Le travail de cette thèse porte sur l’étude de la télédétection de la fluorescence chlorophyllienne avec un instrument imageur passif depuis une orbite géostationnaire pour le suivi de l’état physiologique de la végétation. Le concept instrumental est étudié théoriquement pour aboutir à la création d’uninstrument et à sa validation. La possibilité de mesurer des cycles diurnes de la fluorescence végétale depuis une orbite géostationnaire est évaluée à l’aide de simulations qui permettent de dresser les spécifications d’un instrument spatial.L’instrument imageur passif mesure dans la bande O 2 -A d’absorption atmosphérique. Il utilise une roue à filtres interférentiels dont la fonction de transmittance varie avec l’angle d’incidence des rayons les traversant. L’étude théorique a permis d’optimiser le placement spectral des filtres en vuede minimiser l’incertitude liée à la mesure de fluorescence.Grâce à la comparaison des mesures de l’instrument imageur avec d’autres instrument de mesure de la fluorescence, l’instrument et son concept instrumental ont été validés. Néanmoins, à cause d’effets de structure de la végétation intervenant sur le transfert radiatif de la fluorescence et de la lumière solaire au sein du couvert végétal, ces mesures ont confirmé la difficulté d’estimer le rendement de fluorescence de la végétation à partir des flux de fluorescence mesurés.Une étude théorique menée grâce à une modélisation du transfert radiatif de la fluorescence dans le couvert végétal jusqu’au capteur a permis d’expliquer la difficulté à retrouver le rendement de fluorescence à partir des flux. Cette étude a mis en avant l’accessibilité du rendement pour des couverts à fortedensité de feuilles et lorsque la distribution de l’orientation des feuilles est centrée sur l’horizontale.Cette modélisation a été étendue pour simuler des mesures spatiales dans le but d’étudier la possibilité de mesurer la fluorescence depuis une orbite géostationnaire dans les bandes O 2 -A et O 2 -B. Les résultats de ces simulations montrent la possibilité de mesurer préférentiellement dans la bandeO 2 -A avec une faible incertitude sur les flux de fluorescence et une bonne répétabilité temporelle pour le suivi des cycles diurnes de la fluorescence de la végétation. / Le travail de cette thèse porte sur l’étude de la télédétection de la fluorescence chlorophyllienne avec un instrument imageur passif depuis une orbite géostationnaire pour le suivi de l’état physiologique de la végétation. Le concept instrumental est étudié théoriquement pour aboutir à la création d’uninstrument et à sa validation. La possibilité de mesurer des cycles diurnes de la fluorescence végétale depuis une orbite géostationnaire est évaluée à l’aide de simulations qui permettent de dresser les spécifications d’un instrument spatial.L’instrument imageur passif mesure dans la bande O 2 -A d’absorption atmosphérique. Il utilise une roue à filtres interférentiels dont la fonction de transmittance varie avec l’angle d’incidence des rayons les traversant. L’étude théorique a permis d’optimiser le placement spectral des filtres en vuede minimiser l’incertitude liée à la mesure de fluorescence.Grâce à la comparaison des mesures de l’instrument imageur avec d’autres instrument de mesure de la fluorescence, l’instrument et son concept instrumental ont été validés. Néanmoins, à cause d’effets de structure de la végétation intervenant sur le transfert radiatif de la fluorescence et de la lumière solaire au sein du couvert végétal, ces mesures ont confirmé la difficulté d’estimer le rendement de fluorescence de la végétation à partir des flux de fluorescence mesurés.Une étude théorique menée grâce à une modélisation du transfert radiatif de la fluorescence dans le couvert végétal jusqu’au capteur a permis d’expliquer la difficulté à retrouver le rendement de fluorescence à partir des flux. Cette étude a mis en avant l’accessibilité du rendement pour des couverts à fortedensité de feuilles et lorsque la distribution de l’orientation des feuilles est centrée sur l’horizontale.Cette modélisation a été étendue pour simuler des mesures spatiales dans le but d’étudier la possibilité de mesurer la fluorescence depuis une orbite géostationnaire dans les bandes O 2 -A et O 2 -B. Les résultats de ces simulations montrent la possibilité de mesurer préférentiellement dans la bandeO 2 -A avec une faible incertitude sur les flux de fluorescence et une bonne répétabilité temporelle pour le suivi des cycles diurnes de la fluorescence de la végétation.

The ever-increasing resolution of CMOS imagers has steadily driven the requirements of readout circuitry. As the number of sensors on a chip increases, the bandwidth of the readout circuit must be increased correspondingly to maintain a constant frame rate. Column parallel A/D converters are commonly used to divide the conversions among many converters. However, implementing high-speed, high-resolution A/D converters at the column level is challenging because the entire circuit needs to be as narrow as the sensor. This thesis presents the design of a 10-bit, one million conversions per second column-parallel A/D converter. A factor of four increase in speed over conventional converters was achieved by combining techniques of successive approximation and two-step subranging in a distributed column-parallel architecture. The speed of the converter makes it suitable to be integrated with a 1-megapixel sensor array providing a frame rate at 1000fps with 11µm pixels in a 0.35µm CMOS technology.

