Thèse Commande à Haute Performance des Optiques Adaptatives en Conditions Difficiles le Cas des Observations Solaires H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Laboratoire Charles Fabry Direction de la thèse : Caroline KULCSAR ORCID 0000000228402111 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-05T23:59:59 Les systèmes d'optique adaptative (OA) permettent de compenser les déformations des images induites par la turbulence atmosphérique affectant les télescopes terrestres. Un miroir déformable est inséré dans le chemin optique et ses actionneurs sont commandés en temps réel grâce à des mesures fournies par un capteur (analyseur de surface d'onde). Tous les systèmes d'OA comprennent des composants (caméras, calculateurs temps-réels...) qui induisent des retards : le temps que la commande soit calculée à partir des mesures puis appliquée, les perturbations ont évolué et la correction n'est plus parfaitement adaptée. Une commande à haute performance doit donc en particulier prédire la perturbation pour pouvoir compenser les retards du système.

L'équipe « Optique Adaptative » du Laboratoire Charles Fabry est internationalement reconnue pour ses travaux en commande à des systèmes d'OA, commandes basées sur des modèles de la perturbation et du système. L'équipe conçoit par exemple une commande à haute performance linéaire quadratique gaussienne (LQG) autonome pour l'OA du Gran Telescopio Canarias (avec l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), Îles Canaries), le plus grand télescope actuel (10,4 m). Elle conçoit également la commande LQG autonome des bas-ordres de l'OA classique de l'instrument MICADO (avec l'Observatoire de Paris) qui fera la première lumière du futur extrêmement grand télescope européen de 39 m (Extremely Large Telescope, ELT).

Toutes ces réalisations doivent ainsi tenir compte de l'évolution temporelle des caractéristiques de la turbulence, et les paramètres des régulateurs doivent donc s'adapter à cette évolution pour être performants. L'adaptation doit se faire de façon autonome pour mener des observations être sans intervention humaine de façon performante et stable sur des durées d'exposition longues (de quelques minutes à plusieurs heures).

La commande des OA pour l'observation solaire est une voie que l'équipe souhaite explorer. Elle présente des particularités qui en font sa difficulté : observations de jour donc dans des conditions moins favorables que la nuit ; mesures de front d'onde réalisées sur le Soleil, donc avec une source étendue (contrairement à ce qui se fait généralement en astronomie), ce qui peut conduire à des mesures non linéaires ; systèmes fonctionnent à des cadences élevées (1 à 3 kHz) avec des composants de dimensions importantes (de la centaine à quelques milliers d'actionneurs et de mesures) ; déformation rapide au cours du temps de l'objet utilisé pour la mesure (par exemple la granulation ou le plasma). Pour autant, peu de travaux ont été jusqu'à présent dédiés à la commande prédictive de ces systèmes et encore moins à leur commande optimale.

Comprendre et modéliser leur fonctionnement permettra de simuler leurs performances théoriques avec une commande optimale. Des outils de simulation existent en open-source et pourront être adaptés. Pour permettre d'ancrer ces développements dans des applications réelles, nous avons établi des contacts avec des équipes liées à des observatoires solaires, avec qui nous prévoyons de collaborer : le Centre de Recherches en Astrophysique de Lyon avec le télescope solaire Themis (Îles Canaries) ; l'IAC avec son système d'OA multi-conjuguée (OAMC) pour le European Solar Telescope ; le National Solar Observatory (NSO, Etats-Unis), avec un système d'OA classique et deux systèmes d'OAMC.

Les recherches menées dans le cadre de cette thèse vont aborder des aspects pluridisciplinaires. Il s'agira en effet de trouver de nouveaux modèles de perturbations affectant adaptés à ces systèmes d'OA et des lois de commande efficaces d'un point de vue de la performance et de la stabilité, de comprendre donc la nature des signaux physiques et leur comportement dynamique, de comprendre les contraintes instrumentales et d'en tenir compte. Si les conditions le permettent, des tests en laboratoire à l'IAC ou sur le télescope Themis pourront être envisagés. Le sujet s'inscrit dans le contexte de l'optique adaptative en conditions d'observations de jour pour l'observation du Soleil, qui sont des conditions difficiles. Il fait suite aux nombreux travaux de l'équipe sur la commande des systèmes d'optique adaptative pour l'astronomie. Concevoir des commandes autonomes à haute performance pour les optiques adaptatives solaires, modéliser les perturbations et le système et définir les stratégies de mises à jour. Étudier les possibilités d'extensions à d'autres applications. La personne recrutée en doctorat sera co-encadrée par Henri-François Raynaud, maître de conférences HDR au Laboratoire Charles Fabry (LCF). Elle travaillera dans un environnement collaboratif où les échanges et discussions sont fréquentes. Elle réalisera au départ une étude bibliographique pour bien définir l'orientation initiale de ses recherches. Les simulations seront faites sous Matlab et sous Python, avec des simulateurs dédiés, et des expériences sur le banc d'optique adaptative MINOA situé au LCF pourront également être menées. Il est possible que des observations sur télescope soient réalisées, mais ce n'est pas garanti. La personne recrutée présentera ses travaux de recherche dans le cadre des réunions du groupe Imagerie et Information et des séminaires du LCF.

Compétences en optique instrumentale
Formation avancée en automatique et traitement du signal, goût pour les applications, la simulation et le traitement de données, l'instrumentation
Motivation forte sur l'observation solaire