Depuis plus de vingt ans, les altimètres classiques comme Topex, Poseidon-2 ou Poséidon-3, ont fourni des formes d'onde qui sont utilisées pour estimer de nombreux paramètres tels que la distance entre le satellite et la scène observée, la hauteur des vagues et la vitesse du vent. L'amélioration de la qualité des paramètres altimétriques a nécessité le développement de plusieurs modèles d'échos et d'algorithmes d'estimation paramétrique. Par ailleurs, un grand effort est récemment dédié au traitement des échos côtiers afin d'analyser les mesures altimétriques le plus près possible des côtes. Cette thèse s'intéresse à la résolution de ces deux problèmes, à savoir, le traitement des formes d'onde côtières et l'amélioration de la qualité des paramètres océaniques estimés. La première partie de l'étude traite le problème des formes d'onde côtières en proposant un nouveau modèle altimétrique tenant compte de la présence éventuelle d'un pic sur l'écho altimétrique. Dans la seconde partie de notre travail, nous nous sommes intéressés à l'étude de l'altimétrie SAR/Doppler. Cette nouvelle technologie vise à réduire le bruit de mesure et à augmenter la résolution le long de la trace par rapport à l'altimétrie conventionnelle. Deux modèles altimétriques ont été développés afin d'estimer les paramètres associés aux échos SAR/Doppler. Ces modèles montrent une nette amélioration de la qualité des paramètres estimés par rapport à l'altimétrie conventionnelle.

L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les variations temporelles des signaux altimétriques sur la calotte polaire Antarctique. Nous exploitons les observations effectuées par l'altimètre à bord d'ENVISAT entre janvier 2003 et décembre 2007. Ces observations s'étendent jusqu'à 82°Sud, ce qui permet de couvrir environ 80% du continent Antarctique. Pendant la période d'étude deux fréquences sont exploitables (Bande S, soit 3.2GHz, et Bande Ku soit 13.6GHz), ce qui permet de mieux cerner la sensibilité de la mesure aux variations d'état du manteau neigeux couvrant la calotte polaire Antarctique. L'état de la surface neigeuse en Antarctique varie dans l'espace comme dans le temps, en réponse aux événements météorologiques de proche surface, et tout particulièrement les vents. Selon l'état de la surface, l'onde électromagnétique émise par l'altimètre va pénétrer plus ou moins profondément dans le manteau neigeux, modifiant la forme de l'écho enregistré lorsque cette onde retourne au satellite. La précision des mesures de topographie de la calotte polaire dépend alors de la connaissance des propriétés de surface, ainsi que de la compréhension des mécanismes contrôlant l'interaction des ondes électromagnétiques avec la surface neigeuse. Nous étudions dans cette thèse comment la forme de l'écho altimétrique évolue lorsque les conditions de vent à la surface de la calotte polaire changent, et affectent l'état de la surface. Nous commençons par étudier la variabilité spatiale et temporelle des observations altimétriques d'une part, et des intensités de vent d'autre part (réanalyses des modèles atmosphériques globaux NCEP/NCAR, NCEP/DOE et ERA-Interim). Nous en identifions les échelles de variations spatiales et temporelles caractéristiques. Cela nous permet de concevoir les traitements à appliquer afin d'homogénéiser les différentes sources d'information. Nous constatons que les variations de nos séries temporelles décrivent essentiellement un signal annuel, toujours maximal en été austral pour les variations de vents. En revanche les variations annuelles de la forme d'onde ne sont pas homogènes à l'échelle de la calotte polaire, mais mettent en évidence deux régions principales. Nous utilisons ensuite les propriétés de la forme d'onde altimétrique, et leurs variations temporelles pour reconstruire les variations d'intensité de vents. Nous obtenons de très bonnes cohérences, ce qui atteste la sensibilité de la mesure altimétrique aux changements d'état de la surface induits par les variations de vent. Nous utilisons en dernier lieu un modèle régional (MAR/LGGE), qui prend en compte les interactions des vents avec l'état de la surface avec une résolution spatiale plus fine. Cela nous permet de confirmer les résultats déjà obtenus, et de mettre en valeur les spécificités du modèle MAR. Les méthodes mises en jeu sont empiriques et les résutats obtenus qualitatifs. Nous avons toutefois identifié deux régions majeures, réagissant différemment aux variations de vents, que nous expliquons par l'existence de structures de surface particulières, et un impact différent des vents sur l'état de la surface.

