Disposer de données précises, spatialisées et actualisées sur les niveaux et les profondeurs des eaux côtières ou continentales est nécessaire pour assurer et anticiper une meilleure gestion des eaux littorales et continentales. Parmi les techniques de télédétection de suivi de la bathymétrie et d'altimétrie des eaux, le LIDAR apparaît, de par son potentiel de précision, de résolution et de répétitivité spatiale des mesures, comme une technique adaptée et prometteuse, déjà éprouvée sur des plateformes aéroportées.L'objectif de cette thèse est d'évaluer le potentiel du transfert de la technologie LiDAR sur satellite pour estimer l'altimétrie et la bathymétrie des eaux de surfaces continentales et côtières. Une approche expérimentale basée sur des données LiDAR réelles, puis une approche théorique basée sur des formes d'onde LiDAR simulées ont été utilisées pour explorer les performances de capteurs LiDAR satellitaires.Dans une première partie, la qualité des données altimétriques du capteur LiDAR satellitaire GLAS/ICESat fut évaluée pour le suivi de l'altimétrie de plans d'eau. La méthode d'évaluation développée repose sur la prise en compte des phénomènes d'autocorrélation des mesures successives lors des comparaisons de l'élévation GLAS/ICESat avec les niveaux d'eau mesurés aux stations hydrométriques. Les précisions estimées sont de l'ordre de 12 cm.Dans une seconde partie, un modèle de simulation des trains d'ondes LiDAR a été développé. La confrontation des simulations issues du modèle par comparaison à des trains d'ondes observés par des capteurs satellitaires et aéroportés a été effectuée.Dans une dernière partie, les performances de deux configurations de potentiels capteurs LiDAR spatiaux émettant dans l'UV (355 nm) ou dans le vert (532 nm) ont été évaluées à partir des formes d'ondes simulées suivant des distributions globales des différents paramètres de l'eau assumées comme représentatives à l'échelle mondiale et pour quatre types d'eaux différents. Une analyse de sensibilité a été effectuée pour identifier et ordonner les paramètres environnementaux qui influent le plus sur l'écho LiDAR du fond de l'eau, signal déterminant dans la faisabilité de la mesure bathymétrique. Ensuite, les probabilités de mesure de la bathymétrie ainsi la précision sur l'estimation de la bathymétrie ont été calculées suivant un plan d'expérience qui respecte les distributions globales des paramètres d'eau. Cette thèse propose une méthodologie globale, point de départ pour explorer les performances globales et les facteurs limitant de futurs capteurs LiDAR satellitaires dédiés totalement ou partiellement à l'altimétrie et la bathymétrie des eaux côtières et continentales. / Possessing accurate, spatial and current data on the water levels and the depths are necessary for anticipation and better management of coastal and continental waters. Among the remote sensing techniques to monitor the water bathymetry and altimetry, the LIDAR appears as an adapted and promising technique, already proven on airborne platforms, because of its potential accuracy, spatial resolution and repeatability of measurements. The objective of this thesis is to evaluate the potential of the transfer technology on satellite LiDAR to estimate the water altimetry and bathymetry of continental and coastal areas. An experimental approach based on actual LiDAR data and a theoretical approach based on simulated LiDAR waveforms were used to explore the performance of satellite LiDAR sensors.In the first part, the altimetry data quality from the satellite LiDAR sensor GLAS / ICESat was evaluated in order to monitor the altimetry of water bodies. The evaluation method developed is based on the consideration of the autocorrelation phenomena of successive measurements when comparing the elevation GLAS / ICESat with water levels measured at gauging stations. Accuracies are estimated in the order of 12 cm.In the second part, a simulation model of LiDAR waveform has been developed. The confrontation between simulations from the model compared to observed waveform provided by satellite and aircraft sensors was performed.In the last section, the performance of two space borne LiDAR emitting in the UV (355 nm) or the green (532 nm) were evaluated using a methodology based on waveform simulation following aggregate distributions of various water parameters assumed to be representative on a global scale and for four different types of water. A sensitivity analysis was performed to identify and order the environmental parameters that influence the most the LiDAR bottom echo of the water signal in determining the feasibility of measuring bathymetry. Then, the probability of measuring water depth and the accuracy of estimating the bathymetry were calculated according to an experimental design that meets the global distributions of water parameters. This thesis proposes a global methodology, a starting point to explore the overall performance and the limiting factors for future satellite LiDAR sensors totally or partially dedicated to altimetry and bathymetry of coastal and inland waters.

