Commande haute performance des systèmes d’optique adaptative classique - des grands aux extrêmement grands télescopes (ELT)

High performance control for single conjugated adaptive optics systems - from large to extremely large telescopes (ELTs)

• Auteur / Autrice : Léonard Prengere
• Direction : Caroline Kulcsár
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/03/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Imagerie et Information
• Jury : Président / Présidente : Sihem Tebbani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Kulcsár, Jean-Pierre Véran, Gérard Rousset, Henri-François Raynaud, François Rigaut, Benoît Neichel, Carlos Correia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Véran, Gérard Rousset

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie satellitaire

European Extremely Large Telescope

Kalman, Filtrage de

Grands télescopes

Optique adaptative

Astronomie

Mots clés libres

Optique adaptative

Télescope géant

Commande linéaire quadratique gaussienne (LQG)

Turbulence atmosphérique

Modélisation pour la commande

Suivi de satellite

Adaptive optics

Giant telescope

Linear quadratic Gaussian (LQG) control

Atmospheric turbulence

Modeling for control

Satellite tracking

Résumé

Les systèmes d'optique adaptative (OA) astronomiques permettent de compenser les dégradations induites par la turbulence atmosphérique sur les images acquises par les télescopes terrestres. En OA classique, un miroir déformable (MD) compense la perturbation en temps-réel, à partir de mesures de déformation de front d'onde fournies par un analyseur de surface d'onde (ASO). La commande la plus largement utilisée dans le calculateur temps réel est un intégrateur. Les boucles d’asservissement des systèmes d’OA comportent des retards. Afin d’améliorer les performances, des commandes à base de modèle ont été proposées pour prédire la perturbation et ainsi compenser le retard global. Les modèles proposés dans cette thèse s’appuient sur l’hypothèse de frozen flow, où chaque couche atmosphérique est considérée comme une réalisation d’un champ aléatoire se décalant sous l’effet du vent. La prise en compte de cette hypothèse, qui présente la difficulté de conduire naturellement à des modèles non localisés spatialement, a pour objectif d’obtenir des commandes à haute performance.Nous nous intéressons dans cette thèse aux commandes prédictives de type Linéaire Quadratique et Gaussienne (LQG) construites sur une représentation d’état de la boucle d’optique adaptative et utilisant des a priori spatiaux et temporels de la turbulence (en particulier les profils de Cn2 et de vent). Nous avons proposé de nouvelles modélisations tenant compte du frozen flow et localisées dans la pupille du télescope, dans lesquelles la phase est représentée sur une base zonale (échantillonnée dans la pupille). Ces modèles localisés intègrent une extrapolation par maximum a posteriori des points de phase à l’extérieur de la pupille du télescope. Nous avons également proposé une commande LQG dite « LQG tiède » où la phase est estimée dans une base modale (de Zernike) et la prédiction réalisée dans une base zonale. Les modèles dynamiques de la perturbation sont dans nos développements des processus auto-régressifs d’ordre 1 (AR1) ou 2 (AR2).Les performances des différents régulateurs LQG proposés ici (avec des reconstructions multicouches ou bien de la phase résultante, dans des bases zonales ou des bases de Zernike) ont été comparées à un intégrateur et à d’autres régulateurs à base de modèle (Distributed Kalman Filter, LQG basé sur un AR2 en base de Zernike, SA-LQG zonal). Deux applications ont été considérées : un cas d’astronomie classique avec un système d’OA type VLT NAOS, et un cas d’observation de satellite en orbite basse où la dynamique de la turbulence est bien plus intense de par le défilement du satellite. La prise en compte de l’hypothèse de frozen flow permet d’augmenter la performance de quelques points de Strehl dans le cas VLT NAOS. Dans le cas satellite, les résultats préliminaires montrent une amélioration spectaculaire par rapport à l’intégrateur pour certains des nouveaux régulateurs zonaux, avec plus de 40 points de Strehl selon les configurations.Les systèmes d’OA des télescopes de nouvelle génération exhiberont des dimensions dépassant de très loin les systèmes précédemment évoqués, avec des ordres de grandeur pour l’Extremely Large Telescope (ELT) de 5000 actionneurs et 10000 mesures d’ASO en OA classique. La recherche de solutions propres aux dimensions ELT nous a permis de développer de nouveaux modèles creux en base de Karhunen-Loève et dont l’identification est très rapide. Des comparaisons de performance entre ces régulateurs, nos nouveaux régulateurs zonaux et un intégrateur ont été menées dans un cas similaire HARMONI SCAO. Le régulateur zonal dit Lazy SA-LQG avec un sur-échantillonnage de deux points de phase linéaires par sous-pupille et le LQG en base de Karhunen-Loève s’avèrent être de très bon compromis performance-complexité. De nouvelles possibilités dans la recherche de bases creuses adaptées pour la représentation d’état en dimensions ELT sont évoquées comme perspectives aux modélisations en base de Karhunen-Loève.

