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This thesis is about tracking several independent targets, using measurements collected by sensors or from a radar-image. The algorithms studied belong to the class of particle filters. In a first part, two algorithms proposed in the literature for multitarget tracking are compared. The ATRAPP algorithm proposed by Ubeda- Medina et al. makes it possible to generate shuffled multitarget particles (a multitarget vector where each target is possibly replicated from a different multitarget particle), under a posterior target independence assumption that is almost never met in practical situations. In a second part, an original algorithm is introduced, that uses an auxiliary Markov transition in its design and generalizes the auxiliary particle filter principle. In the context of multitarget tracking, this new algorithm makes it possible to generate shuffled multitarget particles, with no posterior target independence assumption. The optimal choice of the design parameters (auxiliary weights, auxiliary transition matrix or kernel) is discussed. Using an auxiliary transition kernel makes it possible to better shake the multitarget particles and to further decrease the variance. The optimal design reduces to the numerical solution of continuous optimization problems. In the special case where targets have a linear Gaussian dynamics, a special case of practical interest in applications, it is shown that these problems are strongly convex.; Le sujet de la thèse est la poursuite de plusieurs cibles, qui évoluent de manière indépendante, à partir de mesures recueillies par des capteurs ponctuels ou sous la forme d’une image-radar. Les algorithmes étudiés entrent dans la catégorie des filtres particulaires. Dans une première partie, on compare deux algorithmes proposés dans la littérature pour la poursuite multi-cibles. L’algorithme ATRAPP proposé par Ubeda-Medina et al. permet en particulier de générer des particules multi-cibles brassées (un vecteur multi-cibles dans lequel chaque cible est possiblement répliqué à partir d’une particule multi-cibles différente), au prix d’une hypothèse d’indépendance a posteriori des cibles, presque jamais vérifiée dans les situations pratiques. Dans une deuxième partie, on introduit un algorithme original, utilisant une transition markovienne auxiliaire et généralisant le principe du filtre particulaire auxiliaire. Dans le contexte de la poursuite multi-cibles, ce nouvel algorithme permet de générer des particules multi-cibles brassées, sans hypothèse d’indépendance a posteriori. Le choix optimal des paramètres de conception (poids auxiliaire, matrice ou densité de transition auxiliaire) est discuté. L’utilisation d’une densité de transition auxiliaire permet de diversifier plus largement les particules multi-cibles et de diminuer encore la variance. Le choix optimal se réduit à la résolution numérique de problèmes d’optimisation continus. Dans le cas particulier, important en pratique, où la dynamique des cibles est linéaire gaussienne, on montre que ces problèmes sont fortement convexes.

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.

Irrigation monitoring is important for the optimization of water use. Soil moisture (SSM) is a key variable for irrigation management. Furthermore, early detection of water stress can contribute to optimal irrigation water use. C-band radar data have shown great potential for monitoring soil and vegetation hydric conditions. In this context, the objective of this thesis is to evaluate the potential of C-band radar data in the monitoring of the water functioning of irrigated crops. The specific objectives are: (1) the development and evaluation of a new approach for SSM retrieval using radar data only; (2) the development of an approach for the estimation of irrigation timing and amounts at the plot scale basing on the new SSM products; (3) the investigation of the C-band radar response potentialities for the monitoring of the canopy physiological functioning and, in fine, the detection of water stress. First, the time series of Sentinel-1 data, including the backscattering coefficient (sigma^0), the polarization ratio (PR) and the interferometric coherence (rho) are analyzed based on field data collected over irrigated winter wheat fields in Morocco. The results show that rho and PR are highly related to vegetation development while sigma^0 was found to be sensitive to SSM variations during the early growth stages of wheat. In addition, drastic changes in the geometry of the canopy associated to the heading stage had a strong impact on sigma^0. The Water Cloud model (WCM) is then calibrated and validated over the study site. The results show that the model is able to reproduce the seasonal cycle of Sentinel-1. Thanks to a multi-layer configuration of the physical backscattering model Karam, the second cycle is attributed to the volume scattering from the upper layer composed of wet heads. Secondly, a new approach for SSM estimate based on the inversion of WCM is developed using only Sentinel-1 data. For this purpose, the aboveground biomass (AGB) and the vegetation water content (VWC) are estimated from rho and PR (which corresponds to four methods). These relationships are then used as vegetation descriptor in the WCM. The best SSM inversion results are obtained using the relationship between rho_VV and AGB (R = 0.82 and RMSE = 0.05 m3/m3). The SSM products derived using the method rho_VV-AGB are assimilated into the FAO-56 model using a particle filter technique based on a set of irrigation scenarios for irrigation timing and amounts estimation. First, synthetic experiments are designed in order to assess the impact of some parameters of the approach. In a second step, the method is evaluated using in situ SSM measurements with different revisit times (3, 6 and 12 days). Finally, the SSM products derived from the rho_VV-AGB approach are assimilated. Using in situ data, accurate results are obtained. With an observation every 6 days, the seasonal amounts are retrieved with R > 0.98 and RMSE < 32 mm. Similarly, over the flood-irrigated fields, more than 70% of the events are correctly detected. Using the SSM products derived from Sentinel-1, the statistics are still acceptable. For the drip-irrigated fields, the 15-day cumulative amounts are estimated with R = 0.64 and RMSE = 28.7 mm; metrics close to those obtained using in situ data (R = 0.74 and RMSE = 24.8 mm). Finally, the last part is devoted to the preliminary analysis of in situ radar acquisition by the C-band antennas installed on a wheat field in Morocco. The analysis of the fully polarimetric acquisitions (sigma^0 and rho) with a time step of 15 min reveals the existence of a diurnal cycle of rho whose amplitude evolves with the development of the canopy. The drop in rho at dawn is concomitant with the increase in evapotranspiration. In contrast, the lowest coherence values at the end of the afternoon are rather related to wind peaks.; Le suivi de l'irrigation est un enjeu important pour l'optimisation de l’irrigation. L'humidité superficielle (SSM) est une variable clé pour la gestion de l'irrigation. De plus, la détection précoce du stress hydrique peut contribuer à une utilisation optimale de l'eau agricole. Les données radar en bande C ont montré un grand potentiel pour le suivi des conditions hydriques du sol et de la végétation. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif général d’évaluer les potentialités des données radar bande C pour suivre le fonctionnement hydrique des céréales irriguées. Nos objectifs spécifiques sont : (1) développer une nouvelle approche pour l'inversion de la SSM en utilisant uniquement les données radar ; (2) proposer une méthodologie pour l’estimation des quantités et des dates d’irrigation à l'échelle de la parcelle sur la base de ces nouveaux produits de SSM ; (3) étudier les potentialités de la réponse radar bande C pour le suivi du fonctionnement physiologique et, in fine, la détection du stress hydrique. En préliminaire à l’inversion, les séries temporelles de données Sentinel-1, notamment le coefficient de rétrodiffusion (σ^0), le rapport de polarisation (PR) et la cohérence interférométrique (ρ) sont interprétées à l'aide de données expérimentales collectées sur des parcelles de blé irriguées au Maroc. Les résultats montrent que ρ et PR sont fortement liés au développement de la végétation alors que la dynamique de σ^0 suit les variations de SSM pendant les premiers stades de croissance du blé. En outre, les changements drastiques de la géométrie du couvert associés à la phase d'épiaison ont un fort impact sur σ^0. Les résultats montrent que le modèle Water Cloud (WCM) est capable de reproduire le cycle saisonnier de Sentinel-1. Grâce à une configuration multicouche du modèle Karam, le 2ème cycle est attribué à la diffusion de volume au sein de la couche des épis. Dans un 2ème temps, une nouvelle approche basée sur l'inversion du WCM pour estimer la SSM a été proposée en utilisant uniquement les données radar Sentinel-1. Dans ce but, les descripteurs de la végétation : la biomasse aérienne (AGB) et le contenu en eau de la végétation ont été estimés à partir de ρ et PR. Les meilleurs résultats d’inversion de SSM sont obtenus en utilisant la relation entre ρ_VV et l'AGB (R = 0.82 et RMSE = 0.05 m3/m3). Les produits SSM sont assimilés dans la FAO-56 par une technique de filtrage particulaire pour estimer les dates et les quantités d’irrigation. Premièrement, des expériences jumelles sont conçues pour évaluer l'impact de certains paramètres de l'approche. La méthode est ensuite évaluée en utilisant des mesures in situ de SSM avec 3 temps de revisite différents (3, 6 et 12 jours). Enfin, les produits de SSM Sentinel-1 dérivés par l’approche ρ_VV-AGB sont utilisés. L'utilisation de données in situ permet d'obtenir de bons résultats. Avec une observation tous les 6 jours, les quantités saisonnières sont inversés avec R > 0.98 et RMSE < 32 mm. De même, sur les parcelles en irrigation gravitaire, plus de 70 % des événements sont correctement détectés. En utilisant les produits SSM Sentinel-1, les statistiques restent raisonnables. Concernant les parcelles en goutte-à-goutte, les cumuls sur 15 jours sont inversés avec un R = 0.64 et RMSE = 28.7 mm; des métriques assez proches de celles obtenues en utilisant les données in situ (R=0.74 et RMSE = 24.8 mm ). Enfin, la dernière partie est consacré à l’analyse préliminaire d’acquisition radar in situ par des antennes bande C installées sur une parcelle de blé au Maroc. L’analyse des acquisitions pleinement polarimétriques (σ^0 et ρ) avec un pas de temps de 15 mn révèlent l'existence d’un cycle diurne de ρ dont l’amplitude évolue avec le développement du couvert. La chute de ρ à l’aube est concomitante avec l’augmentation de l’évapotranspiration. Par contraste, les valeurs de ρ les plus faibles en fin d’après-midi seraient plutôt dues aux pics de vent.

