Dans le domaine de l’Aviation Civile, les motivations de recherches sont souvent guidées par la volonté d’améliorer la capacité de l’espace aérien grâce à la modernisation des moyens de navigation aérienne existants et aux nouvelles infrastructures. Ces buts peuvent être atteints en développant les services qui permettent des opérations d’approche et d’atterrissage plus robustes et plus fiables. La navigation par satellite, grâce au Global Navigation Satellite System (GNSS), a été reconnue comme un moyen performant de fournir des services de navigation aérienne [1] [2]. Le concept du GNSS requiert l’utilisation de moyen d’augmentations pour fournir une fonction de contrôle d’intégrité au vu des exigences [1] relatives aux applications critiques de type aviation civile. Un de ces moyen est le GBAS (Ground Based Augmentation System) et est standardisé par l’OACI pour fournir un service de navigation incluant les approches de précision allant jusqu’à la catégorie I incluse, en utilisant les constellations GPS ou GLONASS [3]. Des études sont en cours pour permettre d’étendre ce service jusqu’à la catégorie II/III avec le GPS L1 C/A, cependant des contraintes sont apparues lors de la surveillance de la ionosphère. Grâce à la modernisation du GPS et GLONASS et aux futures constellations Galileo et Beidou, les futurs GNSS utilisant de multiples constellations et de multiples fréquences (MC/MF) sont étudiés. Les activités de recherches européennes se sont appuyées sur la constellation GPS et sur la future constellation Galileo. Ce MC/MF GBAS devrait permettre de nombreuses améliorations comme un meilleur modèle des retards atmosphériques. Cependant, des challenges doivent être résolus avant d’atteindre les bénéfices potentiels. Dans ce travail de thèse, 2 principaux sujets en rapport avec le GBAS ont été traités, la transmission des données de corrections avec le MC/MF GBAS et l’impact des biais troposphériques avec le SC/SF et MC/MF GBAS. Dû aux contraintes portant sur le format des messages transmis à l’utilisateur via l’unité VDB [4], une nouvelle approche est nécessaire pour permettre l’élaboration du MC/MF GBAS. Une des solutions proposée dans cette thèse est de transmettre les corrections et les données d’intégrité à l’utilisateur dans des messages séparés à des fréquences différentes. De plus, ce travail de thèse remet en question la modélisation de l’atmosphère et particulièrement celle de la troposphère dans des conditions nominales que non-nominales en se concentrant d’abord sur le calcul du pire gradient troposphérique avant de développer les précédents travaux pour borner cette menace dans le but de protéger l’utilisateur. En vue du futur MC/MF GBAS, une nouvelle approche s’est avérée nécessaire. Ainsi, dans ce projet de thèse, des modèles météorologiques numériques (NWMs) sont utilisés pour estimer intégralement la composante horizontale du pire gradient troposphérique. Une méthode innovante pour rechercher les pires gradients troposphériques horizontaux est utilisée pour déterminer les biais qu’ils induisent impactant les avions visant une approche de Cat II/III avec le GBAS. Un modèle de ces pires biais de mesures troposphériques différentiels horizontaux dépendant de l’élévation des satellites pour 2 régions européennes est alors développé. La composante verticale est aussi modélisée grâce à une étude statistique qui compare les données réelles au modèle standard. Un modèle du biais différentiel total non corrigé est développé et doit être introduit dans le calcul des niveaux de protections sous des conditions nominales. Pour borner l’impact de la troposphère sur l’erreur de position tout en se focalisant sur le souhait d’avoir un nombre de données transmises à l’utilisateur faible, différentes solutions conservatives ont été développées où au minimum 3 paramètres, définis selon leur région géographique d’utilisation, doivent être transmis à l’utilisateur. / In the Civil Aviation domain, research activities aim to improve airspace capacity and efficiency whilst meeting stringent safety targets. These goals are met by improving performance of existing services whilst also expanding the services provided through the development of new Navigation Aids. One such developmental axe is the provision of safer, more reliable approach and landing operations in all weather conditions. The Global Navigation Satellite System (GNSS) has been identified as a key technology in providing navigation services to civil aviation users [1] [2] thanks to its global coverage and accuracy. The GNSS concept includes the provision of an integrity monitoring function by an augmentation system to the core constellations. This is needed to meet the required performances which cannot be met by the stand-alone constellations. One of the three augmentation systems developed within civil aviation is the GBAS (Ground Based Augmentation System) and is currently standardized by the ICAO to provide precision approach navigation services down to Cat I using the GPS or GLONASS constellations [3]. Studies