FR2853969A1 - Systeme optique d'observation de la terre a tres haute resolution - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système d'observation de la Terre à grand champ à partir d'un instrument optique (12) disposé dans un engin spatial tel qu'un satellite de la Terre.Ce système comprend, dans l'engin spatial :des actionneurs (18) agissant sur un nombre limité d'éléments optiques de l'instrument, pour corriger les défauts de cet instrument,des moyens pour détecter les défauts (Z) de front d'onde de l'instrument,des moyens (16) d'analyse de la surface d'onde propres à émettre vers une station distante,des moyens pour recevoir un signal (ZM) de correction de défaut de front d'onde lié à des dérives de la géométrie de l'instrument, ce signal étant fourni par des moyens de calcul dans la station distante,des capteurs (14) destinés à détecter des déformations de la configuration optique de l'instrument, etdes moyens pour fournir un signal aux actionneurs combinant les signaux fournis par les capteurs au signal de correction (ZM) transmis par la station distante.

Description

SYSTEME OPTIQUE D'OBSERVATION DE LA TERRE A TRES HAUTE RESOLUTION

L'invention est relative à un système d'observation de la Terre à partir d'un engin spatial tel qu'un satellite défilant.

On sait que pour obtenir une haute résolution, l'instrument optique d'un système d'observation doit présenter 5 une grande ouverture et ne doit pas dégrader le front d'onde. La dégradation du front d'onde ayant pour origine des variations de dimensions dues notamment aux variations de température, les solutions connues, notamment les réalisations en orbite, font appel à des structures hyper stables, en général avec contrôle 10 thermique et système de focalisation télécommandé. Mais ces solutions ne sont pas suffisantes pour des instruments compacts, c'est-à-dire de faibles dimensions, dont les performances optiques sont particulièrement sensibles aux fluctuations dimensionnelles.

De même, ces solutions connues ne peuvent suffire pour les instruments futurs qui seront compactés au lancement et qui se déploieront dans l'espace. Parmi ces instruments envisagés pour le futur, on peut citer les grappes de petits télescopes mis à postes par un lancement unique ou encore les instruments à 20 grand miroir primaire nécessairement segmenté et replié au lancement.

B10716 On connaît deux grandes familles de solutions permettant de limiter ou réduire les aberrations géométriques des instruments: - la première famille de solutions est le contrôle actif 5 de la géométrie de la configuration optique, allant du simple repositionnement d'un composant optique jusqu'au contrôle de forme d'un ou plusieurs miroirs; - la seconde famille de solutions est le contrôle actif de la surface d'onde rencontrant le plan focal, c'est-à-dire 10 juste après la traversée de l'instrument.

Des solutions connues sont décrites par exemple dans les brevets suivants: EP438664, FR2736165, US6148152, US547739, US5359520, US5265034, US4940318, US4825062, US3904274.

Il n'existe pas aujourd'hui de technique permettant la 15 correction en temps réel d'instrument(s) à grand champ et à haute résolution embarqué(s) dans des engins spatiaux.

L'invention remédie à cet inconvénient.

Elle consiste en premier lieu à utiliser l'optique active connue pour la correction des instruments au sol. Avec cette 20 technique on déforme ou déplace un élément du système optique, ou un nombre limité de tels éléments du système, afin de corriger les aberrations de l'instrument, on analyse des surfaces d'onde et on commande l'élément, ou les éléments, de correction pour restituer une surface d'onde correcte. Mais cette technique ne fournit pas de résultat en temps réel car, pour l'observation d'une source étendue, les calculs de restitution de front d'onde sont très volumineux; en outre, ils sont beaucoup plus complexes qu'avec des télescopes au sol qui peuvent pointer des sources ponctuelles constituées d'étoiles.

Au surplus, les analyseurs de surface d'onde sont lourds et encombrants et ne sont donc pas appropriés pour des instruments embarqués compacts.

Mais, pour permettre la correction en temps réel, l'invention prévoit un instrument embarqué actif, c'est-à-dire 35 disposant d'actionneurs pour corriger les défauts de front d'onde en orbite, et l'instrument comporte des moyens de détection pour permettre une analyse de la surface d'onde qui est effectuée au sol de manière périodique, et on ajoute à l'analyse de surface d'onde précise mais lente, une estimation 5 grossière mais rapide de l'erreur ou écart aberrant, à partir de mesures des déformations de la configuration optique de l'instrument.

L'estimation grossière est utilisée pour compenser en temps réel l'erreur globale, de préférence par un calcul à bord 10 de l'engin spatial. Autrement dit, les mesures de déformations de la configuration optique, en général de type thermoélastique, ne sont pas utilisées pour effectuer des corrections individuelles qui ramèneraient les diverses parties de l'instrument dans leurs positions d'origine, mais pour effectuer 15 une correction d'ensemble par la technique de l'optique active.

