Avec l’expansion des exploitations agricoles, le principe d’homogénéité du rendement (céréales, fruits…) devient de moins en moins pertinent. Ce phénomène de variabilité spatiale implique des conséquences économiques et environnementales avec le développement de nouveaux concepts agricoles comme les « site-specific management » (gestion spécifique des parcelles). Les traitements tels que les fertilisants, les intrants et autres pesticides doivent être utilisés de manière différente en les appliquant au bon endroit, à la bonne période et au bon taux. Cette nouvelle façon de penser l’agriculture fait partie de l’agriculture de précision (PA) et se concentre en quatre domaines technologiques : (i) la télédétection, (ii) la navigation et guidage, (iii) la gestion des données et (iv) les technologies à taux variable. Initiée à la fin des années 1990, la viticulture de précision (PV) est une branche particulière de la PA, caractérisée par des problématiques spécifiques à la viticulture. Les travaux effectués durant cette thèse entrent dans le cadre de la télédétection (ou détection proche) appliquée à la PV. Ils se focalisent sur une nouvelle méthode d’estimation de la quantité de grappes (masse ou volume) directement sur les plants de vignes. Pouvoir estimer le rendement des vignes plusieurs semaines avant la récolte offre de nombreux avantages avec des impacts économiques et qualitatifs, avec par exemple : (i) l’amélioration du rapport rendement/qualité en supprimant au plut tôt une partie de la récolte, (ii) l’optimisation des ressources humaines et la logistique à la récolte, (iii) un remboursement le plus équitable par les assurances en cas d’intempéries qui endommageraient les pieds de vignes. La méthode proposée ici repose sur l’imagerie microondes (à 24GHz ou des fréquences plus élevées) générée par un radar FM-CW. Elle implique la mise en place d’un système d’interrogation intra-parcellaire « pied par pied » à distance basé au sol, et en particulier : (i) l’évaluation de la précision des mesures et les limites du système, (ii) le développement d’algorithmes spécifiques pour l’analyse de données tridimensionnelles, (iii) la construction d’estimateurs pour retrouver le volume des grappes, et finalement (iv) l’analyse des données recueillies pendant les campagnes de mesures. Dû au caractère saisonnier des récoltes, les mesures sont en premier lieu effectuées sur des cibles canoniques, des charges variables et des capteurs passifs en laboratoire. Pour mettre en avant la flexibilité de cette interrogation radar, le même système est utilisé en parallèlement dans le cadre du projet régional PRESTIGE, pour compter à distance le nombre de pommes présentes sur les pommiers en verger. Ces travaux ont été financés par l’entreprise Ovalie-Innovation et l’ANRT (Agence Nationale de la Recherche Technologique).

L'analyse de la Polarimétrie SAR pour la détection des structures archéologiques de surface et de subsurface du site de Gebel Barkal (Sudan), inscrit dans la Liste du Patrimoine Mondial depuis 2003, est l'objectif des travaux de recherche effectués dans le cadre de cette thèse de doctorat. En particulier, les capacités de pénétration dans le sol des bandes C et L ont été analysées grâce à l'utilisation des images des capteurs ALOS PALSAR (archivées) et RADARSAT-2 (spécifiquement acquises). En outre, l'activité de recherche illustre les potentialités de l'intégration des données satellitaires polSAR et optiques dans un projet SIG dédié, réalisé grâce à une collaboration avec les Universités de Turin et de Venise (Italie). La surveillance des sites archéologiques au moyen des images satellitaires polSAR représente un avantage considérable pour la recherche archéologique, alors que les anomalies détectées peuvent concerner les opérations de fouille ou être vérifiées au sol, comme démontré dans ce manuscrit, ou encore elles peuvent contribuer à la réalisation des plans d'intervention pour les sites archéologiques en péril. / Aim of PhD research is to exploit SAR Polarimetry technique for the identification of surface and subsurface archaeological features in the site of Gebel Barkal (Sudan), inscribed in the UNESCO World Heritage List since 2003. Sand penetration capability of both C-band and L-band sensors are discussed analysing archived ALOS PALSAR and RADARSAT-2 specifically acquired (2012-2013) images. Moreover, the research activity illustrates the potential of integrating SAR polarimetric and optical satellite data in a dedicated GIS project, realised in collaboration with the Universities of Turin and Venice (Italy). The monitoring of ancient sites by means of remotely acquired polarimetric SAR data represents a benefit for the archaeological research, where detected anomalies can address archaeological excavations or ground truth verification, as shown in the PhD dissertation, and where threatening factors affect the integrity of a cultural site.