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.

This work is developed in the context of the SouBois project funded by the Nouvelle Aquitaine region. The target is to propose a methodology for coupling non-destructive testing (NDT) techniques based on the propagation of electromagnetic (Radar) and elastic (Ultrasound) waves. This makes the auscultation and monitoring of wooden structural elements more reliable for extending the timber construction’s life. As a first step, an analytical development of the mechanical ultrasonic wave propagation model in anisotropic material has been improved. Then a Finite Element Method simulation is realized to prepare a coupling with heterogeneous moisture fields or long-term behaviors. In a third step, an experimental campaign is introduced to identify the continuous of humidity (w) and mechanical (E, G, υ) in glulam beams at a structural scale using electromagnetic and ultrasonic waves. Several factors that could present sensitivities on the electromagnetic and mechanical waves propagation in wood are introduced like species, geometry, moisture content, density and direction of wave propagation relative to the grain angle. Finally, with a view to in situ assessment of structures, a numerical optimization methodology is proposed according to the ultrasonic measurement results which allows the estimation of global elasticity moduli (E, G, υ) through a linear relation with density under different moisture conditions.; Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet SouBois financé par la région Nouvelle Aquitaine. L’objectif est de proposer une méthodologie de couplage de méthodes de Contrôle Non Destructif (CND) basées sur la propagation des ondes électromagnétiques (Radar) et mécaniques (Ultrasons) afin de fiabiliser l’auscultation et la surveillance des éléments structuraux en bois pour prolonger la durée de vie de ce type de construction. Une méthodologie de mesure et d’analyse est proposée. Dans un premier temps, un développement analytique du modèle de propagation des ondes mécaniques dans un matériau anisotrope a été approfondi. Puis des simulations numériques par la méthode aux éléments finis ont été réalisées afin de préparer un couplage avec des champs d’humidité hétérogènes ou des comportements à long terme. Ensuite, une campagne expérimentale est proposée pour caractériser les propriétés d’élasticité d’éléments en lamellé collé, corrélées aux variations d’humidité par méthodes radar et ultrasonore. Plusieurs facteurs pouvant présenter une sensibilité sur la propagation des ondes électromagnétique et mécanique dans le bois sont introduits comme la géométrie, l’espèce, l’humidité, la densité et la direction de propagation de l’onde par rapport à l’angle du fil. Finalement, dans une perspective d’auscultation in situ des structures, une méthodologie d’optimisation numérique, basée sur la propagation d’ondes ultrasonores, est proposée afin d’estimer les modules d’élasticité (E, G, υ) globaux des éléments à différents états d’humidité.

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.

Radar imagery has been used for more than 40 years for Earth observation. It enables the acquisition of high spatial resolution data, over the entire globe, day and night and in almost all weather conditions. Even though the radar response backscattered from the ocean surfaces is generally well characterized in the literature, there remain a number of scientific issues. The aim of this dissertation is to report on progresses in the characterization of the ocean surface in the microwave regime: two aspects have been investigated, namely the extension of ocean backscattering models and the remote sensing of marine pollution. An important originality of these works is the combined utilization of both experimental data and theoretical developments.A better understanding of the interaction of EM waves at the sea surface has allowed to extend the validity domain of analytical backscattering models. An appropriate distribution of wave slopes makes the predictions of directional asymmetries in qualitative agreement with the experimental observations. The use of a composite Bragg model corrected for the polarization ratio makes it possible to model accurately the statistical distribution of sea clutter intensity in both co-polarizations.Traditionally restricted to the detection of mineral oil slicks at sea, we have explored the use of radar imagery to monitor hazardous and noxious substances over the ocean surface. Beyond detection, we have also demonstrated its relevance for the characterization and quantification of marine pollution, provided data were collected by an instrument with a sufficiently low noise floor.; L’imagerie radar est utilisée depuis plus de 40 ans pour l’observation de la Terre. Elle permet l’acquisition de données à haute résolution spatiale, sur l’ensemble du globe, de jour comme de nuit et quasi indépendamment des conditions atmosphériques et météorologiques. Même si la réponse radar des surfaces océaniques est en général bien caractérisée dans la littérature, il demeure à ce jour un certain nombre de verrous scientifiques. Les travaux de recherche exposés dans ce manuscrit ont pour vocation à faire progresser la caractérisation de la surface océanique dans la bande des micro-ondes : deux volets ont été explorés, l’extension des modèles de rétrodiffusion et la télédétection des pollutions marines. Une originalité importante des résultats présentés est qu’ils s’appuient simultanément sur des travaux expérimentaux et sur des développements théoriques.Une meilleure compréhension de l’interaction entre l’onde EM et la surface de mer nous a permis d’étendre le domaine d’emploi des modèles analytiques de rétrodiffusion. Une distribution adaptée des pentes des vagues permet de restituer qualitativement les asymétries directionnelles observées expérimentalement. L’utilisation d’un modèle de Bragg composite corrigé du rapport de polarisation permet quant à lui de restituer la distribution de fouillis de mer en polarisation directe.Traditionnellement restreinte à la détection des nappes d’hydrocarbures en mer, nous avons exploré l’usage de l’imagerie radar pour le suivi des pollutions par produits chimiques. Au-delà de la détection, nous avons également démontré la pertinence des données SAR pour la caractérisation et la quantification des pollutions marines, à condition de disposer d’un instrument dont le niveau de bruit est suffisamment faible.

