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[THÈSE avec FINANCEMENT] Optique adaptative pour l'Extremely Large Telescope

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Conception et expérimentation d’une commande  d’optique adaptative à haute performance pour l’instrument MICADO de l’ELT


L’optique adaptative permet de compenser en temps réel les perturbations affectant l’acquisition d’images astronomiques grâce à un miroir déformable inséré dans le chemin optique. Le miroir est commandé à partir de mesures réalisées sur une étoile guide par un analyseur de surface d’onde.

Le sujet de thèse proposé porte sur le système d'optique adaptative (OA) de 1ère lumière, de type Single Conjugate Adaptive Optics (SCAO), de l’instrument MICADO destiné à équiper l'Extremely Large Telescope (ELT) européen.

Description du sujet

ELT - Vue d'artiste - Crédits ESO

Le programme ELT a été approuvé en 2012 et le feu vert pour sa construction a été donné fin 2014. Sa première lumière est attendue en 2025.  MICADO, l’un des deux instruments de 1ère lumière de l’ELT, est une caméra proche infrarouge dotée de capacités spectroscopiques et travaillant à la limite de résolution du télescope avec un champ de vue d’environ une minute d’angle. Sa conception a été axée sur une très grande sensibilité et une très haute précision astrométrique. Avec son large champ, sa haute résolution angulaire, sa grande précision astrométrique et une sensibilité remarquable, MICADO aura ainsi les capacités de balayer une large gamme de sujets astrophysiques.

L’instrument MICADO est couplé à un système d’OA multi-conjuguée mais aussi à un système d’OA classique (ou SCAO) avec analyse de front d’onde sur étoile guide naturelle. Dans sa phase initiale, MICADO devra être capable de fonctionner avec le système SCAO seulement. Ce système d’OA sur axe, dont le LESIA a la responsabilité, devra être asservi de façon à pouvoir compenser les perturbations importantes affectant l’acquisition des images astronomiques.

Les perturbations qui impactent le système d’OA comprennent en particulier la prise au vent de l'immense structure de l'ELT qui fera osciller et trembler le télescope (windshake) avec une amplitude bien supérieure à la dégradation de la qualité d'image due à la seule turbulence atmosphérique. À cela se rajouteront diverses sources d'excitation telles que les moteurs, ventilateurs, cryo-générateurs présents autour de l'instrument, et qui induiront également des vibrations mécaniques dans les structures. L'ensemble aura un effet optique principalement sur les aberrations de basculement « tip/tilt », mais peut-être aussi sur un nombre limité d’autres modes optiques de fréquences spatiales relativement faibles, dits modes de « bas ordres ». Perçues par le système SCAO de MICADO, ces perturbations bas ordres en dégraderont ses performances de façon inacceptable si elles ne sont pas compensées efficacement.

Des boucles de commande bas ordres à base de modèles ont déjà été développées et mises en œuvre pour la génération actuelle de systèmes d'OA. Il s’agit notamment de commandes des modes tip-tilt optimales (minimisant la variance de la perturbation résiduelle après correction) de type LQG (linéaire quadratique gaussienne). Ces commandes incluent un filtre de Kalman qui prédit la perturbation avec quelques millisecondes d’avance. Une commande de ce type équipe par exemple actuellement la boucle tip-tilt de l’OA de l’instrument de détection d’exo-planètes SPHERE au VLT. La conception de tels régulateurs nécessite une connaissance approfondie du système d’OA, de façon à proposer une modélisation pertinente sur laquelle sera construit le filtre de Kalman. Le sujet de thèse proposé suit cette logique, avec trois objectifs principaux :

  1. Élaborer une stratégie spécifique pour la commande de la SCAO de MICADO, en tenant compte du fait que les « hauts ordres » optiques seront compensés par une commande de structure simple, de type intégrateur pur
  2. Développer les algorithmes correspondants, tout en respectant trois exigences : efficacité de la correction, compatibilité avec les contraintes du calculateur temps-réel, et robustesse vis-à-vis des très grandes variété et variabilité des conditions d'observation. Cette dernière spécification nécessitera la mise en œuvre de stratégies d'identification et de ré-identification des modèles de perturbation en cours d’opération
  3. Tester expérimentalement sur banc optique les commandes retenues, puis si les résultats sont concluants conduire des tests dans le cadre d’une démonstration sur le ciel réalisée au William Herschel Telescope installé aux Iles Canaries

La conception de la loi de commande devra répondre à de nouvelles questions qui n’ont pas été abordées jusqu’à présent. Elle devra en particulier intégrer les spécificités de l’analyseur de surface d’onde de type « pyramide » utilisé par la boucle de la SCAO de MICADO, et notamment sa réponse fortement non linéaire. Elle devra aussi prendre en compte les interactions avec les autres boucles d’asservissement du télescope. Ceci inclut par exemple la prise en compte de la réponse temporelle du grand miroir déformable d’environ 2,5 m de diamètre.

 

Déroulement de la thèse et localisation

La première étape consiste à comprendre le fonctionnement d’une optique adaptative équipée d’un régulateur de type intégrateur. L’étude des régulateurs LQG proposés jusqu’à présent permettra ensuite de se mettre à l’état de l’art. La prise en compte des contraintes du système d’OA conduira à proposer des algorithmes de commande candidats. Après la prise en main du code de simulation d'OA COMPASS (développé et maintenu par le LESIA), il s'agira d'y implémenter les algorithmes proposés, d’évaluer et d’optimiser leur performance. Les algorithmes de commande retenus pourront ensuite être testés et validés expérimentalement, tout d’abord sur des bancs optiques à l’IOGS et au LESIA puis sur le télescope William Herschel. Les contraintes imposées par le fonctionnement du télescope lui-même devront enfin être étudiées, et des stratégies complètes seront alors élaborées et évaluées en simulation.

Cette thèse se déroulera au sein des équipes « Optique Adaptative » du Laboratoire Charles Fabry (LCF, CNRS-Institut d’Optique Graduate School, Palaiseau) et du Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique (LESIA, CNRS-Observatoire de Paris, Meudon). Elle s’effectuera également en collaboration avec l’équipe développant le contrôle du télescope ELT à l’European Southern Observatory (ESO) à Garching (Allemagne).

 

Profil

Le·la candidat·e doit être titulaire d’un Master 2 ou d’un diplôme d’ingénieur dans les domaines de l’optique ou de l’instrumentation astronomique (des compétences en automatique seront appréciées mais pas exigées) ou de l’automatique. Le·la candidat·e est intéressé·e par les aspects applicatifs de la thèse, allant des simulations à l’expérimentation. Il·elle est motivé·e par la perspective de participer à l’aventure de l’ELT et apprécie de travailler en interaction avec des équipes différentes.

Financement et rémunération

La thèse est financée par le programme 80 PRIMES du CNRS.

La rémunération brute mensuelle sera au minimum de 1758 €, ce qui correspond approximativement à 1410 € net par mois. Un dossier pourra être déposé par le candidat pour des missions doctorales d’enseignement, apportant une rémunération brute mensuelle supplémentaire de 340 €.

 

Contacts

Directeur : Henri-François Raynaud (IOGS)

Co-directeur : Yann Clénet (LESIA)

Co-encadrants : Éric Gendron (LESIA), Caroline Kulcsár (IOGS), Fabrice Vidal (LESIA)

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