GEPI

De la conception instrumentale
à l’exploitation des observables

Bureau d’étude

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Organigramme du Pôle Instrumental

Le Bureau d’Etude-Projets est l’un des trois groupes du Pôle Instrumental du laboratoire GEPI situé à l’Observatoire de Paris (France).

NOS OBJECTIFS :

Le rôle du Bureau d’Etude-Projets (BE) consiste à réaliser les études de tout ou partie de projets instrumentaux dans le cadre de collaboration souvent internationales.

Ce savoir-faire développé pour l’astronomie peut être utilisé dans n’importe quel autre domaine d’application.

 Que faisons-nous ?

  • Conception Optique
  • Conception mécanique
  • Instrumentation
  • Techniques du vide
  • R&D technologiques
  • Management de projets

 Conception optique

La définition d’un instrument ou d’un composant débute par la production d’un concept optique visant à satisfaire le mieux possible la plupart des requêtes rassemblées dans le cahier des charges. Ce travail nécessite généralement l’élaboration de plusieurs concepts optiques afin d’estimer leurs performances et de choisir le meilleur compromis. Ce travail de simulation optique amont est indispensable car il permet de limiter le nombre de prototypes à fabriquer et de dégager rapidement les verrous techniques qui peuvent apparaître au moment de la fabrication ou du montage.

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Concepts optiques de spectrographe pour Gaia

Ceci est illustré par l’un des concepts optiques de spectrographe que nous avons étudié pour le satellite Gaia. Le tolérancement, c’est-à-dire l’étude de l’influence de la variation d’un paramètre (position, orientation, épaisseur et qualité du verre, vieillissement des revêtement des optiques, etc) sur la qualité finale a nécessité l’étude d’un ensemble de plusieurs dizaines de paramètres.

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Exemple de concept optique.
Au sol, le BE-Projets a travaillé sur le concept optique d’un IFU dans le cadre de l’instrument X-shooter proposé à l’ESO.

Au sol, le BE-Projets a travaillé sur le concept optique d’un IFU (Integral Field Unit, Unité de Champ Intégral) dans le cadre de l’instrument X-shooter proposé à l’ESO (l’organisme d’astronomie sol européen). Le but de cet IFU est de couper une portion du champ observé,ayant une dimension de 4 secondes d’arc par 1,8 secondes d’arc en 3 tranches (voir image) qui sont alignées en une fente de 12’’ x 0,6’’ à l’entrée des spectrographes. Cet organe est assez critique en lui-même car le cahier des charges stipule une efficacité en transmission supérieure à 80% sur toute la bande spectrale qui court de 350 nm (limite bleu-ultraviolet) à 2300 nm (infrarouge). Le projet s’est terminé en avril 2007 et l’instrument a connu sa première lumière au VLT (Chili) en août 2008 et a déjà permis de fournir aux astronomes des données inédites.

Plus récemment, le BE-Projets a travaillé sur l’instrumentation liée aux télescopes géants de plus de trente mètres de diamètre, et en particulier l’E-ELT européen, via son implication dans les projets EVE et EAGLE.

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Concept optique d’EVE
Ce concept propose un spectrographe à deux bras, un pour le visible, l’autre pour l’infrarouge, afin d’optimiser les choix des verres des optiques.

Suite à un appel d’offre de l’ESO pour l’instrumentation E-ELT, le GEPI a été retenu pour une étudier un spectrographe multi-objets (300) dans le domaine du visible et du proche infrarouge (310-1700 nm) à fibres optiques, avec une résolution spectrale élevée. Cette étude a été réalisée en collaboration avec différents laboratoires européens (Italie/Brera, Pays-Bas/NOVA, Danemark/NBI, Allemagne/Postdam et Grande Bretagne/RAL) entre 2008 et 2010 où le GEPI a eu une très forte implication au niveau de la science et de la gestion de l’ensemble technique de l’instrument.

