Commande haute performance de l'optique adaptative du Gran Telescopio Canarias

High-performance adaptive optics control for the Gran Telescopio Canarias

• Auteur / Autrice : Lucas Marquis
• Direction : Caroline Kulcsár, Icíar María Montilla García, Henri-François Raynaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/06/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universidad de La Laguna
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Instituto de astrofísica de Canarias
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Imagerie et Information
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'Optique
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sihem Tebbani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Véran, Tim Morris, Olivier Guyon, Maud Langlois, Michel Tallon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Véran, Tim Morris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Espace des états, Méthodes de l'

Kalman, Filtrage de

Temps réel (informatique)

Optique adaptative

Systèmes -- Identification -- Modèles ARX

Systèmes fractionnaires

Mots clés libres

Modélisation et commande des systèmes

Optique adaptative

Filtrage de Kalman

Astronomie

System modeling and control

Adaptive optics

Kalman filtering

Astronomy

Résumé

Le Gran Telescopio Canarias (GTC) est le plus grand télescope du monde avec un miroir primaire segmenté de 10,4 m de diamètre. Il est situé dans l'un des sites astronomiques les plus importants de l'hémisphère nord : l'Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma, Îles Canaries). Pour fournir des observations limitées par la diffraction dans le proche infrarouge, un système d'optique adaptative (OA) a été développé pour GTC (GTCAO) par l'Intituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Le système GTCAO est en phase finale de test en laboratoire. Les systèmes d'OA astronomiques permettent de compenser les dégradations induites par la turbulence atmosphérique sur les images acquises par les télescopes terrestres. D'autres sources d'aberrations dégradent également les images, comme de petites erreurs de pointage, des vibrations de la structure du télescope dues au vent ou des vibrations générées par des composants tels que des pompes, des ventilateurs… En OA dite classique, un miroir déformable compense la perturbation en temps-réel à partir de mesures de déformation du front d'onde fournies par un analyseur de surface d'onde. Dans le calculateur temps réel, la commande la plus largement utilisée et notamment pour GTCAO est un intégrateur. Cependant, les boucles d'asservissement des systèmes d'OA comportent des retards que l'intégrateur ne peut compenser. Afin d'améliorer les performances, des commandes prédictives à base de modèle ont donc été proposées pour prédire la perturbation et ainsi compenser le retard global du système. Dans cette thèse, menée dans le cadre d'une cotutelle internationale avec l'université de La Laguna et en collaboration avec l'IAC, nous nous intéressons à la commande prédictive de type Linéaire Quadratique Gaussien (LQG). Les régulateurs LQG sont construits sur une représentation d'état de la boucle d'optique adaptative avec des a priori spatiaux et temporels. Nous proposons une méthodologie complète de calibration du système d'OA pour la commande et de modélisation à la fois du système et des perturbations. Les modèles de perturbation proposés sont identifiés de façon non supervisée à partir des données de télémétrie. Nous utilisons uniquement les mesures fournies par l'analyseur de surface d'onde (type Shack-Hartmann) sous la forme de mesures de pentes et de flux par sous-pupille. Le régulateur pourra ainsi être aisément mis à jour à intervalles réguliers en fonction de l'évolution des statistiques de perturbation. Ce travail a été développé et validé sur le banc GTCAO (calculateur temps-réel DARC) et sur des données ciel du télescope Keck. Nous montrons sur GTCAO une hausse spectaculaire de la qualité des images scientifiques par rapport à l'intégrateur, en particulier en cas de faible rapport signal-sur-bruit (RSB) (magnitude de l'étoile guide supérieure à 12,5 dans le visible) ou de présence de vibrations dans les moyennes et hautes fréquences temporelles. Nous obtenons par exemple environ 10 points de plus sur un rapport de Strehl de 35% dans un cas de faible RSB ou sur un rapport de Strehl de 38% dans un cas de vibrations similaires à celles du télescope Keck. Une série de tests en rejeu sur des centaines de données ciel du télescope Keck a également été menée, montrant des améliorations possibles du même ordre de grandeur que celles obtenues sur GTCAO. Ces résultats motivent l'implémentation automatisée des régulateurs proposés dans cette thèse, ce qui sera la prochaine étape de développement à court terme.

The Gran Telescopio Canarias (GTC) is the largest telescope in the world with a segmented primary mirror 10.4 m in diameter. It is located in one of the most important astronomical sites in the northern hemisphere: the Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma, Canary Islands). To provide near-infrared diffraction-limited observations, an adaptive optics (AO) system was developed for GTC (GTCAO) by the Intituto de Astrofísica de Canarias (IAC). The GTCAO system is in the final phase of laboratory testing. Astronomical AO systems make it possible to compensate for the degradations induced by atmospheric turbulence on images acquired by terrestrial telescopes. Other sources of aberrations also degrade the images, such as small pointing errors, vibrations of the telescope structure due to the wind or vibrations generated by components such as pumps, fans, etc. In so-called classic AO, a deformable mirror compensates the disturbance in real time from wavefront deformation measurements provided by a wave front sensor. In real-time computers, the most widely used regulator and in particular for GTCAO is an integrator. However, the servo loops of AO systems have delays that the integrator cannot compensate for. In order to improve the performance, model-based predictive controls have therefore been proposed to predict the disturbance and thus compensate for the overall delay of the system. In this thesis, carried out within the framework of an international cotutelle with the University of La Laguna and in collaboration with the IAC, we are interested in the predictive control of the Linear Quadratic Gaussian (LQG) type. LQG regulators are built on a state representation of the adaptive optics loop with spatial and temporal priors. We propose a complete methodology for calibrating and modelling the AO system and the disturbances. Proposed disturbance models are identified in an unsupervised way from telemetry data. We only use the measurements provided by the wave front sensor (Shack-Hartmann type) in the form of slopes measurements and flux per sub-aperture. The regulator can therefore be easily updated at regular intervals according to the evolution of the disturbance statistics. This work was developed and validated on the GTCAO bench (DARC real-time computer) and using on sky data from the Keck telescope. We show on GTCAO a spectacular increase in the quality of scientific images compared to the integrator, in particular in situations of low signal-to-noise ratio (SNR) (magnitude of the guide star greater than 12.5 in the visible) or in presence of vibrations in the medium and high temporal frequencies. For example, we get about 10 points more of a Strehl ratio of 35% in a low SNR case or on a Strehl ratio of 38% in a case of vibrations similar to those of the Keck telescope. A series of replay tests on hundreds of on-sky data from the Keck telescope was also carried out, showing possible improvements of the same order of magnitude as those obtained on GTCAO. These results motivate the automated implementation of the regulators proposed in this thesis, which will be the next stage of development in the short term.