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.

En propagation endo-atmosphérique et sur des longues distances (supérieure à quelques kilomètres), les effets de la turbulence atmosphérique sont importants pour les liaisons de télécommunication optique en espace libre (LOA). Le champ de l'onde subit des perturbations de phase qui modulent l'intensité reçue par le récepteur, dans des proportions pouvant être rédhibitoires pour la fiabilité de la liaison. La pré-compensation du champ émis à l'aide d'une optique adaptative (OA) a été proposée afin de limiter cet effet et de permettre d'augmenter la distance de propagation ainsi que le débit des LOA. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances et les limites, en termes d'efficacité vis-à-vis des LOA, des différentes méthodes de corrections par OA et d'étudier la possibilité de concepts plus efficaces. Nous avons montré qu'une approche itérative de correction de phase et d'amplitude - qualifiée de correction optimale - permet d'atteindre des performances excellentes, la meilleure parmi les approches proposées jusque-là. L'étude de cette approche théorique, nous a permis de fixer les limites de l'apport d'un système d'OA et de montrer que la correction a encore un intérêt largement au-delà de la limite des faibles perturbations. Dans le régime de fortes turbulences, nous montrons les limites des approches classiques - OA par mesure de front d'onde (ASO), par modulation de phase ou itérative de phase (qualifiée de sous-optimale) - notamment à cause de la scintillation, des enroulements de phase et de la présence de bruit de mesure. Nous avons quantifié la baisse de leurs performances vis-à-vis de la correction optimale et proposé une solution permettant de s'affranchir des effets de la scintillation sur la mesure de front d'onde. Nous avons finalement proposé un dispositif pour la pré-compensation de phase et d'amplitude et plus particulièrement de la mesure et de la commande qui devrait permettre de mettre en œuvre la correction optimale.

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. / Classical adaptive optics is limited by anisoplanatism. New concepts, known as Wide Field Adaptive Optics systems, have been developed in order to go beyond this limitation. These systems analyse atmospheric turbulence within a volume, increasing the correction field. These techniques require a precise knowledge of the Cn2 profile. The purpose of my thesis is the on-sky validation of a new measurement method of the Cn2 profile, called CO-SLIDAR, using correlations of slopes and of scintillation, both measured with a Shack-Hartmann on a binary star. My study is organized as follows. First, we perform an end-to-end simulation of the reconstruction of the Cn2 profile in a practical astronomical case. We can thus examine the impact of the different error sources on the reconstruction of the Cn2 profile. This allows us to improve the reconstruction method, taking into account the detection noises. The second part is dedicated to the experimental validation. We design and characterize an acquisition bench, the ProMeO bench. This leads to a good knowledge of the bench's operation and we can compensate for some instrumental effects. The ProMeO bench is then coupled to the MeO 1.5 m telescope. The acquired data allow the estimation of the Cn2 profile, from the ground up to 17 km, with a resolution of 600 m. The CO-SLIDAR profiles are successfully compared with profiles estimated from meteorological data. This work is the first on-sky validation of the CO-SLIDAR method.

Un lien optique basé sur un multiplex de longueurs d'onde autour de 1,55μm est une alternative intéressante pour pallier la saturation des bandes radio-fréquences classiquement utilisées et pour répondre aux besoins de liens haut débit par satellite géostationnaire de la prochaine génération de télécommunication. Compte-tenu de la puissance limitée des lasers envisagés, la divergence du faisceau doit être considérablement réduite. Par conséquent, le pointage du faisceau devient un paramètre critique. Au cours de sa propagation entre la station sol et un satellite géostationnaire, le faisceau optique est dévié et éventuellement déformé par la turbulence atmosphérique. Cela induit de fortes fluctuations du signal de télécommunication détecté, réduisant le débit disponible. Un miroir de basculement est utilisé pour pré-compenser la déviation mesurée à partir d'un faisceau provenant du satellite. Du fait de l'angle de pointage en avant entre la liaison descendante et la liaison montante, les effets de turbulence subis par les deux faisceaux sont légèrement différents, ce qui induit une erreur dans la correction.Le critère de performance de la liaison est l’intensité minimale détectable 95% du temps. Un modèle rapide, nommé WPLOT, prenant en compte les erreurs de pointage et leur évolution temporelle, est proposé pour évaluer cette intensité minimale en fonction des paramètres de la station sol et de la qualité de la correction. Les résultats obtenus avec ce modèle sont comparés avec ceux obtenus par un modèle physique mais plus couteux en temps de calcul ; le code TURANDOT. Grâce à ce modèle, une étude de sensibilité a été réalisée et a permis de proposer un dimensionnement de la station sol. Ce modèle permet également de générer des séries temporelles afin d’optimiser les codes de correction d’erreur et optimiser le débit (1Terabit/s d'ici 2025). / An optical link based on a multiplex of wavelengths at 1.55µm is foreseen to be a valuable alternative to the conventional radio-frequencies for the feeder link of the next-generation of high throughput geostationary satellite. Considering the limited power of lasers envisioned for feeder links, the beam divergence has to be dramatically reduced. Consequently, the beam pointing becomes a key issue. During its propagation between the ground station and a geostationary satellite, the optical beam is deflected and possibly distorted by atmospheric turbulence. It induces strong fluctuations of the detected telecom signal, thus reducing the capacity. A steering mirror using a measurement from a beam coming from the satellite is used to pre-compensate the deflection. Because of the point-ahead angle between the downlink and the uplink, the turbulence effects experienced by both beams are slightly different, inducing an error in the correction. The performance criteria is the minimum detectable irradiance 95% of the time. A fast model, named WPLOT, taking into account pointing errors and their temporal evolution, is proposed to evaluate the minimum irradiance as a function of the ground station parameters and quality of the correction. The model’s results are compared to those obtained with a more physical but requiring more computation power: TURANDOT. A sensitivity study has been realized and led to a sizing of a ground station. The model also enables the generation of time series in order to optimize the forward error correction codes in order to be compliant with the targeted capacity (1Terabit/s by 2025).