L'altimétrie spatiale contribue majoritairement à la compréhension de la circulation océanique régionale et globale. Elle permet aujourd'hui de fournir une cartographie de la topographie océanique à des échelles spatiales et temporelles de plus en plus fines. Le passage du signal radar à travers la vapeur d'eau de l'atmosphère implique un retard de l'onde, qui nécessite d'être corrigé : c'est la correction troposphérique humide. Des méthodes statistiques sont actuellement utilisées pour estimer la correction troposphérique humide. Elles permettent d'inverser des mesures de températures de brillance fournies par un radiomètre couplé à l'altimètre sur une mission altimétrique, à deux ou trois fréquences proches de la bande d'absorption de la vapeur d'eau, à 22.235 GHz. Bien que ces algorithmes permettent d'estimer cette correction avec de faibles incertitudes en plein océan, des améliorations sont nécessaires pour réduire les erreurs dans les zones océaniques complexes, comme les régions d'upwelling, et sur les surfaces hétérogènes, comme en régions côtières, sur glace de mer, ou sur les eaux continentales. A ces fins, une approche variationnelle uni-dimensionnelle (1D-Var) est développée dans cette thèse. Elle permet de tenir compte de la physique de l'atmosphère et des variations de la surface dans l'environnement des mesures, pour estimer la correction troposphérique de manière globale, sur différents types de surface, dans le contexte des missions altimétriques actuelles, et futures, dont les technologies instrumentales évoluent. Une analyse fine des caractéristiques de l'approche 1D-Var, et de ses performances, permet de montrer l'apport et l'impact des différents paramètres en jeu sur les variables atmosphériques restituées, et la correction troposphérique humide estimée. Les performances du 1D-Var ainsi que ses limites sont évaluées pour l'estimation la correction troposphérique humide en plein océan, en conditions de ciel clair. L'apport des mesures de températures de brillance aux hautes fréquences, typiques des missions altimétriques futures, est également analysé. Leur potentiel est exploité dans le cadre de l'estimation de la correction troposphérique humide dans les régions côtières, où les mesures de températures de brillance sont contaminées par la présence de terre dans le signal. Enfin, une analyse des estimations des émissivités de surface, et de leurs variations sur la glace de mer, est proposée dans le cadre d'une étude préliminaire à l'estimation de la correction troposphérique humide, aux interfaces complexes mer/glace de mer, dans les régions polaires. / Space altimetry is one of the major contributors to the understanding of regional and global oceanic circulation. It currently enables to provide a map of ocean topography at higher temporal and spacial scales. A propagation delay of the altimeter signal along its path through atmospheric water vapor needs to be accounted for, and corresponds to the wet tropospheric correction. Statistical methods are currently used to estimate wet tropospheric correction. These methods are fed by brightness temperature measurements provided by a radiometer coupled to the altimeter, at two or three frequencies close to the water vapor absorption line, at 22.235 GHz. While these algorithms provide wet tropospheric correction with low uncertainties over open ocean, improvements are still needed to reduce higher uncertainties in complex oceanic areas, such as upwelling regions, and over heterogeneous surfaces, as coastal regions, sea ice or inland waters. To this end, a one-dimensional variational approach (1D-Var) is developed in the frame of this thesis. This approach accounts for atmospheric and surface variability in the surroundings of the measurements, to provide wet tropospheric correction estimates at a global scale, over various surfaces, in the context of both current and future altimetry missions, with improved instrumental technologies. We first analyze the characteristics of the 1D-Var approach and evaluate its performances. The contribution and impact of the different input parameters on retrieved atmospheric variables and wet tropospheric correction are shown through this analysis. The potential and limits of the 1D-Var approach to retrieve wet tropospheric correction over open ocean, for clear sky conditions, are evaluated. The contribution of high frequencies, typical to future altimetry missions, is also analyzed. It is fully exploited to retrieve wet tropospheric correction over coastal areas, where land contamination occurs within brightness temperature measurements. A preliminary analysis of surface emissivity estimates and their variability over sea ice is also undertaken, in the frame of the 1D-Var estimation of wet tropospheric correction over sea ice/open sea transition surfaces, in polar areas.

