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Vegetation is an important element for radar because it is ubiquitous and thwarts numerous algorithms. This is mainly due to the movement of vegetation, in the wind, which induces a Doppler shift. In this thesis, we developed a vegetation clutter model dedicated to SAR imaging. For this clutter model, we have decided to work with 3 assumptions. First, we have chosen to rely on a geotypical model, in opposition to a specific one, using procedural tree creation and a surface mesh representation. Second, we have opted for an asymptotic electromagnetic model valid for frequencies higher than the X-band (8 GHz), which are typical of high resolution radars. Third, we have picked an animated model based on a deformed surface mesh that accounts for the Doppler shift.To this end we have modified an in-house simulator, of the ONERA, built to generate complex radar signals. The first improvement comes from the choice of a two-step asymptotic model. First, visibility of the surface mesh facets is determined thanks to geometrical optics (ray tracing). Then, the backscattered field is evaluated thanks to physical optics (polygonal surfaces). The validity of this asymptotic approach is verified with RCS comparisons of simple shapes. The second improvement comes from the development of an interpolation method meant to reduce the number of visibility computations, a crucial point for high resolution SAR imaging. Computation of SAR images for different wind strengths has highlighted the defocalization effect induced by tree movements during an acquisition. An analysis of the PSD, namely a comparison with Billingsley’s model, confirms the capacity of our model to account for the Doppler shift., La végétation est un élément important pour le radar car elle est omniprésente et met en échec de nombreux algorithmes. Cela provient avant tout du mouvement de la végétation, sous l’effet du vent, qui induit un décalage Doppler. Dans cette thèse, nous avons développé un modèle de fouillis de végétation pour l’imagerie SAR. Pour ce modèle de fouillis, nous avons décidé de travailler sur la base de 3 hypothèses. Premièrement, nous avons choisi une modélisation géotypique au travers d’une approche procédurale de création d’arbres et de leur représentation par des maillages surfaciques. Deuxièmement, nous avons opté pour une modélisation électromagnétique asymptotique compatible des fréquences supérieures à 10 GHz, typiques des systèmes d’acquisition haute résolution. Troisièmement, nous avons retenu une modélisation animée constituée d’un maillage surfacique déformable à même de rendre compte du décalage Doppler.Pour cela nous avons adapté un simulateur ONERA permettant la génération de données radars brutes. La première amélioration réside dans le choix d’une approche asymptotique en 2 étapes (optique géométrique et physique), détermination de la visibilité des facettes du maillage et évaluation du champ rétrodiffusé correspondant. La deuxième amélioration réside dans le développement d’une méthode d’interpolation afin de limiter le nombre de calculs de visibilité, point crucial pour l’imagerie SAR haute résolution. La formation d’images SAR pour différentes intensité de vents nous a permis d’observer la défocalisation due aux mouvements des arbres au cours d’une acquisition. Une analyse de la DSP, par comparaison avec le modèle de Billingsley, confirme la capacité de notre modèle à restituer le décalage Doppler.

En 1970, Henri Dessens, directeur de l'Observatoire de Clermont-Ferrand, souhaite utiliser des radars pour l'étude de la physique de l'atmosphère. L'idée se concrétise avec Serge Godard, qui prend la suite de Dessens à la tête de l'Observatoire. Il réussit à récupérer un radar militaire qui va être détourné de sa fonction première pour devenir un instrument d'étude et de recherche baptisé ANATOL (ANAlyse et Trajectoire d'Orages Locaux). La longue carrière d'ANATOL s'achève en 1995 après plus de 45 ans de bons et loyaux services dans la recherche atmosphérique. Mais l'idée d'utiliser des radars poursuit son chemin et dès 1993, sous la direction de Daniel Ramon, c'est l'installation d'un radar ST (Stratosphère-Troposphère) menée avec Météo-France. Puis, au milieu des années 1990, Jacques Kornprobst, directeur, lance l'Observatoire sur la conception et la réalisation technique d'un prototype de radar « volcanologique » à effet Doppler, VOLDORAD-1. Répondant à des besoins en volcanologie, il fut testé de façon pionnière sur le site de l’Etna en 1998. Ce succès conduisit dans la foulée à la construction de deux autres radars uniques en volcanologie (VOLDORAD-2 et 2B) puis d'un troisième (VOLDORAD-3). Réunis en un service d’observation dédié au sein de l’OPGC depuis 2002, ces radars sont utilisés pour la surveillance des éruptions volcaniques mais également pour des études atmosphériques. In 1970, Henri Dessens, director of the Clermont-Fd Observatory, wanted to use radar to study the physics of the atmosphere. The idea became a reality with Serge Godard, who took over from Dessens at the head of the Observatory. He succeeded in recovering a military radar that was diverted from its original function to become a study and research instrument called ANATOL (ANAlyse et Trajectoire d'Orages Locaux). ANATOL's long career came to an end in 1995 after more than 45 years of good and loyal service in atmospheric research. However, the idea of using radars continued to grow and in 1993, under the direction of Daniel Ramon, an ST (Stratosphere-Troposphere) radar was installed with Météo-France. Then, in the mid-1990s, Jacques Kornprobst, director, launched the Observatory on the design and technical production of a prototype "volcanological" Doppler radar, VOLDORAD-1. Responding to volcanological needs, it was tested in a pioneering way at Etna in 1998. This success led to the construction of two other unique volcanological radars (VOLDORAD-2 and 2B) and a third (VOLDORAD-3). Since 2002, these radars have been combined into a dedicated observation service within the OPGC and are used for monitoring volcanic eruptions but also for atmospheric studies.

The aim of this thesis is to show the ability of frequency modulated radar (FMCW) to estimate characteristics of animal behavior for different species, pigs, sheep and flying insects. It was used and tested different types of radar and at different frequencies depending on the size and behavior to be estimated. Firstly, by using two FMCW radars with a small aperture angle it is possible to estimate the posture of a sow confined in a maternity cage, a cage used to limit the movement of the sow during lactation and thus limit the mortality of the piglets. This method requires the use of a statistical model using neural networks or random forests to estimate the posture of the sow. FMCW radars were also used to estimate the position of a sheep during a behavioral test. This allowed to extract behavioral parameters and to recognize the most docile and social sheep without using manual measurements. To finish the detection of flying insects it was necessary to develop a new system allowing to follow several bumblebees at the same time in 3D and this without using tags, which can modify the movement of the bumblebee. However, this method still has its limits, the range is only a few meters and the size of the data to be recovered is important (1GB per minute). The advantage of radar is the fact that it can estimate behavioral parameters over time without coming into contact with the animal. Moreover, unlike camera methods, it is not necessary to have an external light source and it is also possible to have opaque obstacles between the radar and the target. And in the case of the detection of bumblebees and sheep the range is more important and this in an uncontrolled environment., Le but de cette thèse est de montrer la capacité des radars à modulation de fréquence (FMCW) à estimer des caractéristiques du comportement animal et ce pour différentes espèces, porcs, ovins et insectes volant. Il a été utilisé et testé différents types de radar et à différentes fréquences en fonction de la taille et du comportement à estimer. Premièrement en utilisant deux radar FMCW ayant un faible angle d’ouverture il est possible d’estimer la posture d’une truie confinée dans des cages de maternité, cage utilisée pour limiter le mouvement de la truie pendant l’allaitement et ainsi limité la mortalité des porcelets. Cette méthode nécessite l’utilisation d’un model statistique utilisant des réseaux de neurones ou des forêts aléatoires pour estimer la posture de la truie. Il a aussi été utilisé des radars FMCW pour estimer la position d’un mouton lors d’un test de comportement. Ceci a permis d’extraire des paramètres de comportements et ainsi reconnaitre les moutons les plus dociles et sociaux sans utilisé de mesures manuelles. Pour finir la détection des insectes volant il a été nécessaire de développer un nouveau système permettant de suivre plusieurs bourdons en même temps en 3D et ce sans utiliser de tags, qui peuvent modifier le déplacement du bourdon. Cette méthode cependant a encore des limites, la portée n’est que de quelques mètres et la taille des données à récupérer est important (1Go la minute). L’avantage du radar est le fait de pouvoir estimer des paramètres de comportements au cours du temps sans entrer en contact avec l’animal. De plus contrairement à des méthodes par caméra il n’est pas nécessaire d’avoir une source de lumière externe et il est aussi possible d’avoir des obstacles opaques entre le radar et la cible. Et dans le cas de la détection de bourdons et de moutons la portée est plus importante et ce dans un environnement non contrôlé

In the field of civil engineering, and more particularly in the road building, it is necessary to control some physical parameters with standard methods. These controls ensure the implementation is performed according to the technical specifications. They also allow to optimize the structure dimensions with the best safety/cost ratio and an optimal lifetime. Compactness related to density and therefore indicative of mechanical strength necessary to support traffic solicitations is a key parameter to control. Currently, density control in the laboratory is done using bench with nuclear sources on pavement cores, based on the emission and reception of gamma rays. Its replacement has now become a major issue since this method generates increasingly high costs and constraints (use, storage, transport and exposure to ionizing radiation). The objective of this work is to find an alternative non-nuclear solution to control the pavement compactness with an accuracy equivalent to the gamma-bench method. The proposed solution is an electromagnetic bench (EM), allowing cores tomography to measure permittivity. The density will then be evaluated by means of mixing rules taking into account the proportions and physical characteristics of each component.. EM tomography is widely used in medical domain. It allows to characterize physical properties inside the human body to detect, for example, cancerous tumors. Tomography can spatially reconstruct the complex dielectric properties of the studied medium from a few hundred MHz to a few GHz. For this new type of bench based on a radar technique, new ultra wide band antennas of the Vivaldi type, as well as Bow-tie contact antennas on flexible substrate have been conceived in order to optimize the radiation performance to the dimensions of the samples and their physical characteristics. A series of measurements was carried out on cylindrical samples of different materials (Teflon, limestone, asphalt concrete). The motorized measurement bench consists of a vector network analyzer with two broadband antennas (transmitter and receiver). The entire EM bench is motorized and driven by a software developed in the laboratory The transmitted pulse study allowed us to estimate the permittivity of each sample. The compactness was then evaluated by EM mixing laws for asphalt concrete samples with a known formulation, usually given by the manufacturer. The results are compared to measurements carried out by the gamma bench and the cylindrical cavity. The first results show that the technique is satisfying. But more work is necessary to test more elaborated algorithms and protocols for the tomographic reconstruction of the medium in 2D and 3D., Dans le domaine du génie civil, la réception des chaussées neuves s’accompagne d’un ensemble de contrôle de paramètres physiques, notamment de la compacité des enrobés bitumineux par des méthodes normalisées. Ce contrôle assure la bonne mise en œuvre des routes pour leur conférer les critères mécaniques attendus et une durée de vie optimale. Actuellement, le contrôle de la compacité en laboratoire se fait au moyen de bancs utilisant des sources nucléaires, basés sur l’émission et la réception de rayons gamma. Leur remplacement est aujourd’hui devenu un enjeu majeur car cette méthode génère des coûts et des contraintes de plus en plus fortes (stockage, transport de la source nucléaire et exposition des utilisateurs aux rayonnements ionisants). L’objectif de ce travail est de trouver une solution alternative non nucléaire avec une précision équivalente à la méthode du banc gamma pour contrôler la compacité des chaussées. La solution proposée est un banc électromagnétique (EM), permettant de réaliser des tomographies d’échantillons de chaussée pour en mesurer la permittivité. La compacité peut être ensuite évaluée grâce à des lois dites de mélange prenant en compte les proportions et les caractéristiques physiques de chaque constituant. La tomographie EM est une technique d’imagerie très utilisée dans le domaine médical. Elle permet unereconstruction de certaines propriétés diélectriques à l’intérieur du corps humain pourdétecter par exemple des tumeurs cancéreuses. Pour ce nouveau type de banc basé sur une technique radar, des nouvelles antennes ultra large bande de type Vivaldi, ainsi que des antennes de contact de type papillon sur substrat flexible ont été conçues afin d’optimiser les performances de rayonnement aux dimensions des échantillons et à leurs caractéristiques physiques. Une série de mesures a été effectuée sur des échantillons cylindriques de différents matériaux (Téflon, calcaire, bétons bitumineux. . .). Le banc de mesure motorisé est composé d’un analyseur de réseau vectoriel avec deux antennes large bande (émettrice et réceptrice). Ce système est contrôlé par ordinateur via un logiciel développé en laboratoire. L’étude de l’impulsion transmise nous a permis d’estimer la permittivité de chaque échantillon. La compacité a été évaluée par la suite par des lois de mélange EM pourles échantillons de bétons bitumineux à formulation connue, donnée généralement par le constructeur. Les résultats sont comparés à des mesures effectuées par le banc gamma et en cavité cylindrique. Les premiers résultats de mesures montrent que la technique est satisfaisante. Mais des efforts restent à mener pour tester des algorithmes et des protocoles plus élaborés pour la reconstitution tomographique du milieu en 2D et 3D.