The estimation and monitoring of forest resources and carbon stocks are major issues for wood industry and public bodies. Forests play an important role in national and international plans for climate change mitigation (carbon storage, climate regulation, biodiversity, renewable energy). In temperate forests, monitoring is done at two different levels: on one hand, at local level, in small areas by the acquisition of many measures of forest structure parameters, and, on the other hand, by statistics at national level or in large administrative areas that are provided annually by public bodies. Temperate forests are highly anthropogenic (high spatial variability and fragmentation of stands), so there is currently a strong need for a more refined and regular maps of forest resources in these regions. Optical and radar satellite images provide information on the state of vegetation, tree structure and spatial organization of forests. In an exceptional context of free global availability, diversity, and quality of images with high spatial and temporal resolution, the aim of this PhD work is to set up the methodological bases for a generic and semi-automatic production of forest parameters mapping (biomass, diameter, height, etc.). We have assessed the potential of Sentinel-1 (C-band radar), Sentinel-2 (optical) time series, and ALOS2-PALSAR2 (radar, L-band) annual mosaics to estimate forest structure parameters. These satellite data are combined, using supervised learning algorithms and field measurements, to construct models for estimating aboveground biomass (AGB), mean tree diameter (DBH), height, basal area and tree density. These models can then be spatially applied over the entire territory by using satellite images, providing thus continuous information on the spatial resolution of the images used (10 to 20 meters). This approach has been conceived and tested on four study sites with different forest species and structural and environmental properties: the inner and the dune zone of the Landes forest (maritime pines), the Orléans forest (oak and Scots pines), and the forest of Saint-Gobain (oaks, hornbeams and beeches). The investigated issues are the satellite data to be used, the selection of explanatory variables, the choice of regression algorithms and their parameterization, the differentiation of forest types and the spatialization of forest parameter estimates. The primitives derived from satellite data provide information on the optical properties of soil and vegetation, the spatial organization of trees, the structure and volume of live wood of crowns and trunks. The use of nonlinear multivariate regression algorithms allows to obtain forest parameter estimates with relative error performance in the order of 15 to 35 % for the basal area (~ 2.8 to 5.9 m2/ha) depending on forest types, 5 to 20 % for height (~ 1.3 to 3 m), and 5 to 25 % for DBH (~ 1.5 to 8 cm). The results highlight the improvement by combining several types of satellite data (optical, multi-frequency radar and spatial texture indexes), as well as the importance of differentiating forest types for the construction of models. This high-resolution, regular mapping of the forest resource is very promising to help improving the monitoring and policy of territorial and national strategies for the timber sector, biodiversity and carbon storage.; L'estimation et le suivi du carbone et de la ressource forestière sont des enjeux majeurs pour la gestion des territoires. Les forêts ont un rôle important dans les plans nationaux et internationaux pour l'atténuation du changement climatique (stockage du carbone, régulation du climat, biodiversité, énergies renouvelables). Dans les forêts tempérées, de nombreuses mesures des paramètres de structure forestière sont acquises sur des petites zones, des statistiques au niveau national ou sur de larges zones administratives sont délivrées annuellement par les organismes gouvernementaux. Les forêts tempérées sont fortement anthropisées (forte variabilité spatiale et fractionnement des peuplements), il y a actuellement un besoin fort d'une spatialisation plus fine et continue des ressources forestières dans ces régions. Les images satellitaires optiques et radar apportent des informations sur l'état de la végétation, la structure des arbres et l'organisation spatiale des forêts. Dans un contexte exceptionnel de disponibilité mondiale et gratuite, de diversité, de qualité des images à haute résolution spatiale et temporelle, le travail de thèse a pour objectif de mettre en place les bases méthodologiques et scientifiques pour une production nationale semi-automatique d'une cartographie des paramètres forestiers (biomasse, diamètre, hauteur, etc.). Nous avons évalué le potentiel des séries temporelles Sentinel-1 (radar en bande C), Sentinel-2 (optique), et des mosaïques annuelles ALOS2-PALSAR2 (radar, bande L) pour estimer les paramètres de structure forestière. Ces données satellitaires ont été combinées à l'aide d'algorithmes d'apprentissage supervisé et de mesures terrain pour construire des modèles d'estimation de la biomasse, du diamètre moyen des arbres (DBH), de la hauteur et d'autres paramètres de structure. Ces modèles peuvent ensuite être spatialisés sur l'ensemble du territoire à l'aide des images satellitaires, et fournir une information continue à la résolution spatiale des images utilisées (10 à 20 mètres). Notre approche a été conçue et testée sur quatre sites d'étude avec des essences forestières et des propriétés structurales et environnementales différentes : la zone intérieure et la zone dunaire de la forêt des Landes (pins maritimes), la forêt d'Orléans (chênes et pins sylvestres), et la forêt de Saint-Gobain (chênes, charmes et hêtres). Les principaux développements portent sur les données satellitaires à utiliser, la sélection des variables explicatives, le choix des algorithmes de régression et leur paramétrisation, la différenciation des types de forêt et la cartographie des estimations de paramètres forestiers. Les primitives issues des données satellitaires fournissent des informations sur les propriétés optiques du sol et de la végétation, l'organisation spatiale des arbres, la structure et le volume de bois vivant des houppiers et des troncs. L'utilisation d'algorithmes de régression multivariée non-linéaire permet d'obtenir des estimations des paramètres forestiers avec des performances en termes d'erreur relative de l'ordre de 15 à 35 % pour la surface terrière (~2.8 à 5.9 m2/ha) selon les types de forêt, 5 à 20 % pour la hauteur (~1.3 à 3 m), et de 5 à 25 % pour le DBH (~1.5 à 8 cm). Les résultats montrent l'apport de la combinaison de plusieurs types de données satellitaires (optique, radar multi-fréquence et indices de texture spatiale) ainsi que l'importance de différencier les types de forêt pour la construction des modèles. L'application des modèles sur les images satellitaires permet de produire des cartes à haute résolution spatiale de ces paramètres forestiers, utilisables de l'échelle locale à l'échelle régionale/nationale.

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.

