Development of a new generation of infrared spectrometers

Fourier Transform Spectrometers (FTS) are widely used in space applications due to their high spectral resolution and throughput. However, their sensitivity to mechanical disturbances, particularly speed variations and structural vibrations, poses significant challenges for their deployment in space missions. This thesis addresses these limitations through a dual approach: the development of improved signal processing techniques and the structural redesign of key instrument components. A novel data processing method is introduced, enhancing the classical arccosine approach used to correct mirror speed variations in FTS. Modifications include a refined normalization procedure and the use of two phase-shifted reference channels, which significantly reduce spectral distortion. The proposed techniques are evaluated through extensive numerical simulations and validated experimentally using a custom-built instrument mockup. In parallel, the optical bench of an existing spectrometer is redesigned using topology optimization and additive manufacturing to improve its dynamic behavior while reducing mass. Two alternative configurations are proposed and analyzed through finite element simulations, demonstrating the effectiveness of the adopted design strategy. The combined results of this work advance both the signal processing and mechanical robustness of FTS instruments, offering promising directions for their future implementation in compact, high-performance space payloads.

Gli spettrometri a trasformata di Fourier (FTS) sono ampiamente utilizzati in ambito spaziale per la loro elevata risoluzione spettrale e l’ottima efficienza di raccolta della radiazione. Tuttavia, la loro sensibilità a disturbi meccanici, come variazioni di velocità e vibrazioni strutturali, costituisce un’importante limitazione per l’impiego in missioni spaziali. Questa tesi affronta tali criticità mediante un approccio duplice: lo sviluppo di tecniche avanzate di elaborazione del segnale e la riprogettazione strutturale di componenti chiave dello strumento. Viene presentato un nuovo metodo di elaborazione dei dati, che migliora l’approccio classico basato sulla funzione arcocoseno per la correzione delle variazioni di velocità dello specchio. Le modifiche includono una procedura di normalizzazione rivisitata e l’utilizzo di due canali di riferimento sfasati, con il risultato di una significativa riduzione delle distorsioni spettrali. Le prestazioni del metodo sono valutate tramite simulazioni numeriche e validate sperimentalmente attraverso un mockup strumentale realizzato ad hoc. Parallelamente, si è proceduto alla riprogettazione del banco ottico di uno spettrometro esistente, con l’obiettivo di migliorarne il comportamento dinamico e ridurne la massa. L’intervento ha previsto l’adozione di tecniche di ottimizzazione topologica e manifattura additiva, portando alla definizione di due configurazioni alternative analizzate mediante simulazioni agli elementi finiti. I risultati ottenuti dimostrano il potenziale dell’approccio integrato proposto, in grado di aumentare la robustezza di elaborazione dati e meccanica degli FTS, aprendo nuove prospettive per lo sviluppo di strumenti compatti e performanti destinati al volo spaziale.