Thesis (PhD (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: South Africa and Australia are now the two remaining countries bidding for the Square Kilometre Array (SKA), the biggest and most sensitive project ever undertaken in radio astronomy. The South African SKA is demonstrating its technology capabilities through the Karoo Array Telescope (KAT or MeerKAT). The development of KAT is taking place in stages to optimise design and minimise risks at each stage. An array of seven 12 m antennas will be complete by the end of 2009, called KAT-7. The following phase will see the construction of MeerKAT, which will lead to eighty arrayed dishes. Lightning and RFI studies for KAT-7 are the focus of this dissertation. Due to the extent and complexity of the South African demonstrator project, these studies have largely been conducted on a single structure. Parameters for the dish antenna and pedestal design changed throughout their development. To be effective, the doctoral research had to track these changes appropriately. A Method of Moments frequency domain computational electromagnetic code, FEKO, is used throughout the study. The consequences of direct and indirect lightning strikes are examined for the KAT-7 structure. Important FEKO model verification is achieved through measurement of physical scale models in an anechoic chamber. The microwave simulation code, CST, gives direct comparison of FEKO results by using a finite volume time domain method of calculation. Using frequency domain analysis on these models, the lightning down conductor design over the dish antenna bearings is optimised with cost-effectiveness as one driving parameter. RFI coupling levels for different designs are compared to each other to identify areas requiring RFI mitigation. Analysis of resonances enables evaluation of the mitigation at frequencies sensitive to radio astronomy. A Sommerfeld integral ground plane is used together with the computational model to investigate the use of the concrete foundation steel reinforcing as part of the lightning earthing electrode system. Different interconnections of the steel reinforcing elements are critically evaluated. The KAT-7 design incorporated clear lightning protection and RFI mitigation policies derived from recommendations contained within this dissertation. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Suid-Afrika en Australie is nou die oorblywende twee lande wat bie vir die Vierkante Kilometer Reeks (SKA), die grootste en mees sensitiewe projek nog ooit in radio astronomie onderneem. Die Suid Afrikaanse SKA demonstreer sy tegnologiese bekwaamheid met die Karoo Reeks Teleskoop (KAT of MeerKAT). Die ontwikkeling van KAT vind plaas in fases om die ontwerp te optimaliseer en risikos te minimaliseer met elke fase. ’n Reeks van sewe 12 m antennas, genaamd KAT-7, sal teen die einde van 2009 klaar wees. Die volgende fase behels die konstruksie van MeerKAT, wat sal lei tot ’n tagtig-skottel reeks. Die fokus van hierdie proefskrif hanteer weerlig en radiofrekwensie steurings (RFS) vir KAT-7. As gevolg van die omvang en kompleksiteit van die Suid-Afrikaanse demonstreerder projek, is die studies hoofsaaklik op een struktuur gedoen. Parameters vir die antenna-skottel en -voetstuk ontwerp het met hul ontwikkeling deurgaans verander. Om effektief te wees, moes die doktorale navorsing hierdie veranderinge toepaslik volg. ’n Metode-van-Momente frekwensiedomein rekenaar elektromagnetiese kode, FEKO, is deurgaans met die studie gebruik. Die gevolge van direkte en indirekte weerligslae vir die KAT-7 struktuur is ondersoek. Belangrike FEKO model bevestiging is bereik met metings van skaalmodelle in ’n anego¨ıse kamer. Die mikrogolf-simulasie kode, CST, gee ’n direkte vergelyking met die FEKO resultate deur ’n eindige-volume-tyd-domein metode van berekening te gebruik. Met behulp van frekwensiedomein analise van hierdie modelle, is die weerligafleierontwerp oor die antenna-skottel laers ge-optimaliseer, met koste-effektiwiteit as een van die drywingsparameters. RFS koppelingsvlakke vir onderskeie ontwerpe is teen mekaar opgeweeg om areas te identifiseer wat RFS tempering benodig. Analise van resonansies stel die evaluering van die tempering in staat teen frekwensies wat sensitief is vir radio astronomie. ’n Sommerfeld integrale grondvlak word saam met die rekenaarmodel gebruik om die insluiting van die beton se staalversterking as deel van die aardingselektrodestelsel te ondersoek. Verskillende bindmetodes van die onderlinge staalversterkingselemente word krities ge¨evalueer. Die KAT-7 ontwerp inkorporeer duidelike weerligbeveiligings- en RFS temperingstrategie ¨e, komende van aanbevelings in hierdie proefskrif omskryf

