Etude des limites de performance de la spectro-imagerie par transformée de Fourier statique à grande étendue

Study of performance limits of high-étendue static Fourier transform imaging spectrometry

• Auteur / Autrice : Varvara Chiliaeva
• Direction : Nicolas Guerineau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'Optique
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Imagerie et Information
• Jury : Président / Présidente : Olivier Haeberlé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Monmayrant, Marie Chabert, Thomas Antoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Haeberlé, Antoine Monmayrant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Environnement -- Surveillance

Fourier, Spectroscopie par transformée de

Traitement d'images

Imagerie hyperspectrale

Imagerie satellitaire

Mots clés libres

Imagerie satellitaire

Imagerie hyperspectrale

Traitement de l'image

Spectrométrie par transformée de Fourier

Satellite imaging

Hyperspectral imaging

Image treatment

Fourier transform spectrometry

Résumé

Un interféromètre à décalage latéral, produisant des franges d'interférences rectilignes, peut être utilisé pour réaliser un imageur hyperspectral à transformée de Fourier statique à grande étendue, en superposant ces franges à l'image de la scène, et en balayant cette dernière. Après recalage des images, on obtient un interférogramme et donc un spectre pour chaque point de la scène. Un tel instrument se distingue en particulier par une grande collection de flux, et donc un rapport signal à bruit élevé au niveau des interférogrammes, par la possibilité de mesurer un domaine spectral très étendu, et par l'absence d'élément mobile, ce qui aide à la compacité et robustesse du montage. Ce sont donc des imageurs hyperspectraux bien adaptés à des petites plateformes, en particulier des mini-satellites. Cependant, en raison du processus de mesure très indirect, les images hyperspectrales produites ont des caractéristiques qu'il est nécessaire de maîtriser si l'on veut analyser finement ces images. Dans le cadre de cette thèse, deux effets ont été étudiés en détail. Le premier est la fonction de transfert optique. La modulation par les franges d'interférences interdit de définir une fonction de transfert au niveau de l'image formée sur le détecteur, la condition d'invariance par translation n'étant pas remplie. Néanmoins, nous avons montré qu'en l'absence d'aberrations de champ, une fonction de transfert peut bien être définie au niveau de l'image hyperspectrale, mais que cette fonction de transfert n'est pas celle du système d'imagerie. Un résultat contre-intuitif sur la fonction de transfert est que les fréquences spatiales sont transmises différemment dans le sens du survol et dans le sens perpendiculaire au mouvement, avec un dépassement possible de la fréquence de Nyquist pour les fréquences spatiales dans le sens du survol. Le second effet que nous avons étudié est celui d'erreurs de recalage lors de la reconstruction des interférogrammes. Nous avons montré que de telles erreurs créent des artefacts en forme de créneaux au niveau des contours de la scène. Nous avons quantifié ces artefacts, spectraux et spatiaux, dans le cas d'une perturbation unique et d'une perturbation sinusoïdale, correspondant par exemple à des microvibrations résiduelles de la plate-forme. Tous ces travaux ont été faits selon trois approches. La première est analytique. La deuxième est la simulation numérique. Pour cela, nous avons développé un outil de simulation d'image interférométrique, en apportant un soin tout particulier pour assurer que les artefacts liées à la simulation sont négligeables. La troisième approche est expérimentale, avec le développement d'un imageur hyperspectral fonctionnant dans le domaine visible.

A lateral-shift interferometer producing rectilinear interference fringes, can be used to produce a high-etendue static Fourier transform hyperspectral imager, by superimposing these fringes on the image of the scene, and scanning the latter. After image registration an interferogram is obtained, and thus a spectrum for each point in the scene. Such an instrument is distinguished in particular by a large flux collection, and therefore a high signal-to-noise ratio at interferogram level, by the possibility of measuring a very wide spectral range, and by the absence of moving elements, which helps to make the assembly compact and robust. These hyperspectral imagers are therefore well suited to small platforms, particularly mini-satellites. However, due to the highly indirect measurement process, the hyperspectral images have characteristics that must be controlled if they are to be analyzed in detail. In this thesis, two effects were studied in detail. The first is the optical transfer function. Modulation by interference fringes makes it impossible to define a transfer function at the level of the image formed on the detector, as the translation invariance condition is not fulfilled. Nevertheless, we have shown that in the absence of field aberrations, a transfer function can indeed be defined at the hyperspectral image level, but that this transfer function is not that of the imaging system. A counter-intuitive result on the transfer function is that spatial frequencies are transmitted differently in the along-track direction and in the direction perpendicular to motion, possibly exceeding the Nyquist frequency in the along-track direction. The second effect we studied was the impact of registration errors during interferogram reconstruction. We have shown that such errors create crenelated artifacts at the edges of objects in the scene. We have quantified these artifacts, both spectral and spatial, in the case of a single disturbance and a sinusoidal disturbance, the latter case corresponding to residual microvibrations of the platform. All this work has been carried out using three approaches. The first is analytical. The second is numerical simulation. For this, we developed an interferometric image simulation tool, taking particular care to ensure that simulation-related artifacts are negligible. The third approach is experimental, with the development of a hyperspectral imager operating in the visible range.