Many empirical models describing sea clutter statistical distribution exist but they do not directly depend on the sea sate. They are not suitable to perform inversion. To model the statistical distribution of the backscattered intensity, we use a two-scale model (TSM) which is linked to the sea state via the mss (mean square slope). This model allows to retrieve the NRCS but does not perfectly describes the sea clutter distribution simultaneously in the two direct polarization channels. This is due to an overestimation of the Bragg polarization ratio (PR)., De nombreux modèles empiriques de distribution statistique du fouillis de mer existent mais ne sont pas directement paramétrable par l’état de mer, et ainsi il n’est pas possible d’y pratiquer une méthode d’inversion. Pour modéliser la distribution statistique de l’intensité, nous utilisons un modèle deux-échelles (TSM) paramétré directement par l’état de mer via la mss (mean square slope). Ce modèle permet de retrouver de manière cohérente la NRCS mais ne parvient pas à décrire de manière la distribution du fouillis de mer simultanément dans les deux canaux de polarisations directs dû à une surestimation du rapport de polarisation (RP) de Bragg.Pour corriger ce problème, nous avons développé une formulation originale du RP qui inclue un unique paramètre effectuant une transition dynamique entre le régime de Bragg et de Kirchhoff. Cette formulation intégrée au modèle TSM permet de corriger le RP et d’obtenir une modélisation cohérente de la statistique du fouillis de mer, simultanément dans les deux polarisations. A l’aide d’une méthode d’inversion, le modèle permet d'estimer l’état de mer d’un radar imageur. La pertinence de ce modèle est établie dans différentes configurations, mais aussi pour des données présentant des incertitudes de calibration.

International audience; The study presents geophysical surveys and archaeological excavations that complete each other to fulfil two objectives: 1- to understand the evolution of the human occupation from Roman to Medieval times on an archaeological site in Horbourg-Wihr (Haut-Rhin, France); 2- to test the efficiency of an approach using a combination of different geophysical methods and targeted excavations for the assessment of archaeological remains. The use of different geophysical methods is shown to be particularly adapted to the context of the archaeological site. The results allow to conduct targeted excavations and to better understand the spatial distribution of the identified remains. Thus, the study gives new results on the succession and overlap of the archaeological remains of a medieval castle built on the remnant of a GalloRoman theater.; L’étude présente des campagnes de prospections géophysiques et de sondages archéologiques qui se complètent pour répondre à un double objectif : 1- comprendre l’enchaînement de l’occupation anthropique du territoire entre l’époque romaine et l’époque médiévale d’un secteur archéologique inédit à Horbourg-Wihr (Haut-Rhin, France) ; 2- tester l’efficacité de l’utilisation combinée de méthodes de prospections géophysiques et de la fouille archéologique pour identifier et caractériser les vestiges. L’utilisation de différentes méthodes géophysiques complémentaires se révèle particulièrement adaptée au contexte du site et les résultats ont permis d’implanter des sondages ciblés et de mieux comprendre la distribution spatiale des vestiges identifiés lors de la fouille. Ainsi, cette étude apporte de nouvelles informations sur la succession et superposition de vestiges d’un château médiéval sur la base d’un théâtre gallo-romain.

The purpose of this research is to study the detection of temporal changes between two (or more) multimodal images satellites, i.e., between two different imaging modalities acquired by two heterogeneous sensors, giving for the same scene two images encoded differently and depending on the nature of the sensor used for each acquisition. The two (or multiple) multimodal satellite images are acquired and coregistered at two different dates, usually before and after an event. In this study, we propose new models belonging to different categories of multimodal change detection in remote sensing imagery. As a first contribution, we present a new constraint scenario expressed on every pair of pixels existing in the before and after image change. A second contribution of our work is to propose a spatio-temporal textural gradient operator expressed with complementary norms and also a new filtering strategy of the difference map resulting from this operator. Another contribution consists in constructing an observation field from a pair of pixels and to infer a solution maximum a posteriori sense. A fourth contribution is proposed which consists to build a common feature space for the two heterogeneous images. Our fifth contribution lies in the modeling of patterns of change by anomalies and on the analysis of reconstruction errors which we propose to learn a non-supervised model from a training base consisting only of patterns of no-change in order that the built model reconstruct the normal patterns (non-changes) with a small reconstruction error. In the sixth contribution, we propose a pairwise learning architecture based on a pseudosiamese CNN network that takes as input a pair of data instead of a single data and constitutes two partly uncoupled CNN parallel network streams (descriptors) followed by a decision network that includes fusion layers and a loss layer in the sense of the entropy criterion. The proposed models are enough flexible to be used effectively in the monomodal change detection case., Cette recherche a pour objet l’étude de la détection de changements temporels entre deux (ou plusieurs) images satellitaires multimodales, i.e., avec deux modalités d’imagerie différentes acquises par deux capteurs hétérogènes donnant pour la même scène deux images encodées différemment suivant la nature du capteur utilisé pour chacune des prises de vues. Les deux (ou multiples) images satellitaires multimodales sont prises et co-enregistrées à deux dates différentes, avant et après un événement. Dans le cadre de cette étude, nous proposons des nouveaux modèles de détection de changement en imagerie satellitaire multimodale semi ou non supervisés. Comme première contribution, nous présentons un nouveau scénario de contraintes exprimé sur chaque paire de pixels existant dans l’image avant et après changement. Une deuxième contribution de notre travail consiste à proposer un opérateur de gradient textural spatio-temporel exprimé avec des normes complémentaires ainsi qu’une nouvelle stratégie de dé-bruitage de la carte de différence issue de cet opérateur. Une autre contribution consiste à construire un champ d’observation à partir d’une modélisation par paires de pixels et proposer une solution au sens du maximum a posteriori. Une quatrième contribution est proposée et consiste à construire un espace commun de caractéristiques pour les deux images hétérogènes. Notre cinquième contribution réside dans la modélisation des zones de changement comme étant des anomalies et sur l’analyse des erreurs de reconstruction dont nous proposons d’apprendre un modèle non-supervisé à partir d’une base d’apprentissage constituée seulement de zones de non-changement afin que le modèle reconstruit les motifs de non-changement avec une faible erreur. Dans la dernière contribution, nous proposons une architecture d’apprentissage par paires de pixels basée sur un réseau CNN pseudo-siamois qui prend en entrée une paire de données au lieu d’une seule donnée et est constituée de deux flux de réseau (descripteur) CNN parallèles et partiellement non-couplés suivis d’un réseau de décision qui comprend de couche de fusion et une couche de classification au sens du critère d’entropie. Les modèles proposés s’avèrent assez flexibles pour être utilisés efficacement dans le cas des données-images mono-modales.

This paper is interested in phase code design, and especially in their robustness to the eclipsing phenomenon. In a radar background, the term "eclipsing" describes a partial loss of data at the reception side. It implies an increase of pulse compression sidelobes, and thus a degradation of detection performance. In this regard, this paper describes an optimisation procedure which aims to provide waveforms (phase codes) that are quite robust to the eclipsing phenomenon. Some simulations are provided to highlight the usefulness of the procedure., Dans ce papier, on s'intéresse aux codes de phase, et plus particulièrement à leur robustesse aux phénomènes d'éclipse. Dans le contexte radar, une éclipse se traduit par une perte partielle d'informations, due à la réception d'un signal pendant la phase d'émission. Cela implique notamment une élévation du niveau des lobes secondaires après compression d'impulsion, et par conséquent une dégradation des performances de détection. En ce sens, ce papier propose une procédure d'optimisation permettant de définir des codes de phase robustes aux phénomènes d'éclipse. Quelques simulations soulignent l'intérêt de la méthodologie.

International audience; Ce document donne une brève introduction des activités de recherche sur la microphysique des nuages et des précipitations effectuées au LATMOS. Si de très nombreuses études ont été menées par le passé sur les propriétés des distributions dimensionnelles de tailles de gouttes, des questions restent ouvertes sur les caractéristiques des particules glacées dans les différents types de nuages et l'impact que ceux-ci peuvent avoir sur le bilan hydrique et de bilan radiatif. Au LATMOS, nous concevons, développons, déployons et exploitons des radars en bande X et W afin de d'améliorer notre connaissance des liens entre dynamique et microphysique dans les systèmes précipitants.

Detection and ranging with electromagnetic waves (Radar) are used in a number of domains such as aeronautics, automobile or even medecin. In this thesis, we are interested particularly on Radar in the wellness domain for widely use: sleep pattern tracking sensors, smart glasses or white cane with obstacles detection for visually impaired people. The problem, which so far has not been discussed, is to add necessary functionalities as follow to the exciting solution to resolve theses applications: the thoracic and abdominal displacement tracking with a millimetric resolution; and the measurements of arrival direction of backscattered signals from obstacles in front of visually impaired individuals. The technological starting point is the one of Ultra Wideband (UWB) technology, which offers a resolution of approximate one centimeter in the distance measurement within the range of few meters and in the discrimination of backscattered signals from multiple obstacles. To meet these criterias, the research focuses on the backscattering propagation channel in particularly from the human body. It also analyses the techniques in signal processing, aiming to estimate the breathing rate in the backscattered signal of human body, and to estimate the arrival direction to an antenna array to nearly one degree. Finally, it investigates the systematic architecture, especially in the receiver associated with the antenna array, in order to withstand the angular measurement without notably increasing the receiver complexity and consumption., De nos jours, la détection et la mesure de la distance avec les ondes électromagnétiques (Radar) sont utilisées dans de nombreux domaines tels que l’aéronautique, l’automobile ou bien la médecine. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement au Radar dans le domaine du bien-être pour le grand public : capteur sans contact pour le suivi du sommeil, et lunettes ou canne pour malvoyants pour la détection des obstacles sur la route. Le problème posé dans cette thèse est d’ajouter les fonctionnalités nécessaires suivantes à la solution Radar existante afin de répondre à ces applications : la mesure du rythme respiratoire issu du déplacement de la cage thoracique et de l'abdomen de quelques millimètres pendant la respiration et la mesure de la direction d'arrivée de l'onde électromagnétique rétro-diffusée des obstacles devant le malvoyant. Le contexte technologique de départ est celui de la technologie ultra large bande qui offre une résolution de l’ordre du centimètre pour la mesure de distance à une portée de quelques mètres et la discrimination des signaux rétro-diffusés des multiples obstacles. Suivant les besoins, les travaux décrits ici se sont concentrés sur le canal de propagation en rétro-diffusion sur corps humain. Ils se sont aussi portés sur les techniques de traitement du signal pour pouvoir estimer le rythme respiratoire dans le signal rétro-diffusé du corps humain, et sur l'estimation de la direction d'arrivée de l'onde à un réseau d'antennes avec une résolution au degré près. Enfin, cette thèse aborde l’architecture du système, et notamment du récepteur associé au réseau d'antennes, afin de pouvoir réaliser la mesure angulaire sans augmenter la complexité, le coût et la consommation du récepteur.