on-going with the objective to extend the GBAS concept to support Cat II/III precision approach operations with GPS L1 C/A, however some difficulties have arisen regarding ionospheric monitoring. With the deployment of Galileo and Beidou alongside the modernization of GPS and GLONASS, it is envisaged that the GNSS future will be multi-constellation (MC) and multi-frequency (MF). European research activities have focused on the use of GPS and Galileo. The MC/MF GBAS concept should lead to many improvements such as a better modelling of atmospheric effects but several challenges must be resolved before the potential benefits may be realized. Indeed, this PhD has addressed two key topics relating to GBAS, the provision of corrections data within the MC/MF GBAS concept and the impact of tropospheric biases on both the SC/SF and MC/MF GBAS concepts. Due to the tight constraints on GBAS ground to air communications link, the VDB unit, a novel approach is needed. One of the proposals discussed in the PhD project for an updated GBAS VDB message structure is to separate message types for corrections with different transmission rates. Then, this PhD argues that atmospheric modelling with regards to the troposphere has been neglected in light of the ionospheric monitoring difficulties and must be revisited for both nominal and anomalous scenarios. The thesis focuses on how to compute the worst case differential tropospheric delay offline in order to characterize the threat model before extending previous work on bounding this threat in order to protect the airborne GBAS user. In the scope of MC/MF GBAS development, an alternative approach was needed. Therefore, in this PhD project, Numerical Weather Models (NWMs) are used to assess fully the worst case horizontal component of the troposphere. An innovative worst case horizontal tropospheric gradient search methodology is used to determine the induced ranging biases impacting aircraft performing Cat II/III precision approaches with GBAS. This provides as an output a worst case bias as a function of elevation for two European regions.The vertical component is also modelled by statistical analysis by comparing the truth data to the GBAS standardized model for vertical tropospheric correction up to the height of the aircraft. A model of the total uncorrected differential bias is generated which must be incorporated within the nominal GBAS protection levels. In order to bound the impact of the troposphere on the positioning error and by maintaining the goal of low data transmission, different solutions have been developed which remain conservative by assuming that ranging biases conspire in the worst possible way. Through these techniques, it has been shown that a minimum of 3 parameters may be used to characterize a region’s model.

Une des techniques pour obtenir des images de structures hétérogènes ou d'objets enfouis dans un milieu (sol, murs, ...) repose sur la mesure du champ électromagnétique diffracté par les inhomo-généités lorsqu'elles sont soumises à une illumination incidente. Cela nécessite la mise en oeuvre d'un système d'acquisition microonde doté d'un réseau de capteurs linéaire ou plan. Ses critères de conception sont dictés par les algorithmes d'imagerie qui nécessitent le plus souvent des données multifréquences acquises sur une large fenêtre d'observation. Ce travail de thèse repose sur la caractérisation, le calibrage et la validation expérimentale d'un prototype d'imageur multistatique ultra large bande. Un descriptif des systèmes actuels d'imagerie microonde a permis tout d'abord de valider les critères retenus pour le cahier des charges initial et de décrire les considérations associées à un problème de détection subsurface. Le Système d'Imagerie Microonde à Impulsions Synthétiques (SIMIS), dévelopé au LEAT, est caractérisé par ses performances théoriques, et une attention particulière a porté sur l'optimisation de la dynamique de détection. Afin de corriger les erreurs systématiques, le calibrage du radar est accompli sur chaque module successivement, puis, plusieurs études portant sur les erreurs de dérive et les erreurs aléatoires sont proposées. Le système est ensuite utilisé en chambre anéchoïque pour la détection de cibles canoniques (un cylindre métallique et un parallélépipède diélectrique) dans une configuration 2D-TM. La détection des deux objets est confirmée par l'observation d'hyperboles de diffraction sur des images apparentées B-scan. Une modification du système est effectuée et validée afin de réduire le couplage inter-antennes au sein du réseau de transducteurs. Cela permet, le cas échéant, de détecter les cibles à partir de la seule mesure du champ total. Les premiers résultats en imagerie qualitative sont obtenus par la technique du miroir à retournement temporel. Dans le domaine fréquentiel, l'utilisation de la méthode DORT (Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel) a permis également de détecter les cibles lorsque la longueur d'onde est comparable à leur dimension transverse.

