L'optique adaptative classique est limitée par l'anisoplanétisme. Pour remédier à cette limitation, de nouveaux concepts, appelés optiques adaptatives grand champ, ont été développés. Ces systèmes analysent la turbulence atmosphérique dans le volume, ce qui accroît le champ de correction. Ces techniques requièrent une connaissance précise du profil de Cn2. Mon étude consiste à valider sur le ciel une nouvelle technique de mesure du profil de Cn2, appelée CO-SLIDAR, à partir des corrélations des mesures de pentes et de scintillation réalisées avec un analyseur Shack-Hartmann sur étoile binaire. Elle s'organise autour de deux grands axes. On réalise d'abord une simulation bout-en-bout de la reconstruction du profil de Cn2 dans un cas concret d'observation astronomique. On peut ainsi étudier l'impact des différentes sources d'erreur sur la reconstruction du profil de Cn2. Ceci nous permet d'améliorer la procédure d'estimation du profil de Cn2, en prenant en compte les bruits de détection. La deuxième partie de mon étude se consacre à la validation expérimentale. On dimensionne et caractérise en laboratoire un banc d'acquisition, le banc ProMeO. Ceci conduit à une bonne connaissance du fonctionnement du banc et nous permet de corriger certains effets instrumentaux. Le banc ProMeO est finalement couplé au télescope MeO de 1,5 m de diamètre. Les données acquises permettent une reconstruction du profil de Cn2, du sol jusqu'à 17 km, avec une résolution de 600 m. Les profils obtenus par la méthode CO-SLIDAR sont comparés avec succès à des profils issus de données météorologiques. L'ensemble de ces travaux constitue la première validation sur le ciel de la méthode CO-SLIDAR.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse étudie les aspects de contrôle d'applications optique adaptative, une technologie utilisée pour améliorer la performance des systèmes optiques en réduisant l'effet des distorsions de front d'onde, à l'imagerie haute résolution angulaire. Le problème Adaptive Optics contrôle est présenté à travers une revue de la littérature. Par conséquent, la conception d'un contrôleur de rétroaction est adressée, d'un point de vue moderne de contrôle, au moyen de la méthode de contrôle Linéaire Quadratique Gaussienne. L'approche proposée met l'accent sur la capacité de la boucle d'optique adaptative de rejeter l'aberration atmosphérique. On dérive un système de représentation diagonale état-espace qui sépare nettement la dynamique de la plante (miroir déformable et le capteur de front d'onde) de la dynamique des perturbations (modèle atmosphérique). Cette représentation facilite la résolution numérique du problème. Une analyse de fréquence est effectuée pour vérifier les spécifications de performance et de robustesse de la multiple-input multiple-système de rétroaction de sortie. De plus, nous analysons les performances et la robustesse de LQG contrôle basé par rapport au témoin intégrante classique, au moyen de bout en bout des simulations et en considérant les différents niveaux de bruit du capteur de front d'onde. Durant le-ciel observations, l'énergie turbulente et la vitesse relative de chaque couche de l'atmosphère peut changer rapidement dégrader l'estimation de front d'onde. Pour cette raison, un algorithme de modèle numérique de conception garantissant une performance satisfaisante rejet de perturbations, même dans le cas de variables dans le temps caractéristique de la turbulence est dérivé. Expériences numériques en utilisant les CAOS du progiciel ont été menées pour démontrer la robustesse de chaque approche proposée. Compte tenu de la conviction auteur que l'avenir de l'optique adaptative repose également sur le développement d'un plus sophistiqués (par exemple, non linéaire) des modèles, une quantité importante de travail a été consacrée à l'étude de deux classes de méthodes de reconnaissance des formes répandues. À savoir Support Vector Machines et méthodes du noyau, dont la régression des capacités sont exploitées dans la solution du problème non linéaire suivi optimal. En ce qui concerne Support Vector Machines, grâce à la théorie du contrôle optimal singulier, les contraintes se relâchent permettant une résolution plus facile et plus rapide numérique du problème d'optimisation. Alors que, dans le cas totalement déterministe du contrôleur Support Vector résulte plus simple à synthétiser. En référence aux méthodes du noyau, une tentative originale