La problématique de l'imagerie radar pose comme objectif de caractériser la cible observée. Dans le contexte de la télédétection appliquée aux milieux forestiers, il s'agit d'extraire les paramètres physiques constitutifs de la végétation.Ce manuscrit traite donc de la problématique de l'inversion de données électromagnétiques pour les basses fréquences radar, de la bande VHF à la bande P. Dans ces bandes de fréquences la canopée (feuilles et petites branches) n'interagit quasiment pas avec l'onde radar et la forêt peut donc, en première approximation, être représentée par des cylindres verticaux (troncs) et inclinés (branches primaires).Dans ce contexte, les méthodes d'inversion numériques s'appuient sur des modèles qui calculent, à de multiples reprises, les champs rayonnés par ce type de diffuseurs. Il faut alors choisir un modèle physique dont le compromis rapidité/précision penche en faveur de la rapidité, donc un modèle "approché". La précision du modèle choisi est ensuite étudié puis validé par comparaison à un modèle dont le compromis rapidité/précision est inversé, donc un modèle "exact". Parmi les nombreuses méthodes d'inversion, celle de l'algorithme génétique (AG) a été choisie. Cet algorithme bien connu est ici analysé puis amélioré pour répondre aux exigences du problème électromagnétique posé. Il est ensuite validé sur des données simulées et mesurées. Cette validation est aussi l'occasion d'étudier l'impact du jeu de données utilisé sur la rapidité et la précision de l'inversion, en fonction des configurations d'antenne (fréquences, positions, polarisations). / The objective of radar imaging is to characterize the observed target. In the case of forest remote sensing, the objective is to extract the component of the vegetation physical parameters.This manuscript addresses the problem of the inversion of electromagnetic data for low frequency wave, VHF band to the P band. In these frequency bands, the canopy (leaves and small branches) does not almost interact with the radar wave and the forest can thus, in first approximation, be represented by vertical cylinders (trunks) and tilted (primary branches).In this context, the numerical electromagnetic methods of inversion lean on models which calculate, many times, the scattered fields radiated by such broadcasters. It is then necessary to choose a physical model which compromise speed/accuracy tilts in favor of the speed, thus a "approached" model. The exactness of the chosen model is then studied and then validated by comparison to a model which the compromise speed/accuracy is inverted, thus a "exact" model. Among the many numerical methods of inversion, that of the genetic algorithm (AG) was chosen. This algorithm, well known, is analyzed here then improved to meet the requirements of the composed electromagnetic problem. It is then validated on simulated and measured data. This validation is also an opportunity to study the impact of the set of data used on the speed and the precision of the inversion, according to the configurations of antenna (frequencies, positions, polarizations).

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit concerne d’une part l’étude théorique des résonances plasmon de nanoparticules métalliques, et d’autre part une étude expérimentale d’inscription de nanostructures métalliques basée sur l’utilisation d’un Microscope à Force Atomique. La partie théorique présente une nouvelle approche phénoménologique permettant l’analyse des modes de résonance propres de particules uniques ainsi que de leur couplage dans des structures simples. Des algorithmes numériques ont été développés afin d’extraire les différents paramètres phénoménologiques à partir du calcul rigoureux du champ diffusé par les particules. Cette méthodologie a été appliquée à divers cas allant de la particule unique à des réseaux à deux dimensions de particules. La partie expérimentale développe une méthode d’inscription de nanostructures métalliques basée sur une réduction électrolytique d’ions métalliques présents dans une couche de silice méso-poreuse, en appliquant une différence de potentiel entre une pointe AFM conductrice et le substrat conducteur supportant la couche. Des structures sont formées de part et d’autre de la couche de silice, avec la possibilité de commuter leur position par simple inversion du potentiel appliqué. De plus, il apparait que cette commutation est accompagnée de modifications dans la conductivité locale de la couche de silice. Une conséquence du processus d’inscription est la