An ionospheric topside sounder is a high frequency radar system that is located above the ionosphere, ideally on-board a polar orbiting satellite to provide global coverage. The previous eight satellite sounders have measured the critical frequency of the F2 ionosphere region using traditional swept frequency methods. The most expensive part of these missions however is considered to be the large network of ground support stations required for collecting and processing data. This information has been invaluable in improving our global understanding of the upper ionosphere and the accuracy of critical frequency maps used by HF radio engineers to calculate communications routes and the optimum frequencies for early warning OTH radars. A new technique for the direct detection of critical frequency has been developed, which is called the 'Dispersion Method'. Real data from previous sounders is used in the development and verification of this method. This sounder will not only provide traditional lonograms but detects critical frequency and spread echoes directly from the dispersion of a returning radar pulse. This new method does not use traditional lonograms with their inherent processing complexity and is an order faster than any previous sounder. The 'Dispersion Method' therefore resolves the problems encountered with the past topside sounder missions and produces large quantities of real time data autonomously when required. Previous sounding satellites had little memory capacity, no on-board processing capability, required large antennas and transmitters on satellites with a mass of between 150 and 250 kg. This meant power requirements of about 60 watts per orbit average. A feasibility study to place a third generation topside sounder into low Earth orbit on a 50 kg microsatellite with an orbit average power capacity of only 20 watts has been successfully completed.

L’environnement maritime du littoral implique de nombreux processus complexes, mais le manque de données en haute résolution couvrant une large zone sur une longue période est souvent l’obstacle principal à des recherches plus approfondies. Le radar haute-fréquence (HF) est un moyen de faire de la télédétection afin d’obtenir pratiquement en temps réel de l’information sur la surface de la mer et sur une large zone. Ainsi l’étude de l’inversion des paramètres marins à partir de données issues de radars HF est réellement porteuse de sens. Cette thèse fait l’usage d’un jeu de données collectées durant 13 mois par deux réseaux de radar HF à commande de phase pour étudier les caractéristiques de signaux d’échos de la mer, étudier les données à traiter et les méthodes d’inversion, calculer les paramètres de la surface de la mer et évaluer la précision de l’inversion radar des paramètres de la houle.Cette thèse se réfère à l’onde de sol radar HF, dont les ondes radio interagissent avec l’océan du fait de la diffraction de résonance de Bragg. Nous passons en revue l’historique et les applications du radar HF. Nous rappelons les bases de la théorie des ondes électromagnétiques. Nous décrivons les principes d’inversion des courants de surface de la mer, direction du vent et paramètres de houles. La faisabilité de l’inversion de paramètres de houle est examinée. A partir de l’analyse théorique et des études statistiques de nombreux échantillons de données, cette thèse propose une série de méthodes sur le traitement du signal brut et le contrôle de qualité, ce qui inclut la détermination du niveau de bruit, le moyennage des données dans l’espace et le temps, l’identification correcte des pics spectraux, le seuil de largeur de pic, etc. Respectant les caractéristiques de différents processus physiques, les inversions de courant et de vent utilisent des spectres collectés toutes les 20 minutes ; l’inversion des paramètres de houle utilise des spectres moyennés sur 1 heure. Les statistiques des spectres utilisés pour le calcul des paramètres de houle sont présentées pour chacune des stations. Un ensemble de programme efficaces de calculs automatiques avec une complexité algorithme réduite sont développés pour réaliser le traitement et en tirer les paramètres marins.Les vitesses de courants radiales sont obtenues à partir d’une unique station radar. Les champs de vecteurs de courants sont obtenus en combinant chaque station. On montre une année de débit moyen dans la mer d’Iroise, ainsi que le calcul de la vorticité et de la divergence. On étudie un ensemble de données d’un mois du radar SeaSonde de Qingdao. Les schémas de débit moyen, ainsi que la vorticité et la divergence sur un mois sont présentés.La direction relative du vent par rapport à la direction de visée du radar est mesurée à travers le ratio des amplitudes des pics de Bragg. Différents modèles empiriques sont employés pour obtenir la vitesse relative du vent par inversion radar. Les résultats présentés sont en accord avec les