Thesis (PhD)-- Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: Superconducting electronics can make the Square Kilometre Array (SKA) a better instrument. The largest radio telescope in the world will consist of several arrays, the largest of which, consisting of more than 3000 dishes, will be situated primarily in South Africa. The ambitions of the SKA are grand and their realisation requires technology that does not exist today. Current plans see signals in the band of interest ampli ed, channelised, mixed down and then digitised. An all-digital frontend could simplify receiver structure and improve its performance. Semiconductor (analog-to-digital converters) ADCs continue to make great progress and will likely nd applications in the SKA, but superconductor ADCs bene t from higher clock speeds and quantum accurate quantisation. We propose a superconducting softwarede ned radio frontend. The key component of such a frontend is a superconducting ash ADC. We show that employing such an ADC, even a small- to moderately-sized one, will signi cantly improve the instantaneous bandwidth observable by the SKA, yet retain adequate signal-to-noise ratio so as to achieve a net improvement in sensitivity. This improvement could approach factor 2 when compared to conventional technologies (at least for continuum observations). We analyse key components of such an ADC analytically, numerically and experimentally and conclude that fabrication of such an ADC for SKA purposes is certainly possible and useful. Simultaneously, we address the power requirements of high-performance computing (HPC). HPC on a hitherto unprecedented scale is a necessity for processing the vast raw data output of the SKA. Utilising the ultra-low-energy switching events of superconducting switches (certain Josephson junctions), we develop rst demonstrators of the promising eSFQ logic family, achieving experimentally veri ed shift-registers and deserialisers with sub-aJ/bit energy requirements. We also propose and show by simulation how to expand the applicability of the eSFQ design concept to arbitrary (unclocked) gates. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Supergeleier-elektronika kan 'n beter instrument maak van die \Square Kilometre Array" (SKA). Die wêreld se grootse radioteleskoop sal bestaan uit etlike skikkings, waarvan die grootste - met meer as 3 000 skottels - hoofsaaklik in Suid-Afrika gesetel sal wees. Die SKA is ambisieus en vereis tegnologie wat nog nie vandag bestaan nie. Volgens huidige planne sal seine in die band van belang versterk, gekanalisieer, afgemeng en dan versyfer word. 'n Heel-digitale kopstuk sal die ontvangerstruktuur kan vereenvoudig en sy prestasie kan verbeter. Halfgeleier analoog-na-digital omsetters (ADOs) verbeter voortdurend en sal waarskynlik toepassings in die SKA vind, maar supergeleier ADOs trek voordeel uit hoër klok spoed en kwantumakkurate kwantisering. Ons stel 'n supergeleier sagteware-gede nieerde radio kopstuk voor. Die sleutelkomponent van so 'n kopstuk is 'n supergeleier \ ash" ADO. Ons toon hoe die gebruik van so 'n ADO, selfs een van klein tot matige bisgrootte, die oombliklike bandwydte waarneembaar deur die SKA aansienlik sal verbeter en 'n voldoende sein-tot-ruis verhouding sal behou, en gevolglik 'n netto verbetering in sensitiwiteit sal bereik. Hierdie verbetering kan, vergeleke met konvensionele tegnologie, 'n faktor van 2 nader (ten minste vir kontinuum waarnemings). Ons analiseer belangrike komponente van so 'n ADO analities, numeries and eksperimenteel en lei af dat die vervaardiging van so 'n ADO vir SKA doeleindes beide moontlik en nuttig is. Terselfdertyd spreek ons die drywingsverkwisting van Hoë-verrigting rekenaars aan. Sulke rekenaars van 'n tot dusver ongekende skaal is 'n noodsaaklikheid vir die verwerking van die enorme rou data uitset van die SKA. Deur die gebruik van die ultra-lae-energie skakels van supergeleier skakelaars (sekere Josephson-vlakke), ontwikkel ons die eerste demonstratiewe hekke van die veelbelowende eSFQ logiese familie, en toon eksperimenteel bevestigte skuifregisters en deserieëliseerders met sub-aJ/bis energievereistes. Ons stel verder voor en wys met simulasies hoe om die toepaslikheid van die eSFQ ontwerpkonsep na arbitr^ere (ongeklokte) hekke uit te brei.

