Diese (Doktor)arbeit beschäftigt sich mit Radar-Polarimetrie, insbesondere mit der Untersuchung der Eigenschaften von polarimetrischen Variablen, die potenziellen Nutzen für die Radar-Meteorologie haben. Für den Einsatz in Dual-Polarisations-Radargeräten wird der Polarisationsgrad analysiert. Diese Variable wird in künftigen operationellen Radargeräten verfügbar sein. Der Polarisationsgrad hängt vom transmittierten Polarisationszustand und in weiterer Folge auch vom Betriebsmodus des Radargeräts ab. Der Hauptbetriebsmodus von operationellen Radargeräten sendet und empfängt gleichzeitig sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente. Der sekundäre Betriebsmodus sendet und empfängt simultan die horizontal polarisierte Komponente. In dieser Arbeit werden beide Polarisationsgrade untersucht. Da operationelle Systeme derzeit auf den Dual-Polarisationsmodus aufgerüstet werden, sollte künftig die Anwendungsmöglichkeiten von vollpolarimetrischen Wetterradarsystemen untersucht werden. Aus allen Variablen, die in diesem Betriebsmodus zur Verfügung stehen, wurde die Entropie (des gemessen Objektes) ausgewählt und wegen seiner engen Beziehung zum Polarisationsgrad näher untersucht. / The present doctoral thesis deals with radar polarimetry, namely with the investigation of properties of polarimetric variables potentially useful in radar meteorology. For use with dual-polarization radars, the degree of polarization is analyzed. This variable is available to planned operational radars. The degree of polarization is dependent on transmit polarization state and, consequently, it is dependent on the radar system operating mode. The primary operating mode of operational radars consists in simultaneous transmission and simultaneous receive of both horizontal and vertical components. The secondary operating mode consists of horizontal transmission and simultaneous receive. Both degrees of polarization are investigated in this thesis. Also, as operational systems are being updated to dual-polarization, research should start investigating the capabilities of fully polarimetric weather radar systems. Among the numerous variables available from this operating mode, the target entropy was chosen for investigation, also because of its close relation to the degree of polarization

Cette thèse examine une nouvelle méthode de diagnostic, appelée Polarimètrie de Mueller, pour l’étude des interactions plasma-surface. Cette technique d’imagerie permet la caractérisation optique résolue en temps des cibles exposées au plasma. Les matrices de Mueller mesurées sont analysées en utilisant la décomposition logarithmique donnant des informations polarimétriques sur la diattenuation, la dépolarisation et la biréfringence. Cette dernière est exploitée en examinant des matériaux optiquement actifs afin d’identifier des aspects spécifiques de l’interaction avec le plasma, tels que les champs électriques ou la température de surface.Ce travail se concentre sur les cibles électro-optiques, qui permettent principalement la détection de champs électriques induits par la charge de surface déposée lors de l’interaction. La biréfringence est couplée analytiquement au champ électrique, en rapportant le retard de phase du faisceau sonde de lumière polarisée, à l’ellipsoïde d’index perturbé suivant l’effet Pockels. Grâce à cette approche analytique, les matériaux ayant des propriétés électrooptiques spécifiques peuvent être choisis de telle manière que toutes les composantes individuelles de champ électrique (axiales et radiales) induites à l’intérieur de l’échantillon soient imagées séparément. Pour la première fois les composantes du champ électriques peuvent être découplées permettant de mieux comprendre la dynamique du plasma proche d’une surface diélectrique.Cette technique est utilisée pour étudier l’impact d’ondes d’ionisation sur des surfaces. Ces décharges, générées par un jet de plasma à pression atmosphérique dans la gamme kHz, sont des plasmas froids filamentaires généralement utilisés pour des applications diverses telles que la fonctionnalisation de surface de polymères ou des traitements biomédicaux, mais les méthodes de diagnostic disponibles pour étudier les effets induits sur les surfaces sont limités. L’imagerie de polarimètrie Mueller appliquée aux cibles électro-optiques permet d’examiner les champs axiaux et radiaux en termes d’amplitude (3-6 kV/cm), d’échelles spatiales (<1mm axiales and <1cm radiales) et d’échelles temporelles (< 1μs pulsée and < 10μs CA) pour divers paramètres de fonctionnement du jet, e.g. amplitude de tension et gaz environnant.Simultanément à la biréfringence transitoire induite par le champ électrique, un signal de fond constant est également observé. Il est induit par la contrainte résultante du gradient de température induit à l’intérieur du matériau ciblé. Une relation analytique est obtenue en utilisant l’effet photo-élastique, permettant de développer