résultats confirme la faisabilité et l'intérêt d'une commande LQG pour un instrument d'OA ou d'OAGC.

mots clés

• Kalman filter

Titre traduit

On-sky validation of high performance control in classical and multi-object adaptive optics on CANARY pathfinder

Résumé

Adaptive Optics (AO), which enables to correct in real time wavefront deformation induced by atmospheric turbulence, faces a fundamental limitation: anisoplanatism. To counter it, the concept of Wide-Field AO (WFAO) has been proposed. Turbulence is measured in several directions of the field of view, using natural and laser guide stars, and its impact on images is mitigated by a control based on tomographic reconstruction. The Linear Quadratic Gaussian (LQG) approach is well-suited to AO control design in both WFAO and classical AO. LQG enables to estimate and predict the phase with a Kalman filter based on spatial and temporal priors. State-space models and associated controls are laid out. The first on-sky implementation of LQG control on all modes, in classical and multi-object AO, is presented on the CANARY pathfinder. These results have been obtained with identification of tip-tilt models and vibration filtering, which constitutes the first on-sky implementation of this strategy. Spatial priors on the phase in the volume are identified using the LEARN algorithm. Data from the stereoSCIDAR profilometer were also used. Comparisons are provided with integral AO control in standard AO, showing significant gain in performance with LQG. Comparisons with the static reconstructor APPLY (regularized least-squares) in multi-object AO show a gain in performance with LQG in some cases (especially in high-noise conditions). Results confirm feasibility and relevance of LQG control for AO or WFAO instruments.