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2015. / AFRIKAANSE OPSOMMING : Die vierkantkilometer-radioteleskoop SKA (―Square Kilometre Array‖) sal na verwagting die grootste teleskoop op aarde en die grootste wetenskapprojek in Afrika wees. Hierdie verhandeling konsentreer op hoe die SKA vanaf September 2011 tot Augustus 2012 in die Suid-Afrikaanse media uitgebeeld is. Dit handel oor die leemtes in die literatuur oor wetenskapkommunikasie, veral wat betref wetenskapkommunikasie in Afrikaverband. Deur uit massa- en wetenskapkommunikasieteorie te put, modelleer die studie kommunikasieprosesse en -uitsette met behulp van ‘n konseptuele raamwerk wat op die gedagte van die openbare sfeer berus. Die navorsing word in die besonder onderstut deur onderhoude met sleutelinformante en die ontleding van nuus- en sosiale media. Die wetenskapkommunikasie oor die SKA gedurende hierdie tydperk was stelselmatig gekenmerk deur ‘n hoë vlak van koördinasie tussen die aansporings, strategieë en strukture van alle hoofrolspelers oor die kommunikasiestelsel heen. Al die hoofrolspelers buite die media het die SKA op so ‘n manier in die openbare sfeer probeer uitbeeld dat dit openbare steun sou werf. Primêre hekwagterfunksies is aan die voorste SKA-organisasie- en openbaresektor-rolspelers toegewys, maar was verder afgewentel binne universiteite. Hekwagterfunksies in die media is hoofsaaklik deur nuuswaarde sowel as institusionele kultuur en organisatoriese kenmerke bepaal. Verhoudings tussen wetenskaplikes en joernaliste was oënskynlik oor die algemeen positief en gegrond op vertroue. Die beduidendste bron van inligting vir joernaliste was die SKA self, gevolg deur rolspelers in die openbare sektor. Tog is ander rolspelers, bepaald plaaslike belanghebbendes, gemarginaliseer. Die Afrikaanstalige media het veral onder plaaslike gemeenskappe ‘n belangrike rol gespeel en het meer dikwels as ander oor die SKA berig. Die sosiale media het die SKA merendeels op ‘n soortgelyke wyse as die nuusmedia hanteer, maar die struktuur van kommunikasie-uitsette is beïnvloed deur die kenmerkende eienskappe van sosiale media self, waaronder die virale verspreiding van boodskappe en hoër vlakke van vryewilsoptrede (―agency‖) deur individuele rolspelers. Tog was daar aanduidings van beduidende media-integrasie, in die sin dat groot Suid-Afrikaanse mediahuise die bron was van die meeste boodskappe in sowel die nuus- as sosiale media. / ENGLISH ABSTRACT : The Square Kilometre Array (SKA) radio telescope is set to become the largest telescope on Earth, and also the largest science project in Africa. This dissertation focuses on the manner in which the SKA was represented in the South African media from September 2011 to August 2012. This addresses gaps in the literature on science communication, particularly with respect to science communication in an African context. By drawing on mass communication theory and science communication theory, it models communication processes and outputs using a conceptual framework based on the notion of the public sphere. Empirically, the study is underpinned by key informant interviews and the analysis of news media and social media content. Systemically, the science communication of the SKA during this period was characterized by a high level of alignment of incentives, strategies, and structures across the main actors in the communication system. Main actors outside the media all aimed to position the SKA in the public sphere in a manner that would grow public support. Primary gatekeeping functions were positioned at the apex of the SKA organisation and public sector actors, but were more devolved within universities. Gatekeeping in the media was primarily driven by news value, as well as institutional culture and organisational attributes. Relationships between scientists and journalists were found to be generally positive and trust-based. The most significant source of information for journalists was the SKA itself, followed by public sector actors. However, other actors were marginalized, particularly local stakeholders. The Afrikaans language media played an important role, particularly among local communities, and published about the SKA relatively more often. The social media represented the SKA in a broadly similar manner to the news media, but the structure of