Wide field adaptive optics: correction strategy and experimental validations
Les optiques adaptatives grand champ : stratégie de correction et validations expérimentales
Résumé
Adaptive Optics (AO) allows to correct in real time the atmospheric perturbations thanks to the analysis of the turbulence with a WaveFront Sensor (WFS). The correction is then provided by a Deformable Mirror (DM). AO is however limited by two effects: anisoplanatism and sky coverage. To overcome these limitations, Wide Field AO (WFAO) concepts have been developed. These systems allow to probe the turbulent volume with several WFSs so as to perform a tomographic reconstruction of the turbulence. The correction is then applied in one specific direction of the Field of View (FoV) with one DM (Laser Tomography AO (LTAO)) or in a wide FoV thanks to several DMs (MultiConjugate AO (MCAO) or Multi-Object AO (MOAO)). The work performed during this PhD. is focused on the design of WFAO systems and experimental validations of these concepts. We especially study new issues related to wavefront sensing, correction and control laws. We have developed a bench called HOMER dedicated to experimental validation of WFAO concepts. The integration of the bench has allowed the study and the implementation of calibration procedures of the system, needed to obtain the best performance. These calibrations have been used in particular to implement a Linear Quadratic Gaussian (LQG) control. This control law is well adapted to WFAO since it provides an estimation and a prediction of the turbulent volume thanks to spatial and temporal a priori. Then the correction to be applied on the DMs is derived, in order to optimize the correction in a given FoV. We have implemented LQG control on HOMER for MCAO and LTAO configurations. This control leads to a significant gain in performance compared to a more standard approach based on a least-square reconstruction associated to an integrator control. This work corresponds to the first experimental results obtained with LQG control in WFAO and in closed-loop LTAO. It is also a first step towards the robustness study of LQG control with respect to model errors. In addition to these experimental results, we have also studied LGS related system design issues and have also reconsidered DM design rules in the perpective of the new VLT/ELT AO instruments.
L'Optique Adaptative (OA) permet de corriger en temps-réel les perturbations engendrées par l'atmosphère grâce à l'analyse de la turbulence par un Analyseur de Surface d'Onde (ASO) puis une correction grâce à un Miroir Déformable (MD). L'OA est cependant soumise à deux limitations principales : l'anisoplanétisme et la couverture de ciel. Pour les pallier, les concepts d'OA dits grand champ ont été développés. Ces systèmes permettent de sonder le volume turbulent grâce à l'utilisation de plusieurs ASO pour réaliser une reconstruction tomographique de la turbulence. La correction peut ensuite être appliquée dans une direction spécifique du champ à l'aide d'un MD (système d'OA Tomographique Laser (LTAO)) ou dans un large champ grâce à plusieurs MD (système d'OA MultiConjuguée (MCAO) ou d'OA multi-objet (MOAO)). L'objectif des travaux menés au cours de cette thèse est d'étudier le dimensionnement des systèmes d'OA grand champ et la validation expérimentale de ces concepts en s'intéressant aux problématiques posées par la multi-analyse de surface d'onde, la correction et la commande. Pour cela, un banc de validation expérimentale en OA grand champ, appelé HOMER, a été développé. Son intégration a permis l'étude et la mise en place de procédures de calibration du système, nécessaires à l'obtention de très bonnes performances. Ces calibrations ont notamment été utilisées dans le cadre de l'implantation d'une commande optimale de type Linéaire Quadratique Gaussienne (LQG). Cette commande est particulièrement bien adaptée à l'OA grand champ puisqu'elle permet d'estimer et de prédire le volume turbulent grâce à des a priori spatiaux et temporels sur la turbulence, puis d'appliquer la correction sur les MD en optimisant la correction dans un champ donné. Cette commande, qui jusqu'à présent n'avait fait que l'objet d'une étude numérique en OA grand champ, a été mise en oeuvre sur HOMER pour des configurations de MCAO et de LTAO. Nous avons mis en évidence le gain apporté par cette commande comparée à une solution plus classique réalisant une reconstruction moindres carrés associée à un contrôleur intégrateur. Ces travaux constituent les premiers résultats expérimentaux obtenus grâce à l'implantation d'une commande LQG en OA grand champ ainsi qu'en LTAO boucle fermée. Nous avons ainsi débuté une étude de la robustesse de la commande LQG aux erreurs de modèles. Ces études expérimentales ont en outre été complétées par des études théoriques sur le dimensionnement de systèmes d'OA grand champ et le dimensionnement des MD pour répondre aux problématiques posées par ces nouveaux concepts d'OA.