de réunir leurs forces de régression avec le concept de contrôle adaptatif inverse est présentée. Le noyau récursif des moindres carrés algorithme est utilisé pour mettre en œuvre un contrôleur adaptatif inverse capable de forcer une dynamique non linéaire appropriés pour suivre une sortie désirée. Cette méthode très peut également être utilisé pour vérifier si une trajectoire donnée arbitraire est une sortie admissible pour le système non linéaire à l'étude. Un tel algorithme innovant pourrait être utilement appliquée dans les travaux futurs, le contrôle de Tip-Tilt miroirs. Finalement, une première esquisse du cadre théorique soutenant l'utilisation du contrôle adaptatif inverse pour la solution du problème de suivi général est donné. Après l'introduction de la formulation mathématique du problème de suivi et les définitions nécessaires mathématiques, des conditions suffisantes et nécessaires (cas linéaire) et des conditions suffisantes (cas non-linéaire) de l'existence de la solution sont dérivés. / His thesis investigates the control aspects of Adaptive Optics applications, a technology used to improve the performance of optical systems by reducing the effect of wavefront distortions, to high angular resolution imaging. The Adaptive Optics control problem is presented through a survey of the literature. Consequently, the design of a feedback controller is addressed, from a modern control point of view, by means of the Linear Quadratic Gaussian control methodology. The proposed approach emphasizes the ability of the adaptive optics loop to reject the atmospheric aberration. We derive a diagonal state-space system representation which clearly separates the dynamics of the plant (deformable mirror and wavefront sensor) from the disturbance dynamics (atmospheric model). This representation facilitates the numerical resolution of the problem. A frequency analysis is carried out to check the performance and robustness specifications of the multiple-input multiple-output feedback system. Moreover, we analyze the performance and the robustness of LQG-based control compared to classic integral control, by means of end-to-end simulations and by considering different levels of wavefront sensor noise. During on-sky observations, the turbulent energy and relative speed of each atmospheric layer can change rapidly degrading the wavefront estimate. For this reason, a numerical model design algorithm guaranteeing satisfactory disturbance rejection performance even in the case of time-varying turbulence's characteristic is derived. Numerical experiments using the Software Package CAOS have been conducted to demonstrate the robustness of every proposed approach. Given the author firm belief that the future of Adaptive Optics also relies on the development of more sophisticated (i.e., nonlinear) models, a substantial amount of work was dedicated to the study of two classes of widespread pattern recognition methods. Namely Support Vector Machines and Kernel Methods, whose regression capabilities are exploited in the solution of the nonlinear optimal tracking problem. Concerning Support Vector Machines, thanks to the singular optimal control theory, constraints are loosened permitting an easier and faster numerical resolution of the optimization problem. So that, in the fully deterministic case the Support Vector controller results simpler to synthesize. With reference to Kernel Methods, an original attempt to bring together their regression strengths with the concept of Adaptive Inverse Control is presented. The Kernel Recursive Least-Square algorithm is used to implement an adaptive inverse controller capable of forcing a suitable nonlinear dynamics to follow a desired output. This very method can also be used to check if a given arbitrary trajectory is an admissible output for the nonlinear system under study. Such an innovative algorithm could be fruitfully applied, in future works, to the control of Tip-Tilt mirrors. Eventually, a first sketch of the theoretical framework supporting the use of Adaptive Inverse Control for the solution of the general tracking problem is given. After introducing the mathematical formulation of the tracking problem and the needed mathematical definitions, sufficient and necessary conditions (linear case) and sufficient (nonlinear case) conditions to the existence of the solution are derived.

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.