Agriculture is considered as one of the most important sectors in Tunisia on which the country's economy is predominately based. It is also important because of its contribution to food security. In the context of natural resource management, the characterization and monitoring of surface states is essential, particularly in semi-arid regions where several constraints hamper agricultural development (period of drought, conflicts over water sharing, lack of resources, overpumping of groundwater, etc.). In Tunisia, nearly 80% of available water resources are used by agriculture with limited efficiency. Here, with very limited water resources, the estimation of the surface water state is necessary to establish the appropriate decisions for a better sustainable management. In this context, remote sensing provides a fundamental database for surface observation. It is a major tool for remote sensing data acquisition.The work carried out during this thesis contributes to evaluate the potential of the new Sentinel-1 (S-1) and Sentinel-2 (S-2) satellite for the characterization of surface states, specifically soil moisture in a context of sustainable management of water and soil resources. Indeed, these new systems offer operational products with a high temporal repeatability and metric spatial resolutions allowing regular monitoring. In our context, radar data is particularly sensitive to surface conditions, specifically soil moisture, surface roughness and vegetation cover. They are unveiled as the most promising tools for accurate monitoring at the field or regional scale. This work includes two main parts that directly relate soil moisture (key variable for different processes) to irrigation first, and then to soil texture. The approach adopted combines experimental measurements with the use of different remote sensing data in synergy, modeling and mapping. The thesis is structured in three parts. The first part of this work evaluates the potential of C-band radar data for a large database. The results showed through behavioral and modeling studies that the radar signal could retrieve temporal and spatial dynamics of soil moisture on cereal plots. The second component consists of evaluating the combined use of optical and radar data in order to predict surface water conditions over vegetative cover. With a precision of about 6 vol. %, soil moisture mapping is then proposed at high spatial resolution, by inverting the Water Cloud Model (WCM), a backscattering model for vegetation cover.[...]; L'agriculture en Tunisie fait partie des secteurs importants sur lesquels reposent l'économie du pays. Elle revêt également son importance par sa contribution à la sécurité alimentaire. Dans un contexte de gestion des ressources naturelles, la caractérisation et le suivi des états de surface est indispensable, particulièrement dans les régions semi-arides où plusieurs contraintes freinent le développement agricole (période de sécheresse, conflits sur le partage des eaux, manque de ressources, surexploitations des nappes, etc.). En Tunisie, près de 80 % des ressources en eau disponibles sont utilisées par l'agriculture avec une efficacité limitée. Là, où les ressources en eau sont très limitées, l'estimation de l'état hydrique de surface est particulièrement nécessaire pour établir les décisions adéquates pour une meilleure gestion de cette ressource. Dans ce contexte, la télédétection fournit une base fondamentale de données pour l'observation de la surface et constitue un outil majeur pour l'acquisition d'informations à distance. Les travaux réalisés au cours de cette thèse sur la plaine de Kairouan, au Centre de la Tunisie et caractérisée par un climat semi aride, contribuent à l'évaluation du potentiel des nouveaux capteurs satellitaires Sentinel-1 (S-1) et Sentinel-2 (S-2) pour la caractérisation des états de surface, spécifiquement l'humidité du sol dans un contexte de gestion durable des ressources en eau et en sol. En effet, ces nouveaux systèmes offrent aujourd'hui des produits opérationnels avec une forte répétitivité temporelle et des résolutions spatiales métriques permettant un suivi régulier. Dans notre contexte, les données radars sont particulièrement sensibles aux conditions de surface, précisément à l'humidité du sol, à la rugosité de surface et à la végétation. Ils se dévoilent comme les outils les plus prometteurs pour un suivi précis à l'échelle de la parcelle ou régionale. Ce travail comprend deux principales parties qui relient directement l'humidité du sol (variable clé pour différents processus) à l'irrigation dans un premier temps, puis à la texture du sol. L'approche adoptée combine les mesures expérimentales à l'utilisation de données de la télédétection multi-capteurs en synergie, ainsi à la modélisation et à la cartographie. La thèse se structure en trois volets. Le premier volet de ce travail évalue le potentiel des données radars en bande C pour une large base de données. Les résultats ont montré à travers des études du comportement et de modélisation que le signal radar permet de suivre la dynamique temporelle et spatiale de l'humidité du sol sur des parcelles de céréales. Le second volet, consiste à évaluer l'utilisation conjointe de données optiques et radars afin de pouvoir prédire l'état hydrique de surface sur une couverture végétale.[...]

Agriculture is considered as one of the most important sectors in Tunisia on which the country's economy is predominately based. It is also important because of its contribution to food security. In the context of natural resource management, the characterization and monitoring of surface states is essential, particularly in semi-arid regions where several constraints hamper agricultural development (period of drought, conflicts over water sharing, lack of resources, overpumping of groundwater, etc.). In Tunisia, nearly 80% of available water resources are used by agriculture with limited efficiency. Here, with very limited water resources, the estimation of the surface water state is necessary to establish the appropriate decisions for a better sustainable management. In this context, remote sensing provides a fundamental database for surface observation. It is a major tool for remote sensing data acquisition.The work carried out during this thesis contributes to evaluate the potential of the new Sentinel-1 (S-1) and Sentinel-2 (S-2) satellite for the characterization of surface states, specifically soil moisture in a context of sustainable management of water and soil resources. Indeed, these new systems offer operational products with a high temporal repeatability and metric spatial resolutions allowing regular monitoring. In our context, radar data is particularly sensitive to surface conditions, specifically soil moisture, surface roughness and vegetation cover. They are unveiled as the most promising tools for accurate monitoring at the field or regional scale. This work includes two main parts that directly relate soil moisture (key variable for different processes) to irrigation first, and then to soil texture. The approach adopted combines experimental measurements with the use of different remote sensing data in synergy, modeling and mapping. The thesis is structured in three parts. The first part of this work evaluates the potential of C-band radar data for a large database. The results showed through behavioral and modeling studies that the radar signal could retrieve temporal and spatial dynamics of soil moisture on cereal plots. The second component consists of evaluating the combined use of optical and radar data in order to predict surface water conditions over vegetative cover. With a precision of about 6 vol. %, soil moisture mapping is then proposed at high spatial resolution, by inverting the Water Cloud Model (WCM), a backscattering model for vegetation cover.[...]; L'agriculture en Tunisie fait partie des secteurs importants sur lesquels reposent l'économie du pays. Elle revêt également son importance par sa contribution à la sécurité alimentaire. Dans un contexte de gestion des ressources naturelles, la caractérisation et le suivi des états de surface est indispensable, particulièrement dans les régions semi-arides où plusieurs contraintes freinent le développement agricole (période de sécheresse, conflits sur le partage des eaux, manque de ressources, surexploitations des nappes, etc.). En Tunisie, près de 80 % des ressources en eau disponibles sont utilisées par l'agriculture avec une efficacité limitée. Là, où les ressources en eau sont très limitées, l'estimation de l'état hydrique de surface est particulièrement nécessaire pour établir les décisions adéquates pour une meilleure gestion de cette ressource. Dans ce contexte, la télédétection fournit une base fondamentale de données pour l'observation de la surface et constitue un outil majeur pour l'acquisition d'informations à distance. Les travaux réalisés au cours de cette thèse sur la plaine de Kairouan, au Centre de la Tunisie et caractérisée par un climat semi aride, contribuent à l'évaluation du potentiel des nouveaux capteurs satellitaires Sentinel-1 (S-1) et Sentinel-2 (S-2) pour la caractérisation des états de surface, spécifiquement l'humidité du sol dans un contexte de gestion durable des ressources en eau et en sol. En effet, ces nouveaux systèmes offrent aujourd'hui des produits opérationnels avec une forte répétitivité temporelle et des résolutions spatiales métriques permettant un suivi régulier. Dans notre contexte, les données radars sont particulièrement sensibles aux conditions de surface, précisément à l'humidité du sol, à la rugosité de surface et à la végétation. Ils se dévoilent comme les outils les plus prometteurs pour un suivi précis à l'échelle de la parcelle ou régionale. Ce travail comprend deux principales parties qui relient directement l'humidité du sol (variable clé pour différents processus) à l'irrigation dans un premier temps, puis à la texture du sol. L'approche adoptée combine les mesures expérimentales à l'utilisation de données de la télédétection multi-capteurs en synergie, ainsi à la modélisation et à la cartographie. La thèse se structure en trois volets. Le premier volet de ce travail évalue le potentiel des données radars en bande C pour une large base de données. Les résultats ont montré à travers des études du comportement et de modélisation que le signal radar permet de suivre la dynamique temporelle et spatiale de l'humidité du sol sur des parcelles de céréales. Le second volet, consiste à évaluer l'utilisation conjointe de données optiques et radars afin de pouvoir prédire l'état hydrique de surface sur une couverture végétale.[...]