Les futurs très grands télescopes donneront la possibilité d'effectuer des observations à très Haute Résolution Angulaire, mais leur conception nécessite une connaissance précise des effets optiques de la turbulence atmosphérique sur de grandes échelles spatiales. Cette étude porte sur la validation expérimentale de la modélisation de la turbulence optique lors de l'observation astronomique à partir du sol.<br />La caractérisation des propriétés spatiales du front d'onde est effectuée à partir des grandes bases de mesure utilisées par l'interféromètres stellaire optique GI2T / REGAIN dans la perspective d'observations avec l'interféromètre VLTI / AMBER. A ces échelles, les déformations du front d'onde ne suivent pas les mêmes lois statistiques et cette étude confirme que l'amplitude des déformations spatiales du front d'onde n'augmente pas indéfiniment avec l'allongement de la base de mesure. Cette étude met en évidence la saturation des grandeurs liées aux déformations spatiales lorsque les distances considérées dépassent la valeur de l'échelle externe de cohérence spatiale du front d'onde.<br />Le GSM ("Generalized Seeing Monitor"), unique instrument dédié à la mesure de l'échelle externe, est utilisé dans une configuration étendue pour tester expérimentalement les différents modèles existants de turbulence optique lors d'observations sur le site de Calern. Une modélisation multi-couche de l'échelle externe est aussi proposée afin de rendre compte des effets optiques de la turbulence atmosphérique selon sa distribution an altitude. Les résultats de cette étude permettent de mieux dimensionner les systèmes d'optique adaptative de nouvelle génération associés aux futurs grands télescopes et interféromètres à très grandes bases.<br />Enfin, cette étude a consisté à développer l'instrument MOSP ("Monitor of Outer Scale Profile") mesurant la distribution verticale de l'échelle externe à partir de l'observation du limbe de la Lune. Plusieurs campagnes d'observation ont été effectuées aux Observatoires de Haute Provence et de Mauna Kea et les premières mesures de profils d'échelle externe sont présentées.

La turbulence optique et son impact sur les images obtenues à partir d'instruments de mesure est un phénomène connu dans le domaine de l'astronomie. Des modèles issus de la théorie de Kolmogorov, développée pour une turbulence dynamique, ainsi que des méthodes de correction, telles que l'optique adaptative, existent pour l'analyse et la compensation des effets de cette turbulence optique. L'analyse de cette dernière dans les milieux confinés est cependant plus limitée. Les sources susceptibles de générer une turbulence optique dans ces espaces sont pourtant multiples et peuvent avoir un impact non négligeable sur les mesures des instruments installés à proximité. Ce mémoire constitue une première approche de la caractérisation de la turbulence optique dans un espace confiné. Après l'introduction des phénomènes étudiés et des outils mathématiques employés, ce mémoire présente les résultats issus d'analyses de coupoles de télescopes et de caractérisations de salles blanches employées par l'entreprise Thales Alenia Space pour l'intégration et le test d'instruments optiques. Ces résultats sont obtenus avec l'instrument INTENSE, développé durant la thèse pour la caractérisation de la turbulence optique locale via la mesure des fluctuations des angles d'arrivée de multiples faisceaux lasers. En prévision de futurs améliorations de l'analyse de la turbulence en espace confiné, un chapitre du mémoire est dédié aux travaux réalisés sur une méthode d'extraction du profil de l'énergie de la turbulence et à son application sur l'instrument INTENSE. Les conclusions et les perspectives des travaux réalisés pendant la thèse sont présentées à la fin du mémoire. / Optical turbulence and its impact on measured images is a well-known phenomenon in astronomy. Models based on the Kolmogorov theory, elaborated for a dynamical turbulence description, and methods, such as Adaptive Optics, were both developed so as to understand and correct the degradations caused by this turbulence. Analysis of the same phenomenon in indoor situation was however less investigated. The local air volume is nonetheless prone to optical perturbations sources which could have non negligible impacts on the measurements of instruments installed at proximity. This document introduces a first approach of indoor optical turbulence characterization. After the introduction of the studied phenomenon and the mathematical tools employed, this thesis present optical turbulence characterizations inside Thales Alenia Space clean rooms used for optical instrument integration and testing. Analyses inside telescope domes are also shown in this document. All the results were obtained using the INTENSE instrument which was developed during the thesis for optical turbulence characterizations using angle of arrival fluctuations of laser beams. In anticipation for future ameliorations of optical turbulence analysis methods, a chapter of this thesis is dedicated to the work made on a turbulence energy profile extraction and its application on the INTENSE instrument. Conclusions and perspectives of the work made during this thesis are presented at the end of the document.