Dans l'Univers local, la distribution de galaxies est bimodale, reflétant la relation existante entre la couleur et la morphologie. <br /> Une question clef en cosmologie observationnelle est de comprendre comment cette dichotomie est apparue au cours de l'histoire de l'Univers. Les relevés de galaxies ont pour but d'isoler des populations de galaxies à différentes époques cosmiques et de suivre leur évolution. Quantifier de manière fiable les morphologies de galaxies lointaines demeure cependant un obstacle majeur.<br /> Dans le visible, les progrès durant les dix dernières années proviennent essentiellement de données acquises par le télescope spatial Hubble (HST) grâce à la haute résolution angulaire délivrée. Au delà de z~1 pourtant, les caméras visibles du HST sondent le flux UV des galaxies ce qui peut biaiser la morphologie estimée vers des types tardifs. De ce point de vue, les observations dans le proche infrarouge au delà de z~1 sont particulièrement importantes puisque la lumière analysée provient d'étoiles évoluées et est donc moins affectée par des épisodes récents de formation stellaire. <br /> Dans cette thèse, on s'interroge sur la possibilité de quantifier les morphologies de galaxies lointaines dans l'infrarouge proche à l'aide de télescopes au sol afin de quantifier les effets de k-correction morphologique.<br /> Dans un premier temps, l'utilisation d'optique adaptative pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique est explorée. On présente l'analyse de 79 galaxies observées avec le système d'optique adaptative NaCo du Very Large Telescope (VLT). Les limites sont obtenues grâce à des simulations exhaustives et des comparaisons avec le télescope spatial. Une première estimation de l'évolution morphologique depuis z~1.2 est obtenue à partir de cet échantillon. La comparaison avec les morphologies obtenues avec le télescope spatial laisse entrevoir des différences mais l'échantillon est trop petit pour extraire des conclusions robustes. Un programme d'observations plus large est proposé.<br /> Dans un deuxième temps, des améliorations aux méthodes classiques non-paramétriques d'estimation morphologique sont proposées (nombre illimité de paramètres simultanés, frontières non linéaires) afin de pouvoir analyser des données observées à travers l'atmosphère. On démontre que ces améliorations permettent une estimation morphologique en deux grands types (elliptique, spirale) avec un taux de réussite de ~80% sur des données limitées par le seeing. Le code source a été mis à disposition de la communauté. <br /> La méthode développée est ensuite employée pour analyser un échantillon de ~50000 galaxies dans l'infrarouge proche. L'évolution morphologique depuis z~2 est obtenue et une quantification des effets de k-correction morphologique est présentée par comparaison avec des données spatiales. On observe une augmentation de la fraction de galaxies elliptiques depuis z~2 (~20%) jusqu'à nos jours (~30%). La classification obtenue est globalement en bon accord avec celle obtenue avec des données spatiales dans le visible jusqu'à z~1. Au delà, la classification infrarouge a tendance à trouver ~1.5 fois plus de galaxies précoces.

L'optique adaptative équipe de plus en plus de grands télescopes à travers le<br />monde, mais reste un système coûteux et long à mettre en oeuvre. Il y a<br />quelques années commençait le projet d'équiper l'interféromètre GI2T de<br />l'observatoire de Calern (France) d'une optique adaptative à correction<br />partielle fonctionnant dans le visible. Les spécifications ont conduit à la<br />réalisation d'un système à 31 sous-pupilles analysant avec une fréquence<br />d'échantillonnage de 2500Hz. Pour respecter l'enveloppe budgétaire il a été<br />développé un nouvel analyseur de front d'onde à courbure d'un coût bien<br />inférieur aux analyseurs habituellement utilisés.<br /><br />Des études préliminaires avaient été faites pour les choix des différents<br />éléments du système et nous présentons dans ce mémoire les tests de<br />caractérisation. Après avoir décrit et caractérisé le système, nous présentons<br />les mises au point nécessaires au démarrage du système de contrôle concluant au<br />bon fonctionnement du nouvel analyseur de surface d'onde.<br /><br />Le calculateur en temps réel a été hérité d'un développement conjoint de l'ONERA<br />et de la société Shaktiware. Nous avons dû apporter un certain nombre de<br />modifications à ce contrôleur pour le faire fonctionner avec 31 sous-pupilles.<br />Nous proposons une étude de la fonction de transfert de notre système et des<br />optimisations envisageables pour le choix des algorithmes de contrôle.<br /><br />Notre optique adaptative n'est pas limitée à une utilisation sur<br />l'interféromètre GI2T et nous avons étudié et commencé son installation sur le<br />télescope de 1,5 mètre du Laser-Lune de l'Observatoire de Calern.<br /><br />La série de tests en laboratoire a pu montrer le bon fonctionnement de notre<br />système, mais nous n'avons pu évaluer les performances de l'asservissement à<br />haute fréquence. Des simulations nous prédisent cependant des corrections<br />permettant d'obtenir un rapport de Strehl de 0,15 à 635nm pour un télescope<br />de 1,5 mètre dans des conditions moyennes.