une procédure de fitting pour retrouver la distribution de température. Cette procédure est utilisée, après calibration, pour montrer que la température de l’échantillon peut varier jusqu’`a 25 degrés par rapport aux conditions ambiantes – tandis que les changements dans le champ électrique sont également mesurés – et dépend de la fréquence de la tension d’alimentation AC du jet de plasma. La détermination précise de la température induite dans les cibles est importante car la plupart des applications visent des échantillons thermosensibles.Enfin, ce travail montre comment des échantillons complexes (aussi bien en terme d’état de surface que de composition chimique) peuvent être examinés lors d’une interaction plasma-surface, en les combinant avec une cible électrooptique. En raison de l’ajout d’un échantillon complexe, une composante de dépolarisation est ajoutée due à la diffusion du faisceau lumineux polarisé. Les changements de dépolarisation sont liés à l’évolution de l’échantillon complexe au cours du traitement par plasma. Ceux-ci, couplés aux champs électriques mesurés simultanément, fournissent un outil de diagnostic unique pour examiner les interactions plasma-surface. Cela a été appliqué à un cas test où une seule couche de cellules d’oignon est exposée aux ondes d’ionisation générées par le jet de plasma froid. / In this thesis, a new diagnostic method called Mueller Polarimetry is examined for the investigation of plasma-surface interactions. This imaging technique allows the time-resolved optical characterization of targets under plasma exposure. The measured Mueller matrices are analyzed by using the logarithmic decomposition providing polarimetric data on diattenuation, depolarization, and birefringence. The latter is used by examining materials that possess optically active behavior to identify specific aspects of the plasma interaction, e.g. electric fields or temperature.This work focusses on electro-optic targets, which primarily enables the detection of electric fields induced by surface charge deposited during the interaction. The birefringence is coupled to the externally induced electric field by analytically relating the phase retardance for the probing polarized light beam to the perturbed index ellipsoid, according to the Pockels effect. Through this analytical approach, materials with specific electro-optic properties can be chosen in such a way – together with the orientation of the Mueller polarimeter itself – that all the individual electric field components (axial and radial) induced inside the sample are imaged separately. This has never been done before and allows to better understand the plasma dynamics in the vicinity of a dielectric surface.It is used to investigate the surface impact by guided ionization waves generated by a kHz-driven atmospheric pressure plasma jet. These non-thermal filamentary discharges are generally applied to various samples for e.g. surface functionalization of polymers or biomedical treatment of organic tissues. However, available diagnostic tools are limited to study these interactions. Imaging Mueller polarimetry applied to electro-optic targets examines the axial and radial field patterns in terms of amplitude (3-6 kV/cm), spatial scales (< 1mm axial and <1cm radial), and timescales (<1μs pulsed and <10μs AC) for various operating parameters of the jet, for example voltage amplitude and surrounding gas.Simultaneous with the transient birefringence induced by the electric field, a constant background pattern is also observed. This results from strain induced by temperature gradients inside the targeted material. An analytical relation is obtained following the photo-elastic effect, which allowed a fitting procedure to be designed to retrieve the temperature pattern. This procedure is used after calibration to show that the temperature of the sample can vary up to 25 degrees relative to room conditions – while changes in the electric field are seen as well – depending on the operating frequency of the AC driven plasma jet. The accurate determination of the temperature is important since most applications involve temperature sensitive samples.Lastly, this work shows how complex samples (in terms of surface geometry and/or chemical composition) can be examined during a plasma-surface interaction. This is done by combining them with the electro-optic targets. Due to the addition of a (thin) complex sample, depolarization is added to the system through scattering of the polarized light beam. In-situ observed changes of depolarization relate to the evolution of the complex sample during the plasma treatment. This, coupled with the simultaneously monitored electric field patterns, provides a unique diagnostic tool to examine the plasma-surface interactions. This has been applied for a test case where a single layer of onion cells is exposed to the ionization waves generated by the non-thermal plasma jet.

