Reconstruction d'images multi-temporelles à haute résolution angulaire dans le visible. Application à l'observation astronomique et l'observation de satellites

par Alix Yan

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Laurent Mugnier et de Jean-François Giovannelli.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Astronomie et Astrophysique d'Ile-de-France , en partenariat avec ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées (laboratoire) et de Observatoire de Paris (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    L'imagerie à haute résolution dans le visible est le grand challenge d'aujourd'hui de l'instrumentation au sol, que cela soit dans le domaine de l'astronomie (remplacement d'Hubble, instrument MUSE, projet MAVIS) ou de la défense (imagerie de satellites en orbite basse). Si l'Optique Adaptative [OA] est la technique phare permettant d'atteindre les résolutions recherchées (de l'ordre de la centaine, voire de la dizaine de milliseconde d'arc), la correction de l'OA reste d'autant plus partielle que la longueur d'onde d'imagerie est courte et les systèmes d'observation doivent inclure une composante-clef de traitement des images. Ce traitement est un défi à la fois du fait des résidus turbulents qui sont importants dans le visible et généralement inconnus, et du fait des temps de pose courts parfois requis, en particulier pour l'imagerie de satellites. Des travaux de thèse récents ont permis de développer un modèle de réponse instrument corrigé par OA parcimonieux (i.e. à peu de paramètres) et précis, que nous avons incorporé dans une méthode de déconvolution dite marginale, laquelle résout une large part des problèmes habituellement associés à la déconvolution « aveugle » ou « myope » (i.e. à réponse instrument inconnue), mais uniquement dans les cas de bonne correction par OA et de fort flux. La thèse proposée vise à rendre l'identification de la réponse instrument et donc la reconstruction des images plus robustes aux conditions de turbulence et de signal-à-bruit, et plus précises. Deux approches complémentaires seront explorées pour cela : d'une part l'étudiant.e poursuivra les développements de la déconvolution myope marginale (méthodes d'échantillonnage stochastique et algorithmes Monte Carlo Markov Chain [MCMC] en particulier) afin d'explorer l'apport de modèles a priori plus informatifs sur les objets observés. D'autre part il/elle s'attachera à exploiter conjointement l'ensemble des données temporelles (voire spectrales) disponibles plutôt que les images individuelles afin d'augmenter le rapport signal-à-bruit effectif. En particulier, en imagerie de satellites on exploitera le fait que l'on enregistre des vidéos de plusieurs centaines d'images, avec une évolution temporelle des objets observés assez lente. En imagerie astronomique on exploitera le fait que certains objets (par ex. astéroïdes, lunes de Jupiter, Neptune, etc) observés sur les instruments du Very Large Telescope [VLT] européen au Chili ont une évolution temporelle notable. Cette problématique d'exploitation conjointe de l'ensemble des données (x,y,t) et connaissances disponibles, essentielle pour rendre robuste et opérationnel tout système au sol d'imagerie de satellite, est également essentielle pour la future génération d'instrumentation pour les télescopes géants (Very et Extremely Large Telescope), comme en témoigne le fait que les processus de co-conception instrument/traitements font leur apparition dans l'instrumentation astronomique. Par ailleurs le fait que des instruments astronomiques comme MUSE observent les objets d'intérêt simultanément sur plusieurs milliers de canaux spectraux simultanément pourra donner lieu dans un second temps à des développements de traitements des images véritablement 4D (x,y,t,lambda). La thèse se placera au cœur d'études préliminaires pour l'instrumentation de 3ième génération pour le VLT (MAVIS) et bénéficiera ainsi d'une synergie forte avec des travaux menés à l'ONERA dans ce domaine, ainsi que de l'accès à des données expérimentales acquises sur le VLT (MUSE, SPHERE). Elle bénéficiera aussi de plus de 30 ans d'expertise à l'ONERA sur ces sujets, et de l'accès privilégié aux images de satellites acquises par l'ONERA en 2018-2019 sur son système d'imagerie corrigé par OA, images qui constituent une première européenne.

  • Titre traduit

    Multi-frame high angular resolution image reconstruction in the visible. Application to astronomical observation and satellite observation


  • Résumé

    High-resolution imaging in the visible is today's great challenge for ground-based instrumentation, whether in the field of astronomy (replacement of Hubble, MUSE instrument, MAVIS project) or defence (imaging of satellites in low orbit). While Adaptive Optics [AO] is the flagship technique for achieving the desired resolutions (of the order of a hundred or even ten milli-arcseconds), AO correction remains all the more partial as the imaging wavelength is short and observation systems must include a key image processing component. This processing is a challenge both because of the turbulent residuals that are important in the visible and generally unknown, and because of the short exposure times sometimes required, especially for satellite imagery. Recent thesis work has allowed us to develop a parsimonious (i.e. with few parameters) and accurate AO-corrected instrument response model, which we have incorporated in a so-called marginal deconvolution method, which solves a large part of the problems usually associated with 'blind' or 'myopic' deconvolution (i.e. with unknown instrument response), but only in cases of good AO correction and high flux. The proposed thesis aims at making the identification of the instrument response and thus the reconstruction of images more robust to turbulent and signal-to-noise conditions, and more accurate. Two complementary approaches will be explored for this purpose: on the one hand, the student will pursue the development of the marginal myopic deconvolution (stochastic sampling methods and Monte Carlo Markov Chain [MCMC] algorithms in particular) in order to explore the contribution of more informative a priori models on the observed objects. On the other hand, he/she will endeavour to jointly exploit all the temporal (or even spectral) data available rather than individual images in order to increase the effective signal-to-noise ratio. In particular, in satellite imagery we will exploit the fact that videos of several hundred images are recorded, with a rather slow temporal evolution of the observed objects. In astronomical imagery we will exploit the fact that some objects (e.g. asteroids, moons of Jupiter, Neptune, etc.) observed on the instruments of the European Very Large Telescope [VLT] in Chile have a notable temporal evolution. This issue of joint exploitation of the available data set (x,y,t) and knowledge, essential to make any ground-based satellite imaging system robust and operational, is also essential for the future generation of instrumentation for giant telescopes (Very and Extremely Large Telescopes), as evidenced by the fact that instrument/processing co-design processes are emerging in astronomical instrumentation. Furthermore, the fact that astronomical instruments such as MUSE observe objects of interest simultaneously on several thousand spectral channels simultaneously may lead in a second step to developments in true 4D (x,y,t,lambda) image processing. The thesis will be at the heart of preliminary studies for 3rd generation instrumentation for the VLT (MAVIS) and will thus benefit from a strong synergy with work carried out at ONERA in this field, as well as access to experimental data acquired on the VLT (MUSE, SPHERE). It will also benefit from more than 30 years of expertise at ONERA on these subjects, and from privileged access to satellite images acquired by ONERA in 2018-2019 on its OA-corrected imaging system, images which constitute a European first.