La périodicité de l'analyse de surface d'onde est, par exemple, la durée d'une rotation de l'engin autour de la Terre, ou la journée.

Dans une réalisation, l'analyse de surface d'onde est 20 effectuée par la technique de diversité de phase, cette technique consistant à élaborer la forme du front d'onde à partir de deux images défocalisées. A cet effet, on prévoit, par exemple, des barrettes de détecteurs de type CCD disposées légèrement en avant ou en arrière du plan focal. Cette technique 25 de restitution de front d'onde présente, par rapport aux autres techniques connues (les analyseurs de surface d'onde qui sont massifs et encombrants), un avantage majeur pour l'observation de la Terre en très haute résolution en raison du faible nombre d'équipements supplémentaires embarqués.

L'invention concerne ainsi, de façon générale, un système d'observation de la Terre à grand champ à partir d'un instrument optique disposé dans un engin spatial tel qu'un satellite de la Terre, qui est caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, dans l'engin spatial: des actionneurs agissant sur un seul élément optique de l'instrument, ou sur un nombre limité d'éléments optiques de l'instrument, pour corriger les défauts de cet instrument, des moyens pour détecter les défauts de front d'onde de l'instrument, des moyens d'analyse de la surface d'onde propres à émettre vers une station distante, par exemple une station au sol, des moyens pour recevoir un signal de correction de 10 défaut de front d'onde lié à des dérives de la géométrie de l'instrument, ce signal étant fourni par des moyens de calcul dans la station distante qui fournissent ce signal de correction à partir des signaux reçus des moyens d'analyse, des capteurs destinés à détecter des déformations de la 15 configuration optique de l'instrument, et des moyens pour fournir un signal aux actionneurs combinant les signaux fournis par les capteurs au signal de correction transmis par les moyens de calcul dans la station distante.

De préférence, les moyens d'analyse de la surface d'onde sont tels qu'ils émettent vers les moyens de calcul de correction du front d'onde, se trouvant dans la station distante, des signaux permettant de corriger ce front d'onde par la méthode de diversité de phase. Les moyens d'analyse de la 25 surface d'onde comportent, dans l'engin spatial, par exemple des détecteurs de type CCD dont certains sont disposés dans le plan focal de l'instrument et d'autres légèrement en avant ou en arrière de ce plan focal.

La fréquence des signaux fournis par les capteurs est, 30 par exemple, de l'ordre de quelques hertz.

Dans une réalisation, le système comporte six capteurs de mesure de déformations de la configuration optique, par exemple des interféromètres relatifs.

Le nombre d'actionneurs est par exemple de six.

Dans une réalisation, l'instrument est un télescope à miroir primaire et miroir secondaire, les actionneurs agissant sur le déplacement relatif du miroir secondaire par rapport au miroir primaire.

Selon un mode de réalisation, les moyens de réception du signal de correction de défaut de front d'onde sont tels qu'ils peuvent recevoir des moyens de calcul, se trouvant dans la station distante, un signal de correction émis de façon périodique avec une période de l'ordre de l'heure au moins.

Les moyens d'analyse de la surface d'onde sont, par exemple, aptes à prélever deux images en au moins un point du champ de vue.

Le système peut comporter des moyens pour compenser les aberrations d'origine thermique de l'instrument après une 15 correction optique de ce dernier.

L'invention concerne aussi une station destinée à coopérer avec un tel système qui est caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour recevoir les signaux fournis par les moyens d'analyse du système d'observation et des moyens de 20 calcul destinés à fournir, à partir des signaux fournis par les moyens d'analyse, un signal de correction de défaut de front d'onde lié à des dérives de la géométrie de l'instrument, ces moyens de calcul étant propres à émettre vers l'engin spatial le signal de correction.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: - les figures 1 et 2 sont des schémas de configuration 30 optique d'instruments d'observation spatiale à haute résolution utilisés dans le cadre de l'invention, - la figure 3 est un schéma de système permettant l'analyse de surfaces d'onde dans le plan focal, - les figures 4 et 4a sont des schémas d'un système d'analyse de surfaces d'onde utilisé dans le système conforme à l'invention, et - la figure 5 est un schéma d'un système conforme à l'invention, - la figure 6 est un schéma de principe d'un instrument actif, - les figures 7a et 7b sont des organigrammes expliquant le fonctionnement du système selon l'invention, et - la figure 8 est un chronogramme complétant l'organigramme représenté sur les figures 7a et 7b.

Le système conforme à l'invention comporte des instruments d'observation spatiale à haute résolution qui sont, par exemple, du type Cassegrain (figure 1) ou du type Korsch 15 (figure 2).

