Thèse Système d'Imagerie Corrigée du Tilt Anisoplanétique Assistée par la Caméra Siris H/F - Université Paris-Saclay GS Physique

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées
Direction de la thèse : Pierre BOURDON ORCID 0009000590567274
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Les variations spatiales de l'indice de réfraction au sein de l'atmosphère introduisent des avances et des retards de phase qui induisent principalement des fluctuations du mode de basculement (aussi appelé tip-tilt) de l'onde optique. En imagerie, le basculement turbulent provoque un bougé d'image global qui réduit notablement la résolution. De plus, la répartition volumique de la turbulence le long de l'axe de visée fait que le basculement turbulent varie avec le champ, si bien qu'on ne peut plus considérer qu'il est constant dans l'image dès lors que le champ image est plus grand que le champ isoplanétique (typiquement de l'ordre de quelques microradians à quelques dizaines de microradians). Ainsi, en imagerie grand, le basculement différentiel, aussi appelé tilt anisoplanétique, introduit des distorsions locales dans l'image qui s'ajoutent à l'effet de tilt global. Ces pertes de qualité image sont pénalisantes pour l'exploitation des images en astronomie ou pour des missions de reconnaissance et d'identification d'objet. Par conséquent, il est nécessaire de corriger le tilt global et anisoplanétique induit par la turbulence atmosphérique.

Les systèmes de correction tip-tilt actuels mesurent généralement le mode de basculement global de l'onde optique par un calcul de centre de gravité ou de maximum de corrélation à partir d'images plan focal de l'objet observé et corrigent des effets du tilt global à l'aide de miroirs de pointage rapide FSM. Néanmoins, ces systèmes de correction ne corrigent pas des effets induits par l'anisoplanétisme et présentent des performances dégradées lorsque l'objet observé est de dimension plus grande que le domaine isoplanétique. De plus, l'évolution rapide des perturbations atmosphériques impose l'utilisation de détecteur à courte pose pour la mesure du basculement turbulent avec des temps d'intégration typiques de l'ordre de la milliseconde, ce qui limite le flux reçu au sein d'une trame. Il y a donc un défi technologique à relever sur la mesure des perturbations atmosphériques, laquelle nécessite d'avoir un détecteur à bas bruit et à grande dynamique.

Cette thèse a pour but de dépasser ces limitations et de développer un système novateur d'optique stabilisée permettant de mesurer et corriger non seulement le basculement global mais aussi les effets de distorsion locale induits par le tilt anisoplanétique. Pour y parvenir, nous proposons de combiner des développements récents autour des circuits de lecture de caméra SWIR rapides, des approches d'analyse d'images multi-directionnelles et des approches de reconstruction tomographique inspirées de l'optique adaptative multiconjuguée. L'architecture envisagée présente de plus l'avantage de n'utiliser qu'un seul et même détecteur pour la mesure du basculement et pour l'imagerie à haute résolution, ce qui permet un gain en compacité par rapport aux systèmes d'imagerie corrigés usuels qui ont recours à un premier détecteur pour la mesure des perturbations à corriger et un second pour l'imagerie haute résolution.

Le concept proposé s'appuie sur la caméra SWIR SIRIS développée par le LPENS qui présente un bruit de lecture très faible, une très grande dynamique ainsi qu'un mode de lecture NDRO (Non Destructive Read-Out) permettant de lire les pixels du détecteur pendant une même pose sans en détruire la charge. Via ce mode de lecture, nous proposons d'utiliser d'une part le signal d'évolution des charges au cours du temps de pose afin de mesurer localement les déplacements induits par la turbulence et par les instabilités mécaniques, et d'autre part l'image acquise à l'issue du temps de pose comme image finale. La mesure des déplacements locaux viendra alimenter une boucle de stabilisation de la ligne de visée en temps réel qui permettra d'obtenir des images finales stabilisées, à haute résolution et à rapport signal à bruit élevé.

