DOTA - Optique et techniques associées

Thématiques scientifiques

Télédétection active et passive

Cette thématique vise à mieux comprendre la scène optronique pour répondre à des besoins liés à la Défense (référent technique national « environnement optronique » auprès de la DGA) mais aussi à la Sécurité et à l’Environnement. Les travaux menés portent sur l’amélioration des connaissances sur l’environnement dans le système Terre-Atmosphère par télédétection terrestre, aéroportée ou depuis l’espace. Différents moyens (expérimentaux ou par simulation) et des méthodes d’exploitation des données sont ainsi mis en œuvre afin d’évaluer l’apport de nouvelles technologies de télédétection telles que l’imagerie passive à haute résolution (spatiale et/ou spectrale) sur l’ensemble du domaine optique (0.4-12 µm), ou l’imagerie active, ainsi que leur complémentarité. Une telle démarche passe par l’identification et l’évaluation de variables caractéristiques des propriétés géométriques/bio-physico-chimiques des éléments de la scène. L’estimation de ces variables est un vrai challenge car elle doit être réalisée avec des incertitudes maîtrisées.

La thématique Télédétection active et passive implique les unités POS, IODI, ERIO, MOTA, MVA et MPSO.

En haut : fusion d’une image hyperspectrale et d’une image lidar télémétrique pour la délination des houppiers  d’une forêt en zone montagneuse. En bas : pollution anthropique de l’air (à gauche : suivi des sources intenses d’aérosols ; à droite : carte de concentration d’émissions de gaz).

En haut : fusion d’une image hyperspectrale et d’une image lidar télémétrique pour la délination des houppiers  d’une forêt en zone montagneuse. En bas : pollution anthropique de l’air (à gauche : suivi des sources intenses d’aérosols ; à droite : carte de concentration d’émissions de gaz)

 

Maîtrise de la surface d'onde, optique adaptative

Cette thématique est au cœur de l’imagerie à haute résolution angulaire et de la focalisation de faisceaux laser. Elle a pour application directe l’observation de l’espace (sur les plus grands télescopes terrestres ou spatiaux), l’observation de la terre, les télécommunications en espace libre, l’imagerie endo-atmosphérique, l’arme laser, l’imagerie biomédicale ou la chirurgie laser.

Ces activités, pour la plupart duales, reposent sur :

une connaissance fine des environnements et phénomènes physiques perturbant la propagation de l’onde électromagnétique,
la maîtrise du canal de propagation (en lumière cohérente ou incohérente),
la proposition de concepts innovants de mesure de l’onde ou du champ complexe dans des conditions exigeantes (faible rapport signal à bruit, objets complexes, environnements extrêmes …)
le développement de lois de contrôle/commande permettant une correction en temps réel des défauts introduits
la mise en œuvre de processus de traitement de l’information a posteriori utilisant au mieux les connaissances sur l’environnement et les phénomènes observés.

Cette thématique couvre toute la gamme des TRL allant de la proposition de nouvelles idées à la réalisation de démonstrateurs jusqu’à la mise en œuvre finale d’instruments pleinement opérationnels.

La thématique Maîtrise de la surface d’onde/optique adaptative implique principalement l’unité HRA mais également les unités CIO et MOTA.

Vue d’artiste du télescope géant européen, en anglais "Extremely Large Telescope" (ELT). Crédit ESO. L’ELT est un télescope terrestre, faisant partie de la série des trois télescopes géants en cours de construction. Son miroir primaire de 39m de diamètre et l'ensemble de ses technologies et de ses instruments en feront,  l'horizon 2025, l'observatoire le plus complexe et le plus performant jamais construit. Au cœur de l'Optique Adaptative de l'ELT, l'ONERA imagine et conçoit les systèmes et composants qui permettront de s'affranchir des effets néfastes de la turbulence atmosphérique et délivreront une qualité d'image jusqu'ici inégalée (10 milli-secondes d'arc, soit 50 nano-radians) et ceci sur la quasi-totalité du ciel

Vue d’artiste du télescope géant européen, en anglais "Extremely Large Telescope" (ELT). Crédit ESO. L’ELT est un télescope terrestre, faisant partie de la série des trois télescopes géants en cours de construction. Son miroir primaire de 39m de diamètre et l'ensemble de ses technologies et de ses instruments en feront,  l'horizon 2025, l'observatoire le plus complexe et le plus performant jamais construit. Au cœur de l'Optique Adaptative de l'ELT, l'ONERA imagine et conçoit les systèmes et composants qui permettront de s'affranchir des effets néfastes de la turbulence atmosphérique et délivreront une qualité d'image jusqu'ici inégalée (10 milli-secondes d'arc, soit 50 nano-radians) et ceci sur la quasi-totalité du ciel

 

Optoélectronique : photodétection et nanophotonique

La thématique « Optoélectronique : Photodétection et Nanophotonique » a pour but l’étude de l’interaction lumière-matière pour les gammes de longueur d’onde allant du visible et de l’infrarouge proche jusqu’au térahertz.