Les microalgues autotrophes sont une source prometteuse de biomasse pour des applications aussi variées que l'extraction de molécules, l'alimentation animale et humaine, la production énergétique ou la décontamination environnementale. La production de masse est donc en forte augmentation dans le monde. Cependant, les techniques actuelles pour caractériser l'état physiologique des cellules algales au cours de la croissance sont coûteuses en main d'œuvre et en temps, souvent basées sur du matériel de mesure générique répondant mal au cahier des charges. Elles sont inadaptées à la mesure en ligne.De nouveaux outils doivent donc être développés pour optimiser le pilotage des procédés de culture, en effectuant des mesures rapides de l'état physico-chimique des cellules. La spectroscopie visible (VIS) et proche infrarouge (NIR) se présente comme une solution pratique. De plus des travaux antérieurs ont démontrés que les propriétés spectrales d'absorption et de diffusion des cellules d'algues dans le domaine VIS-NIR sont très corrélées à leur caractéristiques chimiques (pigments) et physiques (tailles, densité des cellules). Les densités de cellules considérées en cultures denses sont très élevées (10^6-10^9 cellules/mL), rendant inévitables les phénomènes de multidiffusion. Cependant ces derniers ont été identifiés comme gênants pour l'extraction de données à partir des spectres mesurés, car ils rendent l'hypothèse de validité de la loi de Beer Lambert fausse. Dans cette thèse nous nous intéressons à l'extraction de données sur la physiologie des cellules algales à partir de mesures spectrales effectuées sur des échantillons denses, non-dilués, directement issus du milieu de culture. Notre approche se décline en plusieurs axes, correspondants aux différentes échelles de description du problème. D'abord, l'échelle de l'échantillon algal global est considérée. Nous en définissons les propriétés spectrales apparentes, et analysons le problème pratique de leur mesure. Nous avons utilisé un montage à double sphères d'intégration et développé un protocole de mesure complet, que nous décrivons. Ensuite, les propriétés spectrales linéaires intrinsèques au milieu algal sont abordées, et nous cherchons à les reliées aux propriétés apparentes de l'échantillon. Pour cela nous utilisons le formalisme de l'équation de transfert radiatif (ETR) donnant une modélisation rigoureuse des phénomènes de multidiffusion à l'œuvre dans les milieux turbides. En pratique, résoudre l'ETR ne peut se faire que par une approximation ou la simulation. Dans nos travaux nous examinons la méthode Adding-Doubling et son inverse, utilisées avec succès par d'autres équipes sur des échantillons turbides de tissus biologiques. En troisième lieu, l'échelle de description de la cellule d'algue individuelle est abordée. AlgaSim, un programme de simulation basé sur la théorie de Mie étendue, a été développé au cours de cette thèse pour modéliser les spectres d'absorption et de diffusion d'une cellule algale décrite par ses paramètres physiologiques, tels que la taille et le poids sec, les proportions des différents matériaux cellulaires, la quantité et la composition des pigments. Ainsi, les liens entre propriétés physiques et chimiques de la cellule et ses propriétés spectrales sont étudiés. Enfin, une méthode complète est proposée pour articuler toutes les échelles de description précédemment examinées. Les liens entre propriétés intrinsèques du milieu algal et les propriétés optiques individuelles des cellules sont cherchés. Les paradigmes développés aux différentes échelles sont ensuite mis bout à bout pour relier la description physiologique des cellules d'algue aux propriétés spectrales apparentes mesurées sur un échantillon donné. La méthode est testée sur des échantillons algaux réels. Les premiers résultats sont prometteurs, démontrant le potentiel opérationnel de la spectroscopie VIS-NIR pour le suivi de procédés de culture dense de microalgues. / Autotrophic microalgae are seen as a promising source of biomass for various applications such as chemicals extraction, animal and human food, energy production and environment cleaning. Consequently, the global mass production of microalgae has largely increased over the last decade. However, the current techniques used for the characterization of the algal cells all along the growth process require time-consuming sample preparation, a large amount of costly, standard instrumentation and cannot usually be performed in situ.New tools are needed to optimize the monitoring of the cultivation process by providing a faster measurement of the microalgal cells physical and chemical states. For this purpose, utilizing visible (VIS) and near infrared (NIR) spectroscopy is looked as a promising solution. Moreover, previous studies demonstrated that the spectral absorption and scattering properties of microalgal suspensions in the VIS-NIR domain depend heavily on the chemical characteristics (pigments) and physical characteristics of the cells (size, density of the cells). In a context of cultivation