À travers mon travail de thèse sur les noyaux actifs de galaxie, dans le proche IR, avec un grand télescope (8-10m) muni d'une optique adaptative, j'ai été amené à faire intervenir des disciplines d'horizons très différents. <br /><br />Plus précisément, il s'agissait d'obtenir des données sur des noyaux actifs de galaxie avec NaCo, de créer et/ou d'adapter de nouvelles techniques de traitement pour les observations avec une optique adaptative, pour enfin interpréter les données ainsi traitées, notamment en les comparant à des modèles numériques. L'acquisition de cette double compétence a été particulièrement favorisée par le statut de ma thèse qui avait pour cadre une collaboration entre l'ONERA et le LESIA.<br /><br />Le problème astrophysique auquel je me suis attaqué est celui de la structuration de l'environnement immédiat des Noyaux Actifs de Galaxie (NAGs) et en particulier du test de l'hypothèse d'un tore de gaz moléculaire et de poussières ainsi que de son interaction avec un jet issu du NAG. Les échelles de ces structures (dizaine de pc) impliquent une résolution angulaire très élevée et la variété des phénomènes en jeu induit des morphologies parfois complexes qu'il est impératif de distinguer d'artefacts instrumentaux subtils.<br />Trois techniques de renforcement de la résolution angulaire et du contraste ont été développées ou améliorées dans ce travail :<br />- Le recentrage d'image sub-pixelique, grâce à un algorithme de type<br /> maximum de vraisemblance<br />- La déconvolution d'image sous contraintes<br />- La reconstruction de la fonction d'étalement de point de l'instrument<br /> avec les données d'analyse de front d'onde<br /><br />Dans chaque cas, la méthode a été appliquée à des données réelles et a permis effectivement un gain important sur la finesse angulaire et donc, au final, sur le retour astrophysique, avec plusieurs résultats originaux en particulier concernant NGC1068 le plus étudié des noyaux de Seyfert de type 2 :<br />- Dans le cas d'Arp 220, prototype des noyaux de galaxie ultra-lumineuses, deux composantes nucléaires ont pu être clairement identifiées, pour la première fois à 3.8µm dans la partie Est du coeur d'Arp 220, permettant d'établir un lien direct entre le proche et le moyen IR. De plus, un double bras d'émission, probablement la zone d'interaction des deux galaxies en fusion, est clairement mis en évidence, entre la source Ouest et les deux sources Est du coeur.<br />- Dans le cas de NGC 1068, de nouvelles structures à la morphologie très particulière (vagues quasi-périodiques), encadrant le jet radio, ont été mises en évidence en bande L' et M d'une part et en bande Ks d'autre part grâce aux premières observations coronographiques jamais réalisées dans le domaine extragalactique. Ces structures dont la formation n'est pas encore expliquée, témoignent d'une interaction forte du jet avec la Narrow Line Region. Une étude photométrique précise dans ces 3 bandes m'a aussi permis de conclure que la poussière dans ces structures était majoritairement composée de nano-grains, peut-être des nano-diamants. En plus d'avoir montré que le cœur était résolu, des observations spectroscopiques de la source la plus centrale m'ont enfin permis d'apporter un certain nombre d'éléments en faveur du modèle unifié des NAG, notamment la présence d'une cavité de sublimation des grains et la présence de gaz moléculaire non dissocié à petite distance du NAG. Le modèle de transfert radiatif dans le tore, développé dans le cadre de ma thèse, a permis de montrer la cohérence de l'ensemble des données.<br />- Dans le cas de NGC 7469, une structure micro-spirale a été mise en évidence grâce à la déconvolution dans les 2" centrales de cette galaxie de Seyfert de type I. De plus des observations spectroscopiques montrent des raies en émissions de l'hydrogène moléculaire sur la ligne de visée de la source la plus centrale, argument fort en faveur du modèle unifié des NAG.<br />- J'ai également contribué à la réduction de données des mesures faites sur le trou noir supermassif du Centre Galactique de 3 à 5 µm qui ont montré la fréquence importante des flares et leur localisation dans un volume de quelques rayons de Schwarzschild. <br /><br />Un certain nombre d'autres observations ont été réalisées durant cette thèse et sont en cours d'exploitation : on citera notamment les premières observations polarimétriques à haute résolution du jet de M87 dans l'IR proche.

