DOTA - Optique et techniques associées

Unités de recherche

CIO | ERIO | HRA | IODI | MPSO | MVA | POS | SLS

 

Composants et Instruments Optroniques (CIO)

L’unité CIO a pour mission l’étude des propriétés physiques de composants optroniques avec pour objectif la connaissance de leurs performances ultimes. Cette activité va jusqu’à la réalisation d’instruments démonstrateurs innovants repoussant ainsi les limites technologiques dans le domaine de l'Optronique.

Les travaux sont ainsi structurés en trois activités :

  • La conception et la caractérisation de composants nanostructurés sub-longueur d’onde. Alliant compréhension physique, modélisation multi-physique et bancs de caractérisations des propriétés optiques des nanostructures, l’unité propose des concepts de composants aux propriétés originales.
  • La caractérisation électro-optique de détecteurs infrarouges. L’unité a un rôle d’expert indépendant basé sur le développement et la maîtrise de bancs de caractérisation métrologique des performances électro-optiques de détecteurs infrarouge : allant de 1 à 20µm, pour tout type de technologies quantiques ou non refroidies.
  • La conception, la réalisation et le déploiement d’instruments optroniques. Forte des résultats des deux précédentes activités, l’unité développe des instruments innovants pour démontrer et quantifier l’apport des technologies de ruptures pour les besoins civils ou liés à la Défense dans le domaine optronique. La connaissance des besoins opérationnels lui permet ainsi également d'avoir un rôle de maturateur de technologies.

L’unité CIO contribue aux thématiques Optoélectronique, Capteurs optiques et imageurs hyperspectraux, Environnement et signatures pour les senseurs optroniques et maîtrise de la surface d’onde/optique adaptative.

Image prise avec une caméra infrarouge à haute cadence (1300 images par seconde) dont l’électronique de proximité a été réalisée par l’unité CIOmicrospectromètre (concept « microspoc ») et portion d’interférogramme obtenue


A gauche : Image prise avec une caméra infrarouge à haute cadence (1300 images par seconde) dont l’électronique de proximité a été réalisée par l’unité CIO; à droite : microspectromètre (concept « microspoc ») et portion d’interférogramme obtenue.

 

Etalonnage, Réalisation d’Instruments et mesures Optiques (ERIO)

L’unité ERIO  conçoit, développe, et met en œuvre des instruments innovants dédiés aux mesures terrain, y compris aéroportées.
Les travaux sont structurés en trois grands domaines :

  • La recherche en technologies utilisables pour la réalisation de senseurs optroniques passifs à des fins d’imagerie et de spectrométrie pour des applications civiles ou liées à la Défense,
  • Le développement d'instruments de mesures pour produire des données radiométriques,
  • L'exploitation d’un parc unique d’instruments de mesures et de méthodologies associées pour améliorer la connaissance de l’environnement optronique (ensemble des grandeurs qui contribuent aux signaux enregistrés par des senseurs optroniques : fonds atmosphérique, signatures d’intérêt pour applications militaires, etc.)

L’unité ERIO contribue aux thématiques Capteurs optiques et imageurs hyperspectraux, Télédétection active et passive, Environnement et signature pour les senseurs optroniques et Optoélectronique.

A) Caméra hyperspectrale infrarouge cryogénique, B) Camera cryogénique compacte pour détection et quantification de méthane, C) Conception opto-mécanique  d’une caméra compacte infrarouge multispectrale.

A) Caméra hyperspectrale infrarouge cryogénique, B) Camera cryogénique compacte pour détection et quantification de méthane, C) Conception opto-mécanique  d’une caméra compacte infrarouge multispectrale.

 

Haute Résolution Angulaire (HRA)

Les développements menés dans l’unité HRA visent à atteindre la limite ultime de résolution des systèmes optiques en dépit des perturbations subies par l’onde lors de ses interactions avec l’environnement. Les compétences développées portent sur la modélisation physique des perturbations, sur leur caractérisation optique, et leur correction par des méthodes opto-mécaniques (optique active et adaptative) ou numériques (traitements d’images).