Un enjeu majeur des modèles océaniques est de représenter fidèlement les circulations méso- et subméso-échelles afin de simuler leur importante contribution dans la circulation générale et dans le budget énergétique de l'océan. La poursuite de cet objectif se traduit par une augmentation de la résolution spatiale et temporelle à la fois des modèles et des réseaux d'observation de l'océan. Cependant, à ces petites échelles, la dynamique de l'écoulement revêt un caractère fortement turbulent ou non-linéaire. Dans ce contexte, les méthodes actuelles d'assimilation de données (AD), variationnelles en particulier, sont généralement moins performantes que dans un contexte (quasi-) linéaire.L'objectif de cette thèse est d'explorer sous divers aspects le comportement des méthodes variationnelles d'AD dans un modèle d'océan non-linéaire. Pour ce faire, nous avons réalisé une série d'expériences dites "jumelles" en assimilant des données altimétriques simulées suivant les caractéristiques des satellites altimétriques Jason-1 et SARAL/AltiKA . À l'aide de ces expériences, nous analysons sous différents angles les problématiques posées par les non-linéarités à l'AD. Enfin, nous ouvrons plusieurs pistes d'amélioration de l'efficacité du système d'AD dans ce contexte.Ce travail est basé sur le logiciel de modélisation océanique NEMO, incluant la configuration de bassin océanique turbulent idéalisé SEABASS, à différentes résolutions spatiales. Dans la continuité de la plateforme de recherche en AD avec NEMO, NEMO-ASSIM, nous avons utilisé et contribué au développement de cet ensemble d'outil, comprenant, entre autre, opérateur d'observation, modèles linéaire tangent et adjoint de NEMO, permettant de mener à bien notre étude. Le système d'AD variationnelle utilisé est le logiciel NEMOVAR.Les résultats présentés tentent de lier les échelles caractéristiques des structures d'erreurs d'analyse et l'activité aux petites échelles. Pour ce faire, nous avons utilisé une large gamme de diagnostics, e.g. erreur quadratique moyenne spatiale et temporelle, caractéristiques des fonctions coûts, caractérisation de l'hypothèse linéaire tangente, PSD des champs d'erreurs d'analyse.Nos expériences montrent que le 4DVAR incrémental contrôle efficacement la trajectoire analysée au 1/4° pour de longues fenêtres d'AD (2 mois). Lorsque la résolution augmente, la convergence de l'algorithme apparaît plus lente voire inexistante sous certaines conditions. Cependant, l'algorithme permet encore de réduire convenablement l'erreur d'analyse. Enfin, l'algorithme 3DFGAT se révèle beaucoup moins performant, quelle que soit la résolution.De plus, nous montrons également l'importance de l'adéquation entre la circulation simulée et l'échantillonnage altimétrique, en terme d'échelles spatiales représentées, pour obtenir de meilleures performances. Enfin, nous avons exploré la stratégie de minimisation dite "progressive", permettant d'accélérer la convergence du 4DVAR à haute résolution. / A current stake for numerical ocean models is to adequately represent meso- and small-scale activity, in order to simulate its crucial role in the general ocean circulation and energy budget. It is therefore also a challenge for data assimilation (DA) methods to control these scales. However this small-scale activity is strongly linked to the nonlinear or turbulent character of the flow, whereas DA methods are generally much less efficient in such contexts than in (almost) linear ones. For variational DA methods as incremental 4DVAR, non-linearities imply convergence difficulty, the cost functions to be minimised presenting multiple local minima.The purpose of this thesis is to address this problem specifically, by exploring the behaviour of variational DA methods in a non-linear ocean model. To achieve this objective, a series of "twin" experiments assimilating simulated altimeter data, following the characteristics of altimetric satellite Jason-1 and SARAL/AltiKA, are analyzed. We also find different ways to improve efficiency of variational algorithms applied to turbulent circulations.This work is based on oceanic modelisation software called NEMO, including a idealized turbulent oceanic basin configuration, SEABASS, and DA components (e.g. Observation operator, Linear Tangent and Adjoint Models). Thanks to NEMO-ASSIM research platform, we have used and developed this set of tools. The used variational DA system itself is NEMOVAR.We present results characterizing scales and structures of the analysis error along the assimilation process, as well as tentative links with small scale activity. To study both the algorithm convergence and the analysis and forecast errors in a qualitative and quantitative way, a large spectrum of systematic diagnostics has been employed, e.g. spatial and temporal RMSE, cost function characteristics, projection of error fields on EOFs, validity of the tangent linear hypothesis, PSD of error fields.In our experiments, it appears that the incremental 4DVAR algorithm proved to be quite robust for long DA windows at eddy-permitting resolution.When the model horizontal resolution increases, the convergence of the minimisation algorithm is poorer but the 4DVAR method still controls efficiently analysis error.It has also been shown that the 4DVAR algorithm is clearly more performant than 3DFGAT for both considered resolutions.Moreover we investigate some strategies for DA in such nonlinear contexts, with the aim of reducing the analysis error. We performed so-called progressive incremental 4DVAR to improve the algorithm convergence for longer assimilation windows. Finally, we show that the adequation in represented flow scales between the model and the altimetric sampling is crucial to obtain the best error analysis reduction.