Dans une configuration de type Cassegrain, on prévoit un miroir primaire M1 qui reçoit en premier lieu les rayons lumineux R des paysages à observer et les renvoie vers un miroir secondaire M2. Le miroir primaire M1 est percé en son centre pour 20 laisser passer le flux collecté par le miroir secondaire M2, le plan focal F se trouvant à l'arrière du miroir M1.

Dans cette configuration optique, la qualité de l'image est très sensible à la distance entre les miroirs Ml et M2.

Dans la configuration de type Korsch (figure 2), on 25 prévoit, en plus du miroir primaire Ml et du miroir secondaire M2, derrière un miroir M1, un miroir MR de renvoi vers un autre miroir M3 tel que le plan focal soit parallèle à l'axe optique A. Cette figure 2 n'est, bien entendu, qu'une figure de principe car le miroir M3 est disposé de façon telle que les rayons R' 30 qu'il renvoie vers le plan focal PF ne soient pas interceptés par le miroir MR.

Par ailleurs, on prévoit dans le système conforme à l'invention, des moyens permettant l'analyse de surface d'onde.

Habituellement au sol, l'analyse de surface d'onde est 35 réalisée dans la pupille de sortie de l'instrument à l'aide d'un analyseur de type Shack-Hartman à matrice de micro lentilles.

Les équipements nécessaires sont lourds et encombrants et nécessitent de prélever une partie du flux collecté. Ceci les rend pratiquement inutilisables en haute résolution spatiale.

Ainsi, dans le système selon l'invention, on utilise l'analyse de surface d'onde dans le plan focal qui constitue une technique avantageuse pour la correction des instruments en orbite et cela malgré le temps de calcul important qu'elle nécessite.

On rappelle ici, à l'aide de la f igure 3, le principe de prélèvement des images pour une analyse dans le plan focal.

Dans le plan focal F. on forme une image Il et un séparateur S permet de réaliser une seconde image I2 légèrement en arrière du plan focal F' qui constitue l'image du plan focal 15 F par rapport au miroir séparateur S. L'image I2 obtenue est à une distance d, d'au plus quelques millimètres du plan focal F'. Cette distance d est fonction de l'ouverture du télescope T. Les deux images Il et I2 sont réalisées à une seule et 20 même longueur d'onde lumineuse.

Dans un mode de réalisation, on fait appel à un analyseur du type de celui représenté sur la figure 4, dans lequel on ne prévoit pas de séparateur S mais une barrette de détection B1 pour l'image Il, dans le plan focal et deux barrettes de 25 détection B2 et B'2 pour l'image I2 dont les surfaces de détection sont à distance d de la surface B1, c'est- à-dire à distance d du plan focal.

Le flux lumineux est collecté dans la direction de la flèche f1 et l'image du paysage observé défile selon la flèche 30 f2Comme le montre la figure 4a, le même paysage est vu sous des angles légèrement différents et à des instants légèrement différents.

En effet, en raison de la rotation du satellite autour de 35 la Terre, l'image du paysage défile dans le plan focal. L'image sur le détecteur B1 d'un objet donné au sol est donc prélevée avant l'image sur le détecteur B2 de ce même objet. Si l'image 1 est prise à la verticale du satellite d'observation, l'image 2 est prise sous un angle a par rapport à la verticale. L'objet 5 apparaît donc légèrement différent sur les deux images, même s'il s'agit d'un objet constant dans le temps.

On prévoit donc, dans cet exemple conforme à l'invention, de restituer la phase au sol par calcul.

Sur la figure 5, on a représenté par le bloc 10 10 l'ensemble des instruments embarqués, à savoir: un télescope 12 d'observation de la Terre en très haute résolution, un ensemble 14 de capteurs qui détectent les déformations de la configuration optique de l'instrument, un système 16 permettant l'analyse de surface d'onde constitué, par exemple, de barrettes 15 CCD légèrement en avant (ou en arrière) du plan focal comme montré sur la figure 4, et des actionneurs 18 permettant de commander la position ou la forme d'un élément du télescope 12 ou d'un nombre limité d'éléments de ce télescope.

Le système comporte également un calculateur de bord 20 20 qui superpose aux données de correction issues du sol, des données supplémentaires pour agir sur les actionneurs 18. Les signaux fournis par le système permettant l'analyse de surface d'onde 16 sont transmis, par télémesure T. , à un calculateur 22 au sol et ce calculateur 22 au sol transmet, par télécommande 25 Tc, un signal ZM de restitution du front d'onde au calculateur de bord 20.