In this study a calibration concept for a multi-polarimetric weather radar is developed. Several common calibration techniques are analysed, but many are insufficient due to the non-reciprocal behaviour of the employed radar. Hence, an electronic calibration device was developed, which was designed for fast polarization determination of any polarization (including elliptical ones). The non-reciprocal behaviour was overcome by splitting receive and transmit calibration, which virtually uses the radar as a communication system. Beside the calibration a new and exible signal processing system was implemented on that radar which allows interleaved measurements using several polarimetric modes. This capability was used to analyse the STAR (hybrid basis with linear 45° transmit and horizontal/vertical receive) mode and the alternating H/V mode with respect to depolarization. Although it is known that depolarization causes errors in STAR mode, it is used in most commercial weather radars. / In dieser Arbeit wird ein Kalibrierkonzept für ein Multipolarisation-Radar entwickelt. Dazu wurden verschiedene gebräuchliche Techniken untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass dieses Verfahren für das untersuchte nichtreziproke Radar unzureichend sind. Deshalb wurde ein elektronisches Kalibriergerät entwickelt, welches speziell der schnellen Messung von beliebigen Polarisationen - einschließlich Elliptischer - dient. Das nichtreziproke Verhalten wurde durch die Aufteilung in eine Sende- und eine Empfangskalibrierung umgangen, wodurch das Radar praktisch als Kommunikationssystem verwendet wird. Des Weiteren wurde eine neue, fexible Signalverarbeitung an dem Radar entwickelt, welches gemischte Messungen mit mehreren Polarisationsmoden erlaubt. Diese neuartige Möglichkeit wurde benutzt um den STAR-Modus, welches eine hybride Polarisationsbasis (linear 45° senden, horizontal/vertikal empfangen) benutzt, mit dem alternierende H/V-Modus zu vergleichen. Dabei wurde speziell das Verhalten des STAR-Modus im Hinblick auf Depolarisation untersucht, da dies bekanntermaßen zu Fehlern in den Messgrößenführen kann. Dies ist von besonderem Interesse, da der STAR-Modus in den meisten kommerziellen Wetterradarsystemen eingesetzt wird.

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Les radars à synthèse d’ouverture (RSO) polarimétriques sont devenus incontournables dans le domaine de la télédétection, grâce à leur zone de couverture étendue, ainsi que leur capacité à acquérir des données dans n’importe quelles conditions atmosphériques de jour comme de nuit. Au cours des trois dernières décennies, plusieurs RSO polarimétriques ont été utilisés portant une variété de modes d’imagerie, tels que la polarisation unique, la polarisation double et également des modes dits pleinement polarimétriques. Grâce aux recherches récentes, d’autres modes alternatifs, tels que la polarisation hybride et compacte, ont été proposés pour les futures missions RSOs. Toutefois, un débat anime la communauté de la télédétection quant à l’utilité des modes alternatifs et quant au compromis entre la polarimétrie double et la polarimétrie totale. Cette thèse contribue à ce débat en analysant et comparant ces différents modes d’imagerie RSO dans une variété d’applications, avec un accent particulier sur la surveillance maritime (la détection des navires et de marées noires). Pour nos comparaisons, nous considérons un paramètre fondamental, appelé le degré de polarisation (DoP). Ce paramètre scalaire a été reconnu comme l’un des paramètres les plus pertinents pour caractériser les ondes électromagnétiques partiellement polarisées. A l’aide d’une analyse statistique détaillée sur les images polarimétriques RSO, nous proposons des estimateurs efficaces du DoP pour les systèmes d’imagerie cohérente et incohérente. Ainsi, nous étendons la notion de DoP aux différents modes d’imagerie polarimétrique hybride et compacte. Cette étude comparative réalisée dans différents contextes d’application dégage des propriétés permettant de guider le choix parmi les différents modes polarimétriques. Les expériences sont effectuées sur les données polarimétriques provenant du satellite Canadian RADARSAT-2 et le RSO aéroporté Américain AirSAR, couvrant divers types de terrains tels que l’urbain, la végétation et l’océan. Par ailleurs nous réalisons une étude détaillée sur les potentiels du DoP pour la détection et la reconnaissance des marées noires basée sur les acquisitions récentes d’UAVSAR, couvrant la catastrophe de Deepwater Horizon dans le golfe du Mexique. / Polarimetric Synthetic Aperture Radar (SAR) systems have become highly fruitful thanks to their wide area coverage and day and night all-weather capabilities. Several polarimetric SARs have been flown over the last few decades with a variety of polarimetric SAR imaging modes; traditional ones are linear singleand dual-pol modes. More sophisticated ones are full-pol modes. Other alternative modes, such as hybrid and compact dual-pol, have also been recently proposed for future SAR missions. The discussion is vivid across the remote sensing society about both the utility of such alternative modes, and also the trade-off between dual and full polarimetry. This thesis contributes to that discussion by analyzing and comparing different polarimetric SAR modes in a variety of geoscience applications, with a particular focus on maritime monitoring and surveillance. For our comparisons, we make use of a fundamental, physically related discriminator called the Degree of Polarization (DoP). This scalar parameter has been recognized as one of the most important parameters characterizing a partially polarized electromagnetic wave. Based on a detailed statistical analysis of polarimetric SAR images, we propose efficient estimators of the DoP for both coherent and in-coherent SAR systems. We extend the DoP concept to different hybrid and compact SAR modes and compare the achieved performance with different full-pol methods. We perform a detailed study of vessel detection and oil-spill recognition, based on linear and hybrid/compact dual-pol DoP, using recent data from the Deepwater Horizon oil-spill, acquired by the National Aeronautics and Space Administration (NASA)/Jet Propulsion Laboratory (JPL) Uninhabited Aerial Vehicle Synthetic Aperture Radar (UAVSAR). Extensive experiments are also performed over various terrain types, such as urban, vegetation, and ocean, using the data acquired by the Canadian RADARSAT-2 and the NASA/JPL Airborne SAR (AirSAR) system.

