Modélisation et commande pour les optiques adaptatives des VLT et ELT : de l'analyse de performance à la validation ciel

Modeling and control for VLT and ELT adaptive optics : from performance assessment to on-sky validation

• Auteur / Autrice : Rémy Juvénal
• Direction : Caroline Kulcsár
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/10/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA - The French Aerospace Lab / Chatillon - Laboratoire Charles Fabry / Spim
• Jury : Président / Présidente : Gérard Rousset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henri-François Raynaud, Benoît Neichel, Jean-Marc Conan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Simone Esposito, Jean-Pierre Véran

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence atmosphérique

Commande, Théorie de la

Commande linéaire

Astronomie -- Instruments

Optique adaptative

Mots clés libres

Optique adaptative

Commande optimale

Modélisation

Évaluation de performances

Adaptive optics

Optimal control

Disturbance modeling

Performance assessment

Résumé

L'optique adaptative a révolutionné l'imagerie astronomique en permettant de corriger en temps réel les déformations du front d'onde introduites l'atmosphère, et d'atteindre la limite de diffraction des télescopes. Plus récemment, différentes modalités d'optique adaptative grand-champ ont permis de repousser les limites d'utilisation de ces instruments, compensant l'anisoplanétisme de l'atmosphère, et la faible couverture du ciel. L'asservissement de ces systèmes est sans aucun doute un point clé pour améliorer encore les performances de ces systèmes, pour ainsi converger vers les programmes scientifiques des futurs ELT.Le premier objectif de ces travaux de thèse est de définir un outil général d'analyse de performance, permettant de comparer, sous la forme de budgets d'erreur, différents régulateurs linéaires. Ceci permet d'améliorer les instruments actuels, ou de faire des choix dans la conception des futurs instruments des ELT. Pour cela, un formalisme d'analyse fréquentielle est développé dans le cadre de l'optique adaptative classique, et étendu au cas grand-champ. On montre que cet outil permet aussi bien de décomposer les performances calculées en simulation qu'à partir de données télémétriques enregistrées sur le ciel. De nouvelles stratégies de commande, basées sur de nouveaux modèles de perturbation sont proposées, et leur apport en performance discuté au regard de leur budget d'erreur. Ces résultats ont servi à la caractérisation d'une commande LQG tip-tilt avec filtrage de vibration qui doit être intégrée à l'instrument d'optique adaptative multi-conjuguée GeMS, au Chili.

Adaptive Optics (AO) systems have revolutionized ground-based astronomical imagery, allowing for real-time compensation of turbulence-induced deformations of the optical wavefront, and therefore allowing to reach the diffraction limit. More recently, wide-field AO modalities have been proposed to expand the operational range of instruments by compensating anisoplanatism and increase sky coverage. Controlling such systems is certainly a key issue to further improve their performance and to converge towards the goals of the ELTs science programs.The first objective of this thesis work is to define a general-purpose performance analysis tool, enabling to compare different linear controllers through their error budgets, in order to improve existing instruments or make choices in the design of future instruments. To achieve this aim, a frequency-domain formalism is developed for single-conjugated AO and extended to wide-field configurations. It is shown that this tool allows to decompose controller performance using either simulations or on-sky data. New control strategies based on new disturbance models (turbulence, vibrations...) are proposed, and the improvement in performance is discussed based on their error budget. Furthermore, these results contributed to characterize an LQG controller with vibration mitigation that is to be integrated in the tip/tilt loop of the multi-conjugate AO system GeMS, at Gemini South Observatory, in Chile.