As the semiconductor industry faces major challenges in sustaining its growth, new High-Level Synthesis tools are repositioning FPGAs as a leading technology for algorithm acceleration in the face of CPU and GPU-based clusters. But as it stands, for a software engineer, these tools do not guarantee, without expertise of the underlying hardware, that these technologies will be harnessed to their full potential. This can be a game breaker for their democratization. From this observation, we propose a methodology for algorithm acceleration on FPGAs. After presenting a high-level model of this architecture, we detail possible optimizations in OpenCL, and finally define a relevant exploration strategy for accelerating algorithms on FPGA. Applied to different case studies, from tomographic reconstruction to the modelling of an airborne radar jammer, we evaluate our methodology according to three main performance criteria: development time, execution time, and energy efficiency., A l'heure où l'industrie des semi-conducteurs fait face à des difficultés majeures pour entretenir une croissance en berne, les nouveaux outils de synthèse de haut niveau repositionnent les FPGAs comme une technologie de premier plan pour l'accélération matérielle d'algorithmes face aux clusters à base de CPUs et GPUs. Mais en l’état, pour un ingénieur logiciel, ces outils ne garantissent pas, sans expertise du matériel sous-jacent, l’utilisation de ces technologies à leur plein potentiel. Cette particularité peut alors constituer un frein à leur démocratisation. C'est pourquoi nous proposons une méthodologie d'accélération d'algorithmes sur FPGA. Après avoir présenté un modèle d'architecture haut niveau de cette cible, nous détaillons différentes optimisations possibles en OpenCL, pour finalement définir une stratégie d'exploration pertinente pour l'accélération d'algorithmes sur FPGA. Appliquée sur différents cas d'étude, de la reconstruction tomographique à la modélisation d'un brouillage aéroporté radar, nous évaluons notre méthodologie suivant trois principaux critères de performance : le temps de développement, le temps d'exécution, et l'efficacité énergétique.

International audience; Dans ce travail, nous nous intéressonsà l'élaboration d'un modèleélectromagnétique d'arbre réaliste, adaptéà l'imagerie radar haute fréquence et haute résolution. Cette premièreétape viseàétablir une modélisation de référence qui permettra dans un second temps l'élaboration d'un modèle approché exploitable pour des scènes de grandes dimensions. Ce premier modèle est réalisé en deux temps. Tout d'abord, la réalisation d'une représentation 3D est faiteà partir de logiciels de modélisation graphique. Ensuite, le maillage généré est exploité pour calculer la visibilité ainsi que la réflectivité des différents contributeurs du signal radar.

The applications of radar techniques to the urban environment constitute an emerging subject. One of the main difficulties is related to the complexity of the propagation environment induced by the buildings present in the scene. Indeed, unlike conventional radar applications where the target is in line of sight of the radar, the presence of these buildings generates on the one hand shadow areas within which a target is not in line of sight, and on the other hand, many multipaths produced by reflections and diffractions on the surrounding surfaces. Classically, these multipaths are often seen as an inconvenience, limiting radar detection capabilities. However these multipaths can also be exploited to the advantage of the radar to detect and locate targets located in the shadows areas (target in NLOS).The objective of this thesis work is therefore to develop signal processing methods allowing the detection and localization of a target located in shadow areas in urban environment and to apply these techniques for detecting and locating a target in NLOS from realistic or even real signals.For this, we first proposed two solutions for detection and localization of a target by exploiting multipath information: the FMU algorithm which is based on a projection of the received signal on the subspace defined by the delays of the multipaths and the SLC algorithm that is based on a non-coherent integration of multipath energy. We have also improved on one hand our detection solution by proposing a method for selecting the number of paths based on the optimization of the probability of detection, and on the other hand our localization solution by proposing to use some penalization enabling to mitigate the ambiguity problem inherent to the "around-the-corner" problem. In a second step, we developed two particle filters to track a target in urban environment in the presence of multipaths. These algorithms have been applied to real data and showed promising results: even with an approximate knowledge of the geometry of the scene, it has been possible to detect, locate and track a target by exploiting only the information on multipath delays., Les applications des techniques radar au milieu urbain constituent un domaine émergent. Une des difficultés principale est liée à la complexité du milieu de propagation induit par les bâtiments présents dans la scène. En effet, contrairement aux applications radar classiques où la cible est en ligne de vue du radar, la présence de ces bâtiments génère d’une part des zones d’ombre à l’intérieur desquelles une cible n’est pas en visibilité directe, et d’autre part de nombreux multi-trajets produits par les possibles réflexions et diffractions sur les surfaces environnantes. Ces multi-trajets sont souvent vus comme une gêne, limitant les capacités de détection en radar. Or ils peuvent aussi être exploités à l’avantage du radar afin de détecter et localiser des cibles situées dans les zones d’ombre (cible en NLOS).L’objectif de ce travail de thèse est donc la mise en place de méthodes de traitement du signal permettant la détection et la localisation d’une cible en NLOS en milieu urbain et l’application de ces techniques pour détecter et localiser une cible en NLOS à partir de signaux réalistes voire réels.Pour cela, nous avons proposé dans un premier temps deux solutions pour la détection et la localisation de la cible en exploitant les multi-trajets : l’algorithme FMU qui est basé sur une projection du signal reçu sur le sous-espace défini par les retards des multi-trajets et l’algorithme SLC qui est basé sur une intégration non cohérente de l’énergie des multi-trajets. Nous avons également affiné d’une part notre solution de détection en proposant une méthode de sélection du nombre de trajets fondée sur l’optimisation de la probabilité de détection, et d’autre part notre solution de localisation en proposant d’utiliser des critères de pénalisation permettant de limiter dans une certaine mesure le problème d’ambiguïté inhérent à la problématique «around-the-corner».Dans un deuxième temps, nous avons développé deux filtres particulaires pour pister une cible en milieu urbain en présence de multi-trajets. Ces algorithmes ont été appliqués aux données réelles issues d’une expérimentation et ont montré des résultats prometteurs : même avec une connaissance approximative de la géométrie de la scène, il a été possible de détecter, localiser et suivre une cible en exploitant uniquement l’information fournie par les retards des multi-trajets.

With the growing number of operating spatial systems, SAR imagery has become a major topic of research in the remote sensing community. In France, most of the research focuses on the exploitation of satellite SAR images. On the contrary, given the lower availability of such data, the airborne domain concerns a smaller community. This report aims at presenting the specificities of high-resolution airborne radar imagery and their impacts on multi-channel applications.A first part is devoted to a theoretical analysis of airborne SAR processing in its different modalities. The various SAR processing approaches adapted to high resolution are presented from a geometric point of view rather than frequential point of view. Then, the principles of multichannel processing are presented with emphasis on the phenomenology associated with the improvement of the resolution: link between image registration and interferometric phase, behavior of point like scatterers, anisotropic or surfacic backscatters. A second part is dedicated to the impact of real acquisition systems on SAR processing and multichannel applications. Issues related to the radar hardware, the antenna particularities, non-linearities of the trajectories are discussed and illustrated on applications such as calibration of polarimetric data, 3D extraction, ground moving target detection ., Avec la multiplication des systèmes spatiaux, l’imagerie radar fait l’objet de nombreux travaux de recherche. En France, la majorité des travaux se concentre sur l’exploitation des images radar spatiales, de résolution de plus en plus fine. Le domaine aéroporté concerne une communauté plus restreinte étant donnée la moindre disponibilité de telles données. Ce rapport a pour vocation de présenter les spécificités de l’imagerie radar aéroportée haute résolution et d’en comprendre les impacts sur les applications multi-voies.Une première partie est consacrée à l’analyse théorique du traitement SAR aéroporté dans ses différentes modalités. Les diverses approches de traitement SAR adaptés à la haute résolution sont présentées selon un point de vue géométrique plutôt que fréquentiel. Puis, toujours sous ce même angle, les principes des traitements multivoies sont abordés en insistant sur les phénomènes apparaissant avec l’amélioration de la résolution : lien entre recalage d’images et phase interférométrique, comportement des rétrodiffuseurs ponctuels, surfaciques et anisotropes.Une deuxième partie est consacrée à l’étude de l’impact d’un système réel d’acquisition sur le traitement SAR et les applications multivoies. Les problématiques liées à la chaîne radar, aux diagrammes d’antennes, aux trajectoires non linéaires sont abordées.Enfin, différents travaux d’exploitation d’images radar haute résolution aéroportées (calibration de données polarimétriques, extraction du 3D sur les images SAR, détection de cibles mobiles) illustrent le propos.

One of the usual problems associated with wideband arrays is having the highest frequency of operation limited by the appearance of grating lobes, associated with the periodicity in the spacing between elements of the array. Another issue is the working frequency of the element of the array. The lowest frequency of operation is in general related to the size of the element. In this thesis a Concentric Ring Array of Connecting Spirals has been developed. The connections between spirals of opposite polarizations reduces the reflection coefficient at lower frequencies. The concentric rings topology had the radius and relative rotations of each ring optimized using Genetic Algorithms to minimize the RSLL at higher frequencies. The addition of a size constraint in the optimization procedure kept the array compact. The optimized array operates from 1 to 6.9 GHz. The design was then updated using the WAVES technique to include a scaled down copy in its center, extending the bandwidth of the array up to 13 GHz. Moreover, we proposed a new design for the array of connected spirals which consists of arranging spirals in a uniform array and connecting the arms of the neighboring spirals. Simulations indicate that the design can have an arbitrarily large bandwidth depending on the finiteness of the array. A prototype has been built and measured to validate the concept., Une des problématiques qui est souvent associée aux réseaux large bande est l’apparition des lobes de réseaux, liée à la périodicité de l’espacement entre les éléments du réseau. Un autre problème dans les réseaux large bande est la fréquence de fonctionnement de l’élément du réseau. La plus basse fréquence d’opération est généralement liée à la taille de l’élément. Dans cette thèse un réseau d’anneaux concentriques a été développé. Les connections entre les spirales de polarisation opposée diminuent le coefficient de réflexion dans les fréquences basses. La topologie des anneaux concentriques a été optimisée avec des Algorithmes Génétiques pour minimiser le niveau des lobes secondaires relatifs dans les hautes fréquences. L’addition d’une contrainte de taille dans la procédure d’optimisation a assuré que le réseau soit compact. Le réseau optimisé opère entre 1 et 6.9 GHz. Le design a été d’avantage développé avec la technique WAVES avec l’inclusion d’une copie réduite en son centre, ce qu’a permis l’extension de la bande passante jusque 13 GHz. De plus, nous avons proposé un nouveau design pour le réseau de spirales connectés qui consiste en des antennes spirales disposées dans un réseau uniforme avec les bras connectés aux bras des antennes voisines. Les simulations indiquent que le réseau peut avoir une bande passante arbitrairement large selon la finitude du réseau. Un prototype a été construit et mesuré pour valider le concept.