Suite aux travaux de Marie Glanc de l'Observatoire de Paris sur l'imagerie rétinienne in vivo à partir d'optique adaptative (OA) et à ceux d'Hubert Gardette sur le développement de la tomographie optique cohérente (OCT- système d'interférométrie) plein champ appliquée à l'ophtalmologie, le projet de coupler ces deux techniques a fait l'objet d'une troisième thèse, celle-ci. Elle consiste en l'étude de faisabilité du couplage dans l'optique d'un usage ophtalmologique in vivo et non invasif. L'étude passe en revue les nombreuses contraintes auxquelles se soumettre ainsi que les diverses améliorations du principe pour parvenir à un détail de la sensibilité théorique finale d'un tel système d'imagerie.

Je présente dans mon travail de thèse une étude complète du coronographe à quatre quadrants proposé par D. Rouan (2000). Ce nouveau coronographe offre des performances de réjection théoriques extrêmement importantes (>10^6). Ces performances ouvrent des possibilités de détection d'exo-planètes autour des étoiles proches. Les premiers résultats en laboratoire, ont donné des taux d'atténuation de l'étoile centrale supérieurs à 90000\footnote(: le résumée de la thèse indique 44000, mais une calibration fine de la densité employée nous donne 90000. ) sur le pic central. J'ai donc naturellement étudié toutes les utilisations possibles de ce coronographe au sol comme dans l'espace. En premier lieu, il peut être utilisé sur les télescopes au sol avec une optique adaptative à haut Strehl. Des simulations numériques seront présentées dans le cadre du projet ``Planet Finder'' de l'ESO pour la détection des naines brunes et des planètes géantes chaudes autour des étoiles les plus proches. Ensuite, je me suis intéressé à l'utilisation du 4Q sur l'instrument MIRI (Mid InfraRed Imager) du JWST, puis sur un interféromètre spatial (pour ``Terrestrial Planet Finder'') de la NASA. Néanmoins, un des problèmes majeurs du masque à 4 quadrants reste le chromatisme du déphasage de pi pour une utilisation en large bande dans le cadre de TPF. Je présenterai donc des solutions permettant d'achromatiser le coronographe.

La majorité des 500 exoplanètes détectées à l'heure actuelle ont été découvertes soit par vélocimétrie radiale, soit par photométrie de transits. L'imagerie directe de planètes extra-solaires peut cependant donner accès à une multitude d'informations nouvelles telles que leur position orbitale et leur spectre. Toutefois, de telles images sont difficiles à obtenir à cause de la faible séparation angulaire et du grand rapport de flux entre les planètes et leur étoile hôte. Pour ces deux raisons, l'imagerie directe d'exoplanètes s'est limitée jusqu'à aujourd'hui à des cas favorables de planètes géantes très lumineuses orbitant loin de leur étoile. Le présent travail vise à développer les capacités d'imagerie à haute dynamique avec un ou plusieurs télescopes pour la détection et la caractérisation de systèmes planétaires. Dans la première partie de ce manuscrit, nous étudions l'utilisation de télescopes terrestres assistés par l'optique adaptative pour la détection de planètes extra-solaires ainsi que de leur complémentarité avec les instruments spatiaux. Des résultats obtenus avec la Well-Corrected Subaperture du Mt. Palomar sur des systèmes multiples serrés sont présentés pour illustrer cette étude. La seconde partie de ce travail est dédiée à l'interférométrie stellaire et annulante. Tout d'abord, nous présentons une nouvelle technique de réduction de données pour l'interférométrie utilisant les distributions statistiques d'intentsité et de contraste afin d'améliorer de manière significative la précision des mesures interférométriques. Cette méthode est ensuite appliquée au Palomar Fiber Nuller afin de contraindre la présence de poussières et de compagnons dans l'environnement stellaire direct de Vega, et de mesurer plusieurs diamètres angulaires d'étoiles avec une très haute précision. Enfin, nous introduisons un relevé que nous menons actuellement avec l'instrument interférométrique AMBER au Very Large Telescope (Paranal, Chili) visant à détecter des compagnons sub-stellaires autour d'étoiles jeunes.