La rapidité d'évolution de l'atmosphère impose l'utilisation de détecteur à courte pose (temps d'exposition de l'ordre de la milliseconde) pour la mesure des perturbations atmosphériques. Ainsi, le signal utilisé pour l'analyse de la turbulence atmosphérique présente un rapport signal-à-bruit limité. De plus, la photométrie de la scène observée peut varier de manière conséquente durant l'observation, par exemple à cause de réflexions spéculaires intenses visibles à certains moments de l'observation. Ces variations d'intensité de l'objet peuvent entraîner des saturations du signal enregistré, ce qui peut biaiser la mesure. C'est pourquoi il y a un défi technologique à relever sur la mesure des perturbations qui nécessite d'avoir un détecteur à bas bruit et à grande dynamique. Ainsi, un des objectifs de la thèse consiste à développer un détecteur de fluctuations d'angle de visée adapté au temps d'évolution de la turbulence et robuste au changement de photométrie de la scène observé, basé sur un capteur faible bruit à réponse linéaire-logarithmique.
Un autre phénomène qui dégrade la mesure des fluctuations de l'axe de visée et la qualité des images obtenues est lié à la répartition volumique de la turbulence le long de la ligne de visée. Du fait de cette répartition, on observe une décorrélation angulaire des perturbations de phase induites par l'atmosphère (aussi appelée anisoplanétisme). Cette décorrélation angulaire se traduit dans les images par des distorsions locales en plus d'un bougé d'image global lorsque le champ observé est grand devant le champ isoplanétique qui vaut typiquement quelques µrad à quelques dizaines de µrad selon les conditions de propagation et les longueurs d'onde considérées. Ces effets de distorsion rendent les systèmes de stabilisation fondés sur une mesure du bougé d'image global et sur une correction par un miroir de pointage rapide peu efficaces sur des images grand champ. Ainsi, pour des champs observés grands devant le domaine isoplanétique, la qualité image se dégrade dans le champ ce qui peut être pénalisant pour l'exploitation des images : reconnaissance et identification pour les applications d'imagerie de surveillance, mesures astrométriques en astronomie.
Les systèmes de stabilisation pour l'imagerie utilisent des architectures à deux voies pour gérer l'évolution rapide de la turbulence. Une voie sert à la mesure à haute cadence (typiquement de l'ordre du kHz) des fluctuations de l'axe de visée tandis que l'autre fournit les images longue pose stabilisées. Ce type d'architecture permet de maximiser le rapport signal-à-bruit (RSB) sur l'image longue pose à haute résolution tout en mesurant les fluctuations de l'axe de visée à une cadence rapide compatible du temps d'évolution de la turbulence. Pour limiter l'impact du bruit sur la mesure des perturbations, des détecteurs à faible bruit sont utilisés sur la voie de mesure. Dans le domaine SWIR, des photo-diodes à avalanche sont typiquement utilisées.
En propagation endo-atmosphérique sur des distances de propagation de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres, certains systèmes ont également recours à de l'éclairage actif sur l'objet observé et utilisent le signal rétrodiffusé par l'objet pour faire la mesure des fluctuations d'angle de visée. Ceci permet de pouvoir faire de la stabilisation de l'axe de visée de jour comme de nuit sur des objets non coopératifs, à condition que le RSB dans les données soit suffisamment élevé pour effectuer des mesures fines. En pratique, une puissance de l'ordre de quelques Watts en sortie du système d'éclairage actif est requise pour avoir un RSB correct. Il faut toutefois noter que, selon le degré de cohérence de la source d'éclairage actif, celle-ci peut générer du bruit de speckle qui affecte la mesure des perturbations de phase et que des méthodes visant à réduire la formation de speckle existent.
Comme évoqué précédemment, du fait de la répartition volumique de la turbulence le long de la ligne de visée, l'anisoplanétisme est un phénomène à prendre en compte lorsque l'on veut faire de la correction de la turbulence atmosphérique sur un grand champ. En astronomie, l'OA multi-conjuguée (OAMC), qui permet d'obtenir des images quasiment en limite de diffraction sur des champs supérieurs à la minute d'arc soit un champ 10 à 20 fois plus grand qu'avec un système d'OA standard, jouit d'un intérêt croissant et équipera les futurs très grands télescopes terrestres (ELT, TMT entre autres). Cette méthode qui reconstruit le volume de turbulence à partir de mesures dans plusieurs directions du champ, puis qui calcule les commandes de plusieurs miroirs déformables pour optimiser la correction sur un large champ est très complexe à mettre en oeuvre. La compensation couche sol (GLAO, Ground Layer Adaptive Optics en anglais) est une stratégie de correction inspirée de l'OAMC, qui améliore la qualité de l'image sur un champ de vue relativement étendu en ne corrigeant que les couches basses de l'atmosphère où se concentre la majorité de la turbulence. Cette technique offre certes une correction partielle des effets de la turbulence mais requiert moins d'actuateurs et une vitesse de boucle moins contraignante que l'OAMC. Les concepts optiques et de contrôle issus de ces approches d'OA tomographiques semblent transposables au problème de stabilisation de l'axe de visée en présence d'anisoplanétisme.