Cette recherche a pour objectif d'étudier l'impact des micro-ondes sur des structures archéologiques toujours visibles de l'ancienne cité de Samarra, la capitale de l'ancien Abbasside Califat situé en Iraq. Trois zones ont été sélectionnées pour cette recherche Doctorale : une cité octogonale, trois champs de courses et la cité de al-Mutawakkiliyya. Les menaces à lesquelles le site est exposé et son importance historique ont permis d'inscrire la cité sur la liste UNESCO des sites en danger (2007). Cela a donné une raison de plus pour enquêter sur cette zone au moyen des capteurs SAR RADARSAT-2 et ALOS PALSAR. Le potentiel de l'imagerie SAR, en fait, est bien connu, en particulier pour les régions du Monde où des enquêtes in situ ne sont pas autorisées en raison de l'instabilité politique (comme dans le cas de Samarra) et en raison de la possibilité d'acquérir quelque soit la couverture nuageuse et dans tout genre d'illumination (jour / nuit). / This work has as goal to study the microwaves behavior over the archaeological structures still visible in the historical city of Samarra, the capital of the ancient Abbasid Caliphate located in Iraq. Three areas were taken into account for the Ph.D. research: an octagonal city, three racecourses stadiums and the city of al-Mutawakkiliyya. Threats to which the site is exposed and its historical importance let the city to be inscribed in the list of UNESCO sites in danger (2007). This gave a reason more to investigate this area by means of SAR RADARSAT-2 and ALOS PALSAR satellites. SAR potentiality, in fact, is well known, in particular for those areas of the World where surveys in situ are not allowed because of political instability (as in the case of Samarra) and because of the possibility of acquiring with any cloud cover conditions and in any kind of illumination (day/night).

Le terme « excès » possède, dans notre thèse, un sens plus large que dans sa définition usuelle. L'excès est perçu par l'existence de dommages et marque la synergie entre un phénomène météorologique menaçant (le temps fort) et les vulnérabilités.<br />La disposition du relief auvergnat favorise une plus grande fréquence des temps forts pluviométriques sur les bordures montagneuses occidentale et méridionale de la région, tandis que l'espace intérieur (Limagnes, vallées de la Loire et de l'Allier entre autres) n'est que rarement concerné par les fortes chutes d'origines océanique et méditerranéenne. Toutefois, en raison d'une plus grande vulnérabilité des bas-pays urbanisés, les excès sont nettement plus nombreux dans les bassins qu'en montagne. Ces bassins sont, en plus, parfois affectés par des transferts de crues issus des espaces montagnards.<br />L'analyse des systèmes perturbés générant les temps forts est effectuée soit d'une manière classique par l'étude des cartes isobariques ou encore par utilisation de l'imagerie satellitaire et radar. L'imagerie radar s'avère déterminante pour comprendre l'évolution des systèmes cévenols et orageux. Bien sûr, les excès les plus graves se produisent lorsque les temps forts touchent directement les espaces urbains ou lorsque les transferts de crues les plus importants atteignent les bassins.<br />L'ensemble du travail aboutit sur une identification de onze territoires possédant des caractères originaux au niveau des vulnérabilités, de la fréquence et de la nature des temps forts ainsi que de l'importance des excès.

Les travaux menés dans le cadre de cette thèse portent sur la mesure de la variabilité de déplacement de surface de glaciers alpins, par GNSS et imagerie radar. Le glacier tempéré d'Argentière, situé dans le massif du Mont-Blanc et équipé de stations GPS et de coins réflecteurs, est plus particulièrement choisi comme site d'étude. A l'aide de la méthode de corrélation d'amplitude, 44 images TerraSAR-X acquises en 2009 et 2011 sont traitées, permettant d'obtenir 38 champs de déplacement 2D, ainsi que 6 champs de déplacement 3D. En parallèle, l'analyse de 5 années de données GPS continues issues de 2 stations implantées sur le glacier, permet de connaître la vérité terrain. Une stratégie d'analyse GPS, qui optimise la précision de la mesure de position sur un objet en mouvement, a été choisie. Les résultats GPS révèlent plusieurs régimes dynamiques du glacier d'Argentière. La variabilité journalière indique un déplacement de surface en stick-slip et la variabilité intra-annuelle permet de mettre en évidence un amincissement constant du glacier d'Argentière. Au printemps 2011, les résultats GPS permettent de suivre la mise en place d'un système de drainage sous-glaciaire. Les résultats radar permettent une visualisation des variations du déplacement de surface d'une grande résolution spatiale. Au niveau temporel, des accélérations du déplacement sont mises en évidence pendant les périodes de fonte importante. Si une bonne corrélation entre les variations générales du déplacement du glacier d'Argentière issues des deux sources de données est obtenue, les travaux de cette thèse révèlent une importante complémentarité entre le GPS et l'imagerie radar.