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Cette thèse porte sur une méthodologie d’estimation des capacités d’un futur instrument spatioporté. Le cas d’étude est l’instrument Flexible Combined Imager (FCI) à bord du futur satellite Meteosat Troisième Génération Imageur (MTG-I), et plus particulièrement ses capacités à détecter des variations de quantité d’aérosols désertiques dans l’atmosphère. Une meilleure connaissance de ces aérosols fait partie des besoins régulièrement exprimés pour l’étude du climat, la prévision météorologique ou l’estimation de la ressource solaire dans des zones arides comme le Sahara. Ce type d’aérosols est abondant dans l’atmosphère. Leurs propriétés physico-chimique les rendent distinguables des autre types d’aérosols comme ceux résultant de la pollution d’origine anthropique, d’autant qu’ils sont émis dans des zones protégées des contaminations par ces autres types. Ils représentent donc un cas d’étude simple pour valider la méthodologie développée dans cette thèse.La méthodologie consiste à réaliser un simulateur de vue du sol par l’instrument, à effectuer de très nombreuses simulations des luminances mesurées par l’instrument sous diverses conditions atmosphériques et de l’albédo du sol, à analyser les résultats de manière à quantifier l’influence de chaque variable dans la variation de la luminance, puis à conclure quant aux capacités de détection grâce un critère de détectabilité prenant en compte les caractéristiques de l’instrument.Le simulateur développé a été validé par confrontation avec des mesures réelles de l’instrument SEVIRI à bord du satellite Meteosat Second Generation. L’innovation principale réside dans l’usage de l’approche d’analyse de sensibilité globale (GSA). Cette dernière quantifie l’influence de chaque variable séparément ainsi que les termes croisés. Elle exploite des fonctions de répartition statistique des variables extraites d’observations, et permet par conséquent d’obtenir une analyse de sensibilité réaliste. La GSA produit aussi des fonctionnelles modélisant l’influence d’une ou plusieurs variables sur la variabilité du signal observé et utilisables pour différentes applications dans la télédétection. / This thesis deals with a methodology to assess the capabilities of future spaceborne instruments. The case study is the Flexible Combined Imager (FCI) of the future Meteosat Third Generation Imaging mission (MTG - I), and in particular its ability to detect variations in load of desert aerosols in a realistically variable atmosphere. A better understanding of the behavior of these aerosols is part of regularly expressed needs for the study of the climate, weather forecast or assessment of the solar resource in arid areas such as the Sahara. This type of aerosols is abundant in the atmosphere. Their physical and chemical properties make them distinguishable from other types of aerosols such as those resulting from anthropogenic pollution, especially as they are emitted in areas protected from contamination by these other types. They therefore represent a simple case study to validate the methodology developed in this thesis.The methodology is to provide a simulator of the view of the instrument to perform a large number of simulations of the radiance measured under different atmospheric conditions and ground albedo, to analyze the results in order to quantify the influence of each variable in the variation of radiance, and then conclude on the capabilities of detection through a test of detectability taking into account the characteristics of the instrument.The developed simulator was validated by comparison against actual measurements of the SEVIRI instruments onboard Meteosat Second Generation satellites. The main innovation lies in the use of the global sensitivity analysis approach (GSA). The latter quantifies the influence of each variable separately as well as their crossed terms. Cumulative distribution functions were computed from actual observations and allow a realistic sensitivity analysis of the instrument. The GSA is also used to compute functional representation of the influence of one or more variables on the variability of the observed signal. The usefulness of such representations is discussed for various applications in remote sensing.