Cette thèse propose le développement d'une méthodologie permettant l'obtention des débits distribués dans le bassin amazonien à partir des hauteurs d'eau altimétriques. Au vu des derniers travaux et des avancées récentes dans ce domaine, ce travail a particulièrement porté sur les informations connexes pouvant être extraites des résultats. Nous avons utilisé des relations hauteur-débit basées sur l'équation de Manning et optimisées au travers d'un algorithme d'optimisation globale correctement paramétré. Les hauteurs d'eau ont été obtenues à partir des hauteurs altimétriques fournies par les missions ENVISAT et Jason-2, et les débits ont été estimés sur la même période par le modèle MGB-IPH sur l'ensemble du bassin. L'utilisation de l'algorithme d'optimisation SCEM-UA a permis de définir des intervalles a priori pour les paramètres ajustables ainsi que de gérer les notions d'erreur dans les données d'entrée, et d'incertitude dans les paramètres de sortie. Une des productions de ce travail est la construction d'une base de données d'un millier de courbes de tarage avec les intervalles de confiance associés. La validité spatiale de ces courbes de tarage a pu être vérifiée par comparaison avec les débits du modèle ainsi que les débits in situ disponibles. Leur stabilité dans le temps, quant à elle, a été confirmée par notre capacité à estimer des débits cohérents avec des informations de hauteurs d'eau provenant d'autres missions et d'autres périodes que celle à partir de laquelle les relations hauteur-débit avaient été estimées. Ce travail a également mis en évidence, par validation in situ, modélisation inverse et analyse de cas tests sur des rivières synthétiques, la capacité de la méthodologie proposée à identifier les caractéristiques géomorphologiques des sections étudiées. / This thesis proposes the development of a methodology that aims to obtain distributed discharges in the Amazon basin based on satellite altimetry data and modeled discharges. Given recent works and advances, this work focused particularly on the information that can be inferred from the resulting relationships. We used stage-discharge relationships based on Manning's equation that were optimized through a global optimization algorithm adequately configured. Altimetry data was taken from ENVISAT and Jason-2 missions and discharges were estimated for an overlapping period by the MGB-IPH model. A-priori intervals were defined into the SCEM-UA scheme for each optimization's parameter, and the algorithm allowed us to deal with input errors and output uncertainties. We produced a thousand gross database of rating curves and associated confidence intervals. Hydrological coherence was proved by validation with both modeled and in situ discharges. Successfully using an ENVISAT-based RC with Jason-2 data to estimate discharge at a cross-over, we proved that rating curves are not mission-dependent and can be used with any incoming water height data. Geomorphological characteristics of studied section given by our rating curves were validated through comparison with in situ data, inverse modeling of a braided river reach and synthetic rivers test cases.