The main objective of European ExoMars (ESA-Roscosmos) mission is to search for signs of past or present life on Mars. The mission, to be launched in summer 2020, will deliver a rover on the surface of Mars. This rover accommodates instruments designed to investigate the close subsurface and, in particular, a drill that will collect samples at depth ranging from 0.5 m to 2 m. This thesis manuscript relates the preparation of the scientific return of the WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars) radar experiment whose main objective is to characterize, before drilling, the shallow subsurface of Mars.Data obtained by WISDOM will shed the light on geological structures in the subsurface and therefore help trace back the history of the investigated Martian sites. Furthermore, they will help to identify the most promising locations to collect samples without jeopardizing the drill. The objective of this thesis was to efficiently pave the way to data interpretation and appraise WISDOM’s potentiality.In order to reach the ambitious scientific and technologic objectives (especially in terms of resolution and sensitivity) of WISDOM, we have developed tools that rely on a deep understanding of the instrument. The ultimate goal of these tools is to provide a reliable representation of the shallow subsurface and quantitative interpretation in terms of thickness and orientation of underground layers, roughness at interfaces, distribution of buried rocks and geoelectrical constant for each geological unit detected.This thesis manuscript describes the signal processing chain and tools developed in order to prepare WISDOM’s scientific return. When possible, approaches based on automatic detection were preferred. This work relies both on theoretical and practical investigations, including an accurate (analytical and numerical) modeling of the instrument operations and test on experimental data acquired during field campaigns on potential Martian analogs., La recherche de trace de vie, passée ou présente, sur Mars est l’objectif principal de la mission martienne européenne ExoMars (ESA-Roscosmos), dont le lancement est prévu pour l’été 2020. Cette mission déposera à la surface de Mars un Rover équipé d'instruments dédiés notamment à l’étude du sous-sol de la planète dont une foreuse collectera des échantillons. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur la préparation du retour scientifique de l’expérience du radar WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars) embarqué à bord du Rover d’ExoMars 2020 et dont l’objectif principal est la caractérisation, avant forage, du sous-sol proche de Mars.Les données recueillies par WISDOM permettront d’identifier les formations géologiques du sous-sol et de comprendre les processus qui en sont à l’origine. Elles guideront également les opérations de prélèvement d'échantillons en profondeur. L'objectif de cette thèse était de préparer les outils de traitements et d'interprétation de ces données. Les résultats obtenus doivent permettre d'exploiter au mieux les possibilités de l'instrument et d’atteindre les ambitieux objectifs technologiques (en termes notamment de résolution et de sensibilité) et scientifiques fixés. Plus précisément, il s’agissait de mettre en place des outils pour aboutir à une description des premiers mètres du sous-sol via l’interprétation des radargrammes de WISDOM en termes d’épaisseur de couche(s), de rugosité des interfaces, de distribution en taille d’éventuelles roches enfouies, d’orientation des strates et de constantes géo-électriques pour les unités géologiques détectées.Ce travail de thèse a permis la mise en place d’une chaîne de traitement de données ainsi que d’outils d’interprétation (traitement automatique et modélisation du radar).L’approche a été d’aborder le problème à la fois du point de vue théorique et du point de vue pratique. En conséquence, ce travail s’est appuyé sur deux aspects indissociables que sont, d’une part, la modélisation (analytique et numérique) du fonctionnement de l’instrument dans son environnement et, d’autre part, le traitement des données simulées et/ou expérimentales obtenues en milieu contrôlé ou lors de campagnes de mesures organisées dans le cadre de cette thèse.

Wetlands are threatened by climate change and the anthropization of natural environments. Satellite remote sensing is useful for environmental monitoring at large areas. However, when it comes to the study of hydrological dynamics, a significant temporal resolution is essential. The latter is difficult to reach with optical satellite imagery because of the cloud cover that masks the ground. Radar sensors are well suited to the characterization of hydrological dynamics thanks to the sensitivity of their measurements in the presence of water, whatever the vegetation in place. As a result, all Synthetic Aperture Radar (SAR) acquisitions are available, both day and night, regardless of cloud cover.Satellite radar remote sensing has gone through a revolution with the launch of the Sentinel-1A satellite, followed by its twins Sentinel-1B by the European Space Agency as part of the Copernicus program in 2014. These sensors acquire C-band data (λ = 5.6 cm) on a regular basis on Europe and their distribution is free for all users. Their temporal frequency initially of 12 days has decreased to 6 days from the end of 2016. This work aims at evaluating the potential of these data with high temporal resolution for the monitoring of water bodies and wetlands.The first part of this thesis focuses on water bodies mapping. We found confusion in the C-band radar response between water surfaces and that of some bare soils. We showed that the winter period is the least ambiguous and that the VH polarization is the most suitable for the mapping of water surfaces. Four methods of water detection have been compared. It appears that the use of unsupervised methods without a priori data is not conceivable and that the methods taking into account the spatial neighborhood give better results. Temporal filtering has been developed and has improved detection and avoided confusion between bare soil and permanent water surfaces. Water surfaces of more than 0.5 ha are more than 80% likely to be detected.A second part of this thesis is devoted to the monitoring of wet grasslands by radar remote sensing. The use of fully polarimetric data has shown that the VV/VH partial polarimetry configuration available on the Sentinel-1 sensor is able to characterize the prairial floods with or without vegetation. A method taking into account the temporal neighborhood allowed to process a series of 14 Sentinel-1 images to obtain 14 flood maps. The accuracy of floods maps at the intra-parcel scale has been estimated, it appears that if the precision is relatively good (80%), but the recall is rather low (40%). This method allow to establish intra- and inter-annual monitoring.This thesis has shown the potential of high temporal resolution radar images for the mapping of the water surfaces and for the monitoring of a wetland meadow, Les milieux humides sont menacés par le changement climatique et l'anthropisation des milieux naturels. La télédétection est un moyen efficace de suivre des variables environnementales sur de grands espaces. Cependant, lorsqu’il s’agit de l’étude de la dynamique hydrologique, une résolution temporelle importante est indispensable. Or celle-ci est difficilement accessible par l'imagerie optique satellitaire du fait de l’important couvert nuageux qui masque le sol. Les capteurs radars, travaillant dans le domaine des micro-ondes, sont tout particulièrement adaptés à la caractérisation des dynamiques hydrologiques grâce à la sensibilité de leurs mesures en présence d’eau et ce quelque soit la végétation en place. Il en découle que toutes les acquisitions Radar à Synthèse d’Ouverture (RSO) sont exploitables, acquises de jour comme de nuit, quel que soit le couvert nuageux.Récemment la télédétection radar satellitaire a vécu une véritable révolution grâce au lancement du satellite Sentinel-1A en 2014 suivi de son jumeaux Sentinel-1B deux ans plus tard par l'Agence Spatiale Européenne dans le cadre du programme Copernicus. Ces capteurs acquièrent des données en bande C (λ = 5,6 cm) sur toute l'Europe chaque 12 jours par satellite et leur diffusion est libre et gratuite pour tous. Le présent travail de thèse vise à évaluer le potentiel de ces données à haute résolution temporelle pour le suivi des surfaces d'eau et des milieux humides.Dans une première partie consacrée à la cartographie des surfaces d'eau, nous avons identifié une confusion la réponse radar en bande C des surfaces d'eau et celle de certains sols nus. Nous avons alors montré que la période hivernale est celle qui présente le moins d’ambiguïté et que la polarisation VH est la plus adaptée à la cartographie des surfaces en eau. Quatre méthodes de détection des zones en eau ont été comparées, il résulte que l’utilisation de méthodes non-supervisées sans données a priori n'est pas envisageable et que les méthodes prenant en compte le voisinage spatial donnent de meilleurs résultats. Un filtrage temporel a été mis au point et a permis d'améliorer la détection et de s'affranchir des confusions entre sols nus et surfaces d'eau permanentes. Les surfaces d'eau de plus de 0,5 ha ont plus de 80 % de chances d'être détectées.Un second volet de cette thèse est consacré au suivi d'une zone humide prairiale par télédétection radar. L'utilisation d'images pleinement polarimétriques a montré que la configuration de polarimétrie partielle VV/VH disponible sur le capteur de Sentinel-1 permet de caractériser l'inondation prairiale avec ou sans végétation. Une méthode prenant en compte l'information de voisinage temporel a permis de traiter une série de 14 images Sentinel-1 pour obtenir 14 cartes d'inondation pour l’année 2015. Une estimation de la précision à l'échelle intra-parcellaire a été mise au point, il apparaît que si la précision est relativement bonne (80 %), le rappel est assez bas (40 %). Cette méthode permet d'établir des bilans d'évolution intra- et inter-annuels.Cette thèse a montré le potentiel de l'utilisation d'images radar à haute résolution temporelle tant pour la cartographie des surfaces en eau que pour le suivi d'une zone humide prairiale

The Comet Nucleus Sounding Experiment by Radio-wave Transmission (CONSERT / Rosetta) was designed to scan the interior of the comet 67P / Churyumov-Gerasimenko. This instrument consists of two parts:one on board of Rosetta and the other on board of Philae. The data available from operational and calibration tests allowed a end-to-end calibration of the instrument. This calibration enabled to correct the amplitude imbalance at 5%, of the output power and to build a compensation law for the different models of flight and recharging. This increased the precession of the AGC and gain systemand finally we estimated the delay generated by the filters and electronics system for the different models. The results obtained on the calibration of the data on each model will consequently reduce the estimation errors.Finally, the calibration of CONSER contributed significantly to improve the measurements made during the landing of the Philae on the comet., L'expérience Comet Nucleus Sounding par Radio-wave Transmission (CONSERT / Rosetta) a été conçu pour scanner l'intérieur de la comète 67P / Churyumov-Gerasimenko. Cet instrument se compose de deux parties: l'une à bord de Rosetta et l'autre à bord de Philae. Les données disponibles à partir des tests de fonctionnement et d’étalonnage ont permis de faire une calibration de l’instrument de bout à bout. Cette calibration a permis de corriger le déséquilibre d’amplitude à 5%, de la puissance de sortie et de construire une loi de compensation pour les différents modèles de vol et de recharge. Celui-ci a augmenté la précession de l’AGC et gain système et enfin nous avons estimé le délai engendré par les filtres et l’électronique du système pour les différents modèles. Les résultats obtenus sur la calibration des données sur chaque modèle réduiront, en conséquence, les erreurs d’estimation. Enfin, l’étalonnage de CONSER a beaucoup contribué à améliorer les mesures effectuées lors de l’atterrissage du Philae sur la comète.