formation de filaments métalliques à l’extrémité des pointes AFM. En particulier, des filaments d’or sont obtenus avec des dimensions allant de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres de long pour une épaisseur de quelques nanomètres / The thesis presented in this manuscript concerns firstly the theoretical study of plasmon resonances of metal nanoparticles, and also an experimental study metallic nanostructures inscription based on the use of an Atomic Force Microscope. The theoretical part presents a new phenomenological approach for analyzing the resonant modes of unique particles and their coupling in simple structures. Numerical algorithms have been developed to extract the phenomenological parameters from the rigorous calculation of the field scattered by the particles. This methodology has been applied to various cases from the single particle to two dimensional particle arrays. The experimental section develops a metallic nanostructures inscription method based on electrolytic reduction of metal ions in meso-porous silica thin film, by applying a voltage between a conductive AFM tip and the conductive substrate supporting the film. Structures are formed on both sides of the silica layer, with the possibility to switch their position by a simple reversal of the applied potential. Moreover, it appears that this switching is accompanied by changes in the local conductivity of the silica layer. A consequence of the inscription process is the formation of metal filaments at the ends of AFM tips. In particular, gold filaments are obtained with sizes ranging from tens to hundreds of nanometers long with a few nanometers thick

Le comportement polarimétrique d'un champ électromagnétique diffracté par un cible localisée à l'interface air-sol est analysée pour une onde incidente variant de l'incidence normale à l'incidence rasante.<br />Le champ rétrodiffusé dans le cas monostatique est analysé au moyen de la théorie géométrique de la diffraction (G.T.D) ou la méthode étalon. Dans cette thèse, un modèle de rayon précis a été implémenté. Une attention toute particulière a été portée aux zones de transition, où proches de telles frontières d'ombre, les rayons réfléchis disparaissent et se transforment en rayons rampants sur la cible et sont fortement atténués dans la zone d'ombre. Les études ont montré que les éléments de la matrice de Sinclair [S] et les états de polarisation caractéristiques associés présentent une variation rapide sur la sphère de Poincaré. Les localisations significatives sur la sphère de Poincaré peuvent être exploitées afin d'extraire l'information sur les paramètres géométriques ou les propriétés géophysiques de l'environnement.

Ce mémoire commence par une présentation de l'état de l'art en matière de circuits équivalents et de caractérisation expérimentale des composants bobinés. Il précise ensuite les modifications à apporter au circuit équivalent initial, pour des transformateurs à faible rendement et/ou faible couplage, ainsi que les méthodes de caractérisation expérimentale applicables à de tels composants. Les éléments du circuit équivalent du composant faisant l'objet de cette étude sont ensuite " évalués expérimentalement. La simulation, à l'aide du logiciel PSPICE, du comportement d'un circuit électronique intégrant ce composant est confrontée à l'expérience. Le gain en précision résultant de l'emploi d'un modèle adéquat pour chaque composant bobiné est ainsi mis en évidence. La suite de l'étude porte sur le calcul des éléments du circuit équivalent du transformateur à partir des données technologiques. Dans un premier temps, l'accent est mis sur les capacités parasites. En menant en parallèle une étude analytique et une modélisation électrostatique grâce au logiciel FLUX2D, l'incidence du mode de bobinage sur la valeur des capacités est analysée en détail. Des règles pratiques de bobinage, visant à diminuer ces capacités parasites, sont justifiées et appliquées à des prototypes industriels, avec succès. Le calcul des grandeurs magnétiques et des pertes à l'aide du logiciel FLUX2D, nécessite l'introduction d'une perméabilité complexe. Nous discutons alors de certaines limites de validité des méthodes classiques de caractérisation des matériaux magnétiques. Enfin, une méthode expérimentale originale, destinée à mesurer, à chaque fréquence, la résistivité et la perméabilité complexe d'un matériau magnétique conducteur linéaire est proposée et validée. Cette méthode est ensuite étendue au cas des matériaux composites (ferrites).

