L'Intelligence Artificielle au service de l'Optique Adaptative – AI4AO

Le projet repose sur une approche innovante de co-conception entre matériel optique et algorithmes d’intelligence artificielle. Il revisite les trois briques fondamentales de l’optique adaptative : la mesure du front d’onde, le contrôle, et la gestion globale du système.

Dans le WP1, nous développons de nouveaux analyseurs de front d’onde en optimisant conjointement leur conception optique et leur traitement par réseaux de neurones. Cette approche permet de dépasser les compromis classiques entre sensibilité, linéarité et robustesse, avec des applications en astronomie (sensibilité extrême) et en surveillance spatiale (conditions turbulentes sévères).

Le WP2 est dédié au contrôle prédictif. Nous explorons des approches d’apprentissage par renforcement (RL) pour remplacer ou compléter les contrôleurs classiques (LQG), afin d’anticiper l’évolution de la turbulence et réduire les erreurs temporelles. Des études comparatives entre approches model-free et model-based seront menées, ainsi que l’intégration de données multi-capteurs.

Le WP3 vise la validation expérimentale. Les solutions développées seront testées sur des bancs d’optique adaptative (LOOPS, PICOLO), puis validées en conditions réelles sur le ciel (PAPYRUS, FEELINGS). L’intégration temps réel, l’optimisation des performances et la robustesse opérationnelle seront au cœur de cette phase.

Le projet AI4AO permettra de démontrer la faisabilité de systèmes d’optique adaptative intégrant des approches d’intelligence artificielle à différents niveaux de la chaîne.

Les résultats attendus incluent :

de nouveaux concepts d’analyseurs de front d’onde optimisés par co-conception IA–optique, avec des gains en sensibilité et robustesse,
des contrôleurs prédictifs basés sur l’apprentissage par renforcement, capables de surpasser les approches classiques en conditions dynamiques,
la démonstration expérimentale sur bancs et sur le ciel de ces nouvelles approches,
l’intégration de solutions temps réel compatibles avec les contraintes opérationnelles des systèmes d’OA.

Ces résultats permettront de lever des verrous majeurs identifiés dans les systèmes actuels, notamment la gestion des non-linéarités et des effets temporels, tout en augmentant la robustesse face aux conditions turbulentes extrêmes.

AI4AO ouvre la voie à une nouvelle génération de systèmes d’optique adaptative autonomes et intelligents. À court terme, les résultats du projet permettront de proposer une phase de maturation (ASTRID Maturation) en vue d’un transfert vers des systèmes opérationnels.

À moyen terme, les développements pourront être intégrés dans des instruments majeurs comme l’ELT en astronomie ou des plateformes de surveillance de l’espace telles que PROVIDENCE. Les applications concernent également les communications optiques sol-espace, un domaine stratégique en forte croissance.

À plus long terme, la généralisation de l’IA dans les systèmes d’OA pourrait transformer la conception même des instruments, en favorisant des architectures plus simples, plus robustes et auto-adaptatives. Le projet contribuera ainsi à renforcer la souveraineté européenne dans les domaines de l’observation spatiale et des technologies photoniques avancées.

A venir

Avec l'expansion rapide des activités humaines dans l'espace, qu'il s'agisse des missions habitées, des satellites de communication, des constellations pour l'observation de la Terre ou des initiatives du New Space, la gestion du domaine spatial devient de plus en plus complexe. Cette complexité accrue nécessite une surveillance accrue de l'espace pour garantir la sécurité des infrastructures en orbite. L'optique, et plus particulièrement l'optique adaptative (OA), offre un potentiel considérable pour surveiller avec une haute résolution les objets spatiaux.

L'optique adaptative est une technologie clé pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique, permettant ainsi d'obtenir des images détaillées depuis des télescopes terrestres. Aujourd'hui, l'OA est intégrée dans tous les grands télescopes au sol. Avec la construction de l'Extremely Large Telescope (ELT), l'OA est devenue indispensable. Équipé d'une OA ultra-performante, l'ELT ouvre des perspectives fascinantes, telles que la détection de planètes similaires à la Terre et l'analyse potentielle de leurs atmosphères.

L'OA joue également un rôle stratégique dans la surveillance de l'espace, notamment pour l'observation des satellites et la sécurisation des communications optiques entre le sol et les satellites. En améliorant la résolution angulaire, l'OA permet de distinguer des détails tels que les panneaux solaires, les antennes ou les variations de forme des satellites. Elle facilite également la détection de changements, comme les dégradations mécaniques ou les dysfonctionnements, et améliore la précision astrométrique pour déterminer les orbites. Ces capacités sont essentielles pour surveiller les comportements anormaux et identifier les satellites potentiellement hostiles. La plateforme PROVIDENCE, développée par l'ONERA, vise à répondre à ces enjeux en offrant des capacités d'observation, de classification, d'identification, de caractérisation et de surveillance à haute résolution angulaire de l'orbite terrestre basse.

En combinant les avancées en optique adaptative et en apprentissage automatique, le projet AI4AO vise à repousser les limites actuelles de l'imagerie à haute résolution angulaire, avec des applications directes pour l'astronomie, les communications optiques et la surveillance de l'espace. AI4AO ambitionne de transformer les systèmes d'OA en les rendant plus performants, robustes et autonomes. Développé sur 36 mois, AI4AO se positionne comme un projet structurant pour les futures générations d’instruments à haute résolution angulaire. Les avancées réalisées bénéficieront directement à des projets comme l'ELT et PROVIDENCE, offrant des perspectives d’innovation majeures au service de l’astronomie, des télécommunications optiques et de l’observation de l’espace. Le projet prépare également le terrain pour une future maturation technologique, en vue d'un déploiement opérationnel à plus grande échelle.

Le consortium est composé du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, de l'ONERA et de l'Université de Durham, réunissant des expertises complémentaires en photonique, IA et intégration de solutions en temps réel embarquées.