L’axe de recherche « Physique de la Photodétection » est consacré à l’étude expérimentale et à la modélisation du processus de photodétection, historiquement sur le domaine infrarouge (de 0,8 à 20 μm) et récemment sur le domaine visible bas niveau de lumière. Notre démarche consiste à considérer le photodétecteur comme objet d’étude et d’expertise. Cette activité est menée en collaboration avec les acteurs académiques et industriels du domaine, et pour le compte de la DGA. Cette activité s’appuie sur un parc matériel et sur des protocoles d’essai fiabilisés (et qui servent de référence, par exemple : mesure de FTM, mesure de réponses spectrales, mesure de bruit,…) et dont les développements se poursuivent.

L’axe de recherche  « Nanophotonique » consiste à étudier du point de vue théorique et expérimental des dispositifs micro optiques appliqués au plus près des détecteurs, avec pour but d’améliorer l’embarquabilité des détecteurs infrarouge (réduction de l’encombrement, diminution du coût lié à la cryogénie…), d’accéder à de nouvelles fonctions optiques et d’améliorer les performances des détecteurs actuels. Notre démarche vise à la compréhension des propriétés fondamentales des structures sub-longueur d’onde jusqu’à leur mise en œuvre dans le cadre d’une application pratique (en laboratoire ou sur le terrain), en passant par le développement d’un procédé de fabrication technologique et une phase de validation des modèles comportementaux.

La thématique Optoélectronique : photodétection et nanophotonique  implique les unités CIO, ERIO et MOTA.

A gauche : Banc de mesure de FTM MIRCOS et exemple de profil pixel (pointillés noirs : profil pixel théorique) ; à droite : image visible d’une métasurface et réponse en émission thermique à différentes polarisations et longueurs d’onde

A gauche : Banc de mesure de FTM MIRCOS et exemple de profil pixel (pointillés noirs : profil pixel théorique) ; à droite : image visible d’une métasurface et réponse en émission thermique à différentes polarisations et longueurs d’onde

 

Lasers fibrés, lidars et imageurs 3D

Les activités scientifiques de cette thématique reposent sur la conception, le développement et l’évaluation de performances de sources lasers et d’instruments lidars et imageurs laser pour des domaines d’application variés tels que la Défense, la Sécurité et l’Environnement.

Différents types de systèmes laser sont étudiés : les lasers haute puissance, les lidars pour la mesure de vitesse ou de vibration et les lidars pour la mesure et la caractérisation de gaz ou d’aérosols et enfin les imageurs laser 2D ou 3D. Ces réalisations nécessitent la maîtrise du système complet de la source laser jusqu’au traitement du signal, en passant par l’architecture, la détection et l’acquisition.

Les axes de recherche pour les futurs systèmes sont :

  • Concevoir des sources laser de hautes performances : développement de sources à de nouvelles longueurs d’onde, montée en puissance et techniques de combinaison de lasers
  • Accroître les performances des instruments : portée, couverture spectrale, résolution, disponibilité de la mesure, mesure temps réel
  • Améliorer l’intégration, l’embarquabilité et la robustesse aux environnements hostiles (applications embarquées aéronautiques, spatiales …)
  • Développer de nouvelles fonctionnalités, des capacités multi-fonctions et adresser de nouvelles applications
  • Exploiter les ruptures technologiques au niveau  des composants et mûrir des concepts innovants du laboratoire vers des instruments de terrain

La thématique lasers fibrés/lidars et imageurs 3D implique les unités SLS, IODI et MOTA.

Développement d'instruments lidars embarqués sur avion pour la cartographie 3D de scènes et la mesure des champs de vent

Développement d'instruments lidars embarqués sur avion pour la cartographie 3D de scènes et la mesure des champs de vent

 

Capteurs optiques et imageurs hyperspectraux

La thématique « Capteurs optiques et imageurs hyperpsectraux » a vocation à réaliser des systèmes optroniques pour répondre aux objectifs suivants :

  • Répondre à la mission de référent technique national « environnement optronique » auprès de la DGA ;
  • Mettre en œuvre des capteurs optiques sur le terrain et sur des plateformes embarquées ;
  • Anticiper les futures évolutions en termes d’instrumentation optronique ;
  • Développer des outils pour prédire et optimiser les performances des systèmes optroniques.