Les travaux menés dans le cadre de cette thèse portent sur la mesure de la variabilité de déplacement de surface de glaciers alpins, par GNSS et imagerie radar. Le glacier tempéré d'Argentière, situé dans le massif du Mont-Blanc et équipé de stations GPS et de coins réflecteurs, est plus particulièrement choisi comme site d'étude. A l'aide de la méthode de corrélation d'amplitude, 44 images TerraSAR-X acquises en 2009 et 2011 sont traitées, permettant d'obtenir 38 champs de déplacement 2D, ainsi que 6 champs de déplacement 3D. En parallèle, l'analyse de 5 années de données GPS continues issues de 2 stations implantées sur le glacier, permet de connaître la vérité terrain. Une stratégie d'analyse GPS, qui optimise la précision de la mesure de position sur un objet en mouvement, a été choisie. Les résultats GPS révèlent plusieurs régimes dynamiques du glacier d'Argentière. La variabilité journalière indique un déplacement de surface en stick-slip et la variabilité intra-annuelle permet de mettre en évidence un amincissement constant du glacier d'Argentière. Au printemps 2011, les résultats GPS permettent de suivre la mise en place d'un système de drainage sous-glaciaire. Les résultats radar permettent une visualisation des variations du déplacement de surface d'une grande résolution spatiale. Au niveau temporel, des accélérations du déplacement sont mises en évidence pendant les périodes de fonte importante. Si une bonne corrélation entre les variations générales du déplacement du glacier d'Argentière issues des deux sources de données est obtenue, les travaux de cette thèse révèlent une importante complémentarité entre le GPS et l'imagerie radar. / The aim of this PhD thesis is to measure the surface displacement variability of alpine glaciers with GNSS and radar imagery. The temperate Argentière glacier, located in the Mont Blanc massif and equiped with GPS station and corners reflectors is prticularly considered. 44 TerraSAR_X images, acquired in 2009 and 2011, are processed by offset power tracking,allowing to obtain 38 2D displacement field and 6 3D displacement fields. At the same time, 5 years of continuous GPS data from 2 stations et up on the glacier are processed, allowing to have a ground truth. GPS processing has been carefully chosen to mximise the positionning accuracy on a moving object. GPS results highlight the existence of several dynamic regimes of the Argentière surface displacement. The daily variability shows a stick slip behaviour of the displacement and the annual variability reveals a constant thinning of hte ice. Moreover, in spring 2011 the particular signal of the installation of the subglacial drainage system is identified. Synthetic Aperture Radar (SAR) results allow the monitoring of thesurface displacement with a high spatial resolution. Temporally, a seasonnal variability is found, with large accelerations over relatively short times in melting periods. While a good correlation is obtained between the mean displacement variability of the Argentière glacier from both data sources, the thesis results highlight a significant complementarity between GPS and SAR imagery.

Ce mémoire présente la conception d'un radar Ultra Large Bande à déclenchement optoélectronique dédié au rayonnement d'impulsions ultra-courtes dans une bande de travail comprise entre 300MHz et 3GHz pour réaliser des opérations de détection à courte et moyenne portée. A l'émission, ce radar est composé de plusieurs sources de rayonnement élémentaires constituées d'une antenne au sein de laquelle un générateur optoélectronique est intégré, d'un générateur de haute tension pulsée et d'un système commande optique. Des mesures de validation ont été menées pour s'assurer du bon fonctionnement d'une source. Cette association garantit une excellente synchronisation entre les sources et autorise un balayage électromagnétique autonome rapide en ajustant les fréquences de répétition (quelques dizaines de MHz) de chaque générateur de manière à décaler proportionnellement à l'angle visé, l'instant d'alimentation. A la réception, une antenne ou plusieurs antennes sont utilisées pour récupérer les signaux diffractés par les cibles et un traitement de signal est appliqué pour reconstruire l'image. Ce traitement spécifique permet de s'affranchir de la limite de détection en distance imposée par la fréquence de répétition en utilisant une association entre des calculs de corrélation et une déconvolution itérative. Un des vecteurs d'amélioration de la qualité de l'image a également été développé. Il concerne la génération de forme d'ondes et plus particulièrement le façonnage spectral par profilage temporel en utilisant un algorithme d'optimisation évolutionnaire. / This thesis presents the design of an Ultra Wide Band radar triggered by an optoelectronic generator which is dedicated to ultra short pulses radiation for short and medium range detection. The emitting part of this radar is based on transmitting array composed of several UWB antennas with an integrated photoswitch device triggered using optical pulses and a receiving UWB antenna. A specific signal processing method has been proposed and implemented for UWB optoelectronic radar involving autonomous beam scanning capability in order to overcome the limitation in the depth of detection encountered while using standard imaging algorithm. Indeed, this hybrid correlation/CLEAN algorithm considers the whole measured burst and finds the relevant information to rebuilt a radar map with a very good accuracy. In order to improve the radar map quality, the waveform generation technique has been discussed and, more precisely, the temporal shaping method to obtain specific spectrum using evolutionary algorithm.