estimations prédites par le modèle. Différents modèles de distribution directionnelle sont utilisés pour mesurer le facteur de diffusion pour la mer d’Iroise.Cette thèse se concentre sur l’étude des paramètres de houle. Les résultats sont validés à l’aide de bouées et de données du modèle de vagues (Wavewatch III). L’estimation montre que la précision de la fréquence de houle est très bonne, la précision sur la hauteur significative de houle est très raisonnable et la précision sur la direction absolue de la houle est faible. La cohérence des mesures par chacune des stations radars est vérifiée par comparaison entre les deux. L’utilisation conjointe des échantillons est également prise en charge pour réaliser l’inversion. L’utilisation de deux radars n’améliore pas seulement la précision, mais résout aussi l’ambiguïté de direction relative de houle à partir d’une unique station et donne la direction absolue de vague avec une certaine précision. / Nearshore marine environment contains many complex processes, but the lack of high-resolution data over a large area during a long time is often the primary obstacle to further research. High-frequency (HF) radar is a mean of remote sensing which obtains continuous near-real time sea surface information over a large area. Thus the study of inversion of marine parameters from HF radar data is very meaningful. Thisthesis makes use of a 13-month-long dataset collected by two phased array HF radar to investigate the characteristics of the sea echo signals, study the data processing and inversion methods, compute sea surface parameters and evaluate the accuracy of radarinversion of swell parameters.The thesis refers to the ground wave HF radar, whose radio waves interact with ocean by Bragg resonance scattering. The development history and applications of HF radar is introduced. The basic theory of electromagnetic wave is reviewed. The principles of inversion of sea surface current, wind direction and swell parameters are described. The feasibility of the swell parameter inversion is investigated. Based on theoretical analysis and statistical studies of a large number of samples, the thesis proposes a series of methods on raw signal processing and quality control, including the determination of the noise level, data averaging in space and time, the proper identification of spectral peaks, the peak width threshold, etc. Respecting the characteristics of different physical processes, inversions of current and wind use spectra collected every 20 min; inversion of swell parameters uses one-hour averaged spectra. The statistics of qualified spectra for swell parameter calculations are presented for both stations. A set of efficient, with a reduced computational cost, automatic computing programs are developed to do the processing and derive marine parameters. Radial current velocities are derived from single radar station. Current vector fields are obtained by combination of both stations. One-year mean flow field in the Iroise Sea is shown, together with the computation of vorticity and divergence. A one-month SeaSonde radar dataset off Qingdao is studied. One-month mean flow pattern together with vorticity and divergence are presented.Relative wind direction with respect to radar look direction is measured through ratio of Bragg peaks amplitudes. Different empirical models are employed to derive radar-inverted relative wind direction. Results show reasonable agreement with model estimations. Different directional distribution models are used to measure the spreading factor for the Iroise Sea. The thesis focuses on the study of swell parameters. Results are validated by buoy and wave model (WAVEWATCH III) data. The assessments show that the accuracy of swell frequency is very good, the accuracy of swell significant waveheight is reasonable, and the accuracy of relative swell direction is low.Consistency of measurements by both radar stations is verified by comparison between the two. This also supports the use of double samples to do the inversion. Use of two radars not only further improves the accuracy but also solves the ambiguity of relative swell direction from single station and gives the absolute wave direction to a certain precision. The thesis proposes a constant relative directionmethod to derive swell significant waveheight, based on the studies of radar integral equation and the inverted results of relative swell direction. This proposal is demonstrated to improve the agreement of radar inversion and buoy/model provided significant waveheight and increases significantly the number of samples. The thesis investigates the accuracy of swell parameters obtained by HF radar. Contributions of random errors in radar observations are quantified. Comparing the differences between radar and buoy/model estimations gives assessments of the contribution of radar intrinsic uncertainty and contribution of other factors.