communication outputs was influenced by the distinct attributes of the social media, including the viral propagation of messages and higher levels of agency by individual actors. However, there were indications of substantial media integration, in that major South African media corporations were the source of the majority of messages in both the news and social media. The tone of media outputs was largely neutral or positive, framing the SKA as a 'good news story‘. The overarching dominant frame for representing the SKA was the site allocation process, in which South Africa and Australia competed in a bid to host the telescope for the international SKA consortium. Science and technology aspects of the project constituted the second most common framing, within which the search for extra-terrestrial intelligence was the most commonly represented research question. Representations of technological aspects of the SKA were generally shallow, with most articles mentioning only one aspect of the project‘s technology. The SKA was also constructed as a symbol, representing an instance of African scientific and technological achievement, African participation in globalized science, and a refutation of Afro-pessimism. The impact of the SKA on the public imagination, and the public sphere, was thus clearly far wider and deeper than only its science and technology accomplishments and contributions.

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe. / The main goal of this thesis is the improvement of high-contrast imaging techniques enabling the direct detection of faint companions at small separations from their host star. More precisely, it answers some questions linked to the development of the Gemini Planet Imager (GPI), a second generation instrument for the Gemini telescopes. This instrument will use an integral field spectrometer (IFS) to characterize the detected faint companions and to attenuate the speckle noise limiting their detection. Moreover, it will use a combination of two deformable mirrors, the woofer and the tweeter, in its adaptive optics (AO) system in order to reach the atmospheric turbulence correction sought. The woofer corrects the low spatial frequency high amplitude aberrations while the ones with a high frequency and a low amplitude are compensated by the tweeter. First, the high-contrast imaging performance achieved by current on-line IFS on 8-10 m telescopes are investigated through the observation of the faint companion to the star GQ Lup using the IFS NIFS and the AO system ALTAIR presently in function on the telescope Gemini North. The angular differential imaging (ADI) technique is used to reach an attenuation of the speckle noise by a factor of 2 to 6. The JHK spectra obtained were used to constrain the mass of the companion to 8−60 MJup making it most likely a brown dwarf. MJup represents the mass of Jupiter. Current on-line IFS were conceived to be versatile so that they could be used in many astrophysical fields. Hence, their conception was not optimized for high-contrast imaging. The second part of this thesis objective was to build and test in the laboratory an IFS optimized for this task. Four speckle suppression algorithms were tested on the resulting data: the simple difference, the double difference, the spectral deconvolution and a novel algorithm developed in this thesis dubbed the spectral twin algorithm. We found the spectral twin algorithm to be the most efficient to detect both types of companions tested: methanated and non-methanated. The detection signal-to-noise ratio was improved by a factor up to 14 for the methanated companion and up to 2 for a non-methanated one. In the last part, problems linked to the wavefront correction split between two deformable mirrors are investigated. First, a method allowing to select the woofer key parameters such as its diameter, its number of actuators and its required stroke which influenced the overall instrument design is presented. Second, since GPI will use a Fourier reconstructor, we propose to split the command in the Fourier domain and to limit the modes sent to the woofer to the ones it can accurately reproduce. In GPI, this results in replacing two matrices of 1600×69 elements in the case of a classic command split scheme by a single matrix of 45×69 components with the proposed method.