Les méthodes classiques d'imagerie SAR (Synthetic Aperture Radar) font l'hypothèse d'isotropie (les points imagés se comportent de la même manière selon l'angle sous lequel ils sont vus) et de blancheur (les points imagés ont le même comportement dans la bande fréquentielle émise) des réflecteurs imagés. Néanmoins, ces hypothèses ne sont plus valables avec l'émergence de nouvelles capacités d'imagerie (large bande fréquentielle, grandes excursions angulaires, ...).<br /><br />L'objectif du travail de thèse a consisté à développer une méthode d'analyse temps-fréquence basée sur l'utilisation d'ondelettes continues permettant de mettre en lumière les phénomènes d'anisotropie et de coloration des points imagés.<br /> <br />Une grande partie du travail a consisté à exploiter le caractère coloré et anisotrope des réflecteurs pour discriminer une cible dans une image SAR.<br /> <br />Enfin l'analyse par ondelettes continues a été étendue à la polarimétrie pour améliorer la classification des cibles aléatoires et cibles déterministes puis à l'interférométrie afin obtenir une meilleure estimation de la hauteur des cibles.

Dans ce mémoire, on utilise la résolution particulaire du filtrage non-linéaire optimal pour le traitement du signal radar. Cette méthode, dite Filtrage Particulaire, permet de traiter de modèles non-linéaires sans restrictions sur la nature des non-linéarités ou sur la distribution des processus aléatoires qui représentent la dynamique du modèle et le bruit d'observation. Le principe du filtrage particulaire est de construire la probabilité conditionnelle aux mesures des variables à estimer par un peigne de Dirac généralisé, dont les supports suivent le flot stochastique de la variable, et dont les masses sont issues de la correction Bayesienne due aux mesures. L'application de cette nouvelle méthode aux techniques radar d'ouverture synthétique inverse (ISAR) permet d'estimer conjointement la trajectoire et l'image d'une cible non-coopérative à de faibles rapports signal/bruit. Dans ce cas, chaque particule dans l'espace d'état est porteuse d'une grille rigide qui représente la cible et dont la vraisemblance fournit le poids. Selon la finesse de la grille, l'algorithme peut être adapté aux problème d'imagerie radar ou simplement de poursuite d'une cible en présence de glint.

Pendant ces dix dernières années, les lancements successifs de satellites pour l'observation de la Terre dotés de capteurs SAR (Synthetic Aperture Radar) ont permis de montrer son fort potentiel, car ces systèmes sont capables de couvrir de vastes régions avec une résolution élevée, ce qui représente un avantage pour le suivi terrain. Cette thèse propose d'élargir les applications conventionnelles, en s'occupant d'investiguer le potentiel et les limites de l'interférométrie SAR pour la mesure de la déformation du terrain dans la région amazonienne, qui n'a pas encore été étudiée dans ce cadre spécifique. L'application consiste à estimer le déplacement de la surface de la Terre sur la zone urbaine de Manaus, la plus grande ville de l'État d'Amazonas au Brésil, qui représente un site important pour l'exploration pétrolière et gazière et pour le transport. Ce site est entouré par des écosystèmes fragiles, qui le rendent très sensible à la présence de l'industrie pétrolière. Dans ce contexte, une compréhension de la dynamique temporelle et de la distribution spatiale des phénomènes de néotectonique est fondamentale pour la définition de bonnes pratiques de gestion de l'environnement. Au niveau méthodologique, afin de lever les principales difficultés rencontrées pour l'application de l'interférométrie différentielle sur une pile de données Radarsat-1, une stratégie multi-échelles et "model free", basée sur l'information de déformation non-linéaire au cours du temps est adoptée avec succès. La caractéristique essentielle de cette procédure est la séparation du signal de phase en différentes échelles spatiales pour simplifier la séparation des trois composantes de phase (topographie, atmosphère et déplacement). Cela conduit à une plus grande robustesse et permet l'inversion de composantes de phase pour les petites piles d'images. Au niveau géophysique, l'application de l'interférométrie à l'étude du déplacement du terrain est réalisée pour la première fois sur le milieu de l'Amazonie, en complétant les études de géologie structurale antérieures basées sur les mesures issues de la corrélation des images optiques et les mesures de terrain. En complément des connaissances antérieures, la présente étude apporte une information précise sur l'hypothèse de mouvements de la croûte récents liés aux activités néotectoniques du bassin de l'Amazonie. Les résultats indiquent une zone de mouvement de la croûte adjacente à une structure de drainage circulaire dans la ville de Manaus. Les images Radarsat-1 et 2 acquises sur cette région apportent une meilleure compréhension des activités géologiques et du mouvement de la croûte dans le bassin de l'Amazonie.