Les domaines applicatifs concernés sont la caractérisation de la turbulence atmosphérique, le développement des systèmes d’optique adaptative des très grands télescopes (VLT, E-ELT), l’observation de l’espace depuis le sol, les concepts de télescope embarqués à pupilles segmentées ou lacunaires, l’imagerie et la focalisation d’ondes optiques dans les milieux complexes comme l'atmosphère turbulente ou les tissus biologiques.

Ces travaux s’appuient sur une démarche de validation expérimentale des concepts et des modèles développés en conditions réelles. Parmi les réalisations les plus récentes, l’équipe compte SAXO, le système d’optique adaptative extrême de l’instrument SPHERE (collaboration IPAG, LESIA, LAM, ESO, INAF, Université de Genève), la démonstration du premier lien optique corrigé par optique adaptative avec un micro-satellite (collaboration CNES/OCA/NICT) et la conception d’un laser de photocoagulation rétinien assisté par optique adaptative.

L’unité HRA contribue aux thématiques Maîtrise de la surface d’onde/optique adaptative, Environnement et signatures pour les senseurs optroniques et Capteurs optiques et imageurs hyperspectraux.

Première ligne : à gauche, l’instrument SPHERE sur la plateforme Nasmyth de l’UT3 du VLT; à droite l’image directe de l’exoplanète Beta-Pic B au foyer de l’instrument. Deuxième ligne : à gauche image de vaisseaux et de fibres nerveuses in vivo par le banc “ ECUROeil” installé au centre d’investigation clinique des XV-XX (barre d’échelle : 50µm); à droite : instrument de caractérisation de profil de turbulence SCINDAR

Première ligne : à gauche, l’instrument SPHERE sur la plateforme Nasmyth de l’UT3 du VLT; à droite l’image directe de l’exoplanète Beta-Pic B au foyer de l’instrument. Deuxième ligne : à gauche image de vaisseaux et de fibres nerveuses in vivo par le banc “ ECUROeil” installé au centre d’investigation clinique des XV-XX (barre d’échelle : 50µm); à droite : instrument de caractérisation de profil de turbulence SCINDAR

 

Interaction Ondes-matières et systèmes laser pour la Détection directe et l’Imagerie (IODI)

L’unité IODI anime un domaine de recherche focalisé sur les systèmes laser pour l’imagerie et la télédétection qui se décline en trois grands domaines d’applications :

  • Le diagnostic et la caractérisation optique de milieux diffusants (aérosols/suies) par lidars, complétés par des moyens de caractérisation de l’atmosphère.
  • La maîtrise (modélisation physique, mesure laboratoire ou terrain) des signatures optroniques spectrale, polarisée et temporelle des milieux diffusants denses (revêtement, peinture, émulsion…) et leur exploitation pour la détection sur des scènes complexes.
  • La perception par laser pour détecter, reconnaître, identifier et naviguer plus loin, en haute résolution et en vision 3D, le tout en conditions dégradées (ex : faible visibilité…).

L’unité IODI adresse principalement deux axes technologiques : l’imagerie laser 3D et les lidars multispectraux/hyperspectraux pour lesquels l’équipe pilote le développement et la mise en œuvre de systèmes, de la chaîne de modélisation physique au traitement de signal et à l’exploitation des données. Elle teste leur complémentarité avec des capteurs optiques ou radars. Sur ces deux axes, IODI conçoit et évalue des solutions innovantes pour accroître la performance et la qualité des données, développe des capteurs compacts et embarqués (par exemple sur drone) et conçoit les capteurs multi missions et reconfigurables.

L’unité IODI contribue aux thématiques Lasers/Lidars et Imageurs 3D, Environnement et signatures pour les senseurs optroniques et Télédétection passive et active.

