Observation de la Terre depuis l'Espace par interférométrie optique

Earth observation from Space using optical interferometry

• Auteur / Autrice : Hiyam Debary
• Direction : Vincent Michau, Laurent Mugnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Airbus Defence and Space
• Jury : Président / Présidente : François Reynaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maud Langlois, Sylvestre Lacour, Loïc Denis, Jérôme Loicq
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maud Langlois, Sylvestre Lacour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique intégrée

Interférométrie

Mots clés libres

Interférométrie optique

Circuits photoniques intégrés

Couverture fréquentielle

Configuration pupillaire

Optical interferometry

Photonic integrated circuits

Frequencery coverage

Aperture configuration

Résumé

Cette thèse a porté sur l'imagerie de la Terre par interférométrie optique, en s'attachant plus précisément au concept SPIDER, proposé initialement par la société américaine Lockheed-Martin. Il s'agit d'une application récente d'interférométrie optique, où un télescope imageur conventionnel est remplacé par un interféromètre optique effectuant ses mesures dans le plan pupillaire. Le signal est collecté par des pupilles jointives et est ensuite combiné à travers des circuits photoniques intégrés (PICs), permettant une augmentation significative du nombre de fréquences spatiales mesurées. Ainsi, j'ai exploré théoriquement les limitations introduites par un tel imageur interférométrique, et proposé plusieurs améliorations. La première partie de mon travail a porté sur l'étape d'estimation d'une grandeur physique appelée visibilité complexe, caractéristique des interférogrammes et regroupant le contraste et la position des franges. J'ai établi une synthèse exhaustive, grâce à un formalisme analytique, des performances de deux estimateurs statistiques pour l'estimation de la visibilité complexe à partir de différents échantillonnages de l'interférogramme. Cette étude a été faite dans deux cas : un premier cas simple où le bruit prépondérant est homogène, et un second cas plus complexe où le bruit prépondérant est inhomogène, en particulier un bruit photonique. Cela m'a permis d'identifier les méthodes ayant des performances supérieures à celles de l'état de l'art. Ces schémas pourraient également être utilisés dans les interféromètres astronomiques. La deuxième partie de ma thèse a porté sur les architectures de recombinaison. En m'appuyant sur des résultats de la théorie combinatoire, jamais utilisés jusqu'à présent en interférométrie optique, j'ai proposé une méthode pour explorer de manière exhaustive des architectures de recombinaison. En utilisant cette méthode, j'ai développé un outil permettant de construire l'architecture de recombinaison optimale. Cette approche m'a permis de proposer plusieurs types d'architectures de recombinaison permettant d'améliorer significativement la couverture fréquentielle du concept SPIDER proposée habituellement dans la littérature. J'ai notamment mis en évidence l'intérêt d'un système hybride combinant un télescope monolithique avec un interféromètre optique de type SPIDER. La dernière partie de cette thèse a été consacrée à la comparaison d'un interféromètre type SPIDER et d'un imageur optique conventionnel, tous deux utilisés dans des conditions représentatives de l'observation de la Terre depuis un satellite en orbite basse. Des simulations numériques d'images qui pourraient être obtenues par un instrument de type SPIDER ont mis en évidence la présence de repliement de champ. Comme attendu, une adaptation du dispositif de prise de vue est nécessaire pour compenser le défilement rapide de la scène et augmenter le temps de pose, ce quel que soit le type d'imageur. Une adaptation de la prise de vue interférométrique est proposée en ce sens. J'ai comparé le comportement d'un interféromètre de type SPIDER et d'un imageur classique en termes de robustesse au bruit de façon analytique : si l'imageur classique se compare favorablement à l'imageur interférométrique à basses et moyennes fréquences spatiales, l'interféromètre présente un meilleur rapport signal-à-bruit à hautes fréquences spatiales.

This thesis focused on the imaging of the Earth by optical interferometry, and more precisely on the SPIDER concept, initially proposed by the American company Lockheed-Martin. This is a recent application of optical interferometry, where a conventional imaging telescope is replaced by an optical interferometer performing its measurements in the pupil plane. The signal is collected by joined pupils and is then combined through photonic integrated circuits (PICs), allowing a significant increase in the number of spatial frequencies measured. Thus, I explored theoretically the limitations introduced by such an interferometric imager, and proposed several improvements. The first part of my work focused on the estimation of a physical quantity called complex visibility, characteristic of interferograms and gathering the contrast and the position of bangs. I have established an exhaustive synthesis, thanks to an analytical formalism, of the performances of two statistical estimators for the estimation of the complex visibility from different sampling of the interferogram. This study was done in two cases: a first simple case where the preponderant noise is homogeneous, and a second more complex case where the preponderant noise is inhomogeneous, in particular photon noise. This allowed me to identify methods with better performances than the state of the art. These schemes could also be used in astronomical interferometers. The second part of my thesis focused on recombination architectures. Based on results from combinatorial theory, never used before in optical interferometry, I proposed a method to explore exhaustively recombination architectures. Using this method, I developed a tool to build the optimal recombination architecture. This approach allowed me to propose several types of recombination architectures that significantly improve the frequency coverage of the SPIDER concept usually proposed in the literature. In particular, I have highlighted the interest of a hybrid system combining a monolithic telescope with an optical interferometer of SPIDER type. The last part of this thesis was devoted to the comparison of a SPIDER type interferometer and a conventional optical imager, both used in conditions representative of the observation of the Earth from a low earth orbit satellite. Numerical simulations of images that could be obtained by a SPIDER-type instrument have highlighted the presence of field folding. As expected, an adaptation of the shooting device is necessary to compensate the fast scrolling of the scene and to increase the exposure time, whatever the type of imager. An adaptation of the interferometric shooting is proposed in this sense. I have compared the behavior of a SPIDER interferometer and a conventional imager in terms of noise robustness in an analytical way: if the conventional imager compares favorably to the interferometric imager at low and medium spatial frequencies, the interferometer presents a better signal-to-noise ratio at high spatial frequencies.