L'objectif général est d'investiguer une potentielle solution de rupture pour les futurs systèmes optroniques d'imagerie ou de focalisation laser nécessitant une correction temps réel des effets de distorsion et de basculement introduits par la turbulence atmosphérique.
A plus long terme, l'approche proposée dans le cadre de la thèse, vise à gagner un ordre de grandeur en termes de qualité image et de portée pour les futurs systèmes d'imagerie à haute performance à grand champ ou d'arme à énergie dirigée.
La solution proposée dans le cadre de la thèse permet de corriger des effets du basculement turbulent qui constitue près de 90% de la variance de la phase turbulente. Une perspective à moyen terme consiste à aller vers une correction de plus de modes de la turbulence pour atteindre des performances de correction supérieures. Les approches d'analyse d'images développées pour mesurer les distorsions locales dans les images pourraient servir à alimenter des stratégies de correction par optique adaptative tomographique avec un nombre de modes corrigés plus grand mais au prix d'une complexité hardware accrue. L'enjeu opérationnel étant un élément important pour le système de correction envisagé, le compromis performances / complexité hardware est naturellement à considérer dans cette perspective.
De manière plus générale, les travaux menés autour de la caméra SIRIS durant la thèse pourront alimenter une réflexion sur l'intérêt de ce type de capteur pour la mesure de front d'onde en condition de fortes turbulence. En effet, la très grande dynamique et le faible bruit de lecture de ce type de détecteur peuvent s'avérer utiles pour établir des méthodes de mesure de la phase turbulente en présence de forte scintillation.

Le concept de mesure du tilt anisoplanétique à l'aide de la caméra SIRIS sera dans un premier temps étudié et testé par simulation numérique. Plusieurs pistes de grandeurs physiques sont envisagées pour la mesure du tilt différentiel. Parmi celles-ci, on peut citer la corrélation locale pour différentes sous-régions isoplanétiques de l'image ou encore le flot optique dont le calcul permet de remonter au champ de déplacement dans l'image à partir duquel on peut estimer le tilt local.
Dans une démarche de co-conception, des allers-retours seront effectués entre les modifications hardwares incitées par les simulations et l'adaptation des méthodes de mesure et de correction pour prendre en compte les spécificités du détecteur.
D'un point de vue expérimental, il est prévu de faire une démonstration en laboratoire du concept développé sur un banc émulateur de turbulence développé à l'ONERA et si le calendrier le permet, de faire une démonstration sur ciel sur le T1m de l'Observatoire du Pic du Midi.
Tout au long du projet de thèse, l'étudiant(e) pourra s'appuyer sur les codes de simulation de propagation optique en présence de turbulence atmosphérique et sur les bancs de laboratoire disponibles à l'ONERA, ainsi que sur l'expertise du LPENS autour de la caméra SIRIS et de sa conception.

Master 2 recherche / école d'ingénieur avec une formation en physique
Bon niveau de connaissances en optique, traitement du signal.