Etude des performances des spectromètres miniatures infrarouge à base d'AOTF

Study of the performances of miniaturized IR spectrometers based on AOTF

• Auteur / Autrice : Clément Royer
• Direction : François Poulet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 25/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Cyril Szopa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Schmitt, Oleg Korablev, Ann Carine Vandaele, Pierre-Yves Meslin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bernard Schmitt, Oleg Korablev

Mots clés

Mots clés contrôlés

Appareils et instruments scientifiques

Mars (planète) -- Géologie

Spectroscopie infrarouge proche

Mots clés libres

AOTF

Instrumentation

Mars

Minéralogie

Perseverance

Spectroscopie infrarouge

AOTF

Instrumentation

Mars

Mineralogy

Perseverance

Infrared spectroscopy

Résumé

Depuis une vingtaine d'années, la spectroscopie de réflectance proche-infrarouge appliquée à la planétologie a révolutionné notre vision des surfaces planétaires, grâce notamment à la découverte de phyllosilicates à la surface de Mars par les instruments OMEGA (Observatoire pour la Minéralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activité) à bord de la sonde européenne Mars Express, et CRISM (Compact Reconnaissance Infrared Spectrometer for Mars) embarqué sur la sonde Mars Reconnaissance Orbiter, en 2005 et 2007. Ces deux missions spatiales ont ouvert la voie à l'étude approfondie de toutes les surfaces planétaires dans le proche-infrarouge (entre 1 et 5 µm), à la recherche de leur composition minéralogique et des processus d'altération passés et présents.Dans l'optique d'équiper toute sonde interplanétaire, voire même in-situ, avec des spectromètres proche-infrarouge, il est nécessaire de développer une nouvelle génération d'instruments à la fois compacts et performants. L'AOTF (Acousto-Optic Tunable Filter) utilisé en tant que monochromateur est une technologie-clé sur laquelle pourront s'appuyer ces instruments. Les deux spectromètres au coeur de ma thèse, IRS (Infrared Spectrometer) équipant l'instrument combiné SuperCam à bord du rover Perseverance, et ExoCam, au stade de R&T à l'Institut d'Astrophysique Spatiale, exploitent le potentiel de ce composant pour produire des données scientifiques de haute qualité avec un volume réduit.Ma thèse a ainsi contenu deux volets principaux : la préparation et la réalisation de l'étalonnage radiométrique des modèles de vol et de qualification de IRS/SuperCam, et le développement d'un simulateur d'observations infrarouge pour les futures opérations du rover Perseverance d'une part ; et l'étude des performances de l'imagerie hyperspectrale proche-infrarouge utilisant l'AOTF en transmission avec le programme de R&T ExoCam, accompagnée du développement d'un modèle radiométrique du banc de R&T permettant de projeter les résultats obtenus sur table à de futures opérations dans l'espace.

During the past 20 years, reflectance near-infrared spectroscopy applied to planetary exploration has brought a new sight on planetary surfaces, mainly thanks to the discovery of Martian phyllosilicates by OMEGA (Observatoire pour la Minéralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activité) on-board the European probe Mars Express, and CRISM (Compact Reconnaissance Infrared Spectrometer for Mars) equipping the probe Mars Reconnaissance Orbiter, in 2005 and 2007. These two space missions have paved the way to the thorough study of the surface of planetary bodies in the near-infrared (between 1 and 5 µm), searching for their mineral composition and past/present alteration processes.In order to board a infrared spectrometer in every interplanetary, and even in-situ probes, it is necessary to design a new generation of instruments both compact and efficient. The AOTF-based (Acousto-Optic Tunable Filter) monochromator is a key technology to fulfill this objective. The two spectrometers studied in the frame of my PhD thesis, IRS (Infrared Spectrometer) on-board the SuperCam instrument on Perseverance rover, and ExoCam, in R&T at the IAS (Institut d'Astrophysique Spatiale), benefit from this subsystem to produce high quality science data with a small volume occupation.My PhD thesis has been thus divided in two main parts: the preparation and performance of the radiometric calibration of the IRS/SuperCam qualification and flight models, and the design of an infrared observation simulator for the future Perseverance operations; the study of the performance of hyperspectral near-infrared imagery using an AOTF in transmission, throught the ExoCam R&T program, along with the development of a radiometric model of the R&T breadboard allowing to extrapolate lab results to future space operations.