Imagerie d'ombre des satellites géostationnaires

Shadow imaging of geostationary satellites

• Auteur / Autrice : Hanae Labriji
• Direction : Frédéric Cassaing, Olivier Herscovici-Schiller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Traitement de l’Information et Systèmes (2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Sicardy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Picart, Laurent Koechlin, Caroline Kulcsár, Corinne Fournier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Picart, Laurent Koechlin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réfraction

Diffraction

Imagerie en astronomie

Holographie numérique

Satellites géostationnaires

Mots clés libres

Imagerie de satellite

Synthèse d'ouverture

Holographie en ligne

Diffraction

Réfraction atmosphérique

Satellite imaging

Synthetic-Aperture

In-Line holography

Light diffraction

Atmospheric refraction

Résumé

La caractérisation submétrique des objets en orbite géostationnaire est un enjeu crucial pour la surveillance de l'espace mais constitue un objectif très ambitieux, à la limite de performance des moyens en cours de développement pour l'astronomie. Ce travail porte sur l'imagerie d'ombre, une méthode permettant de répondre simplement à ce besoin en exploitant des occultations. Lorsqu'un satellite passe devant une étoile, il projette au sol une ombre qui encode la forme géométrique du satellite. Cette ombre est collectée à l'aide de petits télescopes.Pour extraire l'information d'intérêt, il faut combiner numériquement les mesures issues des divers télescopes en résolvant un problème inverse. L'objectif a d'abord été d'étudier le modèle de propagation de la lumière, afin de valider le principe de la méthode et de dimensionner et optimiser les paramètres du detecteur. Puis de concevoir l'algorithme d'inversion et estimer les performances du système d'imagerie global.Ce travail a permis de quantifier précisément les effets atmosphériques qui se sont avérés faibles. De plus, des règles de dimensionnement simples ont été établies à partir d'une description modale de la diffraction. Un algorithme d'inversion multispectral a été proposé et validé sur des simulations réalistes montrant que des résolutions submétriques étaient effectivement atteignables.L'inversion proposée a simplifié l'instrument et amélioré les reconstructions. Enfin, un banc experimental reproduisant à petite échelle la diffraction a été réalisé dans des conditions équivalentes à celle de l'imagerie d'ombre. Il a permis de valider l'inversion sur des données réelles et de prouver ainsi la robustesse de la technique.

The submetric characterisation of objects in geostationary orbit is a key challenge for space surveillance, but it is a very ambitious objective at the limits of the resources currently being developed for astronomy. This work focuses on shadow imaging, a method that could potentially address this need through occultations. When a satellite passes in front of a star, it casts a shadow on the ground that encodes the geometric shape of the satellite. This shadow is then collected using small telescopes.To extract the information of interest, we need to digitally combine the measurements from the different telescopes by solving an inverse problem. The aim was first to study the light propagation model in order to validate the concept of the method and to specify and optimise the detector parameters. Then, the objective was to design the inversion algorithm and to estimate the performance of the overall imaging system.This work accurately quantified the atmospheric effects and found them to be relatively small. In addition, simple dimensioning rules were established based on a modal description of diffraction. A multispectral inversion algorithm was proposed and validated on realistic simulations, showing that sub-metric resolutions were indeed achievable. The suggested approach led to a significant simplification of the instrument and an improvement of the reconstructions. Finally, an experimental bench was developed to reproduce diffraction on a small scale under conditions equivalent to shadow imaging. This allowed the inversion to be validated on real data, thus confirming the technique's robustness.