International audience; This article presents an overview of recent advances in remote sensing applied to the study of snow and glacierized areas, in which the French scientific community has been involved. Whatever the type of satellite data, optical, radar, lidar or gravimetric, these works on seasonal or perennial snow cover, mountain glaciers, ice caps, sea ice, and lake or river ice, aim at documenting both the physical characteristics of these objects and their spatial and temporal variability at local, regional or global scales.; Cet article présente une vue d'ensemble des avancées récentes en télédétection spatiale appliquée à l'étude des surfaces enneigées et englacées auxquelles la communauté scientifique française a participé. Qu'ils s'agissent de données satellitaires optique, radar, lidar ou gravimétrique, ces travaux sur la couverture nivale saisonnière ou pérenne, les glaciers de montagne, les calottes polaires, la glace de mer ou de lac et de rivière ont pour objectifs de documenter aussi bien les caractéristiques physiques de ces objets que leur variabilité spatio-temporelle aux échelles locale, régionale ou globale. Abstract Satellite remote sensing of snow and ice-covered surfaces

In recent years, stage / velocity radar stations have been installed in France. This type of stations provides measurements of water level and surface velocity at a fixed point of the cross-section. Discharge is calculated as the product of the wetted area and cross-sectional average velocity; respectively obtained using a stage-area scale S(h) established from a bathymetry profile, and a relation between the index velocity measured by the radar (Vi) and the cross-sectional average velocity (Vmean), established with gaugings. This is the «index velocity method ».As discussed through various examples, the index velocity method has advantages over traditional stage-discharge rating curves: - Flood extrapolations are better known: velocity varies more slowly than water discharge with stage and the stage-area relation can be predicted. - Managing bed evolution is easier because the Vmean(Vi) relation changes little and the S(h) relation is easy to reset with a bathymetry survey. - Monitoring the Vi (h) measured relation in real time allows detecting rating changes of the station. The wider use of the method and the development of measurement instruments will allow the future assessment of the uncertainty related to the calculation of water discharge. Perspectives for the bayesian analysis of index velocity ratings are discussed. / Depuis quelques années, des stations radar hauteur-vitesse ont été mises en service en France. Ce type de station fournit une mesure de hauteur d'eau et de vitesse de surface en un point fixe de la section. Le débit est calculé comme le produit de la surface mouillée et de la vitesse débitante. La surface mouillée est obtenue via une relation hauteur-surface S(h) établie à partir d'un profil bathymétrique ; et la vitesse débitante est calculée via une relation entre la vitesse mesurée par radar (Vi) et la vitesse moyenne dans la section (Vmoy), établie à partir de jaugeages. Il s'agit de la «méthode de la vitesse témoin» ou «index velocity method». Comme nous le verrons au travers d'exemples sur différentes stations, la méthode présente des avantages par rapport aux courbes de tarage hauteur-débit : - les extrapolations en crue sont mieux documentées, la vitesse évoluant plus faiblement que le débit avec la hauteur et la relation hauteur-surface étant connue par ailleurs. - la gestion des détarages est plus facile car la relation Vmoy(Vi) évolue peu et la relation S(h) est facile à recaler avec un seul levé bathymétrique. - l'évolution de la relation Vi(h), mesurée en temps réel, permet de détecter les anomalies, signes de détarages potentiels de la station. L'utilisation plus large de la méthode et le développement des instruments de mesure permettra à l'avenir de mieux évaluer l'incertitude liée au calcul du débit. Des perspectives pour l'analyse bayésienne des stations vitesse témoin sont discutées.

Mars has become one of the most visited planet in the past few decades. The data collected by instruments allowed to infer theplanet evolution, and it is now admitted that inthe past, Mars had a relatively warm and wetenvironment, auspicious for the emergence oflife as we know it. This is why one of the currentobjective of the missions to Mars is to study theplanet from an exobiological point of view: iflife arose on Mars, potential traces could befound into the subsurface, sheltered from thehostile surface. The ExoMars 2018 space mission will land onMars’ surface a rover, which will be equippedwith a complete instrumental payload for thesearch of life traces, as well as a drill capable ofcollecting samples at a depth of 2 meters. Thegeological context characterization willtherefore be essential to identify the mostinteresting places for potential life tracespreservation. The Ground Penetrating Radar (GPR)WISDOM (Water Ice Subsurface DepositObservation on Mars) and the neutron detectorADRON will be the only instruments capable ofobtaining information about the shallowsubsurface before the drilling operations. Thedata collected by WISDOM will provide thegeological deposits identification, which willhelp reconstructing the local history of thelanding site. This instrument developed in theFrench laboratory LATMOS (LaboratoireATmosphères, Milieux, Observations Spatiales)in collaboration with the LAB is a stepfrequencyradar that operates on a wide frequency band, from 0.5 GHz to 3 GHz: it wasdesigned to investigate the first 3 meters of thesubsurface with a vertical resolution of a fewcentimeters, and is currently tested in variousenvironments. This PhD thesis objective is to develop theinterpretation tools for WISDOM data by takingadvantage of the specific capacities of theinstrument to characterize the nature andstructure of the shallow subsurface, and to guidethe drill to suitable locations where potentialtraces of life could be preserved. This workconsequently requires both practical andtheoretical approaches, with the development ofprocessing chains, analytical and numericalmodels to simulate the instrument, but also todefine tests in well-known environments as wellas field tests in various natural places. The ideais to create a WISDOM database in a variety ofgeological contexts to allow the comparisonwith Martian data. A full interpretation of the WISDOM data alsorequires the estimation of the geological units’dielectric characteristics. We thereforedeveloped two “quantitative” methods thatallow the retrieval of the dielectric constantvalue at the surface and at various depths. Ageometrical approach to reconstruct the shallowsubsurface was also initiated to help tounderstand the deposits processes. A methodtaking advantage of the GPR specific antennasystem was developed to estimate the scatterers’relative position compared to the radar trajectoryalong profiles, allowing the subsurfacereconstruction in 3 dimensions for an optimalguidance of the ExoMars rover drill., La planète Mars est devenue au cours de ces dernières décennies l’un des objets les plus visités de notre système solaire. Les différents instruments envoyés pour l’étudier nous ont permis de reconstruire partiellement son histoire, et l’on sait aujourd’hui que dans son passé, la planète rouge a connu une période au climat relativement chaud et humide, permettant à l’eau liquide de perdurer en surface et dans le sous-sol. Le parallèle avec les conditions sur Terre au moment supposé de l’apparition de la vie nous amène à aborder Mars d’un point de vue exobiologique : si la vie a émergé sur cette planète, des traces potentielles sont susceptibles d’être trouvées dans le sous-sol, à l’abri de la surface.La mission ExoMars, programmée pour 2018,enverra sur la surface de la planète un rover équipé d’une suite instrumentale complète pour la recherche de traces de vie, passé ou présente,ainsi qu’une foreuse capable de prélever des échantillons jusqu’à 2 mètres de profondeur. La caractérisation du contexte géologique de la zone d’investigation du rover est primordiale pour identifier les lieux les plus propices à la préservation de ces traces.Le radar à pénétration de sol (Ground Penentrating Radar) WISDOM (Water Ice Subsurface Deposit Observation on Mars) avec ADRON sont les seuls instruments à bord susceptibles d’obtenir des informations sur les caractéristiques du proche sous-sol le long du trajet du rover avant forage.Les données recueillies par le radar permettront d’identifier les formations géologiques du sous solet de comprendre les processus qui en ont été à l’origine. Cet instrument au fort potentiel,développé au LATMOS (Laboratoire ATmosphères, Milieux, Observations Spatiales)en collaboration avec le LAB (Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux), est basé sur le principe du step-frequency et fonctionne sur une large bande de fréquences, entre 0,5 GHz et 3GHz : il a été conçu pour explorer les premiers mètres du sous-sol avec une résolution verticale de quelques centimètres, et est actuellement enphase de tests. L’objectif de cette thèse est de développer les outils d’interprétation des données du GPR WISDOM en tentant d'exploiter au mieux les ressources de l'instrument pour caractériser la nature et la structure du sous-sol,apporter des contraintes sur l’histoire géologique du site d’Oxia Planum, sélectionné pour cette mission, et pour guider la foreuse d’Exo Marsvers des sites d’intérêt d’un point de vue exobiologique. Ce travail nécessite donc une approche multiple, pratique et théorique, qui passe par le développement d’outils de traitement de données, par la mise au point de modèles analytiques et l’utilisation de modèles numériques pour la modélisation de l’instrument,ou encore la définition de tests et de campagnes de mesures, afin de créer une base de données sur des environnements variés, qui pourront ensuite être comparées aux données martiennes.Une interprétation complète des données acquises avec WISDOM passe également par l’estimation des paramètres diélectriques des différentes unités géologiques identifiées. Nous avons ainsi développé deux méthodes «quantitatives », qui permettent d’estimer la constante diélectrique en surface et à différentes profondeurs à partir des données. Une approche plus géométrique pour « reconstituer » le sous solle plus précisément possible, éventuellement en 3 dimensions, et pour comprendre les processus de dépôts qui ont abouti à la morphologie observée sur les radargrammes a également été initiée. Grâce à la mise au point d’une méthode basée sur l’amplitude des signatures des diffuseurs en fonction de la configuration polarimétrique des antennes, nous avons estimé la position relative des objets par rapport au déplacement du radar le long d’unprofil et ainsi permis la reconstitution du sous-solen 3 dimensions.Ceci permettra à terme un guidage optimal de la foreuse dans le contexte d’ExoMars.

Weather radars can retrieve refractivity changes based on phase variations of stationary targets. These retrievals provide valuable information of moisture in the atmospheric boundary layer along the radar path. Recent work on errors associated with these retrievals has shown that the refractivity variability is stronger during the afternoon and the summer season. This observation has led us to study further the link between the refractivity variability measured by radar and the small scales atmospheric fluctuations. First, we compared the variability of the refractivity retrieved from operational weather radars operating at C-band (5.6 GHz) to the variability of the refractivity directly measured by Automatic Weather Stations (AWS). A strong correlation between the two measurements was shown with a negative bias increasing with range from the radar. The bias is well explained when the variability signal is strong if one considers the model of a frozen turbulence transported by the wind. In winter, the measured variability was weaker and close to quantization noise of the AWS measurements, so it was more difficult to draw thesame conclusions. Overall, we were able to demonstrate qualitatively and quantitatively that the refractivity variability retrieved using the radar observations and measured by AWS stations is due to low-level coherent turbulent structures. Next, in order to obtain information at hectometre’s scales, a dedicated field campaign was conducted at SIRTA atmospheric observatory, near Paris. From June to September 2014 two radars (a 94 GHz W-band and a 9.5 GHz X-band radar) were pointing horizontally toward four corner reflectors aligned along a 700 meters line. Two wind and humidity high frequency measurement towers were deployed near the targets. Inter-comparisons between radar and in-situ refractivity measurement also showed a very good correlation. We finally demonstrated the possibility to compute radar refractivity on the path between two targets separated by 50 to 350 m and used this measure of the local variability of the refractivity to identify boundary processes linked to low level atmospheric turbulence., L'observation de la variabilité de l'humidité dans les basses couches de l'atmosphère peut être réalisée en passant par la mesure du paramètre thermodynamique appelé réfractivité. Les radars météorologiques peuvent mesurer les changements de réfractivité dans la couche limite de l'atmosphère en exploitant la phase des signaux de retour des cibles fixes situées aux alentours. La cartographie de ce paramètre a été mise en place à plusieurs reprises lors de campagne de mesures aux Etats-Unis et en Europe, ce qui a démontré qu'elle est maintenant possible dans un rayon de 30 km autour du radar, avec une résolution temporelle de 15 minutes et une résolution spatiale de 5 km. . Un travail de simulation fait par Besson et al. 2012, à l'origine fait pour étudier les sources d'erreur de repliement de la phase, a permis de montrer que la variabilité de la réfractivité augmente considérablement notamment pendant les après-midi et l'été. Depuis trois ans, le travail mené au LATMOS et à Météo-France a consisté à étudier la possibilité de mesurer les fluctuations à l'échelle hectométrique dans l'atmosphère en utilisant la variabilité de la réfractivité. La première étape de ce travail, basée sur un jeu de données issues des réseaux opérationnels de Météo-France (stations automatiques et radar de Trappes) a permis d'établir un lien clair entre les variabilités à 5 minutes, de la réfractivité radar, et de la réfractivité in-situ.La deuxième étape du travail a consisté à regarder la nature de ce lien à plus petite échelle pour comprendre les limites éventuelles de la mesure. Ainsi, une campagne de mesure, TeMeRAiRE (Test de la Mesure de Réfractivité Atmosphérique par Radar à l'Echelle hectométrique) a été menée durant l'été 2014 sur le site instrumenté du SIRTA. Afin de se placer en conditions contrôlées, deux radars ont été placés en visée fixe et horizontale vers 4 réflecteurs connus. L'échantillonnage temporel était de 0,25s pour BASTA et de 1,5ms pour CURIE. Des stations de mesures in-situ ont également été placées à côtés des cibles. Les premiers résultats montrent que la mesure de réfractivité, et de sa variabilité, est possible aux fréquences utilisées (bande X et bande W), ce qui constitue en soi une première. Nous avons aussi pu démontrer que la différentiation spatiale conduit à une résolution spatiale de l'ordre de 100m, et proposer une explication pour un comportement spécifique, et très localisé, de la réfractivité sur le site du SIRTA. e but est maintenant de regarder, par le biais de comparaisons entre les différents instruments, si la mesure radar de la variabilité de la réfractivité dans un volume d'atmosphère constitue effectivement une mesure locale, et si cette dernière peut donner une information sur l'état turbulent de l'atmosphère et son évolution.