process, cell density in the culture medium is very high (10^6-10^9 cell/mL) which makes the multi-scattering phenomena significant. However, recent studies have showed that the data extraction from spectroscopic measurements performed on turbid samples is highly complicated by the influence of the scattering phenomena on the spectra, making the classical processing methods based on the assumption of Beer law irrelevant. This thesis addresses the issue of retrieving information about the physiological state of microalgal cells from spectral measurements performed on non-diluted, dense bulk culture media. For this purpose, our approach includes successive guidelines, corresponding to different scales of description. First, the scale of the bulk algal aliquot is considered: the apparent spectral properties are defined, and the practical issue of measuring them with an adapted setup is investigated. In particular, a double-integrating sphere setup, as well as a complete measurement protocol are implemented. Second, the intrinsic linear spectral properties of the dense algal medium are defined, and the links between the intrinsic and apparent spectral properties are investigated. The formalism of the radiative transport equation (RTE) is used for this purpose, as it rigorously models the physical phenomena due to multiple scattering. Solving the RTE must be implemented in practice with an approximation or simulation method. In this work, we investigate in particular the Adding-Doubling method and its inverse, which have been proved to be adapted to the case of highly turbid organic tissues and materials. Third, the scale of an individual algal cell is considered. In this thesis we have developed a simulation program called AlgaSim based of the extended Mie theory, which makes it possible to simulate the spectral absorption and scattering properties of an algal cell described by its physiological characteristics, such as its mean size and dry weight, proportions of different cell materials and pigment quantity and composition. The links between the chemical and physical properties of an algal cell and its spectral properties are thus investigated.Finally, a complete method is proposed to link all the scales of description. In particular, the links between the intrinsic spectral properties of an algal medium and the individual properties of the constitutive cells are considered. By organizing all the paradigms previously investigated, it is possible to implement a complete model linking the physiological description of the constitutive algal cells to the apparent spectral properties measured on a dense culture sample. The method and its inverse are tested on real algal samples. They show promising primary results, proving the operational potential of VIS-NIR spectroscopy for the monitoring of dense algal cultures.

L’imagerie moléculaire vise à étudier les processus biologiques in vivo. L’imagerie Cerenkov est une technique d’imagerie moléculaire qui se développe depuis 2009. Le principe est d’injecter un radiotraceur, molécule marquée par un isotope radioactif, puis à enregistrer le signal optique émis par effet Cerenkov. L’imagerie Cerenkov permet d’imager des radiotraceurs émettant des rayonnements β+ (positon) et β- (électron).L’effet Cerenkov se produit lorsqu’une particule chargée se déplace dans un milieu avec une vitesse supérieure à celle de la lumière dans ce même milieu. Si ce seuil est dépassé, on observe alors une émission de photons optiques appelée rayonnement Cerenkov. Le spectre de cette émission s’étend de l’UV à l’IR de manière continue et le nombre de photons émis en fonction de la longueur d’onde varie en 1/λ².Mon thèse consiste à développer l’imagerie Cerenkov 3D pour reconstruire la distribution du radiotraceur in vivo. Nous disposons d’une plateforme d’imagerie nommée AMISSA (A Multimodality Imaging System for Small Animal) dont le but est de développer et de mettre à disposition des outils d’imagerie moléculaire pour du petit animal. / Molecular imaging aims to study biological processes in vivo. Cerenkov imaging is a molecular imaging technology that has developed since 2009. The principle is to inject a radioactive tracer molecule labeled with a radioactive isotope, then recording the optical signal emitted by the Cerenkov effect. The Cerenkov imaging allows imaging radiotracers emitting β+ radiation (positron) and β- (electron). The Cerenkov effect occurs when a charged particle moves through a medium with a speed greater than that of light in this same medium. If this threshold is exceeded, we observed an emission of optical photons called Cerenkov radiation. The emission spectrum of this extends from UV to IR continuously and the number of photons emitted as a function of the wavelength varies by 1/λ². My PhD is to develop 3D imaging Cerenkov to reconstruct the distribution of the radiotracer in vivo. We have an imaging platform named Amissa (A Multimodality Imaging System for Small Animal) whose purpose is to develop and make available tools for molecular imaging of small animals.