L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer la contribution d'une méthode d'interpolation dynamique pour améliorer la représentation des processus océaniques à petite échelle dans les cartes altimétriques. La résolution actuelle de ces cartes construites par interpolation statistique optimale, est bien adaptée à l'étude de la variabilité mésoéchelle mais ne permet pas d'observer des structures de taille inférieures à 150-200 km, en grande partie à cause de l'échantillonnage spatio-temporel des données. La méthode d'interpolation dynamique est basée sur un modèle de propagation quasi-géostrophique (QG) à une couche et demie, dont le but est de recréer une partie de l'évolution temporelle des petites structures océaniques en utilisant la dynamique locale. Dans cette étude, nous appliquons cette méthode à la Méditerranée occidentale. En premier lieu nous avons évalué la capacité du propagateur QG à représenter la dynamique dans cette région. Nous avons ensuite utilisé ce propagateur pour réaliser l'interpolation dynamique dans un cas idéalisé spatialement, en comparant les champs reconstruits avec un modèle numérique à haute résolution. Les résultats ont montré une amélioration générale par rapport à une interpolation linéaire sur une période de 5-10 jours. La performance de la méthode à montré une disparité spatiale et temporelle, avec une amélioration plus importante pour les régions de forte variabilité et en période hivernale. Nous avons exploité deux pistes de complexification du propagateur afin de mieux modéliser la dynamique de la région, fortement influencée par les forçages atmosphériques locaux intenses, la géométrie du bassin et sa bathymétrie. Dans une seconde étude, nous avons évalué la contribution de cette méthode d'interpolation dynamique pour cartographier les données altimétriques réelles le long des traces. Pour cette étude, les structures de covariance dérivées de l'évolution du modèle QG ont été intégrées dans un schéma d'interpolation optimal. Les cartes dynamiques interpolées résultantes ont été comparées aux cartes altimétriques actuelles. Cette étude, qui participe à la préparation de l'exploitation des futures données haute résolution de la mission SWOT, a démontré l'efficacité d'un modèle relativement simple pour améliorer la résolution des cartes altimétriques. Néanmoins, tous ces résultats ont révèlé la difficulté de paramétrer de façon optimale cette méthode de cartographie pour caractériser la dynamique dans une région qui présente une forte variabilité spatiale et temporelle. Ce travail souligne aussi le besoin de mieux exploiter les différents jeux de mesures indépendantes pour évaluer rigoureusement l'amélioration des petites échelles, qui ont un impact non négligeable sur la dynamique de mésoéchelle, notamment sur les transferts énergétiques au sein de l'océan et sur les interactions physico-biologiques. / The main objectif of this thesis is to evaluate the contribution of a dynamic interpolation method to improve the representation of small scale ocean processes in altimetric maps. The current resolution of these maps constructed by a statistical optimal interpolation technique, is well adapted to the study of the mesoscale variability but does not allow us to observe structures of sizes smaller than 150-200km, largely due to the spatio-temporal sampling of the data. The dynamic interpolation method is based on a one-and-a-half layer quasi-geostrophic (QG) propagation model, aims to recreate part of the temporal evolution of small oceanic structures using the local dynamics. In this study, we apply this method to the western Mediterranean Sea. First we evaluate the QG propagator's capacity to represent the dynamics in this region. We then use this propagator to perform the dynamic interpolation in a spatially idealized case, comparing the reconstructed fields with a fine-resolution numerical model. The results show a general improvement compared to a linear interpolation over a period of 5-10 days. There is spatial and temporal disparity in the performance of the method, with a greater improvement for the regions of high variability and during the winter period. We explored ways of complexifying the QG propagator to better represent the dynamics of the region, influenced by the strong local atmospheric forcing, the geometry of the bassin and its bathymetry. In a second study, we evaluated the contribution of this dynamical interpolation method for mapping real alongtrack altimetric data. For this study, covariance structures derived from the QG model's evolution are integrated into an optimal interpolation scheme. The resulting dynamical interpolated maps are compared to the current altimetric maps. This study, which participates in the preparation of the exploitation of the future high resolution data of the SWOT mission, demonstrates the effectiveness of a relatively simple model to improve the resolution of the altimetric maps. Nevertheless, all of these results reveal the difficulty to optimally parameterize this mapping method to caracterize the dynamics in a region which presents a strong spatial and temporal variability. This work also highlights the need to better exploit the independant data to rigorously evaluate the improvement at small scales, which have significant impacts on the dynamics of the mesoscale, particularly on energy transfers within the ocean and on physico-biological interactions.

Cette étude concerne la mise en euvre de méthodes numériques d'optimisation de type contrôle optimal appliquées à un problème d'assimilation de données en océanographie. Il s'agit d'étudier la faisabilité de la méthode dans un problème de grande taille et dans un modèle turbulent, caractéristique des circulations océaniques aux latitudes moyennes. Le modèle de circulation utilisé est un modèle quasi-géostrophique stratifié en plusieurs couches. Les données à assimiler sont les mesures altimétriques satellitaires (hauteur de la surface libre de l'océan). Elles se trouvent uniquement sur la couche de surface. Le vecteur de contrôle est choisi comme étant la condition initiale du système dynamique sur toutes les couches. Sur le plan théorique, sont étudiés : - l'existence et l'unicité de la solution de l'équation linéarisée ; - l'existence et l'unicité de l'état adjoint ; - la convergence de la méthode de contrôle par des suites minimisantes. Nous étudions ensuite la qualité de l'identification des circulations en profondeur en connaissant les informations de surface. Nous abordons aussi les différentes stratégies d'assimilation en temps (séquentielle, incrémentale, ...). Une étude au second ordre de la fonctionnelle permet d'estimer l'erreur de l'identification et de quantifier la propagation des informations de surface en profondeur. Un test de la validation croisée généralisée sur notre problème pour déterminer le coefficient de régularisation est fait grâce à cette étude au second ordre.