Une calibration orbitale du Valanginien et d’une partie de l’Hauterivien (Crétacé inférieur) est présentée au cours de ce travail. Celles-ci sont basées sur l’identification des cycles de l’excentricité à partir d’analyses spectrales menées sur des proxies climatiques mesurés à haute résolution sur des alternances marne/calcaire hémipélagiques.Cinq coupes de référence sont analysées dans le Bassin Vocontien (Sud-Est de la France), couvrant l’ensemble de l’étage du Valanginien. Une durée de 5,08 Ma est proposée pour cet étage à partir de l’identification du cycle de l’excentricité de 405 ka. Le cadre temporel proposé, combiné aux âges radioisotopiques disponibles, montre que la perturbation en 13C du Valanginien moyen (événement Weissert) est antérieure à la mise en place des trapps du Paraná-Etendeka. La forte expression de l’obliquité dans la partie supérieure du Valanginien pourrait refléter la mise en place de calottes polaires de faible extension.La transition Hauterivien-Barrémien de Río Argos (Sud-Est de l’Espagne) est traitée par une analyse multi-proxies (cortèges argileux et susceptibilité magnétique ou SM). Par comparaison avec les bancs calcaires, les interbancs marneux sont enrichis en kaolinite et en illite, appauvries en smectite et possèdent de fortes valeurs de SM. Cela reflète des conditions tropicales humides lors du dépôt des marnes tandis que les calcaires se déposent en climat semi-aride. Les durées des zones d’ammonite à P. ohmi et à T. hugii sont respectivement estimées à 0,78 Ma et 0,54 Ma. L’événement anoxique Faraoni a une durée comprise entre 100 et 150 ka. Par corrélation avec d’autres coupes, Río Argos apparaît être le meilleur candidat GSSP / Orbital floating time scales are proposed for the Valanginian Stage and part of the Hauterivian Stage (Early Cretaceous). These are based on the identification of the eccentricity cycles from spectral analyses performed on high-resolution climatic proxies measured on hemipelagic marl-limestone alternations. Five reference sections were analysed in the Vocontian Basin (SE France), spanning the entire Valanginian. A duration of 5,08 myr is proposed for the Valanginian Stage from the identification of the 405-kyr eccentricity cycle. The time frame proposed, combined with available radiometric ages, shows that the mid-Valanginian 13C positive excursion (namely the Weissert Event) occurs prior to the onset of the Paraná-Etendeka traps. The stronger expression of the obliquity cycles in the upper part of the Valanginian Stage may be caused by the onset of low-extension polar ice. The Hauterivian-Barremian transition of the Río Argos section (SE Spain) was studied by a multi-proxies analysis (clay minerals, magnetic susceptibility or MS). Compared to limestone beds, marl interbeds are enriched in kaolinite and illite, impoverished in smectite and show stronger MS values. This reflect tropical humid conditions during marl deposits while limestone were deposited under semi arid conditions. The durations of the P. ohmi and T. hugii ammonite zones are assessed at 0.78 myr and 0.54 myr, respectively. The duration of the Faraoni anoxic event ranges from 100 to 150 kyr. By correlation with other sections, the Río Argos section appears to be the most valuable candidate for GSSP.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la mission spatiale Rosetta et porte sur les propriétés spectrophotométriques de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko à l’aide de l’instrument OSIRIS. Cet instrument est composé de deux caméras pour les observations du noyau et de la coma de la comète. Elles permettent d’acquérir des images avec des filtres qui opèrent dans la gamme du proche UV au proche IR. Dans un premier temps, j'ai analysé les courbes spectrophotométriques des taches claires qui sont apparues sur le noyau de la comète. Une étude comparative de celles-ci grâce aux données du spectro-imageur VIRTIS a ainsi permis de constater que les taches claires sont liées à la glace de H2O. Dans un second temps, j’ai entrepris une étude spectrophotométrique de la région Khonsu, qui a mis en évidence les variations saisonnières de la pente spectrale de différents terrains. Par la suite, j’ai élargi mon analyse des taches à tout le noyau de la comète. J’ai détecté plus de 50 taches claires dues à la présence de glace de H2O et j’ai produit une carte pour repérer leurs emplacements sur le