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.

The study explores the feasibility to estimate the corn field production and its water needs during the irrigation period. The work, validated in the South-West of France, is based on an agro-meteorological model coupled with satellite imagery to extend monitoring to regional scale. The recent availability of Sentinel-1 radar mission allows monitoring without atmospheric constraints (e.g. clouds) as opposed to optical acquisitions. The estimation of production is linked with dry biomass (ear, plant) and yield data at the field scale. Beyond new improvements, the combination of optical and radar provides accurate results and even improves the estimations based on optical by filling the gaps caused by cloud cover at the beginning of the season. The water needs simulation are more contrasted as a result of the accuracy of the input data. Moreover, some features (e.g. soil properties) can be seen within soil moisture measurements, even though they cannot be modeled.; La thèse répond aux objectifs d'évaluer le potentiel d'estimation de la production de parcelles de maïs, ainsi que de leurs besoins hydriques. Les travaux, validés dans le Sud-Ouest de la France, reposent sur le couplage du modèle agro-météorologique à de l'imagerie satellitaire pour étendre le suivi à une échelle régionale. Le but est de s'affranchir des contraintes nuageuses imposées sur les acquisitions optiques, grâce à l'utilisation du radar Sentinel-1. L'estimation de la production comprend la biomasse sèche (épi, plante) ainsi que le rendement à l'échelle parcellaire. Au-delà des améliorations du modèle, l'assimilation combinée de l'optique et du radar donne de bons résultats et améliore les simulations basées sur l'optique en comblant l'absence de données en début de saison (forte nébulosité). Les résultats de l'estimation du contenu en eau sont plus contrastés. Le détail des erreurs révèle notamment des défauts liés aux propriétés du sol ou aux déclarations des agriculteurs.

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.

International audience; The aim is to describe new geometric approaches to define the statistics of spatio-temporal and polarimetric measurements of the states of an electromagnetic wave, using the works of Maurice Fréchet, Jean-Louis Koszul and Jean-Marie Souriau, with in particular the notion of 'average' state of this digital measurement as a Fréchet barycentre in a metric space and a model derived from statistical mechanics to define and calculate a maximum density of entropy (extension of the notion of Gaussian) to describe the fluctuations of the electromagnetic wave. The article will illustrate these new tools with examples of radar application for Doppler, spatio-temporal and polarimetric measurement of the electromagnetic wave by introducing a distance on the covariance matrices of the electromagnetic digital signal, based on Fisher’s metric from Information Geometry.; Il s'agit de décrire de nouvelles approches géométriques pour définir les statistiques de mesures spatio-temporelles et polarimétrique des états d'une onde électromagnétique, en utilisant les travaux de Maurice Fréchet, Jean-Louis Koszul et Jean-Marie Souriau, avec en particulier la notion d'état « moyen » de cette mesure digitale comme barycentre de Fréchet dans un espace métrique et un modèle issu de la mécanique statistique pour définir et calculer une densité à maximum d'entropie (extension de la notion de gaussienne) pour décrire les fluctuations de l'onde électromagnétique. L'article illustrera ces outils nouveaux avec des exemples d'application en radar pour la mesure Doppler, spatio-temporelle et polarimétrique de l'onde électromagnétique en introduisant une distance sur les matrices de covariance du signal digital électromagnétique, basé sur la métrique de Fisher issue de la Géométrie de l'Information.

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, 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 shadow 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. 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 principales est liée à la complexité du milieu de propagation induit par les bâtiments présents dans la scène. En effet, 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 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. 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.

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.

In the ocean, prey is patchily distributed. To overcome this challenge, pelagic seabirds benefit from social information from conspecifics, heterospecifics, or fishing boats.As part of this dissertation, we aim at evaluating the influence of different information sources in seabird foraging strategies in the tropical pelagic environment.Seabirds can detect visible predators or boats at distances of over ten kilometres. We thus study the distribution of seabirds at sub-meso-scale, analysing images recorded from a radar on board a tuna purse-seiner. Radar images provide a visualisation of the instantaneous distribution of the in-flight seabird community as well as seabird movements within thirty kilometres of the seiner. We detect over-aggregatedand temporary patterns, spanning about ten kilometers, within flying seabirds’ distribution. Distancesbetween seabird groups are compatible with information exchanges within these aggregations. A finer scale study reveals coordinated flights of seabird groups distant of hundreds of meters from each others (« rakes »), and suggesting a high level of coordination during foraging. We then investigate the potential disturbance induced by the seiner in the seabirds’ foraging network.First results indicate that seabirds can discriminate the different seiner’s activities.To our knowledge, this work is the first contribution of on board radars use for the study of seabird ecology in the high seas, and opens interesting perspectives, such as the understanding of interactions’ dynamics within the marine top-predators guild.; Dans l’océan, les bancs de proies représentent une source d’alimentation ponctuelle. Pour pallier à cela, les oiseaux marins profitent de l’information sociale provenant de conspécifiques, hétérospecifiques, ou bateaux de pêche. Dans cette thèse, nous cherchons à évaluer l’influence de différentes sources d’information sur les stratégies de recherche alimentaire des oiseaux marins en milieu pélagique tropical.Les oiseaux détectent des prédateurs ou des bateaux à des distances dépassant dix kilomètres. Nous étudions donc leur distribution à sub-méso-échelle, ceci grâce à des images d’un radar à bord d’un thonier senneur.Les images radar offrent une visualisation, dans les 30 km autour du navire, de la distribution instantanée de la communauté d’oiseaux en vol et de leurs déplacements. Nous mettons au jour des motifs d’agrégation temporaires, d’une dizaine de kilomètres de diamètre, au sein de la distribution des oiseaux. Les distances entre groupes d’oiseaux sont compatibles avec l’échange d’information au sein de ces agrégations.Une étude plus fine révèle des vols coordonnés de groupes d’oiseaux distants de plusieurs centaines de mètres («râteaux»), suggérant un haut degré de coopération lors de la recherche de proies. Nous questionnons ensuite le degré de perturbation du senneur dans la recherche alimentaire des oiseaux. Les résultats indiquent que les oiseaux marins discriminent les différentes activités du navire.Ce travail constitue, à notre connaissance, la première utilisation des radars embarqués pour l’étude de l’écologie des oiseaux en haute mer, et ouvre nombre de perspectives pour comprendre la dynamique des interactions entre prédateurs marins supérieurs.