Le plus grand défi pour le déploiement des systèmes de télécommunications basés sur les Liaisons Optiques Atmosphériques (LOA) reste sans doute la limite de leurs performances dans différentes conditions météorologiques et plus particulièrement en présence de brouillard. L'intérêt porté actuellement à ce type de liaisons nous a amené à étudier et à comprendre les effets des différentes conditions météorologiques (pluie, neige, brouillard, etc.) sur la propagation du rayonnement laser dans l'atmosphère. Les performances des LOA dépendent fortement de la longueur d'onde utilisée. En fonction de cette dernière, on cherchera à déterminer, à comprendre et à optimiser les effets de l'atmosphère sur la transmission en espace libre.<br />Pour les ondes optiques visibles et infrarouges, gamme dans laquelle opèrent les LOA, le brouillard joue un rôle prépondérant dans la dégradation de la transmission. L'objet de ce travail porte plus particulièrement sur l'étude de l'effet du brouillard sur les performances des LOA.<br />Nous rappelons, dans un premier temps, l'intérêt des LOA ainsi que leurs implications dans le monde des télécommunications d'aujourd'hui. Nous étudions ensuite la problématique, les défis et les facteurs environnementaux rencontrés par ce type de liaisons et nous exposons les différents modèles empiriques et théoriques existant dans la littérature permettant d'évaluer l'atténuation des ondes optiques en présence de brouillard. <br />Dans un second temps, nous décrivons les propriétés optiques du brouillard à partir de la théorie de diffusion de Mie en fonction de la distribution de la taille de particules. Nous investiguons sous FASCODE les performances des systèmes laser en présence de deux types de brouillard (advection et convection) ainsi qu'à partir d'autres distributions de taille de particules disponibles dans la littérature. Les coefficients d'extinction en fonction de la longueur d'onde (0.4 à 15 µm), pour différentes distributions de taille de particules, sont comparés afin de vérifier la capacité des modèles de brouillard de FASCODE à représenter la variété des types de brouillards existant dans la nature. Nous portons plus particulièrement notre attention sur quelques raies laser utilisées dans les liaisons optiques atmosphériques.<br />A partir de ces résultats, nous avons établi des formules de transmission rapides pour ces longueurs d'onde qui nous permettent de prédire l'atténuation atmosphérique en fonction de la visibilité sans avoir recours aux codes de calcul usuels. Ainsi, un modèle d'atténuation pour le rayonnement laser dans la bande spectrale 0.69 à 1.55 µm sera proposé. Ce modèle est valide pour deux types de brouillard (advection et convection) et pour des visibilités qui varient entre 50 et 1000 m. En effet, le paramètre "visibilité" est mesuré facilement et archivé à partir des stations météorologiques ou des aéroports, ce qui permet une évaluation géolocale des performances de ces systèmes de télécommunication.<br />Dans un troisième temps, nous présentons le logiciel développé à FT R&D, basé sur le modèle d'atténuation que nous avons établi, qui permet de prédire la qualité de service d'une liaison LOA. Une comparaison de la disponibilité réelle d'une liaison (Graz en Autriche) et de la disponibilité prédite à partir de ce logiciel, a permis sa validation.<br />Finalement, la dernière partie de ce travail concerne une série d'expériences en milieu naturel sur plusieurs liaisons optiques. Nous avons comparé le comportement de deux systèmes laser opérant à 3 longueurs d'onde différentes (650, 850 et 950 nm) dans un même canal de propagation et dans les mêmes conditions météorologiques. Nous avons pu valider notre modèle théorique et montrer qu'il apportait une amélioration dans la prévision des mesures de transmission par rapport aux modèles existant dans la littérature et couramment employés.