Avant de décrire en détail la combinaison conforme à l'invention, des mesures d'aberrations géométriques et des mesures de variations géométriques de la configuration optique, 30 on décrira le principe d'un instrument actif, le principe de correction des aberrations, et des algorithmes classiques de correction.

MODELE D' INSTRUMENT ACTIF Le Schéma fonctionnel de cet instrument est représenté sur la figure 6 qui fait partie intégrante de la présente

description.

Sur cette figure, le bloc 30 représente un calculateur 5 contenant la logique de commande, ce calculateur élaborant aussi les ordres envoyés aux actionneurs.

Le bloc 32 représente des moyens de restitution de phase, le bloc 34 des interféromètres, et le bloc 36 des actionneurs.

Sur cette figure 6, on a également mentionné les principales variables décrivant le comportement de l'instrument, à savoir: X; = Perturbation d'état Xc = Déformation exécutée par les commandes 15 X = Etat de déformation du système Z = Ecart aberrant réel ZM = Ecart aberrant mesuré Y = Déplacements réels YM Déplacements mesurés u = Déplacements commandés aux actionneurs D = Déplacements exécutés par les actionneurs.

Vecteur d'état de l'instrument Un instrument est défini par la géométrie de référence de sa configuration optique. C'est un ensemble de données de 25 position, d'orientation et de forme de tous les composants optiques. Ces données définissent aussi la géométrie de fabrication et de réglage de l'instrument réel. Elles résultent d'une optimisation de la qualité d'image dans le champ de vue de l'instrument. L'optimisation, effectuée à l'aide d'un logiciel 30 de tracé de rayons, conduit à un résidu d'écart aberrant négligeable.

Lorsque l'instrument se déforme, ces données varient et leurs fluctuations constituent un vecteur variable X. Par exemple, X contient la variation de courbure ainsi que les six degrés de liberté de mouvement rigide de chaque composant optique.

En négligeant les vibrations mécaniques, la géométrie de l'instrument peut être considérée comme un système quasi5 statique. Vis-à-vis de la correction de front d'onde, le vecteur X, lentement variable, peut donc être assimilé au vecteur d'état de l'instrument.

Cet état résulte de la superposition de déformations commandées Xc et de perturbations X, dues à l'environnement X = XP + Xc Puisque seuls quelques composants optiques peuvent être déplacés par les actionneurs 36, le vecteur Xc a de nombreuses composantes nulles alors que les composantes de X2 sont toutes susceptibles de varier. La correction directe Xc=-X, 15 n'est donc pas possible en général.

Relation Déplacements exécutés / Déformations Un réseau d'actionneurs de type piézoélectrique par exemple, est implanté sur l'instrument. Il permet de déplacer ou déformer un minimum de composants optiques afin de réduire les 20 aberrations géométriques de l'instrument. La relation entre les déplacements D exécutés par les actionneurs et la variation de géométrie correspondante Xc de l'instrument peut être établie par des considérations cinématiques.

Xc = r(D) Cette relation est représentée par le bloc 38 sur la figure 6.

Relation Etat de déformation / Déplacements mesurés Le réseau de capteurs 34, composé d'interféromètres dans l'exemple, est implanté entre les composants optiques 30 susceptibles de présenter en orbite des déplacements relatifs préjudiciables à la qualité d'image. Ce réseau permet de restituer les déplacements et éventuellement les variations de rayon de courbure des composants choisis. Des considérations cinématiques permettent d'établir la relation entre les l1 fluctuations d'état X et les variations de longueurs Y du bras de mesure de chaque interféromètre.

Y = W(X) Relation Ecart aberrant / Etat de déformation L'écart aberrant Z est lié à l'état de déformation X de l'instrument par une relation très complexe <. Des logiciels de tracés de rayons tels que celui distribué par la Société ORA (Optical Research Associates, Pasadena, California, USA) sous la dénomination " CODE V ", permettent d'accéder aux valeurs 10 numériques de Z. Pour toute direction du champ de vue, il existe une relation (bloc 42) du type: Z = @(x) Calculateur de bord Les mesures YM et Z, délivrées par les capteurs et 15 l'analyse de surface d'onde sont introduites dans les algorithmes de calcul des ordres u envoyés aux actionneurs, sous le contrôle d'une logique de commande.

PRINCIPE DE CORRECTION DES ABERRATIONS Les problèmes à résoudre Pour garantir une bonne qualité d'image, les aberrations dans la pupille de l'instrument doivent être ramenées sous un seuil spécifié. Mais, pour des raisons de coût, de fiabilité, d'encombrement, de masse, de consommation, etc., la correction des aberrations en orbite doit utiliser un nombre 25 minimum de capteurs et d'actionneurs.

On décrira ci-après des algorithmes de commande optimale pour une configuration donnée de capteurs et d'actionneurs.