/ La quasi-totalité des communes de la région Provence-Alpes-Côte d'Azur sont concernées par les aléas naturels liés aux fortes pluies : inondations, laves torrentielles et mouvements de terrain. Les pluies intenses et les crues soudaines bénéficient d'un dispositif de surveillance et d'anticipation mais ce dispositif existant souffre d'une résolution spatiale limitée (Vigilance météorologique à l'échelle départementale, avertissements APIC à l'échelle communale, service Vigicrues sur les cours d'eau surveillés) qui n'est pas toujours adaptée aux besoins de suivi plus ciblés des gestionnaires locaux des risques. Les aléas gravitaires - laves torrentielles et mouvements de terrain - quant à eux ne disposent pas à l'heure actuelle de dispositif de surveillance. Le projet RHYTMME (Risques hydrométéorologiques en territoires de montagnes et méditerranéens), porté par Irstea et Météo-France et financé par la Région Provence-Alpes-Côte d'Azur, le Ministère en charge de l'Écologie et l'Union Européenne, a permis l'élaboration d'une plateforme internet de services d'aide à la gestion de ces risques naturels (Fouchier et al., 2015). Cette plateforme affiche en temps réel des cartes qui permettent de surveiller et tenter d'anticiper les pluies intenses et les crues soudaines associées et d'identifier les territoires les plus sensibles aux mouvements de terrain et aux phénomènes de laves torrentielles.

/ En France, les crues rapides sont à l'origine d'une part très significative des dommages subis par les sociétés, tant en terme de dégâts matériel (directs ou indirects), que pertes en vies humaines. Générées par des pluies intenses (avec des cumuls pouvant dépasser 400mm en 24h), ces crues se manifestent au sein de petits bassins versants caractérisés par des temps de réactions courtes (de quelques minutes à quelques heures), des débits spécifiques élevés (jusqu'à 20 m3/s/km²) et, très souvent, l'absence de mesures de débits. L'équipe Risques Hydrométéorologique d'Irstea Aix-en-Provence travaille depuis plusieurs années à une meilleure anticipation de ce type d'événement sur les bassins versants non instrumentés, notamment en intégrant dans ses modèles les informations temps réel issues des radars météorologiques de Météo-France. Ces travaux ont conduit à la mise au point de la méthode AIGA. Conçue comme un outil d'aide à la décision en situation de crise, destinée aux décideurs et aux gestionnaires, cette méthode propose : -l'évaluation en temps réel du niveau de rareté des précipitations observées par les radars météorologiques, -une anticipation des crues qui pourraient résulter de ces précipitations, -l'évaluation en temps réel du niveau de rareté de ces crues. Depuis 2011, cette méthode est mise en oeuvre dans différents dispositifs opérationnels, ou à visées opérationnelles, associant chercheurs et gestionnaires du risque inondation : -le volet de la méthode AIGA relatif aux précipitations est implanté dans l'outil Avertissement pluies intenses à l'échelle des communes (APIC) porté par Météo-France et disponible gratuitement pour un grand nombre de communes du territoire métropolitain ; -l'intégralité de la méthode AIGA a été implantée dans la plateforme RHYTMME développée en partenariat avec Météo France, dans le cadre d'un projet CPER-PACA (2007-2014). Après avoir permis l'expérimentation en temps réel de la méthode AIGA par des gestionnaires locaux, cette plateforme est maintenant mise progressivement à la disposition des collectivités de la Région Provence-Alpes-Côte d'Azur ; -au niveau national, le MEDDE (Ministère en charge de l'Environnement) a lancé le Plan Submersions Rapides (PSR). Ce plan prévoit le développement d'un service national d'avertissement spécifique aux crues soudaines à destination des communes. Le volet débit de la méthode AIGA a été retenu par le Schapi pour servir de base à ce service, avec une première expérimentation prévue en 2016.

Considering the ecological emergency, the renewable energy development has greatly increased for a decade. In particular, the windfarms implantation rapidly expands in Europe. These windturbines are large obstacles composed by dielectric and metallic materials. So their impact on electromagnetic devices is significant. The radionavigation systems for the civil aviation services are particularly concerned. However, they have to work side with new windfarms. Actually, these latter cause scattering effects on the electromagnetic signals and can degrade the performances of these equipments (multipaths, shadowing effects etc.). Thus, quantifying these degradations is crucial, particularly on the VOR devices where multipath effects cause an error on the azimuth. In this thesis work, an electromagnetic simulator called VERSO (VOR ERror SimulatOr) is developed. It can estimate the impact of scattering objects, especially windturbines, on the VOR signal. In literature, several techniques are proposed to model these phenomena: some make coarse approximations and some others are memory intensive. Thus, the choice over the methods used in VERSO is a compromise between precision and memory requirement. The parabolic equation is used to model the propagation from the source to the windturbines so as to take the relief into account. A physical optic based method is used to compute the field scattered by these objects. The electromagnetic model of the windturbine and the hypothesis due to the methods used by VERSO have been validated in the VHF (VOR) frequency by comparison with the method of moments, which is the reference. An extension of VERSO for the radar systems is introduced. Consequently similar validations have been performed at radar frequencies. In particular, a windturbine blade model taking into account the lightning protection is proposed for the VOR and the radar frequencies. The shadowing effects are also quantified in both frequency domains. Especially, a demonstration that the shadowing effects due to radially implemented windturbines can be neglected around a VOR beacon is proposed. This approximation and the blade model are used for the implementation of VERSO. This simulator is validated by comparison with measurements on 9 windturbines built 5~km far from a VORC in Boulogne-sur-Mer (France). A study is performed to quantify the influence of each part of the windturbine. The mast is shown to be the main contributor regarding to the electromagnetic field and the VOR error. Finally, parametric simulations are performed and analytic expressions are proposed to describe the evolution of the maximum VOR error with respect to the mast size and the distance VOR-windturbine. The latter study gives some key parameters that need to be considered for the elaboration of a windfarm building plan close to civil aviation systems for the project to be viable., Étant donné l'urgence environnementale, le développement des énergies renouvelables s'est fortement accru ces dernières années. L'implantation de champs d'éoliennes est notamment en pleine expansion dans toute l'Europe. Ces éoliennes, de structure diélectrique et métallique et de grande taille, peuvent avoir un impact significatif sur les systèmes radiofréquences. En particulier, les systèmes de radionavigation et de surveillance opérés par la DGAC (VOR, radar) doivent cohabiter avec de nouveaux champs d'éoliennes. En effet, ces dernières influent sur le champ électromagnétique des systèmes et peuvent dégrader leurs performances (multitrajets, masquages... ). Il est alors important de pouvoir quantifier ces dégradations, en particulier dans le cas du VOR où les multitrajets engendrent une erreur de relèvement. Dans ce travail de thèse, un simulateur électromagnétique appelé VERSO (VOR ERror SimulatOr) est développé. Il permet d'estimer l'impact d'objets diffractants, en particulier d'éoliennes, sur le signal VOR. Dans la littérature, différentes techniques de modélisation sont proposées pour prédire ces phénomènes. Certaines sont trop approximatives, d'autres trop coûteuses en temps. Ainsi, le choix des techniques utilisées dans ce simulateur a été guidé par le compromis entre précision et temps de calcul. L'équation parabolique est utilisée pour modéliser la propagation de la source jusqu'aux éoliennes afin de prendre en compte le relief. Ensuite, une méthode d'optique physique sur matériaux diélectriques est mise en œuvre pour calculer le champ diffracté par ces objets. Le modèle électromagnétique de l'éolienne et les hypothèses inhérentes aux méthodes utilisées par VERSO ont été validés aux fréquences VHF (VOR) par comparaison avec la méthode des moments qui fait office de référence. Une extension de VERSO pour les systèmes radars a été abordée. Par conséquent des validations similaires à ces fréquences ont été réalisées. Plus spécifiquement, un modèle de pale d'éolienne prenant en compte la présence du parafoudre est proposé aux fréquences VOR et radar. Les effets de masquage sont eux aussi quantifiés pour ces 2 domaines de fréquences. Il est notamment démontré que l'effet de masquage pour des éoliennes alignées radialement à un VOR est négligeable. Cette approximation ainsi que le modèle de pale sont ensuite utilisés dans le programme VERSO. Ce dernier est validé à l'aide de contrôles en vol sur un scénario de 9 éoliennes implantées à 5 km du VOR de Boulogne-sur-Mer. Une étude quantitative de l'impact de chaque partie des éoliennes est menée afin de discriminer la source majoritaire d'erreur VOR. On constate notamment qu'à grande distance du VOR dans le scénario d'observation considéré, le mât constitue le principal contributeur en terme de champ diffracté et d'erreur VOR. Enfin, une étude statistique sur l'erreur VOR a permis d'obtenir un simulateur de scénarios qui donne l'erreur maximale avec une confiance fixée, en minimisant le nombre de simulations à effectuer. Pour accélérer cette méthode, une expression analytique approchée de l'erreur VOR maximum a été développée en fonction de la distance d'implantation et de la hauteur du mât de l'éolienne. Cette dernière étude fournit une méthode rapide pour évaluer l'impact de la construction d'un champ d'éoliennes quelconque à proximité de systèmes de l'aviation civile.