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.

Since budgets for the maintenance and repair of built heritage structures are very high, it is essential to implement reliable techniques for monitoring and diagnosis of structures to reduce these costs. There are many non-destructive testing (NDT) methods employing different technologies which are more or less expensive. The NDT methods allow the determination of the properties of the material giving also information about the condition of the structure, and the detection of inclusions or defects in the concrete. These techniques are known for their fast implementation and their high performance in-situ, but also by their non-intrusive nature, which makes it possible to limit the number of samples for destructive assessment. This makes them relevant for the monitoring and inspection of built heritage, since they can provide information related to the condition of a structure without any damage. In a reinforced concrete structure, the concrete cover is the most prone to multiple aggressions. The majority of the chemical reactions which cause the degradation of the structure occur in this layer, since with the presence of water this coating is considered as the penetration, transfer and fixing zone of aggressive agents present in the environment of the structure, thus enhancing for example the corrosion of the reinforcements. The water content of concrete is considered as a very important factor in the diagnosis of reinforced concrete structures, since it conditions the development of most pathologies related to structural degradation, thus affecting the durability of concrete. The precise location of the reinforcement in the construction is also an essential element for the diagnosis, but also to check the conformity of the constructive dispositions with the execution plans. In this research, we use GPR technology for the geometrical and physical characterization of reinforced concrete elements, through the development of an automatic algorithm, fast and without pre-requisites. The objectives of this study are to locate the rebars of the first reinforcing layer in the plane and depth and to determine the propagation velocity of the electromagnetic waves in the coating layer to estimate the water content of concrete.; Les budgets destinés à l'entretien et à la réparation du patrimoine bâti étant très élevés, il est primordial de mettre en place des techniques fiables de suivi et de diagnostic des ouvrages pour réduire ces dépenses. Il existe de nombreuses techniques de contrôle non destructif (CND) employant différentes technologies à des coûts plus ou moins abordables. Elles permettent la détermination des propriétés du matériau renseignant sur l'état de l'ouvrage, et la détection d'inclusions ou de défauts dans le béton. Ces techniques sont connues pour leur rapidité de mise en œuvre et leur grand rendement sur site, mais aussi par leur caractère non intrusif qui permet de limiter le nombre de prélèvements. Cela les rend pertinentes pour la surveillance et l'inspection du patrimoine bâti, puisqu'elles peuvent fournir des informations liées à l'état d'un ouvrage sans l'endommager. Dans un ouvrage en béton armé, la couche d'enrobage des armatures est la plus sujette à de multiples agressions. C'est dans cette couche qu'ont lieu la majorité des réactions chimiques qui causent la dégradation de l'ouvrage, puisqu'avec la présence d'eau cet enrobage est considéré comme la zone de pénétration, de transfert et de fixation des agents agressifs présents dans l'environnement de l'ouvrage, favorisant par exemple la corrosion des armatures. La teneur en eau du béton est considérée comme un facteur très important dans le diagnostic des structures en béton armé, puisqu'elle conditionne le développement de la plupart des pathologies liées à la dégradation des structures affectant ainsi la durabilité du béton. La localisation avec précision des aciers de renforcement est également un élément primordial pour le diagnostic, mais également pour vérifier la conformité des dispositions constructives par rapport aux plans d'exécution. Dans ces travaux de recherche, nous utilisons la technologie radar pour la caractérisation géométrique et physique des éléments en béton armé, cela par le développement d'un algorithme automatique, rapide et sans prérequis. Les objectifs de cette étude sont : de localiser en surface et en profondeur les aciers du premier lit d'armatures, et de déterminer la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le béton d'enrobage pour estimer sa teneur en eau.