Cette thèse est dédiée à l’étude et l’exploitation des propriétés remarquables de la distribution angulaire des photoélectrons dans le référentiel moléculaire (MFPAD pour Molecular Frame Photoelectron Angular Distribution). Cette observable sensible permet de caractériser au meilleur niveau à la fois les processus de photoionisation (PI) de petites molécules, par la détermination des modules et phases relatives des éléments de matrice dipolaire, et l’état de polarisation du rayonnement ionisant, entièrement encodé dans son expression sous la forme des paramètres de Stokes (s1, s2, s3), qui constituent les deux axes du travail présenté. La mesure des MFPADs combine une technique de spectroscopie tridimensionnelle en coïncidence des vecteurs vitesse du photoélectron et du photoion issus de la même réaction de photoionisation dissociative (PID) à l’utilisation de différentes sources de lumière : le rayonnement synchrotron d’une part, sur les lignes DESIRS et PLEIADES (SOLEIL), et le rayonnement harmonique (HHG) généré par l’interaction d’un champ laser intense sur une cible gazeuse d’autre part, sur la plateforme PLFA (SLIC, groupe Attophysique du LIDyL, CEA Saclay).La première partie de la thèse est consacrée à la caractérisation complète de l’état de polarisation d’un rayonnement incident. Pour cela, une méthode originale de « polarimétrie moléculaire » est introduite et qualifiée sur la ligne DESIRS équipée d’un polarimètre optique VUV étalon. Mise en œuvre pour déterminer complètement l’ellipse de polarisation du rayonnement HHG produit dans différentes configurations sur la source secondaire XUV PLFA, elle conduit à des résultats originaux incluant notamment la distinction entre les composantes circulaire et non polarisée du rayonnement étudié.La seconde partie porte sur la PID des molécules H2, D2 et HD induite à résonance avec les états doublement excités Q1 et Q2 par une lumière polarisée circulairement. Dans cette région énergétique (30-35 eV) où l’ionisation directe, l’autoionisation et la dissociation sont en compétition sur une échelle de quelques femtosecondes, l’excitation photonique donne lieu à une dynamique couplée électron-noyau ultrarapide. Les asymétries remarquables observées dans le dichroïsme circulaire dans le référentiel moléculaire, comparées aux calculs quantiques du groupe de F. Martín (UAM, Madrid), constituent une sonde sensible des interférences quantiques entre des chemins réactionnels indiscernables impliquant des cœurs ioniques de symétrie u/g différente. / This is thesis is dedicated to the study and the use of the remarkable properties of the molecular frame photoelectron angular distribution (MFPAD). This observable is a very sensitive probe of both the photoionization (PI) processes in small molecules, through the determination of the magnitudes and relative phases of the dipole matrix elements, and the polarization state of the ionizing light, which is entirely encoded in the MFPAD in terms of the Stokes parameters (s1, s2, s3). MFPAD measurements take advantage of dissociative photoionization (DPI) processes by combining an electron-ion 3D momentum spectroscopy technique with the use of different radiation facilities: SOLEIL synchrotron (DESIRS and PLEIADES beamlines) and the XUV PLFA beamline (SLIC, LIDyL Attophysics group, CEA Saclay) based on the interaction of a strong laser field with a gaseous target called high harmonic generation (HHG).The first part of the thesis is devoted to the complete characterization of the polarization state of an incoming radiation. In this context, an original “molecular polarimetry” method is introduced and demonstrated by comparison with a VUV optical polarimeter available on the DESIRS beamline. Using this method to determine the full polarization ellipse of HHG radiation generated in different conditions on the XUV PLFA facility leads to original results that include the challenging disentanglement of the circular and unpolarized components of the studied radiation.The second part deals with the study of DPI of the H2, D2 and HD molecules induced by circularly polarized light at resonance with the doubly excited states Q1 and Q2. In this energy region (30-35 eV) where direct ionization, autoionization and dissociation compete on a femtosecond timescale, the photonic excitation gives rise to complex ultrafast electronic and nuclear coupled dynamics. The remarkable asymmetries observed in the circular dichroism in the molecular frame, compared to quantum calculations of the group of F. Martín (UAM, Madrid), constitute a very sensitive probe of the quantum interferences between indistinguishable DPI channels involving ionic states of different u/g symmetry.

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