Domaine Physique - thématiques de recherche du département Optique et techniques associées (DOTA)

Adjoint scientifique de département

Thématiques PHY au département DOTA

• Optoélectronique : photodétection et nanophotonique DOTA
• Environnement et signatures pour les senseurs optroniques DOTA
• Lasers fibrés, lidars et imageurs 3D DOTA
• Télédétection active et passive DOTA
• Maîtrise de la surface d'onde, optique adaptative DOTA
• Capteurs optiques et imageurs hyperspectraux DOTA

 PHY représente le domaine scientifique Physique de l'ONERA

 

Optoélectronique : photodétection et nanophotonique

[CNU 63] [CoCNRS 3, 4, 8]

DOTA Patrick Bouchon, Sophie Derelle (contact prenom.nom@onera.fr)

Domaines d’excellence :

• Photodétection Infrarouge : modélisation, FTM pixel, caractérisation pixel / matrices, bruits, cryogénie, physique des semi-conducteurs, hétérostructures quantiques
• Détecteurs bas niveau de lumière
• Technologies émergentes infrarouge : quantum dots, super-réseaux de type 2, super-réseaux gallium free, détecteurs nanostructurés, filtres nanostructurés
• Térahertz et ondes millimétriques: spectroscopie térahertz, détection térahertz, imagerie térahertz, conversion THz-IR
• Nanophotonique : métamatériaux, métasurfaces, plasmoniques, nano-antennes, matériaux 2D, masque de phase optique pour le contrôle de la phase et la polarisation, métamatériaux ENZ, semiconducteurs dopés, quantum dots
• Modélisation électromagnétique : méthode modales, éléments finis, inverse design, optimisation
• Interaction lumière-matière à l’échelle nano : effets non linéaires (SHG, DFG, effet Kerr, mélange à 4 ondes), SEIRA, SPR, ellipsométrie infrarouge, étude du champ proche.
• Nanothermique : émission thermique, nanosources, détection thermique, conversion thermique, transferts thermiques dans les nanostructures

Exemples

Modélisation de la signature optique et infrarouge des aéronefs et des satellites

Le département DOTA développe les outils CRIRA et SIRIUS destinés à modéliser la signature optique et infrarouge des aéronefs et des satellites. On entend par signature l’ensemble des informations permettant de caractériser le rayonnement de l’objet : l’intensité, les images en luminance, les spectres et la polarisation. L’objectif est de disposer de simulations représentatives de ces objets en vue d’apporter des réponses aux besoins de dimensionnement ou d’évaluation de capteurs optroniques qui les observent. Les dernières évolutions de ces outils concernent les aéronefs furtifs, les avions hypersoniques émergents, ainsi que la veille satellitaire.

 

Lasers fibrés, lidars et imageurs 3D

[CNU 30, 63] [CoCNRS 4]

DOTA Nicolas Cézard, Laurent Lombard (contact prenom.nom@onera.fr)

Socle de compétences scientifiques et techniques

• Interaction Laser-matière : matériaux et atmosphère, milieux diffusants, toutes conditions météorologiques
• Caractérisation énergétique, temporelle, spectrale et spatiale de faisceaux laser (ex : M², RIN, bruit de phase …)
• Modélisation des phénomènes physiques dans les fibres optiques passives et dopées
• Techniques de photodétection et traitement du signal associé : détection hétérodyne, comptage de photons, capteurs matriciels
• Co-conception modulation Laser/Architecture Lidar/Traitement du signal (ex : Lidar FMCW, Lidar à peigne de fréquence, LiDAR à plans focaux 3D)
• Traitement du signal Lidar : onde complète, compressive sensing, déconvolution
• Electronique et programmation temps réel et embarqué pour le pilotage, le contrôle et le traitement du signal (ex : GPU, FPGA)
• Intégration d’instruments laser et démonstration hors laboratoire : instruments autonomes, sur porteurs mobiles terrestres, aériens (avions et drones) et spatial, en environnement sous-marin …

Finalités scientifiques et techniques principales

• Instruments de télédétection Laser : Télémètre et Imageur 3D, LiDAR 3D, Lidar télé-vélocimètre, Lidar atmosphérique (vitesse de vent, concentration de gaz, caractérisation d’aérosols, température), vibromètre Laser
• Arme Laser et vulnérabilité Laser
• Sources et architecture de systèmes laser : laser fibré, architecture hybride, combinaison cohérente et incohérente de lasers

Exemples

Laser BOFIX et Lidar LIVE Pour l’étude de la dynamique des masses d’air, un lidar de mesure de vent a été conçu en intégrant une source laser développée spécifiquement. L’intégration de ce lidar sur un avion d’essai a permis la démonstration de la mesure du vecteur vent depuis une altitude de 5 km jusqu’au sol.

Lidar LIVE aéroporté. A gauche : laser impulsionnel haute énergie de 500 µJ,
au centre : Lidar Live installé dans l’ATR42, à droite : exemple de reconstitution du vecteur vent mesuré en fonction de l’altitude

Le développement du lidar VEGA, dédié à la mesure d’un flux de méthane à distance, s’est appuyé sur les résultats de deux thèses (P. Benoit pour la source laser et S. Le Méhauté pour le lidar) et sur les compétences multidisciplinaires de l’équipe Source laser et systèmes lidar (co-conception laser/Lidar, intégration d’instruments, traitement du signal). Lors de plusieurs campagnes d’essais, ce lidar fibré DIAL/Doppler a montré ses performances, ainsi que la robustesse et la fiabilité d’une architecture entièrement fibrée.