Étant donné l'urgence environnementale, le développement des énergies renouvelables s'est fortement accru ces dernières années. L'implantation de champs d'éoliennes est notamment en pleine expansion dans toute l'Europe. Ces éoliennes, de structure diélectrique et métallique et de grande taille, peuvent avoir un impact significatif sur les systèmes radiofréquences. En particulier, les systèmes de radionavigation et de surveillance opérés par la DGAC (VOR, radar) doivent cohabiter avec de nouveaux champs d'éoliennes. En effet, ces dernières influent sur le champ électromagnétique des systèmes et peuvent dégrader leurs performances (multitrajets, masquages... ). Il est alors important de pouvoir quantifier ces dégradations, en particulier dans le cas du VOR où les multitrajets engendrent une erreur de relèvement. Dans ce travail de thèse, un simulateur électromagnétique appelé VERSO (VOR ERror SimulatOr) est développé. Il permet d'estimer l'impact d'objets diffractants, en particulier d'éoliennes, sur le signal VOR. Dans la littérature, différentes techniques de modélisation sont proposées pour prédire ces phénomènes. Certaines sont trop approximatives, d'autres trop coûteuses en temps. Ainsi, le choix des techniques utilisées dans ce simulateur a été guidé par le compromis entre précision et temps de calcul. L'équation parabolique est utilisée pour modéliser la propagation de la source jusqu'aux éoliennes afin de prendre en compte le relief. Ensuite, une méthode d'optique physique sur matériaux diélectriques est mise en œuvre pour calculer le champ diffracté par ces objets. Le modèle électromagnétique de l'éolienne et les hypothèses inhérentes aux méthodes utilisées par VERSO ont été validés aux fréquences VHF (VOR) par comparaison avec la méthode des moments qui fait office de référence. Une extension de VERSO pour les systèmes radars a été abordée. Par conséquent des validations similaires à ces fréquences ont été réalisées. Plus spécifiquement, un modèle de pale d'éolienne prenant en compte la présence du parafoudre est proposé aux fréquences VOR et radar. Les effets de masquage sont eux aussi quantifiés pour ces 2 domaines de fréquences. Il est notamment démontré que l'effet de masquage pour des éoliennes alignées radialement à un VOR est négligeable. Cette approximation ainsi que le modèle de pale sont ensuite utilisés dans le programme VERSO. Ce dernier est validé à l'aide de contrôles en vol sur un scénario de 9 éoliennes implantées à 5 km du VOR de Boulogne-sur-Mer. Une étude quantitative de l'impact de chaque partie des éoliennes est menée afin de discriminer la source majoritaire d'erreur VOR. On constate notamment qu'à grande distance du VOR dans le scénario d'observation considéré, le mât constitue le principal contributeur en terme de champ diffracté et d'erreur VOR. Enfin, une étude statistique sur l'erreur VOR a permis d'obtenir un simulateur de scénarios qui donne l'erreur maximale avec une confiance fixée, en minimisant le nombre de simulations à effectuer. Pour accélérer cette méthode, une expression analytique approchée de l'erreur VOR maximum a été développée en fonction de la distance d'implantation et de la hauteur du mât de l'éolienne. Cette dernière étude fournit une méthode rapide pour évaluer l'impact de la construction d'un champ d'éoliennes quelconque à proximité de systèmes de l'aviation civile.

In the field of airborne radar, one of the current industrial stakes, among others, is the identification of a target, whether airborne, terrestrial or maritime, through the establishment of its range profile. This implies to set up a transmit/receive processing for high resolution modes. In this context, the issues to be addressed include the design and the performance analysis of detectors for extended target models, the design of multi-resolution waveforms and the associated processing, the optimization of waveforms that are robust to clutter, etc. Within this frame, the work of this thesis is twofold. The first part deals with the detection of a so-called "extended" target, i.e. which is characterized by a few main scatterers spread over several range gates not necessarily consecutive. This model is appropriate when the range resolution is thin enough and it is suited for target identification issues. In this context, we study a detection test based on the generalized likelihood test (GLRT) which includes the unknown locations of the scatterers, and when the disturbance is white Gaussian noise. By using ordered statistics, we deduce approximations of the probability of false alarm and the probability of detection. Numerical comparison with existing detectors are also provided. Secondly, we study a waveform based on a pulse train which contains two phase codes: the first one is intrapulse whereas the second one is interpulse. Assuming a point target and Gaussian clutter, we propose to select these codes taking into account several criteria such as the maximization of the probability of detection or the minimization of the sidelobes of the received signal after processing. For a given type of clutter modeled by an autoregressive (AR) process, we address this multi-objective optimization problem using the Pareto fronts. Since the AR modeling makes it possible to consider several types of clutter from a reduced number of parameters, we study the robustness of optimal phase codes to clutter variations., Dans le domaine du radar aéroporté, les enjeux industriels actuels sont nombreux et portent,entre autres, sur l'établissement de profils distance de cibles aériennes, terrestres et maritimes pour leur identification. Cela implique en particulier la mise en oeuvre de chaînes d'émission/réception pour des modes de fonctionnement haute résolution. Dans ce contexte, les problématiques à traiter comprennent alors la conception et l'analyse de performances de détecteurs pour des modèles de cibles étendues, la conception de formes d'ondes multi-résolutions et le développement des traitements associés, l'optimisation de formes d'onde robustes au fouillis, etc. Le travail de cette thèse, qui s'intègre dans ce cadre, se décompose en deux parties. Dans un premier temps, nous traitons la détection d'une cible dite "étendue", c'est-à-dire caractérisée par plusieurs réflecteurs élémentaires prépondérants répartis sur plusieurs cases distance non nécessairement consécutives. Ce modèle est notamment approprié lorsque la résolution en distance est suffisamment fine, et s'intègre dans les problématiques d'identification de cible. Dans ce cadre, nous étudions un test de détection fondé sur le rapport de vraisemblances généralisé (GLRT) intégrant la localisation inconnue des réflecteurs, et lorsque la perturbation est du bruit blanc gaussien. En utilisant des résultats issus des statistiques d'ordre, nous déduisons des approximations de la probabilité de fausse alarme et de la probabilité de détection. Des comparaisons numériques avec des détecteurs existants sont fournies. Dans un second temps, nous étudions une forme d'onde correspondant à un train d'impulsions contenant deux codes de phase, l'un intra impulsion et l'autre inter impulsion. Pour un modèle de cible ponctuelle et un fouillis gaussien, nous proposons de sélectionner ces codes en tenant compte de différents critères tels que la maximisation de la probabilité de détection ou encore la minimisation des lobes secondaires du signal reçu après traitement. Pour un type donné de fouillis modélisé par un processus autorégressif (AR), nous abordons le problème d'optimisation multi-objectifs en utilisant les fronts de Pareto. La modélisation AR permettant de considérer plusieurs types de fouillis à partir d'un nombre réduit de paramètres, nous étudions alors la robustesse des codes de phase optimaux à des variations de fouillis.

Depuis le doctorat, les travaux de recherche auxquels j'ai contribué ont porté essentiellement sur des problèmes d'estimation d'un signal d'intérêt noyé dans du bruit. Les domaines d'application visés sont majoritairement le radar, mais aussi le GNSS et l'imagerie ultrasonore. Bien que différents, ces domaines sont soumis à des tendances similaires qui caractérisent ou caractériseront certainement les récepteurs modernes. En effet, les enjeux applicatifs requièrent de repousser sans cesse les limites de performance des traitements : le radariste cherche à détecter des petites cibles dans des environnements de plus en plus difficiles ; en GNSS, des solutions de positionnement haute précision sont recherchées dans des milieux très contraints tels les canyons urbains ; en imagerie médicale, une qualité accrue des images est recherchée pour améliorer les diagnostics, pour ne citer que quelques exemples. Parmi les tendances qui permettront de repousser les performances des récepteurs modernes, deux sont particulièrement présentes dans les travaux conduits jusqu'ici : la diversité des signaux et les traitements non linéaires. Le document illustre ceci en se focalisant sur deux des thématiques de recherche conduites jusqu’ici, à savoir « Le traitement du signal pour des radars de détection à large bande instantanée » et « La poursuite robuste de la phase d'un signal GNSS multifréquence ». Pour conclure, les perspectives de recherche d’un point de vue méthodologique et applicatif sont discutées.

One purpose of array processing is the detection and location of a target in a noisy environment. In most cases (as RADAR or active SONAR), statistical properties of the noise, especially its covariance matrix, have to be estimated using i.i.d. samples. Within this context, several hypotheses are usually made: Gaussian distribution, training data containing only noise, perfect hardware. Nevertheless, it is well known that a Gaussian distribution doesn’t provide a good empirical fit to RADAR clutter data. That’s why noise is now modeled by elliptical process, mainly Spherically Invariant Random Vectors (SIRV). In this new context, the use of the SCM (Sample Covariance Matrix), a classical estimate of the covariance matrix, leads to a loss of performances of detectors/estimators. More efficient estimators have been developed, such as the Fixed Point Estimator and M-estimators.If the noise is modeled as a low-rank clutter plus white Gaussian noise, the total covariance matrix is structured as low rank plus identity. This information can be used in the estimation process to reduce the number of samples required to reach acceptable performance. Moreover, it is possible to estimate the basis vectors of the clutter-plus-noise orthogonal subspace rather than the total covariance matrix of the clutter, which requires less data and is more robust to outliers. The orthogonal projection to the clutter plus noise subspace is usually calculated from an estimatd of the covariance matrix. Nevertheless, the state of art does not provide estimators that are both robust to various distributions and low rank structured.In this Thesis, we therefore develop new estimators that are fitting the considered context, to fill this gap. The contributions are following three axes :- We present a precise statistical model : low rank heterogeneous sources embedded in a white Gaussian noise.We express the maximum likelihood estimator for this context.Since this estimator has no closed form, we develop several algorithms to reach it effitiently.- For the considered context, we develop direct clutter subspace estimators that are not requiring an intermediate Covariance Matrix estimate.- We study the performances of the proposed methods on a Space Time Adaptive Processing for airborne radar application. Tests are performed on both synthetic and real data., Une des finalités du traitement d’antenne est la détection et la localisation de cibles en milieu bruité.Dans la plupart des cas pratiques, comme par exemple pour les traitements adaptatifs RADAR, il fautestimer dans un premier temps les propriétés statistiques du bruit, plus précisément sa matrice de covariance.Dans ce contexte, on formule généralement l’hypothèse de bruit gaussien. Il est toutefois connuque le bruit en RADAR est de nature impulsive et que l’hypothèse gaussienne est parfois mal adaptée.C’est pourquoi, depuis quelques années, le bruit, et en particulier le fouillis de sol, est modélisé pardes processus couvrant un panel plus large de distributions, notamment les Spherically Invariant RandomVectors (SIRVs). Dans ce nouveau cadre théorique, la Sample Covariance Matrix (SCM) estimantclassiquement la matrice de covariance du bruit entraîne des pertes de performances importantes desdétecteurs/estimateurs. Dans ce contexte non-gaussien, d’autres estimateurs (e.g. les M-estimateurs),mieux adaptés à ces statistiques de bruits impulsifs, ont été développés.Parallèlement, il est connu que le bruit RADAR se décompose sous la forme d’une somme d’unfouillis de rang faible (la réponse de l’environnement) et d’un bruit blanc (le bruit thermique). La matricede covariance totale du bruit a donc une structure de type rang faible plus identité. Cette informationpeut être utilisée dans le processus d’estimation afin de réduire le nombre de données nécessaires. Deplus, il aussi est possible de construire des traitements adaptatifs basés sur un estimateur du projecteurorthogonal au sous espace fouillis, à la place d’un estimateur de la matrice de covariance. Les traitementsadaptatifs basés sur cette approximation nécessitent aussi moins de données secondaires pour atteindredes performances satisfaisantes. On estime classiquement ce projecteur à partir de la décomposition envaleurs singulières d’un estimateur de la matrice de covariance.Néanmoins l’état de l’art ne présente pas d’estimateurs à la fois robustes aux distributions impulsives,et rendant compte de la structure rang faible des données. C’est pourquoi nos travaux se focalisentsur le développement de nouveaux estimateurs (de covariance et de sous espace fouillis) directementadaptés au contexte considéré. Les contributions de cette thèse s’orientent donc autour de trois axes :- Nous présenterons le modèle de sources impulsives ayant une matrice de covariance de rang faiblenoyées dans un bruit blanc gaussien. Ce modèle, fortement justifié dans de nombreuses applications, acependant peu été étudié pour la problématique d’estimation de matrice de covariance. Le maximum devraisemblance de la matrice de covariance pour ce contexte n’ayant pas une forme analytique directe,nous développerons différents algorithmes pour l’atteindre efficacement- Nous développerons de plus nouveaux estimateurs directs de projecteur sur le sous espace fouillis, nenécessitant pas un estimé de la matrice de covariance intermédiaire, adaptés au contexte considéré.- Nous étudierons les performances des estimateurs proposés sur une application de Space Time AdaptativeProcessing (STAP) pour radar aéroporté, au travers de simulations et de données réelles.