Imagerie Physique par Laser. A droite, de haut en bas :  du concept d’un imageur laser 3D à comptage de photon pour l’identification longue portée de cibles au lidar 3D embarqué sur drone pour la cartographie à haute résolution pour le secours aux victimes. En bas, de gauche à droite : des mesures de signatures hyperspectrales de réflectivité à la détection de traces biologiques sur une scène de crime par imagerie laser hyperspectrale

Imagerie Physique par Laser. A droite, de haut en bas :  du concept d’un imageur laser 3D à comptage de photon pour l’identification longue portée de cibles au lidar 3D embarqué sur drone pour la cartographie à haute résolution pour le secours aux victimes. En bas, de gauche à droite : des mesures de signatures hyperspectrales de réflectivité à la détection de traces biologiques sur une scène de crime par imagerie laser hyperspectrale

 

Modélisation Physique de la Scène Optronique (MPSO)

L’unité MPSO a pour mission de prédire les signaux susceptibles d’être observés par les senseurs optroniques actuels ou futurs. Cette mission se décline en trois objectifs :

  • Prédire l'impact de l'environnement optronique sur les performances des senseurs
  • Maîtriser les signatures de menaces et leur incertitude
  • Capitaliser les modèles et les signatures

MPSO développe le code de transfert radiatif atmosphérique  MATISSE, outil de référence pour la DGA.

Le périmètre de l’unité MPSO couvre les activités suivantes :

  • La modélisation du transfert radiatif dans les milieux naturels et dans les cibles d’intérêt militaire, en vue de connaître les signatures des cibles et des fonds,
  • Le développement et la diffusion auprès d’utilisateurs des codes correspondants,
  • La mise au point et la diffusion de modèles comportementaux (simplifiés) reproduisant les phénomènes prépondérants impactant la signature,
  • L'évaluation statistique des signatures, l’étude des climatologies et de leur impact sur les dispersions de signatures,
  • La spécification de campagnes de mesures et d’instruments optroniques, puis l’exploitation des mesures, afin d’étudier la phénoménologie des signatures, et d’en valider les modélisations, la spécification des bases de données correspondantes.

L’unité MPSO contribue principalement aux thématiques Environnement et signatures pour les senseurs optroniques, Télédétection active et passive et Capteurs optiques et imageurs hyperspectraux.

Modélisation physique de la scène optronique

Modélisation physique de la scène optronique

 

Modélisation de dispositifs optroniques et Validations Associées (MVA)

L’unité MVA s’articule autour des quatre axes suivants :

  • L’évaluation des performances des systèmes optroniques. L’unité MVA se concentre sur le développement de modèles capteurs avec différents niveaux de représentativité : de la modélisation fine à la modélisation comportementale. L’unité développe de nouvelles méthodologies de validation des outils de génération de scène optronique.
  • La modélisation des phénomènes de transfert dans les milieux hétérogènes. Cette activité porte sur le développement et la validation de modèles thermiques nécessaires au calcul de la température de surface d’une scène (fond, cibles simples) pour alimenter les modèles de transfert radiatif infrarouge ainsi que sur l’application de codes industriels pour la modélisation de cibles plus complexes. Cet axe comprend également la modélisation des phénomènes de diffusion et de propagation d’ondes dans les milieux hétérogènes.
  • La détermination de la signature infrarouge et visible des aéronefs et des cibles hors atmosphère
  • Le développement de moyens de recueil de données aéroportées couvrant l’ensemble du domaine électromagnétique en coopération le département DEMR (Electromagnétisme et Radar). Cet axe comprend l’intégration des capteurs en pods, l’acquisition de données aéroportées, la mise au point de chaînes de pré-traitements/traitements adaptées aux applications visées ainsi que la démonstration et la validation en vol du potentiel de nouveaux concepts de capteurs.

L’unité MVA contribue aux thématiques Environnement et signatures pour les senseurs optroniques et Télédétection active et passive.