Le suivi de la neige sèche a une place importante dans la télédétection, en raison du grand intérêt des applications en hydrologie, climatologie ou de la prévision d'avalanche. Ce travail présente des méthodes d'analyse multi-fréquentielles et multi-temporelles du couvert neigeux en milieux alpins à partir de données SAR polarimétriques.<br />A l'aide d'un modèle numérique de terrain, une étude polarimétrique altitudinale du couvert neigeux est développée, permettant d'associer une attitude à un comportement polarimétrique spécifique.<br />Ces méthodes sont appliquées sur des données SAR polarimétriques SIR-C des sites alpins de Risoul et Izoard.

Ce document comporte la synthèse du parcours scientifique de Philippe Besnier depuis l'obtention de la thèse de doctorat en 1993. Les travaux concernent pour l'essentiel la compatibilité électromagnétiques des systèmes électroniques. ICette recherche recouvre les tentatives de modélisation de ces phénomènes, et de reproduction de ces phénomènes sur le plans expérimental. Une partie de nos travaux a également consisté à étudié la transposition de certaines techniques pour l'application mesure d'antennes. Le chapitre 1 introduit le document. Le chapitre 2 comporte les éléments essentiels de ce parcours et la liste des travaux réalisés. Le chapitre 3 est une synthèse des activités de recherches conduites et des principaux résultats scientifiques obtenus. Enfin, le chapitre 4 présente une perspective de recherche pour les années futures.

Dans ce rapport, un modèle électromagnétique dédié à l’analyse de la diffraction de cibles métalliques placées en milieux forestiers est développé. Le modèle est basé sur une formulation hybride (surface/volume) de la méthode des moments. Le modèle est d’abord développé pour traiter le cas d’une cible métallique placée en espace libre en se basant sur la formulation surfacique de l’équation intégrale du champ électrique. Ensuite, le modèle est modifié afin de prendre en compte la présence du sol en se basant sur la méthode des images couplée aux coefficients de réflexion de Fresnel. Enfin, le code obtenu est couplé à un modèle précédemment développé au laboratoire permettant d’analyser de larges zones forestières. Ce modèle est basé sur la formulation volumique de l’équation intégrale du champ électrique couplée à la méthode CBFM (Characteristics Basis Functions Method). Le code final obtenu permet de traiter le cas d’une cible métallique placée dans une large zone forestière. Le modèle réalisé est implémenté sous MATLAB et Fortran afin de comparer ses résultats avec ceux donnés par le logiciel commercial FEKO. Les résultats sont comparés pour plusieurs cas de figure: espace libre, avec sol et scène complexe. De plus, le code est utilisé afin de mettre en évidence les différents paramètres qui rentrent en jeu dans le mécanisme de diffraction. Enfin, une validation expérimentale réalisée en collaboration avec CCRM (Centre Commun de Ressources en Micro-ondes de Marseille) est présenté. Une mesure du champ diffractée est réalisée sur des maquettes à échelle réduite (1/25) et les résultats obtenus sont comparés avec ceux donnés par notre modèle. / In this report, a model for the analysis of the scattering of metallic target placed in forested area is presented. The developed model is based on a hybrid (surface/volume) formulation of the method of moments. First, a model based on the surface formulation of the electric field integral equation is developed for the case of a metallic target placed in free space. The model is then modified in order to take into account the presence of a ground by using a complex image method coupled with the Fresnel reflection coefficients. Finally, the obtained code is coupled with a model treating the case of large forest areas that was previously developed in the laboratory. This model is based on a volume formulation of the electric field integral equation coupled with the Characteristics Basis Functions Method. The final hybrid model treats the case of metallic object placed in a large forested area. The model is then implemented on MATLAB and Fortran in order to compare its results with those of the commercial software FEKO. The results were compared different cases: free space, above ground and inside a forested area. The code was also used in order to different parameters affecting the diffraction mechanism. Finally, a numerical validation conducted in collaboration with CCRM (Centre Commun de Ressources en Micro-ondes de Marseille) is presented. A measurement complain of the diffracted field was achieve on scaled models (1/25) and the measurements were compared with the results given by the developed model.