Dans nombre d'applications thérapeutiques des ultrasons, il peut être intéressant d'augmenter l'activité de cavitation inertielle tout en limitant au maximum les intensités utilisées : ceci permet de maximiser les effets mécaniques des ultrasons au niveau des tissus visés tout en minimisant les échauffements des tissus environnants. L'étude expérimentale présentée ici ² porte sur la modification des seuils de cavitation inertielle et de l'activité de cavitation au-delà du seuil lorsqu'un signal bifréquentiel comportant deux composantes fréquentielles proches est utilisé. Le caractère non linéaire de la modification du seuil est démontré. Ainsi, des réductions significatives de l'intensité nécessaire à l'obtention de cavitation inertielle peuvent être obtenues dans des milieux où les seuils sont élevés. De plus, l'évolution de l'activité de cavitation lorsque l'intensité ultrasonore est augmentée au-delà du seuil montre qu'avec une excitation bifréquentielle, de fortes activités de cavitation peuvent être atteintes pour des intensités plus proches du seuil. Ce point présente un double intérêt sur le plan de l'application pratique, puisque cela signifie une meilleure séparation des régimes cavitant et non cavitant et permet de réduire encore, par rapport à une excitation monofréquentielle, les intensités requises pour atteindre une activité de cavitation donnée. Des essais sur modèle de caillots sanguins ont permis de valider in vitro l'efficacité de cette excitation bifréquentielle pour la thrombolyse purement ultrasonore.

La mesure de Matières En Suspension (MES) est cruciale autant pour comprendre les transferts sédimentaires que pour les études des écosystèmes marins. Elles sont classiquement mesurées ponctuellement par des prélèvements d’eau in situ, ou à partir des propriétés optiques de l’eau. Mais depuis plusieurs décennies, les appareils acoustiques, ont montré leur capacité à mesurer ces MES sur de plus grands volumes. Ces mesures, en particulier celles de la concentration, s’appuient sur les propriétés de rétrodiffusion des particules. Mais ces mesures demeurent peu représentatives dans la mesure où le contenu en MES dans la colonne d’eau varie à différentes échelles de temps et d’espace. Dans un premier temps, ces travaux de thèse visent à montrer à travers des mesures in situ réalisées dans l’estuaire de l’Aulne qu’il est possible d’étendre spatialement la mesure par inversion des données issues de sondeurs multifaisceaux (SMF). Un modèle de rétrodiffusion adapté à la suspension d’intérêt, constituée dans cette étude d’agrégats estuariens, est d’abord élaboré. Puis grâce à des observations issues d’un profileur multifréquences, la concentration massique en MES, distribuée par classes de tailles, a pu être déterminée par la résolution d’un problème inverse. Ces informations permettent de déterminer les rayons équivalents de la suspension, grâce auxquels les données issues du SMF, au préalable calibrées par une méthode innovante, peuvent être inversées de manière directe. Une étude des incertitudes attachées aux valeurs de concentrations estimées est par la suite proposée afin de qualifier la pertinence des résultats. Puis dans un second temps, les conditions nécessaires à l’établissement d’un protocole de mesure des MES par système multi-capteur sont identifiées. Ce dernier permet la caractérisation en continu des MES à différentes échelles de temps et d’espace, en exploitant la complémentarité des mesures issues des différents instruments. / Measuring Suspended Particulate Matter (SPM) is essential to better understand sediment transport and marine ecosystems. SPM is traditionnaly estimated through in situ water samples analysis, or based on the optical properties of water. Yet for several decades, acoustical devices have shown their capability to measure SPM on larger volumes. These measurements (especially in terms of SPM concentration) are based on the backscattering properties of the particles. However, these measurements remain limited, since the SPM content in the water column is subjected to variations on both spatial and temporal scales.As a first step, this work aims at showing that it is possible to increase the degree of spatialization of the SPM measurements by inverting MultiBeam EchoSounder (MBES) data, through in situ measurements acquired in the Aulne macrotidal estuary. A backscattering model was first designed to describe the backscattering properties of the suspension of interest, consisting in this study in estuarine agregates. Then, thanks to multifrequency observations, the SPM mass concentration sorted by size classes was retrieved through the the resolution of the inverse problem. This kind of information allows to determine the equivalent spherical radius of the the whole suspension, through which the MBES data, calibrated beforehand using an original method, can be directly inverted. Subsequently, a study of the uncertainties attached to the final concentration estimate is proposed in order to qualify the relevance of the results.In a second step, the necessary conditions for establishing a measurement protocol of the SPM are identified. The latter allows continuous characterization of SPM at different spatial and temporal scales, by exploiting the complementarity of the measures delivered by different instruments.