Acquisition de données de télédétection aéroportée. Cartographie de l'humidité des sols par la méthode du triangle : (a) Motoplaneur BUSARD (b) Diagramme indice de végétation vs température de brillance normalisée (triangle) (c) Cartographie de température de brillance (d) Cartographie d'indice de végétation (e) Cartographie d'humidité du sol (zone entourée en rouge : suspicion de fuite d'eau)

Acquisition de données de télédétection aéroportée. Cartographie de l'humidité des sols par la méthode du triangle :
(a) Motoplaneur BUSARD
(b) Diagramme indice de végétation vs température de brillance normalisée (triangle)
(c) Cartographie de température de brillance
(d) Cartographie d'indice de végétation
(e) Cartographie d'humidité du sol (zone entourée en rouge : suspicion de fuite d'eau)

 

Propriétés Optiques des Scènes (POS)

L’unité de recherches POS a pour mission de réaliser des études et recherches dans le domaine de la télédétection optique du visible à l’infrarouge thermique pour les besoins liés à la Défense, à la Sécurité et à l’Environnement à partir de satellites, aéronefs (avions et drones) ou encore depuis le sol.

Pour cela, elle développe des connaissances, compétences et savoir-faire pour :

  • Identifier et caractériser les variables accessibles par télédétection, caractéristiques des propriétés géométriques, bio-physico-chimiques des constituants de la scène ;
  • Comprendre la physique du rayonnement observé et modéliser l’inversion du signal reçu pour remonter aux propriétés optiques des objets observés ;
  • Développer des traitements du signal de plus haut niveau, afin d’estimer les propriétés physiques caractérisant le milieu (humidité de surface, stress hydrique de la végétation, minéralogie, pollution et ses effets indirects...)
  • Développer et mettre en œuvre des méthodes et moyens pour leur validation

L’unité POS contribue à la thématique Télédétection active et passive.

Cartographie automatique d'espèces d'arbres en zone urbaine basée sur des données de télédétection multi-sources

Cartographie automatique d'espèces d'arbres en zone urbaine basée sur des données de télédétection multi-sources

 

Source Laser et Systèmes lidar (SLS)

Le périmètre scientifique et technique de l'unité SLS porte sur la conception et la réalisation de systèmes laser innovants pour des applications Aéronautique, Spatiale, Défense et Environnement. Voici quelques technologies développées à SLS et leurs applications :

  • Mesure de concentration de gaz, vitesse air, température, densité de l’atmosphère avec des lidars à détection directe ou cohérente pour des applications éoliennes ou de sécurité aérienne (détection de turbulences), de surveillance d’émission de gaz à effet de serre ou gestion de crise lors de fuites, surveillance de la pollution atmosphérique…
  • Mesure de vibrométrie, vélocimétrie et distance sur cibles «dures» pour des applications de surveillance de bâtiments et de drones,
  • Montée en puissance des sources lasers pour augmenter la performance (portée, précision,…) des lidars,
  • Développement de sources fibrées à des longueurs d’onde jusqu’ici  non accessibles dans des systèmes embarquables pour adresser de nouvelles applications.

Les diverses compétences de l’équipe permettent de maîtriser toutes les étapes du système laser depuis la source jusqu’au traitement de données, par exemple :

  • Interaction laser/atmosphère : modélisation des diffusions de Mie, Rayleigh ou Raman…
  • Source : étude des effets non linéaires dans les fibres, modélisation laser, spectroscopie des fibres, lasers semi-conducteurs, combinaison cohérente de lasers, lasers de puissance…
  • Système : architecture du lidar, détection hétérodyne, électronique de contrôle/commande/acquisition temps réel…
  • Traitement du signal : algorithmes de traitement temps réel, estimateurs optimaux…

L’unité SLS contribue à la thématique Lasers fibrés/lidars et imageurs 3D.

Laser fibré 1.5 µm haute énergie spécifiquement développé pour le Lidar LIVE pour la mesure de champs de vent  à partir d’un avionLidar LIVE

Un exemple de mesure de fuite de Méthane avec le lidar VEGA (VEnt et GAz)Carte de vent obtenue avec le lidar Live pour un scan oblique à partir du sol

En haut à gauche, Laser fibré 1.5 µm haute énergie spécifiquement développé pour le Lidar LIVE ( en haut à droite ) pour la mesure de champs de vent  à partir d’un avion. En bas à gauche, un exemple de mesure de fuite de Méthane avec le lidar VEGA (VEnt et GAz). En bas à droite, carte de vent obtenue avec le lidar Live pour un scan oblique à partir du sol