Modelling of the instrument spectral response of conventionnal and imaging fourier transform spectrometers

La spectroscopie par la mesure du spectre optique est un outil dont on ne peut aujourd’hui plus se passer dans la grande majorité des laboratoires de chimie analytique et pour les applications de télédétection. À cet effet, l’usage de spectromètres par transformation de Fourier, les FTS (Fourier Transform Spectrometer), est très répandu. Parmi ces spectromètres, on trouve de plus en plus des instruments imageurs: les iFTS. À la différence des FTS classiques qui ne mesurent qu’un seul point, les iFTS mesurent un grand nombre de points d’une scène simultanément, ce qui ouvre la porte à des analyses spectrales sur des images. Les mesures spectrales effectuées par des FTS présentent certaines erreurs systématiques qui sont en grande partie décrites par la fonction de réponse spectrale de l’instrument, ou la SRF (Spectral Response Function). Dans le cas des instruments imageurs, chaque pixel possède sa propre réponse spectrale individuelle. Cela ouvre une toute nouvelle dimension dans l’analyse et la prédiction des erreurs systématiques de l’instrument. Grâce à la combinaison de la capacité d’imagerie et de télédétection des FTS imageurs, ce type d’instrument est souvent choisi pour des applications aérospatiales de sciences atmosphériques, tant pour l’étude de l’atmosphère terrestre que d’autre corps célestes. Ces applications sont toutefois très exigeantes et présentent des requis très stricts en matière de précision spectrale des instruments de mesure. Répondre à ces exigences sans une connaissance excellente de la réponse spectrale est impensable. La modélisation de la réponse des spectromètres permet d’obtenir une bonne connaissance des performances de ces instruments. Cette thèse propose d’abord une revue des effets affectant la réponse spectrale des FTS imageurs, pour ensuite présenter une nouveau modèle numérique de cette famille d’instruments. Ce modèle global de performance spectrale inclut des effets optiques généralement ignorés, simplifiés ou modélisés individuellement. La nécessité de modéliser ces effets, tels que ceux qui sont causés par la fonction de transfert optique de l’objectif du détecteur ou par l’architecture de la matrice de détecteur en plan focal (FPA), est démontrée par des usages exemplaires du modèle. Enfin, l’application du modèle comme support à l’analyse de performance du spectromètre imageur GLORIA est présentée.Spectroscopy and the measurement of light spectrum have become essential tools in a large number of fields, from analytic laboratories to remote sensing field measurements. In these applications, the use of Fourier transform spectrometers (FTS) is widespread and, more recently, imaging Fourier transform spectrometers (iFTS) are becoming ever more popular. The iFTS instruments enable spatially resolved highresolution spectral analysis within a single measurement, thus allowing the study of fine spectral variations in observed scenes. Such measurements inherently include systematic errors which can be in large part described by the instrument spectral response function, often referred to as SRF. In the case of iFTS, each pixel of the instrument will sport a different spectral response, which opens a whole new dimension not only in the measurement itself, but also for error analysis and instrument design. Because of their unique imaging capacity, iFTS instruments are a prime choice for remote sensing applications from airborne or spaceborne platforms for the measurement of the Earth atmosphere, as well as the atmosphere of other celestial bodies. The requirements on the spectral accuracy demanded by such missions are very high. To achieve these requirements, an excellent knowledge of the instrument spectral response is essential. Modelling of the spectral response of iFTS instruments is a possible approach to achieve the desired knowledge of instrument performances. This thesis offers a review of the factors affecting the spectral performances of FTS instruments from which a numerical model of the spectral response specifically designed with imaging instrument in mind is proposed. This model integrates optical effects which were up to now only studied separately – if at all – and not integrated in a global performance model of the instrument. The necessity to consider these effects, such as those caused by the optical transfer function of the detector imaging optic or the architecture of the imaging focal plane array (FPA), is demonstrated. Using dedicated measurement of the airborne iFTS GLORIA (Gimballed Limb Observer for Radiance of the Atmosphere), the application of the model for performance analysis and review is demonstrated