noyau, afin d’étudier plus en détail leur répartition et leur évolution au cours de temps. Ceci m’a permis d’identifier quatre types de taches regroupés en fonction de leur morphologie et de constater qu'elles sont dues à différentes sources d'activité cométaire. / This thesis is based on the spectrophotometric properties of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, using the OSIRIS instrument of Rosetta space mission. Composed of two scientific cameras to observe the nucleus and the coma of the comet, OSIRIS images are acquired with multiple filters, that span the near-UV to near-IR wavelength range. They were used to study the spectrophotometric curves of the exposed bright features that appeared on the surface of the cometary nucleus, leading to a comparative study, that was carried out in collaboration with the VIRTIS spectro-imager aboard Rosetta, that demonstrated, that these exposures are related to H2O ice, using its absorption band located at 2 microns. The thesis further details a spectrophotometric study of the Khonsu region in the southern latitudes of the comet, where the seasonal variation of the spectral slope of different types of terrains is explored. Finally, the results of an extended survey of exposed bright features are presented. More than 50 individual features are presented under four morphologies along with an albedo calculation, suggesting that different activity sources are responsible for their appearance on the nucleus.

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe. / The main goal of this thesis is the improvement of high-contrast imaging techniques enabling the direct detection of faint companions at small separations from their host star. More precisely, it answers some questions linked to the development of the Gemini Planet Imager (GPI), a second generation instrument for the Gemini telescopes. This instrument will use an integral field spectrometer (IFS) to characterize the detected faint companions and to attenuate the speckle noise limiting their detection. Moreover, it will use a combination of two deformable mirrors, the woofer and the tweeter, in its adaptive optics (AO) system in order to reach the atmospheric turbulence correction sought. The woofer corrects the low spatial frequency high amplitude aberrations while the ones with a high frequency and a low amplitude are compensated by the tweeter. First, the high-contrast imaging performance achieved by current on-line IFS on 8-10 m telescopes are investigated through the observation of the faint companion to the star GQ Lup using the IFS NIFS and the AO system ALTAIR presently in function on the telescope Gemini North. The angular differential imaging (ADI) technique is used to reach an attenuation of the speckle noise by a factor of 2 to 6. The JHK spectra obtained were used to constrain the mass of the companion to 8−60 MJup making it most likely a brown dwarf. MJup represents the mass of Jupiter. Current on-line IFS were conceived to be versatile so that they could be used in many astrophysical fields. Hence, their conception was not optimized for high-contrast imaging. The second part of this thesis objective was to build and test in the laboratory an IFS optimized for this task. Four speckle suppression algorithms were tested on the resulting data: the simple difference, the double difference, the spectral deconvolution and a novel algorithm developed in this thesis dubbed the spectral twin algorithm. We found the spectral twin algorithm to be the most efficient to detect both types of companions tested: methanated and non-methanated. The detection signal-to-noise ratio was improved by a factor up to 14 for the methanated companion and up to 2 for a non-methanated one. In the last part, problems linked to the wavefront correction split between two deformable mirrors are investigated. First, a method allowing to select the woofer key parameters such as its diameter, its number of actuators and its required stroke which influenced the overall instrument design is presented. Second, since GPI will use a Fourier reconstructor, we propose to split the command in the Fourier domain and to limit the modes sent to the woofer to the ones it can accurately reproduce. In GPI, this results in replacing two matrices of 1600×69 elements in the case of a classic command split scheme by a single matrix of 45×69 components with the proposed method.