Le logiciel MATLIS développé par l’ONERA permet de simuler les performances d’un imageur laser en tenant compte des phénomènes physiques mis en jeu : caractéristiques de la source laser, propagation du faisceau laser dans l’atmosphère quelles que soient les conditions météorologiques, prise en compte de l’interaction laser-matière, de la dynamique de la scène (mouvement des objets et aérosols dynamiques) et intégration des modèles « capteur ». Le logiciel MATLIS est utilisé en amont de tout nouveau développement de systèmes LiDAR 3D.

Télédétection active et passive

[CNU 63] [CoCNRS 4]

DOTA Pierre-Yves Foucher, Sophie Fabre (contact prenom.nom@onera.fr)

Finalités scientifiques et applications :

• Détecter et quantifier les variables bio-physico-chimiques associées de façon directe ou indirecte à une activité anthropique par télédétection multimodale à différentes échelles spatiale, spectrale et temporelle
• Caractérisation de l’activité anthropique pour les besoins de la Défense, de la sécurité et de l’environnement

Socle de compétences

• Télédétection dans le domaine optique (0,4-12,0 µm)
  • active / passive
  • haute résolution spatiale (qqes cm à décamétrique)
  • tout type de plateforme (terrain, drone, avion, satellite)
  • complémentarité optique  / micro-onde
• Points clés
  • approche multi-échelle
  • validation
  • conditions atmosphériques dégradées
  • réduction des a priori

Exemples

Maîtrise de la surface d'onde, optique adaptative

[CNU 30] [CoCNRS 4, 5]

DOTA Serge Meimon, Jean-François Sauvage (contact prenom.nom@onera.fr)

Socle de compétences scientifiques et techniques :

• Mesure et imagerie de phase et amplitude
• Optique active et adaptative
• Interférométrie optique et imagerie multi-pupille
• Automatique et lois de contrôle temps réel
• Caractérisation (modélisation et mesure) des effets optiques turbulence atmosphérique
• Co-phasage et mise en forme de faisceaux (cohérents et incohérents)
• Propagation à travers la turbulence et imagerie à travers les milieux complexes
• Traitement du signal et des images & intelligence artificielle
• Co-conception pour les instruments à haute résolution angulaire

Finalités scientifiques et techniques principales

• Imagerie à haute résolution et à haut contraste pour la surveillance de l'espace (Astronomie et SSA)
• Imagerie biomédicale
• Télécommunications optique en espace libre
• Métrologie optique
• Contributions à l'arme laser, l'imagerie endo-atmosphérique, l'imagerie à haute résolution de la tTerre depuis l'espace, l'imagerie à travers les milieux turbides et fortement diffusant  

Exemples

 

Capteurs optiques et imageurs hyperspectraux

[CNU 30] [CoCNRS 4]

DOTA Guillaume Druart, Yann Ferrec (contact prenom.nom@onera.fr)

Socle de compétences scientifiques et techniques :

• Étude de composants optiques ou de concepts optiques atypiques
  architectures multivoie, architectures bio-inspirées, optiques cryogéniques, optiques freeform, optiques à gradient d’indice, auto-imagerie, imagerie sans lentille, masques de phase, kaléidoscope, imagerie plénoptique, lames interférométriques, lames biréfringentes pour l’interférométrie, PIC
• Approche frugale pour la miniaturisation et la simplification de caméras
  problématique SWAP-C, caméras cryogéniques, caméras infrarouges pour la domotique ou l’automobile, charges optiques pour nanosatellites
• Interféromètres statiques pour la spectrométrie et la spectro-imagerie à transformée de Fourier
  caméras hyperspectrales, spectromètres hautes cadences
• Imageurs infrarouges multispectraux
  avec détecteurs refroidis ou non-refroidis
• Modèle de performances d’instruments optiques
  modèles radiométriques, calcul de portée, simulation d’images
• Développement de bancs de caractérisations pour la recette d’instruments
  NETD, BSFR, FTM par spot scan ou mire inclinée, distorsion, étalonnage en hotte climatique
• Traitement physique des images acquises d’une scène, traitement radiométrique et spectral des images images en luminance ou en température de brillance, algorithmes shutterless, reconstitution d’un spectre à partir d’interférogrammes, recalage subpixelique d’images, modèle numérique d’élévation, traitement d’interférogramme lacunaire, méthodes de rééchantillonnage d’images
• Imagerie de phase
• Développement de nouvelles stratégies de conception de systèmes optiques
  approche end-to-end, tracé de rayon différentiel, méthode Simultaneous Multiple Surfaces, intelligence artificielle, construction de surfaces à partir du rayon parabasal
• Intégration d’instruments d’imagerie et démonstration hors laboratoire
  instruments autonomes, sur porteurs mobiles terrestres, aériens et spatial
• Asservissement de la ligne de visée pour l’imagerie aéroportée et suivie de cibles

 

Exemples

SIMAGAZ, caméra cryogénique multispectrale compacte pour la détection de gaz

 

 

+ de détails

  L' imageur hyperspectral aéroporté SIELETERS

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* CNU : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national des universités (voir liste au CNU)
* CoNRS : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national de la recherche scientifique, en vigueur au CNRS (voir CoNRS/sections)