Astronomical Adaptive optics (AO) systems enable to compensate for the degradation induced by atmospheric turbulence on images recorder by ground-based telescopes. In classical AO, a Deformable Mirror (DM) compensates for the disturbance in real time, using measurements of wavefront deformation provided by a Wavefront Sensor (WFS). The most commonly used AO controller is a pure integral action regulator (integrator). AO systems feedback loops exhibit delays. In order to improve performance, model-based controllers have been proposed, enabling to predict the disturbance and compensate for the global delay. The models proposed in this PhD dissertation rely on the frozen flow assumption (Taylor hypothesis), where every atmospheric layer is viewed as the realization of a random field shifted by the wind. To develop high performance controllers, we seek to account for this hypothesis, which has the serious drawback of naturally leading to non spatially localized models.We focus on Linear Quadradic Gaussian (LQG) predictive controllers based on a state-space representation of the adaptive optics loop and relying on spatial and temporal priors on the turbulence (in particular the Cn2 and wind profiles). We propose new models which take into account the frozen flow hypothesis and are localized in the telescope pupil, where the turbulent phase is represented on a zonal basis (sampled in the pupil). These localized models include a maximum a posteriori extrapolation of phase points outside the telescope pupil. We also propose a so-called « LQG tiède » control, where the phase is estimated in a modal (Zernike) basis and the prediction is performed in a zonal basis. In all these developments, the dynamical disturbance models are autoregressive processes of order 1 (AR1) or of order 2 (AR2).A performance comparison is presented between the various LQG controllers proposed here (with multi-layer reconstruction or a reconstruction of the resulting phase, in a zonal or Zernike basis), the integrator and other model-based controllers (Distributed Kalman Filter, LQG based on an AR2 model in Zernike basis, zonal SA-LQG). Two application cases are considered: a classical AO astronomy case, with a VLT- NAOS type AO system, and a case of low-orbit satellite observation, where the turbulance dynamics are much stronger, due to the satellite motion. Accounting for frozen flow enables to increase performance by a few Strehl points in the VLT-NAOS case. For the satellite case, preliminary results show a dramatic improvement brought by the new zonal controllers over the integrator, with more than 40 Strehl points in some configurations.The AO systems of the next generation telescopes will feature dimensions far greater than for previously mentioned systems, with around 5000 actuators and 10000 WFS measurements for the Extremely Large Telescope (ELT) in classical AO mode. Looking for solutions suited for ELT dimensions allowed us to develop new sparse models in Karhunen-Loève basis, the identification of which is very fast. Performance comparison between those controllers, our new zonal controllers and an integral action regulator are conducted in a classical AO HARMONI-like case. Our so called « Lazy SA-LQG » zonal controller with oversampling of four points per subaperture and the LQG controller in Karhunen-Loève basis turn out to provide a very good balance between performance and complexity. New possibilities to design sparse basis adapted to state-space representations in ELT dimensions are discussed as perspectives for model-buiding in Karhunen-Loève basis.