La thématique s’articule actuellement sur trois axes de recherche :

  • Instruments pour la mesure physique et le renseignement : il s’agit de mieux connaître les scènes d’intérêts et de mesurer les signatures de cibles. Des radiomètres, des spectromètres, des systèmes hyperspectraux ou multispectraux sans équivalent sur le marché sont ainsi conçus et réalisés.
  • Approche de conception frugale de systèmes optiques : il s’agit d’implémenter une fonction d’imagerie ou de concevoir une architecture optique le plus simplement en répondant à des spécifications très contraignantes comme le volume ou le coût. Pour cela des technologies de ruptures sont étudiées sur les matrices de lentilles, les optiques diffractives, les optiques cryogéniques, les optiques à surface libre dite freeform, les optiques à gradients d’indices… Le gain opérationnel de ces nouveaux systèmes par rapport à l’existant est ensuite évalué.
  • Et plus récemment, algorithmes de conception de systèmes optiques : il s’agit de développer de nouvelles approches de conception en profitant des développements algorithmiques récents pour maîtriser des architectures optiques avec de nombreux degrés de liberté dans une démarche globale qui tient compte de leur fabricabilité et de leur interaction avec une chaine de traitement.

La thématique Capteurs optiques et imageurs hyperspectraux implique principalement les unités ERIO et CIO, et aussi les unités HRA, MOTA et MPSO.

Développement et mise en œuvre d’un moyen hyperspectral infrarouge aéroporté, B) Intégration d’une caméra infrarouge cryogénique dans un drone, C) intégration de composants optiques sur le détecteurDéveloppement et mise en œuvre d’un moyen hyperspectral infrarouge aéroporté, B) Intégration d’une caméra infrarouge cryogénique dans un drone, C) intégration de composants optiques sur le détecteur

 

Environnement et signatures pour les senseurs optroniques

Les activités relevant de la thématique Environnement et signatures pour les senseurs optroniques portent sur la fourniture de grandeurs radiatives expérimentales et simulées issues de la scène observée pour l’évaluation des performances des senseurs optroniques en phase de spécification et de dimensionnement, lors de la recette et durant leur utilisation opérationnelle. Elles couvrent à la fois les aspects théoriques, la mise au point et la mise en œuvre de simulations comme le code de transfert radiatif MATISSE, l’acquisition et l’exploitation de données expérimentales pour la validation et l’enrichissement des modèles et la capitalisation dans des bases de données de référence, notamment la base de propriétés thermo-optiques MEMOIRES. Le rôle de référent technique national « environnement optronique » pour la DGA est structurant pour toutes ces activités, qui  concernent :

  • L’étude des sources de rayonnement optique, d’origines naturelle et artificielle, qui constituent le signal de fond observé par un capteur optique passif ou actif destiné à acquérir le signal d’un objet d’intérêt, ainsi que des phénomènes susceptibles d’influencer la propagation du rayonnement depuis la source, jusqu’au niveau du capteur qui le détecte,
  • La modélisation du clutter de fond (terre, nuages, mer, atmosphère) avec un niveau de réalisme suffisant pour que les scènes produites puissent être employées en complément de données expérimentales pour évaluer les performances d’un senseur optronique,
  • L’étude expérimentale et la modélisation fine des signatures optiques de cibles d’intérêt militaire telles que les aéronefs, les missiles tactiques et balistiques et les satellites.
  • L’évaluation statistique des signatures, l’étude des climatologies et de leur impact sur les dispersions de signatures,
  • Le développement, dans le domaine visible couleur, de méthodologies de validation de générateurs de scène et d’évaluation des performances (portée de DRI) des systèmes d’imagerie avec un observateur humain en bout de chaîne.

La thématique Environnement et signatures pour les senseurs optroniques implique les unités MPSO, MVA, IODI, ERIO, HRA, MOTA et CIO.

Panorama des activités de la thématique avec focus sur : la mesure du rayonnement nightglow – les calculs de signature d’aéronef avec le code CRIRA - les climatologies d’aérosols – la mesure de propriétés optiques de matériaux avec le banc MELOPEE

Panorama des activités de la thématique avec focus sur : la mesure du rayonnement nightglow – les calculs de signature d’aéronef avec le code CRIRA - les climatologies d’aérosols – la mesure de propriétés optiques de matériaux avec le banc MELOPEE