Parmi les technologies de solaire thermodynamique, la technologie du linéaire de Fresnel semble la plus adaptée aux régions d’Afrique Sub saharienne. Cela en raison de la simplicité de la technologie. C’est dans cette optique qu’un collecteur de type linéaire de Fresnel d’une superficie de 7,5 m² de miroirs a été construit au laboratoire énergies renouvelables et efficacité énergétique (LabEREE). La construction du collecteur s’est faite en utilisant en priorité les matériaux disponibles localement afinde rendre la technologie plus accessible aux populations locales et de réduire les coûts de fabrication. Des tests sont effectués sur le collecteur afin de déterminer ses rendements optiques, thermiques et globaux. Dans un premier temps, une revue bibliographie des différents collecteurs de type linéaire de Fresnel nous a permis d’identifier les variantes, de cette technologie, les plus adaptées au contexte dela région . Un modèle thermique et un modèle optique ont été mis en place comme outils de dimensionnement et d’optimisation du collecteur. Les résultats expérimentaux obtenus ont été utilisés pour valider les différents modèles mis en place. Le rendement global du collecteur obtenu expérimentalement est de 21% et il a un facteur de concentration local de 6. / Among the different technologies of concentrated solar power plant, the linear Fresnel, thanks to its simplicity, appears the most adapted to rural area of Sub Sahara region. A linear Fresnel collector of 7.5 m² has been built in “laboratoire énergies renouvelables et efficacité énergétique (LabEREE)”. The collector have been designed using material available locally by local man power. This reduces the total cost of the technology and makes it affordable for local population. The collector has been characterized in order to find optical, thermal and global efficiencies. In first time, a review on different linear Fresnel collector allows finding the technology that is most adapted to the Sub-Saharan region. An optical and thermal model of the collector has been done as a tool for designing and optimisation. The experimental results enable to validate the different models done. The collector has an effective concentration factor of 6 and a global efficiency of 21%.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet français FUI8-ORIGIN qui vise à développer les performances des réseaux domestiques en apportant des solutions sans multi-Gigabits faiblement radiatives, économes et pérennes. La solution ORIGIN est caractérisée par l'action complémentaire de deux technologies: les communications sans fil 60 GHz, avec notamment la création récente en Janvier 2013 de la nouvelle norme WiFi 60GHz, et la mise en place d'une infrastructure Radio-sur-Fibre (RoF) afin d'étendre la propagation de ses signaux radio fortement atténués par l'atmosphère et les murs, au sein de l'ensemble de la maison. Cette thèse porte sur le développement des composants et modules optoélectroniques bas couts, permettant d'assurer ces contraintes. Le travail implique de couvrir de la puce semi-conducteur au modules et jusqu'au système intégré dans le démonstrateur. Les puces sélectionnées sont caractérisées de manière précise en développant des bancs de mesures adaptées aux applications analogiques RoF. Les performances RoF ont été évaluées et comparées en termes de réponse en fréquence, de bruit et de non-linéarités. Un dimensionnement complet de l'infrastructure Radio-sur-Fibre pour le démonstrateur est ensuite mené, intégrant et dimensionnant le bilan de liaison global à partir modules et cartes réalisés et développés par les partenaires du projet. Le module transmetteur Radio-sur-Fibre (TRoF) est ainsi conçu, assemblé et testé. Les performances du module ont été mesurées et simulées à chaque étape de la procédure d'intégration. Le démonstrateur final basé sur l'architecture multipoint-à-multipoint a été réalisée à l'aide d'un nœud central optoélectronique pour la répartition du signal et d'une Green Box permettant le contrôle de l'allumage des différentes pièces, et ainsi la rationalisation du rayonnement et de la consommation du système. Une transmission bidirectionnelle en temps réel entre deux dispositifs de Wireless HD commerciaux