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Concept optique d’EAGLE
Cette illustration montre le trajet lumineux depuis le plan focal du télescope E-ELT (mauve) jusqu’au détecteurs. La nécessité d’optique adaptative (TRAMS) et d’observer en infrarouge (enceinte cryogénique, ISS) explique ce concept un peu complexe.

EAGLE est un concept d’instrument développé sur la période 2007-2010 qui propose d’observer le spectre de 20 objets en même temps avec une résolution angulaire encore jamais atteinte pour des objets cosmologiques. Cette performance requiert l’utilisation de l’optique adaptative dont la conception s’est faire en partenariat avec le LESIA, l’ONERA et l’université de Durham (UK). Une résolution angulaire élevée est le seul moyen pour étudier finement les galaxies et les mouvements de gaz interne, qui permettent de comprendre l’origine de leur formation et répondre aux questions cosmologiques fondamentales.

 Conception mécanique

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Le spectrographe GIRAFFE sans son capot.
Un capot blanc, non visible sur la photo, permet de confiner le spectrographe dans un environnement clos et de maintenir à l’intérieur une température d’environ 0.1°C.

Une autre composante indispensable dans la définition d’un instrument est la mécanique. C’est elle qui maintient les éléments optiques et qui fixe les distances entre chaque composant. Avant toute fabrication, les ingénieurs mécaniciens du BE-Projets dessinent et simulent les pièces afin de trouver le meilleur compromis entre coût, complexité et délais de fabrication qui permetta la tenue des spécifications.

Parmi les réalisations actuellement en opération sur le ciel, citons GIRAFFE, spectrographe multi objets livré à l’ESO en 2002. Malgré ses imposantes dimensions (4 x 2 x 1 mètres), toute la mécanique doit tenir des précisions de l’ordre de quelques microns. Un capot blanc, non visible sur la photo, permet de confiner le spectrographe dans un environnement clos et de maintenir à l’intérieur une température d’environ 0.1°C.

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Le dérotateur conçu pour le satellite GAIA.
Le BE-Projets a imaginé un mécanisme basé sur la transformation de la chaleur en rotation pour opérer ce mouvement.

Une autre réalisation est le dérotateur étudié dans le cadre du satellite Gaia. Il s’agit d’une mission qui sera lancée en 2012 dont l’objectif est de cartographier précisément un milliard d’étoile. Soit à peine 1% de notre galaxie... La problématique que nous avons dû résoudre est qu’en raison des lois de la mécanique céleste, le satellite subira, une fois en position, un mouvement d’oscillation d’une période de 6h et d’une amplitude de 2 degrés. Le BE-Projets a imaginé un mécanisme basé sur la transformation de la chaleur en rotation pour opérer ce mouvement. La dilatation d’un barreau en aluminium, emprisonné dans un polygone désaxé (penché sur la photo) produit naturellement une rotation lorsqu’il s’allonge (ou se rétrécit). Les avantages de ce principe sont sa basse consommation (< 1W), sa période lente, son taux de panne extrêmement bas et sa simplicité de fabrication est de mise en oeuvre.

L’optique adaptative est un élément essentiel de l’astronomie actuelle. Elle permet de compenser l’effet de la turbulence atmosphérique sur les images collectées par les grands télescopes actuels. Le système d’optique adaptative du futur E-ELT (télescope de 42 mètres de diamètre) est en cours d’étude au BE-Projets en collaboration avec l’industriel CILAS. Le but de l’étude menée sur le miroir M4 du télescope est de concevoir et de réaliser un grand miroir de 2,5 mètres de diamètre dont la fonction sera d’effectuer une compensation de la turbulence subie par la lumière ayant traversée l’atmosphère. Cette correction sera partielle mais concernera la totalité du champ de vue car on ne peut effectuer les deux dans ce cas. Les challenges à relever sont la fabrication de miroirs déformables (ou de pointage) de grande dimension (2.54 mètres de diamètre) présentant une densité surfacique d’actionneur suffisamment élevée pour atteindre les résolutions spatiales requises (typiquement 10 000 actionneurs). A ce jour, nous avons conçu en partenariat avec l’entreprise CILAS une structure sandwich et un prototype a été testé avec succès.

