Capteurs optiques et imageurs hyperspectraux [thématique PHY]

Capteurs optiques et imageurs hyperspectraux

[CNU 30] [CoCNRS 4]

DOTA Guillaume Druart, Yann Ferrec

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, première caméra cryogénique multispectrale et compacte pour la détection de gaz
La caméra SIMAGAZ est la rencontre entre une rupture technologique et le besoin d’un industriel. La rupture technologique s’appuie sur des optiques cryogéniques et un traitement des images spécifique dont les performances profitent de la grande stabilité radiométrique du système. Le besoin applicatif de la caméra SIMAGAZ a été exprimé par l’industriel pétrochimique TotalEnergies avec qui l’ONERA a signé un partenariat de recherche appelé Naomi en 2014. Un démonstrateur pré-industriel a pu être ensuite réalisé dans le cadre du FUI IMAGAZ réunissant les acteurs ONERA, TotalEnergies , Lynred, Noxant et Bertin. Grâce à ce démonstrateur nous avons pu démontrer les performances exceptionnelles de cette caméra : offrir une visualisation quantitative d’un panache de méthane et de son évolution temporelle.

La caméra SIMAGAZ a également montré sa capacité à détecter des panaches de méthane à partir de drones par exemple lors du salon UAV-Day. L’ONERA a ensuite mis en œuvre cette caméra lors de campagnes d’opportunité dans le domaine du diagnostic de détection du méthane sur un site de GRT gaz et une déchèterie de Suez. Le domaine applicatif de cette caméra a été également étendu à la détection d’autres gaz d’intérêt pour la STAT et pour répondre aux besoins NBC mais aussi pour des besoins de la marine pour détecter des pollutions maritimes.

Variation temporelle de la concentration intégrée de méthane observée depuis un drone. Échelle entre 0 et 5000 ppm.m du bleu au rouge.
Le débit estimé de la fuite est de l’ordre de 1g/s

Première image obtenue dans l’infrarouge avec une optique “freeform”. L’ONERA a obtenu une première image infrarouge avec un objectif utilisant une architecture à miroirs dite Freeform Les optiques Freeform sont des optiques qui ne possèdent ni axe ni centre de symétrie (principe appliqué pour les verres progressifs) et permettent ainsi un plus grand nombre de degrés de liberté lors de la conception optique. Les bénéfices recherchés de cette liberté sont l’amélioration de l’ouverture, des performances et de la compacité des systèmes d’imagerie. L’architecture à miroirs dite « Freeform » développée ici, a été conçue dans le cadre de la thèse de Louis Duveau, co-financée par l’Agence de l’Innovation de Défense (AID). L'objectif panchromatique (fonctionnant du visible à l’infrarouge lointain) ainsi formé a une longueur focale de 20 mm et occupe volume de 1 L, confirmant les qualités de compacité attendues. Le démonstrateur a été financé dans le cadre du Projet de Recherche interne FREEGO, en collaboration avec la société OPµs pour la mécanique et avec la société Gaggione pour les miroirs. La monture qui accueille cette architecture a été conçue de manière à s'affranchir d'un réglage des miroirs, ce qui représente un avantage certain. L’objectif panchromatique a ainsi été évalué dans l’infrarouge lointain (8-12 µm)

L'instrument hyperspectral SIELETERS est un imageur hyperspectral aéroporté hautes performances SIELETERS (Fig. a) permet d’obtenir 205 images spectrales d’une même scène dans l’infrarouge (de 3.0 µm à 5.4 µm et de 8.1 µm à 11.8 µm). Sa résolution spectrale est comprise entre 13 nm et 90 nm. Il est basé sur la technologie des spectro-imageurs statiques à transformée de Fourier. Sa résolution spatiale au sol est de 50 cm pour une fauchée de 500 m (avion à 2000 m). Quatre campagnes de mesures aéroportées ont été effectuées avec succès. Les développements récents sur la chaîne de traitements ont permis d'améliorer la qualité des images hyperspectrales (Fig. d). Les résultats issus de l’instrument permettent d’extraire de l’information spectrale de la scène, comme l’illustrent les couleurs présentes dans les images des figures b et c. Une version sol de l’instrument est en cours de tests dans le laboratoire.

Figure : En haut, à gauche, image de contexte dans le domaine visible et à droite, image dans l’infrarouge ; En bas, signal interférométrique (en fonction de la différence de marche OPD) mesuré par NanoCarbCO2 pour les points indiqués sur l’image précédente, après survol de la scène (un même point au sol est donc vu un grand nombre de fois, ce qui améliore le rapport signal à bruit final). Les oscillations observées sont caractéristiques du CO2.

Première campagne aéroportée pour NanoCarb, un spectro-imageur miniature pour la mesure de gaz à effet de serre NanoCarb est un spectromètre imageur dédié à la mesure des gaz à effet de serre développé par l’UGA et l’Onera. Il se caractérise par une grande compacité, ce qui rend possible son intégration dans un mini-satellite, ouvrant ainsi la voie à une constellation de satellites dédiée à la cartographie des gaz à effet de serre avec une revisite meilleure que journalière et un pas au sol de l’ordre du kilomètre (projet H2020 Scarbo : https://scarbo-h2020.eu/).

Au cœur de NanoCarb se trouve une lame gravée en marche d’escalier, formant ainsi une matrice d’interféromètres de Fabry-Perot. L’épaisseur des marches a été choisie pour que l’intervalle spectral libre de ces interféromètres coïncide avec un motif périodique caractéristique de la signature spectrale du gaz dans l’infrarouge proche (autour de 1,6 µm), ce qui permet de se concentrer sur l’information utile. L’inversion de ces mesures par transfert radiatif permettra de remonter à la concentration des gaz recherchés, CO₂ et CH₄ pour NanoCarb. Dans le cadre du projet Scarbo, des démonstrateurs aéroportés ont été réalisés, qui ont participé à une campagne aéroportée en octobre 2020.

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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)