Deux séries d'OSSEs (Observing System Simulation Experiments) sont menées avec deux systèmes globaux d'assimilation de données au 1/4° et au 1/12°, utilisant des observations altimétriques (satellites) et in situ (flotteurs Argo) simulées à partir d'une simulation libre au 1/12°. Les objectifs sont d'évaluer la capacité des différents jeux d'observations à contraindre un système global d'assimilation de données. L'impact positif de plusieurs satellites est clairement identifié autant sur le niveau de la mer et les courants de surface. L'ajout des flotteurs Argo améliore significativement les champs de température et démontre le rôle essentiel de la flotte Argo associée à l'altimétrie afin de contraindre un système d'assimilation global. Ces résultats issus d'OSSEs sont cohérents avec des résultats obtenus à partir de données réelles (OSEs - Observing System Evaluations) tout en permettant une meilleure description des erreurs faites sur les analyses et les prévisions. / Two series of Observing System Simulation Experiments (OSSEs) are carried out with global data assimilation systems at 1/4° and 1/12° resolution using simulated altimetry (satellite) and in situ (Argo float) data derived from a 1/12° resolution free run simulation. The objectives are to quantify how well different data sets can constrain a global data assimilation system. The positive impact of multiple altimeter data is clearly evidenced on sea level and ocean currents. The addition of Argo has a major impact to improve temperature and demonstrates the essential role of Argo together with altimetry to constrain a global data assimilation system. Results derived from these OSSEs are consistent with those derived from experiments with real data (observing system evaluations/OSEs) but they allow a more detailed characterization of errors on analyses and forecasts.

Le satellite altimétrique interférométrique SWOT, dont le lancement est prévu pour 2020, devrait pour la première fois permettre une couverture globale en quelques jours d'un radar proche-nadir en utilisant la bande de fréquence Ka. Or, l'utilisation d'une telle bande de fréquence est encore mal documentée pour l'hydrologie continentale. En particulier, le contraste du coefficient de rétrodiffusion sur les sols et sur les surfaces en eau pour des angles de visée nadir et proche nadir est une problématique majeure. C'est ce qui fait l'objet de ces travaux de thèse. Dans un premier temps, l'étude de la variation des coefficients de rétrodiffusion en provenance d'altimètres en bandes C et Ku et de diffusiomètres utilisant les mêmes bandes de fréquence sur l'Afrique de l'Ouest a montré qu'il existe un lien quantifiable entre l'humidité du sol et le coefficient de rétrodiffusion. En région semi-aride ce lien se manifeste via une hausse des coefficients de rétrodiffusions durant la saison humide par rapport à la saison sèche. L'analyse avec des données annexes d'humidité du sol et de précipitations a pu également montrer que le radar nadir détecte plus précisément les changements d'humidité du sol par rapport à la diffusiométrie radar à visée latérale. Dans le but de mieux comprendre la rétrodiffusion en bande Ka, très peu documentée, deux campagnes de mesures radar ont été réalisées, l'une sur des surfaces en eau à rugosité contrôlée, l'autre sur un terrain contrôlé en rugosité et humidité du sol. En parallèle, un programme de simulation de la rétrodiffusion altimétrique a été développé pour pouvoir analyser les effets d'un faible nombre de variables sur des sols réalistes, dans le but de simuler les variations du coefficient de rétrodiffusion. Ces mesures et ces simulations ont ensuite pu être comparées aux séries temporelles issues du satellite altimétrique AltiKa, fonctionnant en bande Ka et lancé en février 2013, sur différents sites représentatifs des régions bio-climatiques d'Afrique de l'Ouest. Il en ressort que la bande Ka présente une forte sensibilité aux changements d'humidité du sol. Il est également montré que les coefficients de rétrodiffusion en provenance d'AltiKa sur les sols et sur l'eau peuvent être similaires au nadir. / The radar altimetry interferometry satellite SWOT, which is to be launched in 2020, should provide for the first time a global coverage of a close-to-nadir radar altimeter in a few days using the Ka-band. Yet, the use of such a frequency band for continental hydrology is still poorly documented. In particular, the contrast of the backscattering coefficient over soils and over water bodies for nadir and close-to-nadir angles is a major issue. This is the reason for this work. First, the study of the backscattering coefficients from C- and Ku- band altimeters and scatterometers over West Africa has shown that there is a link between the surface soil moistureand the backscattering coefficient. In semi-arid