Cette thèse a été réalisée entre 2014 et 2017 en vue de la préparation d'une mission probatoire du projet Imageur de Fresnel permettant de réaliser des observations astronomiques dans le domaine ultraviolet (UV). Il s'agit d'un modèle de télescope spatial diffractif imaginé et développé principalement par Laurent Koechlin depuis 2004. Son optique primaire est une grille de Fresnel, optique très légère (de l'ordre du kilogramme) parfaitement adaptée pour servir à une mission d'observation spatiale de très grande envergure, utilisant le principe des réseaux zonés de Fresnel. Afin de prouver la faisabilité d'une mission probatoire sur la Station Spatiale Internationale (ISS) fonctionnant dans l'ultraviolet, l'instrument doit d'abord faire la preuve de ses performances au sol. Le premier objectif a donc été de concevoir un nouveau prototype sol adapté à l'observation dans l'ultraviolet. Cela a nécessité la définition d'une nouvelle configuration de l'ensemble du système imageur, ainsi que la réalisation de nouvelles optiques, et en particulier celle du correcteur du chromatisme induit par la grille d'un nouveau genre. Il s'agit d'un miroir de Fresnel blazé concave, qui a été réalisé pour la première fois avec succès. Le second a été de perfectionner le modèle de grille de Fresnel, afin d'en améliorer ses qualités de haut contraste en conservant sa résolution maximale. Cela s'est fait par la modification des barreaux de maintien des anneaux, ainsi que par l'application d'une apodisation adaptée à cette optique particulière. La nouvelle grille du prototype d'une largeur de 65 mm seulement, permet théoriquement d'atteindre une dynamique de 10^6 à 15 resels (éléments de résolution), probablement meilleure avec la grille qui sera utilisée pour la mission probatoire, et bien supérieure encore avec les grilles de grandes dimensions si un jour elles sont utilisées pour l'astrophysique UV. / This Ph.D. thesis work was made between 2014 and 2017, in order to prepare a probatory mission of the Fresnel Imager for astronomical observations in the ultraviolet (UV) domain. The Fresnel Imager is a concept of diffractive telescope created and developed mainly by Laurent Koechlin since 2004. Its primary optics is a Fresnel grid: a very light weight optics (in the range of kilograms) using the principle of Fresnel zone plates. Fresnel arrays are adapted to large apertures in space. In order to prove the feasibility of a probatory mission on the International Space Station (ISS), the instrument has first to prove its performances on the ground. The initial goal of my thesis was to conceive a new prototype adapted to UV. This required a new configuration of the entire imaging system, as well as the realization of new optics, particularly those correcting the chromatism induced by that new kind of diffractive imaging. This chromatic corrector is a concave blazed Fresnel mirror, which has been successfully realized for the first time. The second goal was to improve the design of the Fresnel grid, in order to enhance its high contrast performances while preserving its diffraction-limited resolution. This was obtained by modifying the setup which holds the rings in place, as well as by the application of an apodization adapted to this particular optics. The new Fresnel grid in the prototype is 65 mm x 65 mm only, but its point spread function reaches a dynamic range of 10^6 at 15 resels (resolution element) from center. This will be further improved when a slightly larger array planned for the probatory mission on the ISS. Later, space missions could feature Fresnel grids several meters in size, yielding diffraction-limited images in the UV.

CMOS image sensor based on Active pixel sensor has considerably contributed to the imaging market and research interest in the past decade. Furthermore technology advancement has provided the capability to integrate more and more functionality into a single chip in multiple layers leading to a new paradigm, 3D integration. CMOS image sensor is one such application which could utilize the capability of 3D stacked architecture to achieve dedicated technologies in different layers, wire length reduction, less area, improved performancesThis research work is focused mainly on the early stages of design space exploration using hierarchical approach and aims at reducing time to market. This work investigates the imager from the top-down design perspective. Methodical anal y sis of imager is performed to achieve high level of flexibility and modularity. Re-useable models are developed to explore early design choices throughout the hierarchy. Finally, pareto front (providing trade off solutions) methodology is applied to explore the operating range of individual block at system level to help the designer making his design choice. Furthermore the thermal issues which get aggravated in the 3D stacked chip on the performance of the imager are studied. Systeme based thermal model is built to investigate the behavior of imager pixel matrix and to simulate the pixel matrix at high speed with acceptable accuracy compared to electrical simulations. The modular nature of the model makes simulations with future matrix extension straightforward. Validation of the thermal model with respect to electrical simulations is discussed. Finally an integrated design flow is developed to perform 3D floorplanning and to perform thermal anal y sis of the imager pixel matrix.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet européen visant à améliorer la compétitivité des centrales solaires à concentration. Parmi les différents défis soulevés par ce projet, l’évaluation en temps réel de la disponibilité et de la variabilité de la ressource solaire est un point clé puisqu’elle permettrait une gestion optimisée du champ solaire et, par conséquent, une hausse de la productivité de la centrale. L’objectif de ce travail est donc de développer un outil d’évaluation de la ressource solaire destiné à la gestion de centrales CSP. Pour y parvenir, une étude approfondie des interactions entre le rayonnement solaire et l’atmosphère est tout d’abord menée. Cette étude révèle entre autres que l’éclairement normal direct (DNI) peut se scinder en deux composantes : le DNI par ciel clair et l’indice ciel clair. Le premier représente l’éclairement normal direct reçu au niveau du sol, lorsqu’aucun nuage ne vient occulter le Soleil. Le second traduit l’influence des nuages sur ce rayonnement par ciel clair. Évaluer ces deux composantes est essentiel pour l’opérateur de la centrale car elles lui permettent de connaître les marges de manoeuvre dont il dispose. D’une part, un modèle ciel clair permettant d’estimer et prévoir le DNI par ciel clair en temps réel est donc développé. Il permet de maintenir l’erreur quadratique moyenne sur l’estimation du DNI par ciel clair aux alentours de 30W/m². D’autre part, une caméra hémisphérique a été installée sur le site du laboratoire PROMES-CNRS afin de détecter les nuages et leur mouvement dans le but d’appréhender la variabilité de l’indice ciel clair. Ce système est notamment capable de fournir des images à haute dynamique, permettant de mesurer simultanément des informations dans la zone circumsolaire et dans les zones les plus sombres du ciel. Sur la base du modèle ciel clair et des images fournies par la caméra, un modèle de prévision du DNI pour tout type de conditions a été mis au point. Il permet de maintenir l’erreur quadratique moyenne sur la prévision du DNI aux alentours de 180 W/m², pour des horizons inférieurs à 30 min. En partenariat avec Acciona, l’outil développé est d’ores et déjà opérationnel sur la centrale solaire Palma del Rio II, en Espagne. / This thesis is part of a European research project which aims at improving the solar power plant efficiency. Among the different challenges pointed out by this project, the solar resource assessment and forecasting are essential tasks since they would allow a better real-time management of the solar field, and thus reduce the maintenance activities, while improving the expected benefits. Therefore, the purpose of this work is to develop a solar resource forecasting tool in order to improve the CSP plants management. An extensive review of the interactions between solar radiation and the atmosphere is firstly conducted. It reveals, among other things, that the direct normal irradiance (DNI) can be divided into two components : the clear sky DNI and the clear sky index. The former represents the direct normal irradiance received at ground level, when no clouds are occulting the sun. The latter reflects the influence of clouds on the clear sky DNI. Estimating these two quantities is essential for the plant operator, since it allows a better management of the solar field. As a consequence, a clear sky model able to estimate and forecast the clear sky DNI has been developed. The root mean squared error of the forecast is around 30 W/m². On the other hand, a sky imager has been installed at the PROMES-CNRS laboratory in order to detect clouds and their motion. The system is able to provide high dynamic range images, allowing the measurement of information both into the circumsolar area and into the darkest parts of the sky. Based on the clear sky model and the images provided by the sky imager, a DNI forecasting model is proposed. The root mean square error on the forecast is around 30 W/m², for 30 min forecasting horizon. One system is now operational at a solar power plant located in Palma del Rio II, Spain.