La connaissance des propriétés diélectriques des tissus biologiques constitue un enjeu majeur pour la santé. Ces propriétés traduisent la manière dont un tissu stocke ou dissipe l’énergie électromagnétique transmise par un champ extérieur ; étant liées à la composition et à la structure du milieu organique, elles traduisent également la nature et l’état physiologique d’un tissu. Leur estimation fine permet donc, le cas échéant, de détecter et/ou de suivre l’évolution d’une pathologie. Parmi les méthodes de caractérisation diélectrique des tissus possibles, nous nous sommes concentrés sur une technique de caractérisation électromagnétique par antenne inductive exploitée en émission/réception, qui permet une mise en œuvre sans contact entre le système de mesure et le tissu. Celle-ci opère dans la gamme des radiofréquences (RF) ce qui présente l’avantage de rendre le dispositif sensible à la fois à la conductivité électrique et à la permittivité diélectrique du tissu. Cette technique travaillant en champ proche nécessite l’utilisation d’un modèle électromagnétique 3D des interactions sonde / tissu pour être mise en œuvre de manière pertinente. Dans ces travaux, nous nous sommes donc intéressés au problème de la modélisation des interactions, ainsi qu’à la résolution du problème inverse qui consiste à estimer les paramètres diélectriques recherchés à partir des données de mesure fournies par l’antenne et du modèle élaboré. Pour cela, nous nous sommes concentrés sur une configuration canonique, constituée d’une antenne RF filiforme circulaire, interagissant avec un milieu diélectrique homogène « sain » dont les paramètres diélectriques macroscopiques sont représentatifs d’un tissu organique (conductivité de 0.6 S/m et permittivité relative de 80), et d’une inclusion sphérique représentative d’une lésion présentant un contraste de 10% à 50% avec les paramètres du milieu « sain ». Nous avons établi un modèle d’interactions électromagnétiques 3D reposant sur une formulation semi – analytique à sources distribuées (DPSM) adaptée à cette configuration. Une étude paramétrique de la mise en œuvre du modèle, validée dans des configurations simples par rapport à des modèles analytiques et des expérimentations, a permis de construire un modèle qui montre des écarts inférieurs à 5 % par rapport à l’expérimentation, et qui établit un compromis acceptable entre exactitude et ressources informatiques nécessaires pour calculer la solution. Enfin, nous nous sommes intéressés à la résolution du problème inverse, consistant à retrouver les paramètres géométriques et diélectriques d’une lésion enfouie dans un milieu diélectrique « sain », à partir des variations d’impédances de l’antenne RF. Pour cela, nous avons construit un modèle inverse à réseaux de neurones artificiels (RNA) à partir de banque de données produites par le modèle DPSM. Une étude paramétrique a permis d’identifier les configurations de mise œuvre (fréquences, positions des antennes) les plus pertinentes permettant d’estimer les propriétés diélectrique, la taille et la position de l’inclusion dans le tissu, avec des erreurs d’estimation de l’ordre de 7% avec une antenne unique monofréquence, pour la caractérisation d’une inclusion de 3 cm de rayon enfouie jusqu’à 6 cm de profondeur. Ces travaux ouvrent la voix à des techniques de diagnostics de dans des milieux plus complexes (tissus stratifiés…) avec des techniques d’investigation multi-antennes et/ou multifréquences particulièrement prometteuses. / The characterization of the dielectric properties of organic tissues is a major issue in health diagnosis. These properties reflect the way organic material stores or dissipates the electromagnetic energy transmitted by an external field. They are related to the composition and the structure of the organic medium. Furthermore, they are also related to the nature and the physiological state of a tissue. For that reason the estimation of these properties is very valuable for detecting and/or monitoring the evolution of tissue pathology.Among the existing dielectric characterization methods, we focused on a characterization technique using an inductive antenna, which acts as a transmitter/receiver sensor and allows a contactless implementation between the measuring system and investigated tissue to be carried out. This system is operated in the radio-frequency (RF) band. Indeed, in the RF the device is equally sensitive to both the electrical conductivity and the dielectric permittivity of the