Advanced Control Laws for Exoplanet Imaging Adaptative Optics
Lois de commande avancées pour l'imagerie d'exo-planètes par optique adaptative
Résumé
Exoplanet imaging is both a technological and scientific challenge. Ground-based telescopes instrumentation must produce high contrast images in the vicinity of bright stars, while proper observation techniques must be implemented to be able to detect stellar companions. This demanding science goal is made possible thanks to extreme adaptive optics (XAO) systems that are able to correct in real time for image deformation due to turbulence. Instruments equipped with XAO are in regular operation on 8 m-class telescopes, e.g., SPHERE at the Very Large Telescope or GPI at the Gemini South Observatory. However, imaging companions that are very close to their host stars and/or that are extremely faint needs to improve a major term of the XAO error budget, which is the temporal error due to the presence of delays inherent to any AO system. Indeed, current operational systems do not achieve the required contrast to obtain a small exoplanet's (like Proxima b) direct image, and neither can be easily modified to achieve the required sensitivity. In this manuscript we consider a two-stage Cascade AO system (CAO), which consists in putting in series to an existing XAO system (the so-called first stage) another but faster AO and more sensitive system, namely a second stage. This second stage is equipped with a Pyramid Wavefront Sensor (PWFS) that allows better sensitivity than a Shack-Hartmann Wavefront Sensor (SHWFS). We propose two different CAO structures and consider the use of a predictive controller for the second stage, a Linear Quadratic Gaussian (LQG) regulator.The manuscript presents the context of our research in terms of existing XAO instruments focusing on the improvements that can be made for high contrast imaging, together with key elements to study a CAO system for an 8-m class telescope. A first CAO system is proposed, composed of a slow (that is, in the order of a 1 kHz sampling frequency) high-order first-stage that corrects for the incoming turbulent phase. The resulting residual phase is sent to a fast (4 kHz sampling frequency) low-order second stage equipped with a PWFS. Integral action controllers are used for both stages. Numerical simulations demonstrate that this standard CAO architecture can benefit overall performance, with better contrast at small angular separation. We also study the lifetime of atmospheric residual speckles and their noise contribution in long exposures.This CAO system is then improved by adding a compensation scheme to deal with the high-frequency and non-stationary components due to the over-sampling done by the second stage. We present how this trick can improve the overall performance by making the second stage behave like a stand-alone fast stage with better sensitivity, while taking advantage of the finer spatial resolution of the first stage. We also perform numerical simulations and performance evaluation for this new scheme by replacing the second stage integrator by an LQG regulator. Our performance assessment in terms of contrast shows a significant improvement of the proposed CAO structure over a single stage XAO system or over the initial CAO structure. Using the LQG regulator improves the contrast further in particular at low angular separation. Such a performance would for example bring the detection of oxygen in the atmosphere of Proxima b (if it were present in an Earth-like abundance) within reach.
L'imagerie des exoplanètes est un défi à la fois technologique et scientifique. L'instrumentation des télescopes au sol doit produire des images à haut contraste au voisinage d'étoiles brillantes, tandis que des techniques d'observation appropriées doivent être mises en œuvre pour pouvoir détecter les compagnons stellaires. Cet objectif scientifique exigeant est rendu possible grâce aux systèmes d'optique adaptative (OA) extrême (XAO), qui sont capables de corriger en temps réel la déformation des images due à la turbulence. Des instruments équipés de XAO sont opérationnels sur des télescopes de classe 8 m, par exemple SPHERE au Very Large Telescope ou GPI à l'Observatoire Gemini Sud. Cependant, l'imagerie de compagnons très proches de leur étoile hôte et/ou d'extrêmement faible intensité nécessite d'améliorer un terme majeur du budget d'erreur en XAO : l'erreur temporelle due à la présence de retards inhérents à tout système d'OA. En effet, les systèmes opérationnels actuels n'atteignent pas le contraste nécessaire pour obtenir l'image directe d'une petite exoplanète (comme Proxima b), et par ailleurs ils ne peuvent pas être facilement modifiés pour atteindre la sensibilité requise. Dans ce manuscrit, nous considérons un système d'OA en cascade à deux étages (CAO), obtenu en ajoutant en série à un système XAO existant (le 1er étage) un autre système d'OA plus rapide et plus sensible (le 2e étage). Ce 2e étage est équipé d'un analyseur de front d'onde de type pyramide (PWFS) qui permet une meilleure sensibilité qu'un analyseur Shack-Hartmann (SHWFS). Nous proposons deux structures différentes de CAO et considérons l'utilisation d'une commande prédictive pour le 2e étage : un régulateur linéaire quadratique gaussien (LQG).Le manuscrit présente le contexte de nos travaux en termes d'instruments XAO existants, en se concentrant sur les améliorations qui peuvent être apportées pour l'imagerie à haut contraste, ainsi que sur les éléments clé d'un système CAO pour un télescope de classe 8 m. Un premier système CAO est proposé, composé d'un 1er étage à résolution spatiale élevée mais lent (fréquence d'échantillonnage de l'ordre de 1 kHz) corrigeant la phase turbulente entrante. La phase résiduelle qui en résulte est envoyée à un 2e étage à basse résolution spatiale mais rapide (fréquence d'échantillonnage de 4 kHz), équipé d'un PWFS. Des correcteurs à action intégrale sont utilisés pour les deux étages. Les simulations numériques démontrent que cette architecture CAO standard améliore globalement la performance, avec un meilleur contraste à faible séparation angulaire. Nous étudions également la durée de vie des tavelures et leur contribution au bruit lors de longues poses.Ce système CAO est ensuite amélioré par l'ajout d'un schéma de compensation pour traiter les composantes haute fréquence et non stationnaires dues au sur-échantillonnage effectué par le 2e étage. Nous expliquons comment cette astuce permet d'améliorer les performances grâce au fait que le 2e étage se comporte alors comme un étage rapide autonome avec une meilleure sensibilité, tout en bénéficiant de la résolution spatiale plus fine du 1er étage. Nous effectuons également des simulations numériques et une évaluation des performances de ce nouveau système en remplaçant l'intégrateur du 2e étage par un régulateur LQG. L'évaluation des performances en termes de contraste montre une amélioration significative pour cette nouvelle structure CAO par rapport à un système XAO à un seul étage ou par rapport à la structure CAO initiale. L'utilisation du régulateur LQG améliore encore le contraste en particulier à faible séparation angulaire. Une telle performance mettrait par exemple à portée de main la détection de l'oxygène dans l'atmosphère de Proxima b (s'il était présent en quantité de façon similaire à la Terre).
Origine : Version validée par le jury (STAR)