yes / This paper presents a new method that provides the means to detect sunspots on full-disk solar images recorded by the Solar Diameter Imager and Surface Mapper (SODISM) on the PICARD satellite. The method is a totally automated detection process that achieves a sunspot recognition rate of 97.6%. The number of sunspots detected by this method strongly agrees with the NOAA catalogue. The sunspot areas calculated by this method have a 99% correlation with SOHO over the same period, and thus help to calculate the filling factor for wavelength (W.L.) 607nm.

yes / The surface of the sun often shows visible sunspots which are located in magnetically active regions of the Sun, and whose number is an indicator of the Sun’s magnetic activity. The detection and classification of sunspots are useful techniques in the monitoring and prediction of solar activity. The automated detection of sunspots from digital images is complicated by their irregularities in shape and variable contrast and intensity compared with their surrounding area. The main aim of this paper is to detect sunspots using images from the Solar Diameter Imager and Surface Mapper (SODISM) on the PICARD satellite and calculate their filling factors. A comparison over time with sunspot numbers obtained using images from the SOHO satellite is also presented.

Microcirculation is defined as the blood flow in the smallest blood vessels. Laser speckle contrast imaging (LSCI) is a full field imaging technique that provides instantaneous 2-D perfusion maps of illuminated tissues based on speckle contrast. Perimed’s Perfusion Speckle Imager (PSI) is a medical device developed at Perimed AB that exploits LSCI to measure tissue blood perfusion. In this thesis work, a robust Autofocus (AF) algorithm for PSI was implemented. AF is a procedure to drive PSI camera to reach the depth of focus and acquire sharp images, that relies only on signal processing. Therefore, several Blind image sharpness assessment (BISA) methods, to judge the degree of image sharpness, were compared to choose which BISA method to incorporate in the algorithm. An optimized focus scanning technique was implemented to more efficiently find the depth of focus. When working with LSCI, speckle is a source of noise that destroys image content. Experiments were performed to study laser speckle filtration: digital filters were employed to attenuate the speckle noise that corrupted details in the acquired images. Finally, two methods to perform AF were provided. These procedures were proven practically with LED images. However, with laser source image information is corrupted by speckle despite the application of digital filters and AF remains a real challenge. Moreover, important hardware limitations require to be overcome to make the technique real-time. Focus motor speed should be higher to acquire images at different focus positions faster which could benefit the speed of the AF procedure and speckle filtration.