regions, this link is seen through a rise of the backscattering coefficients during the rainy season compared to the dry season. The analysis with ancillary data such as the surface soil moisture and the precipitation estimations has also shown that nadir-looking radars detect more precisely the changes in surface soil moisture compared to side-looking radars. Still with the purpose to better understand the Ka-band surface scattering, poorly documented, two measurement campaigns were led, on the one hand over water surface with controlled roughness, on the other hand over bare soils with monitored roughness and surface soil moisture. In parallel, an altimetry backscattering simulation program has been developed to analyze the effect of a low number of variables on realistic grounds, with the aim of simulating the backscattering coefficient variations. These measurements and simulations were then compared with time series from the satellite altimeter AltiKa, which has been launched in 2013 and works at Ka-band, over different sites representaing the bioclimatic areas of West Africa. It led to a high sensitivity of the Ka-band to changes in the surface soil moisture. It has also been shown that backscattering coefficients at nadir-looking angle from AltiKa over grounds and over water bodies can be similar.

La réflectométrie GNSS (GNSS-R) est une technique d'observation de la Terre reposant sur un système radar bi-statique passif qui utilise, comme signaux d'opportunité, les signaux GNSS en bande L. Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse ont pour but de développer des méthodes de traitement du signal dédiées à l'altimétrie au sol par GNSS-R. L'altitude entre le récepteur GNSS-R et la surface de réflexion est déduite de la différence de chemin entre les signaux direct et réfléchi. On propose trois méthodes d'estimation dédiées à l'altimétrie par GNSS-R, pour un récepteur mono-fréquence, utilisant respectivement les observables de code, de puissance (carrier-to-noise ratio C/N₀) et de phase des signaux GNSS observés. Nous proposons un estimateur de la pseudo-distance qui utilise la mesure de délais de code sous-échantilloné aidée par la mesure de phase. On montre que l'estimateur sub-résolution proposé permet d'obtenir une précision qui est inférieure à la résolution en délai de code. Le deuxième estimateur s'appuie sur une méthode de calibration qui normalise la puissance de la somme des signaux direct et réfléchi (Interférence Pattern Technique). On montre par l'étude des bornes de Cramèr-Rao que l'estimateur proposé permet de réduire le temps de mesure et de conserver une précision centimétrique. La mesure de phase est une grandeur circulaire qui évolue linéairement avec l'élévation du satellite. Dans ce contexte, nous proposons deux estimateurs qui s'appuient sur un modèle de régression circulaire et la distribution circulaire de von Mises. Des expérimentations sur données réelles viennent conclure ce manuscrit de thèse et montrent la faisabilité des trois méthodes d'estimation proposées. La précision centimétrique est atteinte. / The Global Navigation Satellite Systems Reflectometry (GNSS-R) is an Earth observation technique. It is based on a passive bi-static radar system using the L-band signal coming directly from a GNSS satellite and this same signal reflected by the Earth surface. The aim of the presented work is to develop signal processing methods for altimetry measurements using ground based GNSS-R. The altitude is derived from the difference of path between the direct and reflected signals. We propose three estimators for GNSS-R altimetry measurement using respectively the code observations, the carrier-to-noise ratio C/N₀ observations, and the phase observations obtained by a mono-frequency receiver. Firstly, we define a pseudo-range estimator using under-sampling code delay observations aided by phase measurements. We show that the proposed estimator allows avoiding accuracy limitations due to the receiver resolution. Secondly, a calibration method has been developed for the Interference Pattern Technique, for normalizing the C/N₀ of the combination of the direct and reflected signals. The Cramèr-Rao Lower Bound of this estimation technique is studied. We show that the proposed estimator allows reducing the observation duration while keeping the centimeter accuracy. Thirdly, a last method is proposed in order to evaluate the difference of path between the direct and reflected signals using phase measurement.The phase measurement is an angular data evolving linearly with the satellite elevation. In this context, we propose two estimators based on a circular-linear regression and the von Mises distribution. Experimentation on real data conclude this manuscript and show the feasibility of these methods. The centimeter accuracy is reached.