Fonction de coût de l'optique active La valeur efficace de l'écart aberrant A(p,O) souvent appelée WFE rms (" Wave Front Error root mean square " dans ce qui suit, sera notée E. Si S désigne la pupille et sa surface, l'écart quadratique moyen s'écrit: S2 = 1= s = [(p, 0)]2.p.dO.dp s L'intégration est effectuée sur une pupille de surface S. En raison de l'orthogonalité des polynômes de Zernicke sur la pupille de l'instrument, c'est aussi la norme euclidienne de Z. Cette mesure peut donc servir de fonction de coût J(X) pour optimiser la commande.

J = E2 = ZT.z = Ilzll2 Dans le cas d'un instrument d'observation à grand champ, cette fonction peut devenir une somme pondérée d'erreurs quadratiques moyennes, calculées en plusieurs points du plan 10 focal, par exemple au centre et aux extrémités de la barrette de détection.

Position du problème et méthode de résolution De manière formelle, la commande u* qui minimise J est solution du problème d'optimisation suivant: 15 X = Xp + F(D(u)) u ? / OT(X).<D(X) minimum Par dérivation, u* doit satisfaire l'équation: [X)]TFa (x7 (F aF(D)] aD(u) 7 l ax jL DD L u J = o la notation L V désigne la matrice jacobienne du 20 vecteur W(v) par rapport au vecteur v, et l'exposant T une transposition.

ALGORITHMES DE CORRECTION CLASSIQUES

Hypothèses de résolution La résolution est facilitée par deux approximations 25 linéaires, justifiées par l'amplitude des grandeurs mises en jeu: - La relation entre écart aberrant Z et petites déformations X, peut être approchée au voisinage de la géométrie de référence, par: 30x 0 Z =A.X La matrice jacobienne (entre crochets) de la transformation vectorielle c est appelée matrice de sensibilité.

Elle s'exprime numériquement, en divers points du champ, à l'aide d'un logiciel de tracé de rayons.

Ce modèle linéaire est réduit en pratique à une quinzaine de composantes de Z environ. Pour corriger des 5 aberrations d'ordre supérieur il faudrait disposer d'un miroir déformable équipé d'actionneurs de plus en plus nombreux.

- De la même manière, les déformations de correction Xc sont liées aux petits déplacements D autour de la position de référence des actionneurs C (D) [aD X= C.D Une approximation linéaire est également utilisée par la suite pour exprimer la relation entre l'état de déformation X et les variations de longueur Y du bras de mesure de chacun des 15 interféromètres qui équipent la configuration optique de l'instrument.

y T(X) [Fas X Li0x Y = B.X Enfin, les interféromètres, la restitution de phase et 20 les actionneurs sont supposés parfaits: - les déplacements D exécutés par les actionneurs et les ordres regroupés dans le vecteur de commande u. sont égaux; - les variations de longueurs mesurées YM sont aussi les variations de longueurs Y vues par les interféromètres; - dans la présente description, les aberrations Z. restituées par l'analyse de surface d'onde et les aberrations réelles Z représentent les mêmes grandeurs.

ZMZ D u

Les phénomènes dynamiques et les temps de réponse caractérisant les actionneurs ainsi que les retards des capteurs sont négligeables par rapport aux vitesses de déformations mises en jeu. Le retard de l'analyse de surface d'onde est décrit plus 35 loin.

Modèle linéaire Toutes les hypothèses de simplification conduisent à affecter aux blocs 32, 34 et 36 la matrice identité Id et à affecter aux blocs 38, 40 et 42 les matrices respectivement C, B et A indiquées cidessus.

Dimension des variables du système Les dimensions des variables principales sont déterminées pendant la conception du système de correction. Les valeurs numériques données ci-dessous sont indicatives. Elles 10 sont relatives à une configuration optique de type Korsch à 5 composants (miroirs primaire, secondaire et tertiaire, miroir de renvoi et plan focal).

p nombre de polynômes de Zernicke utilisés pour décrire le front d'onde dim(Z)= p = 15 q nombre de degrés de liberté (ddl) décrivant l'état de déformation de la structure dim(X)=q=5*7=35.

r nombre d'interféromètres implantés sur l'instrument dim(Y) =r=18.

s Nombre d'actionneurs implantés sur l'instrument 20 dim(D)= s = 12.

En général les matrices A, B et C ne sont donc pas carrées: A(p, q), B(r, q), C(q, s).

Expressions de la commande Avec les hypothèses précédentes, la méthode de 25 résolution conduit directement à la solution: U* = -[CT.AT.A.C]- .C.A. A.Xp Cette formule de correction est connue en optique active. La perturbation d'état X? est aussi l'état X du système avant correction, c'est-à-dire lorsque X=O. En effet, le temps 30 n'intervient pas dans le problème posé et la commande optimale u* appliquée en une seule fois aux actionneurs va corriger l'instrument de façon optimale.

