Improvement of an end-to-end performance modeling interface for optical systems (EMIOS) and application to thermo-elastic sensisitivity of hyperspectral instruments

Abstract

As a part of the New Space development in industry, this research pursues the development of an end-to-end performance modeling interface for optical systems (EMIOS). The interest of managing performance prediction with computer-aided technologies for space instrument are huge. It is primordial for companies to supply reliable instrument to customers and to be compliant with standards. This study demonstrates the robustness of this kind of software by giving a detailed analysis of the sensitivity of optical instruments, especially hyperspectral instruments.

This work is based on a deep understanding of different theoretical and practical concepts happening along the design lifetime of hyperspectral instruments. By managing the optical design processes, engineers can have an overview of the future operation of hyperspectral instruments. The thermo-elastic perturbations have to be evaluated and the resulting image deformations too. Therefore, it is important to define the different quality criteria that will be used to sense the optical aberrations coming from these deformations. Naturally, an enhancement of the end-to-end performance tools is performed beforehand in order to upgrade the software and achieve the sensitivity analysis afterwards. Finally, this sensitivity study gives the main tendencies in terms of mirrors deformations and motions that will allow engineers to better understand the behavior of hyperspectral instruments in operation. Several recommendations about the future reliability of the developed optics are also provided.

Dans le cadre du développement du New Space en industrie, cette recherche poursuit le développement d'une interface de modélisation des performances de bout en bout pour les systèmes optiques (EMIOS). L'intérêt de gérer la prévision des performances avec des technologies assistées par ordinateur pour les instruments spatiaux est énorme. Il est primordial pour les entreprises de fournir des instruments fiables aux clients et de se conformer aux normes. Cette étude démontre la robustesse de ce type de logiciel en donnant une analyse détaillée de la sensibilité des instruments optiques, en particulier des instruments hyperspectraux.

Ce travail est basé sur une compréhension approfondie des différents concepts théoriques et pratiques qui se produisent tout au long de la durée de vie de conception des instruments hyperspectraux. En gérant les processus de conception optique, les ingénieurs peuvent avoir une vue d'ensemble du fonctionnement futur des instruments hyperspectraux. Les perturbations thermo-élastiques doivent être évaluées et les déformations d'image qui en résultent également. Il est donc important de définir les différents critères de qualité qui seront utilisés pour détecter les aberrations optiques provenant de ces déformations. Naturellement, une amélioration des outils de performance de bout en bout est effectuée au préalable afin de mettre à niveau le logiciel et de réaliser l'analyse de sensibilité par la suite. Enfin, cette étude de sensibilité donne les principales tendances en termes de déformations et de mouvements des miroirs qui permettront aux ingénieurs de mieux comprendre le comportement des instruments hyperspectraux durant leur fonctionnement. Plusieurs recommandations sur la fiabilité future des optiques développées sont également fournies.