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Système d’acquisition de Canary en cours de montage

Canary est un projet dont le rôle est de démontrer un concept d’optique adaptative, né à l’Observatoire de Paris, qui consiste à ne corriger la turbulence qu’aux endroits où ce situent les objets d’intérêts scientifiques. L’intérêt est que l’effort technique se concentre sur les zones utiles du champ de vue. Sur la photo, on voit l’ensemble mécanique d’acquisition des étoiles guides en cours de montage. La lumière de ces étoiles guides permet de mesurer la turbulence le long des lignes de visée est nourrissent en données le calculateur dont le rôle consiste à calculer la turbulence le long de la ligne de visée des objets scientifiques. Ceci afin d’offrir une meilleure qualité d’image aux astronomes. Canary a réussi sa première lumière en septembre 2010.

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SST-GATE est un prototype de télescope destiné à observer les gerbes de lumière bleue produite par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère terrestre. Observer ces émissions lumineuses fugaces et en déduire leur provenance nécessite des télescopes à très grands champ de vue (au moins 8°) ce qui pose des problèmes de concept optique. SST-GATE doit démontrer si la formule optique de Schwarzschild-Couder est réalisable avec la technologie d’aujourd’hui. Si la réponse est positive, ce télescope sera dupliqué à plusieurs dizaines d’exemplaires dans le cadre du projet CTA (Cherenkov Telescope Array).

 Instrumentation

Les compétences pour réaliser l’instrumentation d’un instrument sont multiples.

  • Informatique : Sous ce terme se cache l’ écriture des programmes de contrôle, d’asservissement, d’acquisition ou d’analyse des données. Ces programmes nécessitent parfois de longue séance de tests et de contrôle afin de s’assurer que son fonctionnement est conforme aux attentes.
  • Electronique : cela concerne la fabrication des cartes électroniques analogiques conçues pour les besoins des instruments, mais aussi de concevoir l’interface entre le monde analogique et numérique. Une composante indispensable de l’électronique est le FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • Asservissement : mesurer à l’aide de capteur et avoir des actionneurs qui permettent de générer les mouvements souhaités ne suffit pas. Il faut connaître (ou estimer) la réponse que l’on doit donner à une situation mesurée. C’est le rôle du calculateur, situé entre capteurs et actionneurs. Il applique la logique d’asservissement et permet la communication avec le reste du système. Cette conception passe souvent par la réalisation de simulation comportementale avant de passer à la programmation du calculateur.
  • Métrologie : les mesures peuvent se faire de manière relative ou absolue. Dans les deux cas, les capteurs doivent être correctement étalonnés de manière à connaître la précision et la résolution avec lesquelles la mesure est effectuée. Ceci est possible si on étalonne les capteurs. Ce travail doit être réalisé régulièrement afin de s’assurer que les capteurs sont toujours opérationnels. Ces opérations sont sous traitées ou réalisés au sein du laboratoire.
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Cabernet illustre parfaitement l’imbrication des différents corps de métier dans certains projets. La détection de météores s’effectue généralement de manière automatique grâce à des caméras de petites dimensions mais la résolution spatiale est souvent insuffisante pour déterminer les paramètres orbitaux avec précision ce qui empêche d’utiliser pleinement les informations scientifiques. Le Pôle sur la Dynamique de l’Environnement Terrestre (PODET) vise à combler ce manque pour améliorer les capacités d’observations en créant le premier réseau d’observatoires fixes utilisant des caméras CCD à grand capteur (appelées Camera for BEtter Resolution NETwork ou CABERNET) composé de trois caméras dont l’une se trouve au Pic du Midi. Cette caméra a été développée au BE-Projets durant les 3 dernières années avec l’aide de l’atelier de fabrication et représente un excellent exemple de l’une des compétences de l’équipe : la mécatronique, domaine où plusieurs corps de métier, tels que optique, mécanique, thermique..., sont imbriqués au point que toute modification d’une partie entraîne des conséquences sur l’ensemble du projet. L’installation a été réalisée cet été et les premières images sont visibles à l’adresse : http://www.imcce.fr/langues/en/ephe...