Le facteur A.X, ou A.X avant correction peut aussi s'interpréter comme l'écart aberrant Z généré par l'état de 35 déformation X. La commande optimale s'exprime donc aussi par: u* =-[CT.A.A.C] 1.CT AT.Z Application Si l'on dispose de l'écart aberrant ZM restitué par analyse de surface d'onde, l'écart aberrant Z est simplement remplacé par Zm.

Si l'on dispose de mesures de déformations YM, l'état de déformation X doit être évalué à partir de YM. Ces mesures de déplacements relatifs et de déformations de composants optiques doivent donc être indépendantes et en nombre suffisant. Dans une 10 configuration optique de type Korsch, le miroir primaire M1 peut par exemple servir de référence de mesurage. Deux groupes de six interféromètres installés d'une part entre Ml et M2 et d'autre part entre M1 et M3 vont permettre de restituer les déplacements relatifs généralisés de modes rigides. Si des déformations de 15 composants optiques sont attendues, des capteurs supplémentaires doivent être installés. La formule d'inversion la plus générale de la matrice B est alors obtenue par la méthode des moindres carrés et l'état de déformation X restitué à partir des mesures s'exprime par X = [B".B] .B *YM Les considérations ci-dessus doivent être complétées par les remarques suivantes: - A l'instant courant, l'état X contient une part de correction Xc due à la commande précédente u. Par conséquent, u* 25 est un incrément de commande noté maintenant &u. La nouvelle commande u' s'écrit donc u' = u + & Les procédés de correction décrits ci-dessus sont suffisants si les mesures YM ou ZM sont disponibles en temps 30 réel. En général, ceci ne pose pas de problème pour les mesures Ym obtenues à l'aide de capteurs capacitifs ou d'interféromètres absolus. Mais, dans certains cas, le couplage des mesures YM et ZM peut être nécessaire voire avantageux.

Une correction à l'aide des seules mesures YM nécessite 35 de mesurer toutes les distances et déformations des composants optiques de l'instrument. Les interféromètres doivent alors être du type absolu (mesureur de distance), donc de complexité supérieure aux interféromètres relatifs (mesureur de variations de distance), qui sont seulement capables de mesurer des 5 variations de distance tant que leur faisceau lumineux n'est pas interrompu.

COMBINAISON DES MESURES D'ABERRATIONS ET DES MESURES

DIMENSIONNELLES

Cette combinaison fait appel au système représenté sur 10 la figure 5.

Expression de l'incrément de commande A l'instant courant, l'incrément de commande optimale bu contient deux termes et a pour expression ZU = P. ZM + Q.* M Les matrices P et Q, calculées une seule fois pour toutes par les formules ci-dessous, sont chargées dans le calculateur de bord.

P = - [CT.A.A.CV.C.A Q = - P.A [BT.B]'.BT Le calcul de 8u est supervisé par une logique de commande, dans le calculateur 20, qui régit aussi les instants d'acquisition des mesures YM et Z, ainsi que les instants de correction. Cette logique est précisée dans la séquence de correction décrite ci-après.

Séquence de correction a) Initialisation.

Le but est d'obtenir, à l'aide des détecteurs disposés dans le plan focal de l'instrument, des images exploitables par le calculateur au sol pour restituer les aberrations ZM.

On peut, par exemple, commander aux actionneurs de positionner les composants optiques mobiles dans une position satisfaisante, à l'aide de la commande u0 déterminée par des essais au sol, par exemple actionneur n0l à 23% de sa course, actionneur n02 à 56% de sa course, etc. Les biais de lancement, 35 tels que le passage en apesanteur, ne sont pas corrigés.

On peut aussi chercher (ou affiner) en orbite cette position satisfaisante des optiques mobiles par des télécommandes successives Au appliquées à chacun des actionneurs en fonction des premières images recueillies. Les biais de lancement sont alors pris en compte. b) Prélèvement des images d'analyse et remise à zéro (RAZ).

A l'instant to, deux images exploitables sont prélevées en un ou plusieurs points du champ de vue, par exemple au centre 10 et sur les 2 extrémités du détecteur principal. Au même instant to, les interféromètres de mesure des variations de distances sont initialisés à zéro, ce qui implique YM = .

Les images sont envoyées par radio à une station de réception au sol qui restituera par calcul les aberrations. 15 Puis, l'écart aberrant ZM est transmis au satellite d'observation, le contact radio étant alors bien entendu établi Jusqu'alors, aucune correction n'est appliquée.

c) Correction des aberrations.