We have been actively involved in the research and management activities of European Co-Operation in the Field of Scientific and Technical Research (EU COST) actions such as COST 238 Prediction and Retrospective Ionospheric Modeling over Europe (PRIME), COST 251 Improved Quality of Service in Ionospheric Telecommunication System Planning and Operation, COST 271 Effects of the Upper Atmosphere on Terrestrial and Earth-Space Communications, COST 296 Mitigation of Ionospheric Effects on Radio Systems (MIERS) and COST 724 Developing the Scientific Basis for Monitoring, Modeling and Predicting Space Weather. In this thesis High Frequency (3-30 MHz) (HF) radar system under ionospheric disturbances has been identified globally and some operational suggestions have been presented. The use of HF radar system is considered from the identification of ionospheric propagation medium point of view. Doppler velocity is considered as the characteristic parameter of the propagation medium. ap index is chosen as the parameter for disturbance characterization due to geomagnetic storms in the ionosphere. The main difficulty is the scarcity of data, which is rare and confidential. Therefore semi-synthetic data are generated. Dependence of Doppler velocity and group range of the echo signal on ap index is examined and some details of dependence are studied and demonstrated. Thus, effects of space weather on the ionosphere and as a result on HF radar wave propagation are displayed. These results are examples of system identification. This can be used in communication system planning and operation.

Malgré l'intérêt suscité, l'exploitation de l'énergie hydrolienne accuse toujours un sérieux retard par rapport à d'autres ressoures renouvelables. Ce développement tardif s'explique d'une part par l'absence d'une méthodologie pertinente de quantification du potentiel hydrocinétique, d'autre part, par le milieu marin, jugé hostile, au sein duquel des phénomènes turbulents,appliquent des contraintes sur la structure des hydroliennes. Offrant une vision précise de l'écoulement et de son hétérogénéité spatiale et temporelle, la courantographie radar, présentée dans la première partie de cette thèse, constitue un outil puissant d'analyse de la dynamique de la marée. Inédite dans le domaine des énergies renouvelables, elle offre une alternative probante à la modélisation numérique, souvent privilégiée bien que générant des résultats contestables compte tenu de sa conceptualisation simpliste des phénomènes réels. L'étude d'impact d'un écoulement turbulent pleinement développé sur la performance énergétique de prototypes d'hydroliennes de type Darrieus constitue la seconde partie de cette thèse. L'analyse spectrale des signaux temporels de vitesse de courant a permis de révéler les propriétés scalaires de l'écoulement. La caractérisation multi-échelle a montré que l'écoulement est animé par un processus dynamique de brisures successives des structures fluides imbriquées de taille allant de l'échelle d'injection à l'échelle de diffusion moléculaire. Enfin, le partitionnement en échelles dynamiques de la turbulence des spectres de vitesse et de puissance générée par l'hydrolienne a mis en évidence une certaine similarité entre la taille des structures tourbillonnaires qui régissent l'écoulement et les dimensions de la turbine. / Despite the growing interest , the use of tidal energy still lags far behind other renewable resource. This delayed development can be explained, on the one hand, by the absence of a relevant methodology for quantifying the hydrokinetic potential and, on the other hand, by the hostile marine environment, in which turbulent phenomena apply constraints on the structure of marine current turbines. The use of High Frequency Radar, presented in the first part of this thesis, provides a powerful tool for analyzing tidal dynamics and its spatial and temporal heterogeneity. Never used in the fields of renewable marine energy, it offers a convincing alternative to numerical modeling which is often chosen although generating questionable results because of simplistic conceptualization of real phenomena. The second part of this thesis is the study of the impact of a fully developed turbulent flow on the performance of a Darrieus-type turbine prototypes. The spectral analysis of the current velocity time series revealed the scalar properties of the flow. Multiscale characterization showed that the flow is driven by a dynamic process of successive breaks of fluid structures of size ranging from the injection scale to the molecular diffusion scale. Finally, the dynamical scaling of the turbulence of the velocity and power spectra generated by the marine current turbine has revealed a certain similarity between the size of the eddies structures that govern the flow and the dimensions of the turbine.