National audience; La modélisation du signal électromagnétique met en jeu un ensemble de relations mathématiques qui rendent compte des phénomènes de diffusion, atténuation et rétrodiffusion d'une onde électromagnétique sur des structures d'arbres. La simulation du signal rétrodiffusé sur une portion de forêt suppose une description de la structure des arbres pour produire le signal radar moyen finalement mesuré par le satellite. C'est la question de la description des arbres utilisée dans la modélisation qui est ici posée et nous montrons également que la représentation de l'arbre habituellement utilisée n'est pas unique et que, sur la base d'une jeu de données suffisant pour calculer tous les paramètres nécessaires, il est possible de proposer plusieurs représentations de la structure de l'arbre et qui sont toutes aussi légitimes les unes que les autres.

La synthèse d’une activité scientifique menée pendant une dizaine d’années est l’occasion d’effectuer un bilan sur la stratégie de recherche conduite. Depuis ma thèse en sismique jusqu’à mes travaux actuels en imagerie RADAR et en optique statistique, le fil conducteur est la prise en compte de la polarisation des signaux pour leur analyse et leur traitement.Ma motivation scientifique est de montrer qu’une analyse rigoureuse de signaux polarimétriques contribue au développement d’un traitement adapté à ces données et peut aider à la conception des systèmes d’acquisition. Les développements méthodologiques présentés ont pour objectif de caractériser l’information contenue dans les données polarimétriques en s’appuyant sur des outils statistiques et en prenant en compte l’analyse des phénomènes physiques.Pour la rédaction de ce document, il m’a semblé intéressant de commencer par un premier chapitre introductif sur la polarisation. Dans ce chapitre, d’une part j’explique pourquoi je me suis intéressé à la polarisation lors de mon doctorat portant sur l’analyse de signaux sismiques. D’autre part, j’y présente un rapide historique sur la polarisation en optique et ainsi que les principaux concepts liés à l’analyse des propriétés de polarisation en optique et en imagerie RADAR à synthèse d’ouverture.Le deuxième chapitre porte sur l’analyse de la cohérence de la lumière partiellement polarisée. Depuis 2003, cette problématique motive de nombreux travaux en optique statistique. Lors de mon arrivée à l’institut Fresnel en novembre 2005, Philippe Réfrégier m’a rapidement associé à ses travaux sur ce sujet. Contrairement à ce que l’on pourrait croire, les propriétés de cohérence de la lumière partiellement polarisée ont été relativement peu explorées. En effet, même si, d’une part, l’analyse polarimétrique a connu ces dernières années un développement très important et que, d’autre part, la cohérence des ondes totalement polarisées est exploitée depuis de très nombreuses années, le mélange de ces deux caractéristiques a été peu étudié jusqu’à présent.Le troisième chapitre porte sur l’estimation de paramètres de végétation en imagerie Radar à synthèse d’ouverture polarimétrique et interférométrique. Il s’agit d’un domaine où la polarisation et la cohérence partielle des ondes sont exploitées pour une application dont l’enjeu sociétal est important puisqu’il s’agit de l’étude de la biomasse à l’échelle planétaire. Depuis 2009, date à laquelle j’ai commencé à m’intéresser à cette thématique, nous avons obtenu avec Philippe Réfrégier, Aurélien Arnaubec et Pascale Dubois-Fernandez plusieurs résultats sur la caractérisation des performances de cette technique d’imagerie. Avoir un système polarimétrique et interférométrique fournit des données riches, mais complexes à interpréter. Depuis que ce type de données est accessible dans le cadre de l’analyse environnementale de la biomasse, la plupart des études se sont focalisées : soit sur la proposition de nouveaux algorithmes de traitement pour l’estima- tion des paramètres de végétation, soit sur l’amélioration des modèles de description des méca- nismes de rétro-diffusion. Comme cela est expliqué dans le troisième chapitre, notre contribution est complémentaire à ces travaux puisqu’elle consiste à quantifier la précision des algorithmes d’estimation au vu de la quantité d’information disponible dans les données, et en fonction du modèle physique utilisé pour décrire ces données.

One purpose of array processing is the detection and location of a target in a noisy environment. In most cases (as RADAR or active SONAR), statistical properties of the noise, especially its covariance matrix, have to be estimated using i.i.d. samples. Within this context, several hypotheses are usually made: Gaussian distribution, training data containing only noise, perfect hardware. Nevertheless, it is well known that a Gaussian distribution doesn’t provide a good empirical fit to RADAR clutter data. That’s why noise is now modeled by elliptical process, mainly Spherically Invariant Random Vectors (SIRV). In this new context, the use of the SCM (Sample Covariance Matrix), a classical estimate of the covariance matrix, leads to a loss of performances of detectors/estimators. More efficient estimators have been developed, such as the Fixed Point Estimator and M-estimators.If the noise is modeled as a low-rank clutter plus white Gaussian noise, the total covariance matrix is structured as low rank plus identity. This information can be used in the estimation process to reduce the number of samples required to reach acceptable performance. Moreover, it is possible to estimate the basis vectors of the clutter-plus-noise orthogonal subspace rather than the total covariance matrix of the clutter, which requires less data and is more robust to outliers. The orthogonal projection to the clutter plus noise subspace is usually calculated from an estimatd of the covariance matrix. Nevertheless, the state of art does not provide estimators that are both robust to various distributions and low rank structured.In this Thesis, we therefore develop new estimators that are fitting the considered context, to fill this gap. The contributions are following three axes :- We present a precise statistical model : low rank heterogeneous sources embedded in a white Gaussian noise.We express the maximum likelihood estimator for this context.Since this estimator has no closed form, we develop several algorithms to reach it effitiently.- For the considered context, we develop direct clutter subspace estimators that are not requiring an intermediate Covariance Matrix estimate.- We study the performances of the proposed methods on a Space Time Adaptive Processing for airborne radar application. Tests are performed on both synthetic and real data., Une des finalités du traitement d’antenne est la détection et la localisation de cibles en milieu bruité. Dans la plupart des cas pratiques, comme par exemple le RADAR ou le SONAR actif, il faut estimer dans un premier temps les propriétés statistiques du bruit, et plus précisément sa matrice de covariance ; on dispose à cette fin de données secondaires supposées identiquement distribuées. Dans ce contexte, les hypothèses suivantes sont généralement formulées : bruit gaussien, données secondaires ne contenant que du bruit, et bien sûr matériels fonctionnant parfaitement. Il est toutefois connu aujourd’hui que le bruit en RADAR est de nature impulsive et que l’hypothèse Gaussienne est parfois mal adaptée. C’est pourquoi, depuis quelques années, le bruit et en particulier le fouillis de sol est modélisé par des processus elliptiques, et principalement des Spherically Invariant Random Vectors (SIRV). Dans ce nouveau cadre, la Sample Covariance Matrix (SCM) estimant classiquement la matrice de covariance du bruit entraîne des pertes de performances très importantes des détecteurs / estimateurs. Dans ce contexte non-gaussien, d’autres estimateurs de la matrice de covariance mieux adaptés à cette statistique du bruit ont été développés : la Matrice du Point Fixe (MPF) et les M-estimateurs.Parallèlement, dans un cadre où le bruit se décompose sous la forme d’une somme d’un fouillis rang faible et d’un bruit blanc, la matrice de covariance totale est structurée sous la forme rang faible plus identité. Cette information peut être utilisée dans le processus d'estimation afin de réduire le nombre de données nécessaires. De plus, il aussi est possible d'utiliser le projecteur orthogonal au sous espace fouillis à la place de la matrice de covariance ce qui nécessite moins de données secondaires et d’être aussi plus robuste aux données aberrantes. On calcule classiquement ce projecteur à partir d'un estimateur de la matrice de covariance. Néanmoins l'état de l'art ne présente pas d'estimateurs à la fois être robustes aux distributions hétérogènes, et rendant compte de la structure rang faible des données. C'est pourquoi ces travaux se focalisent sur le développement de nouveaux estimateurs (de covariance et de sous espace), directement adaptés au contexte considéré. Les contributions de cette thèse s'orientent donc autour de trois axes :- Nous présenterons tout d'abord un modèle statistique précis : celui de sources hétérogènes ayant une covariance rang faible noyées dans un bruit blanc gaussien. Ce modèle et est, par exemple, fortement justifié pour des applications de type radar. Il à cependant peu été étudié pour la problématique d'estimation de matrice de covariance. Nous dériverons donc l'expression du maximum de vraisemblance de la matrice de covariance pour ce contexte. Cette expression n'étant pas une forme close, nous développerons différents algorithmes pour tenter de l'atteindre efficacement.- Nous développons de nouveaux estimateurs directs de projecteur sur le sous espace fouillis, ne nécessitant pas un estimé de la matrice de covariance intermédiaire, adaptés au contexte considéré.- Nous étudierons les performances des estimateurs proposés et de l'état de l'art sur une application de Space Time Adaptative Processing (STAP) pour radar aéroporté, au travers de simulations et de données réelles.

Clouds play a major role in Earth radiation budget and balance. The characterization of clouds in weather and climate models needs better understanding of cloud processes and more information on cloud microphysical properties. Such information can be obtained from active sensors like radar and lidar onboard CloudSat and CALIPSO satellites which are part of the A-Train constellation. The purpose of this thesis is first to improve and study the DARDAR method which provides cloud microphysical properties from variational scheme. Secondly this thesis deals with the adaptation of the method to the EarthCARE mission, which will, in 2016, board a lidar with high spectral resolution capabilities and a Doppler radar. The method for hydrometeors classification, DARDAR-MASK, was improved and adapted to the EarthCARE instruments by means of airborne RALI campaigns. Cloud properties retrieval method, DARDAR-CLOUD, was modified too. Variability of DARDAR-CLOUD retrieval to different microphysical models used was studied as well and radiometric measurements assimilation in the variational scheme., Les nuages et leurs processus restent responsables d'une part importante de l'incertitude sur l'évolution future du climat. Améliorer la représentation des nuages dans les modèles de prévision du temps et du climat ne peut se faire sans l'obtention de données microphysiques des nuages. L'objectif de cette thèse est, d'une part, d'améliorer et d'étudier la méthode DARDAR qui vise à fournir ce type de données par méthode variationnelle à partir de profils d'instruments actifs, le radar de CloudSat et le lidar de CALIPSO à bord de la constellation A-Train. D'autre part, cette thèse porte sur l'adaptation de ces méthodes à la mission EarthCARE, qui embarquera, en 2016, un lidar à haute résolution spectrale et un radar Doppler. La méthode de classification des hydrométéores détectés par CloudSat et CALIPSO DARDAR-MASK a été améliorée et adaptée aux instruments d'EathCARE grâce aux données aéroportées des missions RALI. La méthode de restitution des propriétés microphysique DARDAR-CLOUD a été modifiée. Enfin la variabilité des restitutions en fonction des différents modèles microphysiques utilisés et de l’utilisation de mesures radiométriques dans la méthode variationnelle a été étudiée.