à ~3 Gbit/s a été démontrée. Dans une dernière section de cette thèse, des directions pour améliorer les lasers à cavité émettant par la surface (VCSEL) et les phototransistors SiGe sont explorées. Des VCSEL analogiques avec une bande passante de plus de 25 GHz sont développés avec la société Philips ULM Photonics et mesurés. Notre action s'est concentrée sur les dimensions latérales de la structure, en bénéficiant des améliorations des couches verticale de la part de ULM Photonics. Outre les dimensions du VCSEL propre, ce travail a aussi visé l'amélioration des lignes d'accès pour permettre à la fois une meilleure dissipation thermique et une meilleure adaptation réactive du VCSEL à son électronique amont. Une nouvelle technologie de couplage optique collective et passive est enfin proposée. Originale et brevetée à l'occasion de ce travail, elle permet le couplage optique vertical à la fibre optique multimode et monomode de dispositifs optoélectroniques de petites tailles, inférieurs à 10µm, ainsi permettant simultanément de réduire les pertes de couplage, d'augmenter la fréquence de fonctionnement des composants couplés en réduisant leur dimensions, et de réduire le coût et le temps de réalisation du couplage / Wireless communication technologies have become one of the most popular and indispensable part of people's lives in the recent years, offering mobility and services never before available from mobile communication until local network communication. This work is based on the frame of the French ORIGIN project and intended to explore the Home Area Network using the most recent Wi-Fi standard at 60 GHz with the goal to present a solution for the upcoming days where MultiGbit/s wireless communication will be required. The ORIGIN solution is characterized by the complementary action of two technologies: 60 GHz Wireless communication and Radio-over-Fiber (RoF) infrastructure. The project pretends to propose a real prototype based on RoF transducers and a Multipoint-to-Multipoint architecture to cover the entire house. This thesis covers from the single optoelectronic chip devices until the system implementation and the final demonstrator. The light source and the photodetector choice were very important since it dictated the RoF transducer architecture. Our choice was on 850 nm multimode devices (GaAs VCSEL and SiGe HPT) which allow relaxed constraints on the optical packaging and, therefore, low cost solutions. In terms of performances those devices are limited in a few tens of Gigahertz of bandwidth which was the reason for the intermediate frequency (IF) architecture. This thesis work addressed the electrical and optical interconnection of the optoelectronic chip devices. It explored the integration of hybrid amplification stages and passive networks within optoelectronic receivers and emitters. The optical packaging issues were addressed through a conventional coupling technique using a ball lens first. The die device performances were evaluated and compared with a packaged module in terms of frequency response, noise and nonlinearities. Since performances are usually measured as link performances we proposed a definition of the Opto-microwave figures of merit, such as Opto-microwave gain, noise, nonlinearities and EVM. They are presented and integrated into behavioral models, allowing both the individual performances extraction and system design. The integration of the RoF module in the system is the final part of this thesis. The performances were measured and simulated at each integration step. The final demonstrator based on the multipoint-to-multipoint architecture was implemented using an optoelectronic central node for the signal repartition and the Green Box for signal controlling. Real-time bidirectional transmission between two commercial WirelessHD devices at ~3 Gbit/s was validated. In a final section directions to improve VCSEL and SiGe HPT are explored. 25 GHz analogue VCSELs are explored with a focus on their dimensions, improved access and the potential of a suited matching approach. A novel collective and passive optical coupling technology is also proposed for both VCSEL and top illuminated detectors that couple smaller and faster devices