A l'instant tl après réception de R à bord, les déformations survenues entre les instants tO et tl peuvent être évaluées à l'aide des mesures de variations de longueurs Ym(tl).

La première correction " temps réel " peut donc être appliquée.

Au P.ZM + Q.YM d) Compensation des aberrations d'origine thermique.

Pour tenir compte des évolutions d'origine thermique de l'instrument après ce " recalage optique ", on effectue des " recalages géométriques ". A cet effet, les mesures de déformations YM sur orbite sont prélevées à une période déterminée par des simulations numériques pendant la conception 30 du système de compensation. La commande de correction ne comporte plus alors qu'un seul terme &U = Q.YM On peut aussi appliquer cette correction uniquement si elle dépasse un certain seuil, afin d'éviter une oscillation de 35 zone morte. La cadence des corrections n'est plus fixe.

e) Recalage par analyse de surface d'onde.

Le recalage de la configuration optique par une nouvelle analyse de surface d'onde est réalisé à une période déterminée lors de la conception ou lorsqu'une dérive des 5 aberrations ZM devient perceptible au niveau de la qualité des images obtenues. L'étape de prélèvement des images est réitérée avec, cette fois, mémorisation des dernières mesures YM à l'instant de prélèvement, juste avant la remise à zéro des interféromètres (YM = 0). Compte tenu de cette RAZ, la 10 compensation des aberrations d'origine thermique se poursuit, légèrement modifiée. La correction est calculée par &1 = Q. [YM + YM] jusqu'à ce que ZM la nouvelle mesure de front d'onde, soit transmise par le sol. Dès que ZM est disponible, les étapes 15 c, d et e reprennent dans cet ordre.

Cas de panne Un interféromètre de mesure de variation de distance fonctionne pour autant que son faisceau lumineux ne soit pas interrompu auquel cas il perd l'information et doit être 20 réinitialisé. C'est ce qui se produit en cas de défaillance temporaire de l'alimentation électrique. Il faut alors réinitialiser la séquence de correction en procédant aux étapes a à e.

Organigramme de traitement Celui-ci est représenté par les figures 7a et 7b qui font partie intégrante de la présente description. Sur ces figures, les blocs ont la signification suivante Initialiser u = 0, bu = 0 52 Commande u à incrémenter (ÈuÉ0) ? 30 54 u = u + bu; Su = O (RAZ) 56 Prélever les images pour analyse au sol 58 RAZ interféromètres (=> YM = 0) Aberrations ZM acquises ? 62 Mesurer les déformations YM 64 Calculer la correction âu = P.Zm + Q.YM 66: Incrémenter la commande (u = u + bu) 68:Restitution des aberrations ZM au sol 70:Réceptionner les images pour analyse 72:Analyse des images possibles ? 74:Restituer les aberrations ZM 76:Evaluer une correction possible bu 78:Correction par YM demandée ? 80:Mesurer les déformations YM 82:Calculer la correction u = Q. YM 10 84:Incrémenter la conmmande u = u + u 86:Correction par ZM demandée ? 88:Prélever les images pour analyse au sol 90:Mémoriser les mesures (YM = YM) 92:RAZ interféromètres (=> YM = 0) 15 94:Correction par YM demandée ? 96:Mesurer les déformations YM 98:Calculer la correction u = Q. (YM + YM) 100: Incrémenter la commande u = u + u 102: Aberrations ZM acquises ? 104: Mesurer les déformations YM 106: Calculer la correction u = P.ZM + Q-YM 108: Incrémenter la commande u = u + bu.

Les flèches, telles que la flèche 112 en trait épais, représentent les télémesures, ou télécommandes.

Le processus de correction des aberrations débute par une phase d'initialisation. Il est arrêté en cas de perte des mesures dimensionnelles (Panne) ou à la demande (Arrêt). Les cas de panne et d'arrêt ne sont pas représentés. A la remise en service, le processus est réinitialisé.

Après initialisation, la correction des aberrations par les mesures ZM et YM, alterne avec la compensation des déformations, par les mesures YM seules. Les périodes de correction et compensation peuvent être fixes ou déterminées par d'autres critères tels que la dérive des aberrations sur 35 plusieurs orbites, l'amplitude de correction qui est supérieure à un seuil donné, etc. Les informations entre sol et bord sont échangées par télémesures et télécommandes.

Chronograwme Le chronogramme de la f igure 8 représente un exemple 5 de séquence de commande qui débute par l'initialisation du processus. Les triangles 120, 122, etc., indiquent les instants de calcul des incréments de commande selon les trois formules obtenues. Les flèches courbes 124 indiquent le retard d'acquisition de ZM après prélèvement des images. Pl signifie 10 prélèvement d'images, A(ZM) signifie acquisition de ZM, et RAZ signifie remise à zéro des interféromètres.