tissue. This technique operates in a near-field and therefore a 3D electromagnetic modeling technique is required to accurately model the interactions between the sensor and the investigated tissue.This work deals with the 3D modeling and with the resolution of the inverse problem required to estimate the dielectric parameters of tissues starting from the data provided by the antenna and the outputs of the model. For this purpose, a canonical configuration featuring a filiform circular antenna is considered. This antenna interacts with a “healthy” homogeneous dielectric medium, which possess the macroscopic dielectric parameters of a typical organic tissue (i.e. conductivity 0.6S/m and relative permittivity of 80 at 100 MHz). Meanwhile, a spherical inclusion buried within the tissue is considered to simulate a tissue lesion. This inclusion features a dielectric contrast of 10% up to 50% by reference to the parameters of the “healthy” medium. A 3D modeling of the sensor/tissue interactions is established, which is based on the distributed point source method (DPSM), a versatile semi-analytical modeling technique. The model is adjusted using a parametric study and validated against analytical models (in simplified configurations) and experiments. The implemented DPSM modeling was found to feature a 5% accuracy error, compared to the experimentations, together with offering an acceptable trade-off between accuracy and the computation cost. Finally, we focused on the solving of the inverse problem which consists in estimating the geometric and dielectric parameters of a buried lesion in the “healthy” dielectric medium, starting from the variations of the impedance of the RF antenna. To do so, a behavioral model build up using an artificial neural network (ANN) was established. The model is build using a data base elaborated using the DPSM model. The parameters of the ANN is discussed in order to identify the relevant configuration (frequency, position of the antenna) to estimate the dielectric properties, the size and the position of the inclusion in the tissue. For a single antenna operated at a single frequency, an inclusion of 3cm radius buried as deep at 6 cm within the tissue was located and characterized with estimation errors of the order of 7%.The methodologies developed in these works open the way to the diagnosis of more complex material (such as layered tissues), using promising techniques such as multi-frequency non contact RF antenna arrays.

Depuis plusieurs années, des travaux ont été menés avec succès par le laboratoire LAME de l'UPS et le DEMR de l'ONERA sur le formalisme des faisceaux gaussiens pour modéliser l'interaction d'une onde électromagnétique avec un ensemble antenne-radôme. Ce formalisme est basé sur l'utilisation de faisceaux élémentaires gaussiens et a pour principal avantage l'obtention d'une expression analytique des champs électromagnétiques. Toutefois, ce modèle devait être complété par la description du champ électromagnétique rayonné par des discontinuités éclairées par un faisceau gaussien et par le traitement des surfaces de fortes courbures. \\ <br /><br /><br />Pour traiter le cas de la diffraction, l'utilisation de la méthode spectrale de la diffraction permet d'exprimer sous forme intégrale le champ diffracté par un objet canonique, par exemple un demi-plan conducteur, lorsqu'il est éclairé par un faisceau gaussien. L'approximation de l'optique physique permet d'obtenir une expression approchée analytique des champs rayonnés en 3D par des surfaces conductrices finies rectangulaires éclairées par un faisceau gaussien. Pour les surfaces de forte courbure et éclairées sous forte incidence, les faisceaux gaussiens conformes permettent de calculer analytiquement les champs lointains rayonnés. Afin de pouvoir traiter les interactions électromagnétiques (réflexions et transmissions) entre un faisceau gaussien conforme et une paroi diélectrique, le spectre d'ondes planes d'un faisceau gaussien conforme a été formulé. <br /><br /><br />Ces techniques ont été implémentées et validées sur différents cas tests canoniques. Les résultats théoriques ont été confrontés à des mesures en chambre anéchoïque ainsi qu'à plusieurs méthodes numériques. Les résultats obtenus montrent que les faisceaux gaussiens permettent de décrire une grande variété de problèmes électromagnétiques, des interactions antennes-radômes à la propagation sur de longues distances en présentant un bon compromis entre précision et temps de calcul.