This thesis deals with the preprocessing of radar images and their optimization for the analyzes in order to detect natural marine oil slicks (Sea surface Outbreak/SSO) as well as better determine their source location at the Sea Floor Source (SFS). We explained herein means, methods and difficulties encountered. This thesis consists of the following three distinct research axes represented by three submitted papers :1- A stochastic approach for pre-processing and improvement of C-band radar images to automatically detect oil slicks;2- A stochastic approach using a large quantity of radar images to evaluate the influence of wind speed and the different modes of the instrument (SAR) on the delectability of marine oil slicks ;3- Accurate location of the Sea Floor Source of marine hydrocarbon emissions using a new vertical drift model within the water column, applied to the northern Gulf of Mexico (southern USA).So first, we focused on the optimization of pre-processing and the improvement of C-band radar images by stochastic methods to automatically detect oil slicks. The proposed methodology includes three processing levels : preprocessing, thresholding, and binary cleaning. The first level consists of correcting the heterogeneity of the luminosity in the radar images resulting from the non-Lambertian reflection of the radar signal on the sea surface. The second level consists of a thresholding step which aims to produce dark objects as close as possible to the manually developed training data set. The third level consists of cleaning the output binary images from the noise residuals. Several preprocessing and cleaning methods have been tested and evaluated by a qualification engine that compares the objects automatically detected with the manual detection. Then, we focus in a second chapter in the evaluation of the influence of wind speed and instrument modes on the detection of oil slicks from radar images by using a stochastic approach. This study was dictated by the need to define the meteorological conditions capable for an optimal detection of oil slicks, from the radar images. The objective was to determine the wind speed range which optimizes the detection of oil slicks in all radar images using BigData and a stochastic approach. This work was also an opportunity to investigate the properties of the radar acquisition modes used in the detection of oil slicks. Thus, a 5-mode performance order is established (IW, APP, PRI, IMP and WSM) and shows that the IW (Sentinel-1) mode, with the best spatial resolution (greater than 5x20m) detects oil slicks at high wind speed. Finally, we focused on estimating the location of marine natural oil seeps sources using a new vertical drift model, applied in the Gulf of Mexico. Thus, we have developed a new method for detecting the source of oil seeps from natural sources on the seafloor according to the vertical drift model. Occurrences of oil seeps on the sea surface are generally offset from their sources on the seabed by several hundred meters or even kilometers. This deflection is dependent on the upward velocity of the oil and marine currents along the water column. In this study, the diameter of the droplets is not known to us a priori. To fill this gap, a new method called "the sources path" was applied herein that propose the Sea Floor Source taking into account the droplet size and the vertical drift within the water column before their Sea surface Outbreak (SSO).If these three studies can be taken independently of each other, they are firmly interconnected and complementary. They form a sort of process ranging from the optimization of the detection of an oil slick (the most appropriate means and tools for better detection) to the location of its source on the seafloor; Ce travail de thèse traite de l’optimisation des analyses et des prétraitements des images radar pour la détection des nappes d'huile en domaine océanique (communément appelés "oil slicks" en anglais) ainsi que la localisation des sources de suintements d’huiles d'origine naturelle ("oil seeps") sur le plancher océanique. Moyens, méthodes et difficultés des divers traitements y sont exposés. Il se compose des trois axes de recherche distincts expliqués et détaillés ci-dessous :1- Une approche stochastique pour le prétraitement et l'amélioration des images radar en bande C afin de détecter automatiquement les nappes d'huile.2- Une approche stochastique utilisant une grande quantité d'images radar pour évaluer l'influence de la vitesse du vent et les différents modes de l'instrument (SAR) pour l'optimisation de la détection des nappes d'hydrocarbures.3- La localisation précise de la source des émissions d'hydrocarbures marins à l'aide d'un nouveau modèle de dérive verticale, appliqué au Golfe du Mexique (USA).En premier, nous nous sommes intéressés à l'optimisation des prétraitements et l'amélioration des images radar en bande C par des méthodes stochastiques. La méthodologie proposée comprend trois niveaux de traitement: prétraitement, seuillage et nettoyage binaire. Le premier niveau s’attèle à corriger l'hétérogénéité de la luminosité dans les images radar due à la réflexion non lambertienne du signal radar sur la surface de la mer. Le deuxième niveau consiste en une étape de seuillage qui vise à produire des objets noirs aussi proches que possible de l'ensemble de données d'apprentissage manuellement élaborées. Le troisième niveau, quant à lui, vise à nettoyer les images binaires de sortie des résidus de bruit. Plusieurs méthodes de prétraitement et de nettoyage ont été testées et évaluées par un moteur de qualification qui compare les objets détectés automatiquement avec les zones des objets noirs détectées manuellement. Par la suite, nous nous sommes penchés sur l'évaluation de l'influence de la vitesse du vent et des modes de l'instrument sur la détection des nappes d'hydrocarbures sur les images radar en utilisant une approche stochastique. Cette étude a été dictée par le besoin de définir les conditions météorologiques à même de permettre une détection optimale des nappes d’huiles, à partir des images radar. L’objectif a été de déterminer l’intervalle de vitesse du vent qui optimise la détection des nappes d'huiles dans toutes les images radar utilisant du BigData et une approche stochastique. Ce travail a également été une occasion de nous intéresser aux propriétés des modes d'acquisition radar employés dans la détection des nappes d'huile. Ainsi, un ordre de performance de 5 modes est établi (IW, APP, PRI, IMP et WSM) et montre que le mode IW (Sentinel-1), avec la meilleure résolution spatiale (supérieure à 5x20m), est la plus approprié pour détecter une nappe d'huile à forte vitesse du vent. Enfin, nous nous sommes focalisés sur l'estimation de la localisation des sources de pétrole naturel marin à l'aide d'un nouveau modèle de dérive verticale. Les manifestations de suintements d'hydrocarbures sur la surface de la mer sont généralement décalées de leur source sur les fonds marins de plusieurs centaines de mètres ou même de kilomètres. Ce décalage est fonction de la vitesse ascensionnelle et des courants marins le long de la colonne d'eau. Dans cette étude, le diamètre des gouttelettes ne nous est pas connu à priori. Pour combler ce manque d’information, on a appliqué une nouvelle méthode appelée «le chemin des sources». Si ces trois études peuvent être prises chacune indépendamment des autres, elles sont solidement interconnectées et complémentaires. Elles forment une sorte de processus allant de l'optimisation de la détection d’une nappe (les moyens et les outils les plus adéquats pour une meilleure détection) jusqu’à la localisation de sa source sur le plancher océanique

This thesis deals with the preprocessing of radar images and their optimization for the analyzes in order to detect natural marine oil slicks (Sea surface Outbreak/SSO) as well as better determine their source location at the Sea Floor Source (SFS). We explained herein means, methods and difficulties encountered. This thesis consists of the following three distinct research axes represented by three submitted papers :1- A stochastic approach for pre-processing and improvement of C-band radar images to automatically detect oil slicks;2- A stochastic approach using a large quantity of radar images to evaluate the influence of wind speed and the different modes of the instrument (SAR) on the delectability of marine oil slicks ;3- Accurate location of the Sea Floor Source of marine hydrocarbon emissions using a new vertical drift model within the water column, applied to the northern Gulf of Mexico (southern USA).So first, we focused on the optimization of pre-processing and the improvement of C-band radar images by stochastic methods to automatically detect oil slicks. The proposed methodology includes three processing levels : preprocessing, thresholding, and binary cleaning. The first level consists of correcting the heterogeneity of the luminosity in the radar images resulting from the non-Lambertian reflection of the radar signal on the sea surface. The second level consists of a thresholding step which aims to produce dark objects as close as possible to the manually developed training data set. The third level consists of cleaning the output binary images from the noise residuals. Several preprocessing and cleaning methods have been tested and evaluated by a qualification engine that compares the objects automatically detected with the manual detection. Then, we focus in a second chapter in the evaluation of the influence of wind speed and instrument modes on the detection of oil slicks from radar images by using a stochastic approach. This study was dictated by the need to define the meteorological conditions capable for an optimal detection of oil slicks, from the radar images. The objective was to determine the wind speed range which optimizes the detection of oil slicks in all radar images using BigData and a stochastic approach. This work was also an opportunity to investigate the properties of the radar acquisition modes used in the detection of oil slicks. Thus, a 5-mode performance order is established (IW, APP, PRI, IMP and WSM) and shows that the IW (Sentinel-1) mode, with the best spatial resolution (greater than 5x20m) detects oil slicks at high wind speed. Finally, we focused on estimating the location of marine natural oil seeps sources using a new vertical drift model, applied in the Gulf of Mexico. Thus, we have developed a new method for detecting the source of oil seeps from natural sources on the seafloor according to the vertical drift model. Occurrences of oil seeps on the sea surface are generally offset from their sources on the seabed by several hundred meters or even kilometers. This deflection is dependent on the upward velocity of the oil and marine currents along the water column. In this study, the diameter of the droplets is not known to us a priori. To fill this gap, a new method called "the sources path" was applied herein that propose the Sea Floor Source taking into account the droplet size and the vertical drift within the water column before their Sea surface Outbreak (SSO).If these three studies can be taken independently of each other, they are firmly interconnected and complementary. They form a sort of process ranging from the optimization of the detection of an oil slick (the most appropriate means and tools for better detection) to the location of its source on the seafloor; Ce travail de thèse traite de l’optimisation des analyses et des prétraitements des images radar pour la détection des nappes d'huile en domaine océanique (communément appelés "oil slicks" en anglais) ainsi que la localisation des sources de suintements d’huiles d'origine naturelle ("oil seeps") sur le plancher océanique. Moyens, méthodes et difficultés des divers traitements y sont exposés. Il se compose des trois axes de recherche distincts expliqués et détaillés ci-dessous :1- Une approche stochastique pour le prétraitement et l'amélioration des images radar en bande C afin de détecter automatiquement les nappes d'huile.2- Une approche stochastique utilisant une grande quantité d'images radar pour évaluer l'influence de la vitesse du vent et les différents modes de l'instrument (SAR) pour l'optimisation de la détection des nappes d'hydrocarbures.3- La localisation précise de la source des émissions d'hydrocarbures marins à l'aide d'un nouveau modèle de dérive verticale, appliqué au Golfe du Mexique (USA).En premier, nous nous sommes intéressés à l'optimisation des prétraitements et l'amélioration des images radar en bande C par des méthodes stochastiques. La méthodologie proposée comprend trois niveaux de traitement: prétraitement, seuillage et nettoyage binaire. Le premier niveau s’attèle à corriger l'hétérogénéité de la luminosité dans les images radar due à la réflexion non lambertienne du signal radar sur la surface de la mer. Le deuxième niveau consiste en une étape de seuillage qui vise à produire des objets noirs aussi proches que possible de l'ensemble de données d'apprentissage manuellement élaborées. Le troisième niveau, quant à lui, vise à nettoyer les images binaires de sortie des résidus de bruit. Plusieurs méthodes de prétraitement et de nettoyage ont été testées et évaluées par un moteur de qualification qui compare les objets détectés automatiquement avec les zones des objets noirs détectées manuellement. Par la suite, nous nous sommes penchés sur l'évaluation de l'influence de la vitesse du vent et des modes de l'instrument sur la détection des nappes d'hydrocarbures sur les images radar en utilisant une approche stochastique. Cette étude a été dictée par le besoin de définir les conditions météorologiques à même de permettre une détection optimale des nappes d’huiles, à partir des images radar. L’objectif a été de déterminer l’intervalle de vitesse du vent qui optimise la détection des nappes d'huiles dans toutes les images radar utilisant du BigData et une approche stochastique. Ce travail a également été une occasion de nous intéresser aux propriétés des modes d'acquisition radar employés dans la détection des nappes d'huile. Ainsi, un ordre de performance de 5 modes est établi (IW, APP, PRI, IMP et WSM) et montre que le mode IW (Sentinel-1), avec la meilleure résolution spatiale (supérieure à 5x20m), est la plus approprié pour détecter une nappe d'huile à forte vitesse du vent. Enfin, nous nous sommes focalisés sur l'estimation de la localisation des sources de pétrole naturel marin à l'aide d'un nouveau modèle de dérive verticale. Les manifestations de suintements d'hydrocarbures sur la surface de la mer sont généralement décalées de leur source sur les fonds marins de plusieurs centaines de mètres ou même de kilomètres. Ce décalage est fonction de la vitesse ascensionnelle et des courants marins le long de la colonne d'eau. Dans cette étude, le diamètre des gouttelettes ne nous est pas connu à priori. Pour combler ce manque d’information, on a appliqué une nouvelle méthode appelée «le chemin des sources». Si ces trois études peuvent être prises chacune indépendamment des autres, elles sont solidement interconnectées et complémentaires. Elles forment une sorte de processus allant de l'optimisation de la détection d’une nappe (les moyens et les outils les plus adéquats pour une meilleure détection) jusqu’à la localisation de sa source sur le plancher océanique