L'invention permet ainsi des corrections en temps réel pour un instrument embarqué à très haute résolution et grand champ de vision. Elle permet la correction des fluctuations à 15 court terme, notamment des effets thermoélastiques.

On peut envisager de réduire ou même de supprimer le contrôle thermique actif de la structure et des composants optiques.

C'est ainsi qu'une variation de focale due à 20 l'évolution sur orbite d'un gradient de température dans l'épaisseur du miroir primaire pourrait être corrigée. Il suffit d'installer un interféromètre supplémentaire pour mesurer la variation de courbure du miroir. Une solution consiste à stabiliser le gradient de température au moyen d'un réchauffeur 25 disposé en regard de la face arrière du miroir et muni de doigts de chauffage introduits dans des alvéoles d'allègement du miroir. Il présente une masse, un encombrement, un coût de réalisation et une consommation prohibitifs.

Dans ce qui précède, pour la détection des fluctuations 30 dimensionnelles de la configuration optique, on a mentionné des interféromètres. Ces capteurs permettent de mesurer des déplacements relatifs projetés sur l'axe du faisceau lumineux.

En variante, à la place d'interféromètres, on peut faire appel à des capteurs de déformation du type jauge de contrainte, installés sur des barres de structures, les variations de distance étant alors restituées par intégration.

On peut aussi faire appel à des sondes de température et restituer par calcul de dilatation, les variations de distance et les déformations.

En variante encore, on peut faire appel à des interféromètres de mesure de distance, la variation de distance étant déterminée par la différence entre les mesures effectuées à deux instants différents.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Système d'observation de la Terre à grand champ à partir d'un instrument optique (12) disposé dans un engin spatial tel qu'un satellite de la Terre, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, dans l'engin spatial: des actionneurs (18) agissant sur un seul élément optique de l'instrument, ou sur un nombre limité d'éléments optiques de l'instrument, pour corriger les défauts de cet instrument, des moyens pour détecter les défauts (Z) de front d'onde 10 de l'instrument, des moyens (16) d'analyse de la surface d'onde propres à émettre vers une station distante, par exemple une station au sol, des moyens pour recevoir un signal (ZM) de correction de 15 défaut de front d'onde lié à des dérives de la géométrie de l'instrument, ce signal étant fourni par des moyens de calcul dans la station distante qui fournissent ce signal de correction (ZM), à partir des signaux reçus des moyens d'analyse, des capteurs (14) destinés à détecter des déformations de 20 la configuration optique de l'instrument, et des moyens pour fournir un signal aux actionneurs combinant les signaux fournis par les capteurs au signal de correction (Z%) transmis par les moyens de calcul dans la station distante.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'analyse de la surface d'onde sont tels qu'ils émettent vers les moyens de calcul de correction du front d'onde, se trouvant dans la station distante, des signaux permettant de corriger ce front d'onde par la méthode de 30 diversité de phase.

3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'analyse de la surface d'onde comportent, dans l'engin spatial, des détecteurs de type CCD dont certains sont disposés dans le plan focal de l'instrument et d'autres légèrement en avant ou en arrière de ce plan focal.

4. Système selon l'une des revendications 1 à 3,

caractérisé en ce que la fréquence des signaux fournis par les capteurs est de l'ordre de quelques hertz.

5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte six capteurs de mesure de déformations de la configuration optique, par exemple des interféromètres relatifs.

6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte six actionneurs.

7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'instrument est un télescope à miroir primaire et miroir secondaire, les actionneurs agissant sur le 15 déplacement relatif du miroir secondaire par rapport au miroir primaire.

8. Système selon l'une des revendication précédentes, caractérisé en ce que les moyens de réception du signal (ZM) de correction de défaut de front d'onde sont tels qu'ils peuvent 20 recevoir des moyens de calcul, se trouvant dans la station distante, un signal de correction émis de façon périodique avec une période de l'ordre de l'heure au moins.

9. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'analyse de la surface d'onde 25 sont aptes à prélever deux images en au moins un point du champ de vue.

10. Système selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour compenser les aberrations d'origine thermique de l'instrument après une 30 correction optique de ce dernier.

11. Station destinée à coopérer avec un système selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour recevoir les signaux fournis par les moyens d'analyse du système d'observation et des moyens de 35 calcul destinés à fournir, à partir des signaux fournis par les moyens d'analyse, un signal (ZM) de correction de défaut de front d'onde lié à des dérives de la géométrie de l'instrument, ces moyens de calcul étant propres à émettre vers l'engin spatial le signal (ZM) de correction.