La nanotechnologie est un domaine en voie d'expansion qui a attiré l'attention de la recherche en raison de ses applications potentielles illimitées. La technologie des ondes millimétriques est un autre domaine intéressant qui joue un rôle de premier plan dans le développement des systèmes de communications sans fil. La combinaison de ces deux champs de recherche avancée, donne naissance à l'innovation du Dispositif Ratchet qui est une nouvelle application qui représente un vrai défi. Ce dispositif est de taille nanométrique et son concept d'opération consiste à générer une tension DC lorsque le dispositif, basé sur le gaz d'électron bidimensionnel, est rayonné par l'énergie des micro-ondes. L'objectif de cette thèse est d'essayer d'améliorer la réponse du dispositif, ce qui ouvre de nouvelles perspectives dans la fabrication des détecteurs de champ à haute fréquence et à l'échelle nanométrique. Malheureusement, les Dispositifs Ratchet actuels, basés sur des hétérostructures de semiconducteurs, réalisés jusqu'à présent fonctionnent à basse température pour assurer une grande mobilité électronique. Cette condition nécessite l'utilisation d'un setup expérimental complexe qui a un grand impact sur la tension induite et sur la reproductibilité du phénomène Ratchet observé. Dans ce contexte, le travail effectué dans le cadre de cette thèse a abordé ce problème en deux parties. La première partie concerne l'analyse électromagnétique du setup expérimental. Ceci a été réalisé par la mise en oeuvre des simulations électromagnétiques intenses. D'autre part, différentes solutions ont été proposées afin d'optimiser le setup et ainsi améliorer la tension Ratchet produite. Outre l'étude électromagnétique, certaines mesures de modulation ont été réalisées pour tester la faisabilité du Dispositif Ratchet comme un démodulateur d'amplitude. La deuxième partie de cette thèse traite l'étude de la matière qui compose le Dispositif Ratchet. Récemment, le graphène commence à envahir le monde scientifique et technologique avec ses fascinantes propriétés électroniques, tels que sa mobilité d'électrons élevée à température ambiante, où les matériaux conventionnels sont en train de confronter des obstacles. En conséquence, l'idée de fabriquer un Dispositif Ratchet à base de graphène au lieu des hétérojonctions de semiconducteurs, a été introduite. Plusieurs modèles de conception, caractérisation et mesures RF ont été accomplis en vue d'obtenir un Dispositif Ratchet fiable approprié pour de nombreuses applications pratiques à la température ambiante, dans la gamme de fréquences micro-ondes et pourraient s'étendre à la bande térahertz. / Nanotechnology is a growing field that has attracted significant research attention due to its unlimited potential applications. Millimeter wave technology is another interesting field that plays a leading role in the development of wireless communications systems. Combining these two advanced research fields together, has given rise to the innovation of the Ratchet Device which is now a new challenging application. This device has a nanoscale size and its concept of operation consists of generating a DC voltage when radiating a two-dimensional electron gas based device with microwave energy. The aim of this thesis is in trying to improve the device response and hence opening new perspectives in the fabrication of high frequency field detectors on the nanoscale level. Unfortunately, the current Ratchet Devices, based on semiconductor heterostructures, realized till now, operate at low temperatures to ensure high electron mobility. This condition necessitates the use of a complex experimental setup that has a great impact on the induced voltage and on the reproducibility of the observed Ratchet phenomenon. In this context, the work performed within the framework of this thesis has addressed this problem in two parts. The first part concerns the electromagnetic analysis of the experimental setup behavior. This has been achieved by implementing intensive full wave electromagnetic simulations. Different solutions have been proposed to optimize the setup and thus enhance the Ratchet voltage produced. In addition to the electromagnetic study, some modulation measurements have been performed to test the feasibility of the Ratchet Device as an amplitude demodulator. The second part of this thesis deals with the study of the material composing the Ratchet Device. Recently, graphene has started to invade the scientific and the technological world with its fascinating electronic properties, such as its high electron mobility at room temperature, which distinguishes it from conventional materials that typically collide with obstacles. As a result, the idea of fabricating a Ratchet Device based on graphene instead of semiconductor heterojunctions has been introduced. Several design models, characterizations and RF measurements have been performed in order to obtain a reliable Ratchet Device suitable for many practical applications at room temperature. This has been done in the microwave frequency range and can also extend to the terahertz band.