Clouds display complex three-dimensional (3D) variability in their horizontal and vertical geometric, optical and microphysical properties. Generally and for practical reasons, the clouds are supposed to be homogeneous and parallel in the algorithms for calculating the lidar / radar signal (direct problem) and in the algorithms for the retrieval of the properties of the clouds (inverse problem). The objective of this work is to evaluate the effects of cloud heterogeneity and multiple scattering on the characteristics measured directly by the lidar / radar. In this study, we only deal with the sources of errors related to the direct problem. Our assessments are based on random sampling and comparison between the average profiles of 3D clouds and 1D equivalent plane-parallel clouds. Therefore, we developed and validated a tool called the lidar / radar / Doppler radar simulator (McRALI). The latter tool is based on the 3DMCPOL model (Cornet et al., 2010). The 3D clouds, used in the current study, were generated by the 3D cloud field generator (3DCLOUD_V2) (Szczap et al., 2014). The tested McRALI code revealed good coherence with earlier published studies. We studied the effects of 3D cloud heterogeneity on three scales 333 m, 1 km and 5 km. The results obtained showed that the biases on the backscattering coefficient β, on the integrated backscattering coefficient γand on the depolarization factor δ increase with increasing the scale and the optical thickness. The study of a cirrus cloud of ice crystals showed that the average profiles of β as well as the γ are statistically equal to the 333 m scale. On the contrary, the biases are statistically significant at 1 km scale. The bias on δ is statistically significant for both scales. The tests carried out on the EarthCARE Doppler CPR radar measurements showed that there is a difference in the measured Doppler velocity close to the discontinuity in a discontinuous cloud. This difference is due to the degree of the discontinuity, the optical, the geometrical properties of the cloud and the geometry of the radar system. This work contributes to better understanding of the effects of cloud heterogeneity on the characteristics measured directly by the lidar / radar.; Les nuages montrent des variabilités tridimensionnelles complexes (3D) dans leurs propriétés géométriques, optiques et microphysiques horizontales et verticales. Généralement et pour des raisons pratiques, les nuages sont supposés être homogènes et parallèles dans les algorithmes de calcul du signal lidar/radar (problème direct) et dans les algorithmes de récupération des propriétés des nuages (problème inverse). L'objectif de ce travail est d'évaluer les effets de l'hétérogénéité des nuages et de la diffusion multiple sur des caractéristiques mesurées directement par le lidar/radar, nous ne traitons que les sources d'erreurs liées au problème direct. Nos évaluations sont basées sur l'échantillonnage aléatoire et sur la comparaison entre les profils moyens des nuages 3D et des nuages 1D équivalents plan-parallèles. Nous avons développé et validé un outil à cet effet. Le simulateur lidar/radar/radar Doppler (McRALI). Il est basé sur le modèle 3DMCPOL (Cornet et al., 2010). Les nuages 3D utilisés sont générés par le générateur de champs de nuages 3D (3DCLOUD_V2) (Szczap et al., 2014). Les comparaisons avec des publications et des codes de référence, ont montré de bonnes cohérences entre le code McRALI et les résultats publiés. On a étudié les effets de l'hétérogénéité 3D des nuages sur trois échelles 333 m, 1 km et 5 km. Les résultats obtenus ont montré que les biais sur le coefficient de rétrodiffusion β, sur le coefficient de rétrodiffusion intégré γ et sur le facteur de dépolarisation δ augmentent avec l’augmentation de l’échelle et l’épaisseur optique. L’étude sur un nuage de type cirrus de cristaux de glace plaquette ont montré que les profils moyens de β ainsi que de γ sont statistiquement égaux à l’échelle de 333 m. Au contraire, à l’échelle de 1 km les biais sont statistiquement significatifs. Le biais sur δ est statistiquement significatif pour les deux échelles. Les tests sur les mesures de radar CPR Doppler EarthCARE ont montré qu’il y a un écart sur la vitesse Doppler mesuré proche de la discontinuité dans un nuage discontinu, cet écart dépond le degré de la discontinuité, les propriétés optiques et géométriques du nuage et la géométrie du système radar. Ce travail contribue à une meilleure compréhension des effets de l'hétérogénéité des nuages sur les caractéristiques mesurées directement par le lidar / radar.