 Techniques du vide

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Photo de l’enceinte à vide du Pôle Instrumental.
Le Pôle Instrumental possède une cuve à vide dans laquelle les expériences sont installées pour y être testées en conditions opérationelles de vide et de froid.

Le BE-Projets est amené à travailler sur des projets de satellite. Certains mécanismes développés, comme le dérotateur pour Gaia, doivent être testés dans un environnement proche du spatial afin de s’assurer que (1) les fonctions sont toutes opérationnelles dans un tel environnement et que (2) les performances (course, rotation, précision, etc) sont bien celles attendues.

Pour cela, le Pôle Instrumental possède une cuve à vide dans laquelle les expériences sont installées pour y être testées en conditions opérationelles de vide et de froid. Il est aussi possible de mener d’autres expériences, comme la mesure des propriétés mécaniques des matériaux. Ceux-ci changent en effet avec la température et une bonne connaissance de ces derniers permet de créer des modèles numériques – et donc des concepts – plus précis.

 R&D technologiques

En marge de ces travaux, un travail de R&D est mené afin de se familiariser avec les technologies émergeantes ou pressenties comme susceptibles d’être utilisées dans les futurs instruments. Le FPGA, puce en silicium qu’il est possible de programmer, fait partie de ces technologies.

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Starter kit d’Actel sur lequel est développé un algorithme de traitement d’image.
Le développement mené au BE concerne les satellites Gaia et PlaTO.

Ces puces présentent le double avantage d’être programmable et de pouvoir mener plusieurs processus en parallèle. Elles sont particulièrement adaptées pour les traitements systématiques de données (analyse d’image par exemple). En astronomie (techniques d’Optique Adaptative), ces puces peuvent par exemple prendre place à l’arrière des Analyseurs de Surface d’Onde (voir l’équipe de R&D) afin d’analyser à une fréquence élevée les perturbations atmosphériques.

Les développements menés au BE ont concerné les satellites Gaia et PlaTO. Le flot de données en provenance des 106 CCD du plan focal de Gaia est trop important pour la bande passante de l’antenne de communication avec le Terre et nécessite un pré-traitement à bord afin de limiter la quantité de données à envoyer au sol. Le rôle du FPGA est d’effectuer un traitement systématique des pixels en provenance des CCD pour analyser les images en flot continu et extraire uniquement les pixels d’intérêt scientifique qui seront envoyés au sol. Nous poursuivons ces études en sommes en discussion avec le CNES pour achever cette R&D à maturité. Pour PlaTO, proposé pour la mission M3 de l’ESO (2020), le FPGA se révèle fondamental grâce à un algorithme ingénieux que nous avons développé et qui permet (1) d’analyser en flot continu les informations des 168 CCDs présentes dans le plan focal pour extraire les informations scientifiques, (2) de diviser par 6 le nombre de processeurs (et donc par deux la consommation électrique du satellite !) et (3) d’utiliser habilement les données scientifiques extraites pour en déduire l’orientation du satellite dans l’espace et se passer du senseur stellaire (gain en masse).

 Management

Les instruments actuels sont imposants et leurs complexité et taille augmentent avec celle des télescopes (voir l’E-ELT par exemple). Les projets d’instrument sont souvent internationaux et nécessitent un management rigoureux afin d’orchestrer l’ensemble des équipes impliquées. Cela suppose entre autres de suivre l’avancement du travail des différentes équipes, parer aux difficultés qui surviennent, étudier les interfaces entre chaque sous-système, veiller à la levée des verrous technologiques et s’assurer que l’instrument fournira au final les résultats escomptés. Le mise en place de moyens de management de projet est alors essentielle.