Budget d’erreur en optique adaptative : Simulation numérique haute performance et modélisation dans la perspective des ELT

Adaptive optics error breakdown : high performance numerical simulation and modeling for future ELT

• Auteur / Autrice : Florian Moura Ferreira
• Direction : Gérard Rousset, Eric Gendron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Astronomie, Astrophysique
• Date : Soutenance le 11/10/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Le Bourlot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Rousset, Eric Gendron, Jacques Le Bourlot, Jean-Pierre Véran, Marcel Carbillet, Caroline Kulcsár, Cyril Petit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Véran, Marcel Carbillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Calcul intensif (informatique)

European Extremely Large Telescope

Optique adaptative

Mots clés libres

Budget d'erreur

Fonction d'étalement de point

Error breakdown

Point spread function

Résumé

D'ici quelques années, une nouvelle classe de télescopes verra le jour : celle des télescopes géants. Ceux-ci se caractériseront par un diamètre supérieur à 20m, et jusqu'à 39m pour le représentant européen, l'Extremely Large Telescope (ELT). Seulement, l'atmosphère terrestre vient dégrader sévèrement les images obtenues lors d'observations au sol : la résolution de ces télescopes est alors réduite à celle d'un télescope amateur de quelques dizaines de centimètres de diamètre.L'optique adaptative (OA) devient alors essentielle. Cette dernière permet de corriger en temps-réel les perturbations induites par l'atmosphère et de retrouver la résolution théorique du télescope. Néanmoins, les systèmes d'OA ne sont pas exempt de tout défaut, et une erreur résiduelle persiste sur le front d'onde (FO) et impacte la qualité des images obtenues. Cette dernière est dépendante de la Fonction d'Étalement de Point (FEP) de l'instrument utilisé, et la FEP d'un système d'OA dépend elle-même de l'erreur résiduelle de FO. L'identification et la compréhension des sources d'erreurs est alors primordiale. Dans la perspective de ces télescopes géants, le dimensionnement des systèmes d'OA nécessaires devient tel que ces derniers représentent un challenge technologique et technique. L'un des aspects à considérer est la complexité numérique de ces systèmes. Dès lors, les techniques de calcul de haute performance deviennent nécessaires, comme la parallélisation massive. Le General Purpose Graphical Processing Unit (GPGPU) permet d'utiliser un processeur graphique à cette fin, celui-ci possédant plusieurs milliers de coeurs de calcul utilisables, contre quelques dizaines pour un processeur classique.Dans ce contexte, cette thèse s'articule autour de trois parties. La première présente le développement de COMPASS, un outil de simulation haute performance bout-en-bout dédié à l'OA, notamment à l'échelle des ELT. Tirant pleinement parti des capacités de calcul des GPU, COMPASS permet alors de simuler une OA ELT en quelques minutes. La seconde partie fait état du développement de ROKET : un estimateur complet du budget d'erreur d'un système d'OA intégré à COMPASS, permettant ainsi d'étudier statistiquement les différentes sources d'erreurs et leurs éventuels liens. Enfin, des modèles analytiques des différentes sources d'erreur sont dérivés et permettent de proposer un algorithme d'estimation de la FEP. Les possibilités d'applications sur le ciel de cet algorithme sont également discutées.

In a few years, a new class of giants telescopes will appear. The diameter of those telescope will be larger than 20m, up to 39m for the european Extremely Large Telescope (ELT). However, images obtained from ground-based observations are severely impacted by the atmosphere. Then, the resolution of those giants telescopes is equivalent to the one obtained with an amateur telescope of a few tens of centimeters of diameter.Therefore, adaptive optics (AO) becomes essential as it aims to correct in real-time the disturbance due to the atmospherical turbulence and to retrieve the theoretical resolution of the telescope. Nevertheless, AO systems are not perfect: a wavefront residual error remains and still impacts the image quality. The latter is measured by the point spread function (PSF) of the system, and this PSF depends on the wavefront residual error. Hence, identifying and understanding the various contributors of the AO residual error is primordial.For those extremely large telescopes, the dimensioning of their AO systems is challenging. In particular, the numerical complexity impacts the numerical simulation tools useful for the AO design. High performance computing techniques are needed, as such relying on massive parallelization.General Purpose Graphical Processing Unit (GPGPU) enables the use of GPU for this purpose. This architecture is suitable for massive parallelization as it leverages GPU's several thousand of cores, instead of a few tens for classical CPU.In this context, this PhD thesis is composed of three parts. In the first one, it presents the development of COMPASS : a GPU-based high performance end-to-end simulation tool for AO systems that is suitable for ELT scale. The performance of the latter allows simulating AO systems for the ELT in a few minutes. In a second part, an error breakdown estimation tool, ROKET, is added to the end-to-end simulation in order to study the various contributors of the AO residual error. Finally, an analytical model is proposed for those error contributors, leading to a new way to estimate the PSF. Possible on-sky applications are also discussed.