The work deals with distance measuring in space. The first part is about evolution of space arrangement and dimension imaginations from ancient times until the 20th century. Also Aristarchos´ heliocentric model of the solar system is described in detail, including his quantitative estimates of the Moon and Sun distances and dimensions. Hipparchos´ and Ptolemaios´ geometric models are described in detail too. Great attention is given to a genesis of heliocentric theory of Nicolaus Copernicus. The second part deals with contemporary methods of distance measuring. The work proceeds systematically from distances in the solar system to distances between stars as far as to distances between galaxies and quasars. It was necessary to write also about physical principles because distance measuring is based on them. The part of the work is a large pictorial supplement with text comments.

Entre la première photographie jamais prise de la Lune en 1840 par J.W. Draper et la première photographie prise depuis le sol de notre satellite en 1969 par la mission Apollo 11, l’aventure spatiale occidentale a donné lieu à une vaste production d’images. Toutes ont cherché à comprendre, capturer et communiquer au plus grand nombre l’aspect du cosmos. Absorbé comme une évidence par la culture collective, ce corpus hétérogène, protéiforme et aux délimitations complexes, relève d’une histoire culturelle qui reste difficile à classer, entre histoire des sciences et histoire des images. Les visualisations qui en résultent, marquées par les traditions de l’histoire de la représentation et fabriquées en parallèle des évolutions technologiques de l’astronomie et de ses moyens d’observation, ont tout autant façonné le regard de l’astronomie physique et la culture visuelle de ses observateurs néophytes. L’analyse de la formation et de l’épanouissement de l’Art spatial au XXe siècle nous ouvre ainsi les yeux sur un corpus visuel où la coalescence entre science et style est une condition nécessaire à son existence. A l’épreuve de l’histoire de l’histoire de l’art et des études visuelles, ce dernier trouve également toute sa place dans une analyse qui vise à dévoiler la puissance et la qualité performative des images. Qu’il s’agisse d’une imagerie vulgarisant le savoir savant à des fins didactiques, d’une volonté de saisir l’image du cosmos pour le découvrir ou d’une dissémination culturelle au cœur des grands mythes du siècle, l’exploration spatiale fut aussi une entreprise du regard qu’il nous incombe d’observer. / Between the first photograph taken from the moon in 1840 by J.W. Draper and the first photograph taken from our satellite’s ground in 1969 by Apollo 11’s mission, western space odyssey led to a wide range of images. They all had the common goal of understanding, apprehending and sharing the aspect of cosmos with as many people as possible. Evidently absorbed by a collective culture, this heterogeneous and multifaceted corpus with many complex boundaries is based on a cultural history, which remains hard to classify, between science history and images history. The resulting visualizations, heavily influenced by the traditions of the history of representation and made in parallel of the technical evolutions of astronomy and its means of observation, have equally shaped the look of physical astronomy and of the visual culture of its neophyte observers. The analysis of the creation and the fulfilment of Space Art in the twentieth century make us open our eyes on a visual corpus where the coalescence between science and style is a necessary condition to its really existence. Confronted to History of Arts and to visual studies, this corpus finds its place within an analysis, which pursues to disclose the power and the performative quality of images. Whether it be an imagery popularizing the deepest knowledge for teaching purposes, a will of grabbing the image of cosmos in order to discover it or a cultural dissemination at the heart of the most important myths of the century, spatial exploration was also an experience of the look we need to observe.

The focus of this thesis is a development of an electronic guiding unit for a mount of an astronomical telescope allowing observations of artificial satellites orbiting the Earth. It contains a theoretical study of methods developed for the description of positions of objects observable on the celestial sphere, including systems used for storage of this information and regaining it in order to point the telescope in a specific direction. The work includes an analysis of the present supply of commercial devices, followed by a detailed description of the design developed here and its components. Finally, there is outline of possibilities of a future development of the system, focusing on software components.