Dans nombre d’applications thérapeutiques des ultrasons, il peut être intéressant d’augmenter l’activité de cavitation inertielle tout en limitant au maximum les intensités utilisées : ceci permet de maximiser les effets mécaniques des ultrasons au niveau des tissus visés tout en minimisant les échauffements des tissus environnants. L’étude expérimentale présentée ici ² porte sur la modification des seuils de cavitation inertielle et de l’activité de cavitation au-delà du seuil lorsqu’un signal bifréquentiel comportant deux composantes fréquentielles proches est utilisé. Le caractère non linéaire de la modification du seuil est démontré. Ainsi, des réductions significatives de l’intensité nécessaire à l’obtention de cavitation inertielle peuvent être obtenues dans des milieux où les seuils sont élevés. De plus, l’évolution de l’activité de cavitation lorsque l’intensité ultrasonore est augmentée au-delà du seuil montre qu’avec une excitation bifréquentielle, de fortes activités de cavitation peuvent être atteintes pour des intensités plus proches du seuil. Ce point présente un double intérêt sur le plan de l’application pratique, puisque cela signifie une meilleure séparation des régimes cavitant et non cavitant et permet de réduire encore, par rapport à une excitation monofréquentielle, les intensités requises pour atteindre une activité de cavitation donnée. Des essais sur modèle de caillots sanguins ont permis de valider in vitro l’efficacité de cette excitation bifréquentielle pour la thrombolyse purement ultrasonore. / Enhancing cavitation activity using lower acoustic intensities is interesting to a variety of therapeutic applications, where the mechanical effects of cavitation are required with minimal heating of surrounding tissues. The present experimental work is focused on the modification of the inertial cavitation threshold and on the cavitation activity beyond the threshold where an excitation signal made of two neighbouring frequency components is used. A significant reduction of the acoustic intensity required to trigger cavitation can be obtained in a medium with a strong cavitation threshold. Moreover, comparing the evolution of the cavitation activity beyond the threshold where mono- and bi-frequency excitations are used, it is shown, in the latter case, that strong activities can be reached with intensities closer to the threshold value. This fact would offer a dual-benefit in terms of therapeutic applications, as it enables a better separation between the cavitating and non-cavitating regime and allows lower intensities to be used to attain a given cavitation activity. The evolution of the bifrequency threshold as function of the external parameters shows that the mechanisms involved are nonlinear. Experiments on in vitro blood clot models have validated the efficiency of this bifrequency excitation for purely ultrasound thrombolysis

L'étude de la composition corporelle permet notamment le suivi des volumes en eau du corps, du taux d'hydratation, ainsi que celui de la masse grasse, de la masse musculaire et de la masse cellulaire active. La bioimpédance permet d'accéder à ces informations de façon non invasive, indolore et peu coûteuse. Notre objectif a été de développer de nouvelles fonctionnalités pour un prototype de pèse-personne impédancemètre, souhaitant apporter ainsi des outils complémentaires au personnel médical. Pour ce faire, nous avons étudié des populations d'enfants et d'adultes sains et pathologiques. Nous avons utilisé un impédancemètre multifréquence, un prototype de pèse-personne impédancemètre permettant d'obtenir en plus de la masse grasse, les résistances à basse et haute fréquence, ainsi qu'un DEXA. Nous avons ainsi développé des équations permettant au prototype de donner les volumes en eau extracellulaire et totale, en plus de la masse maigre du corps. Nous avons aussi confirmé l'intérêt de paramètres tels que la phase ou la masse cellulaire pour le suivi de la dénutrition ou proposé de nouveaux indices tels que le rapport de la résistance extracellulaire sur la résistance à fréquence infinie. Nous avons aussi montré la fiabilité de l'impédancemétrie pour le suivi de surcharges hydriques et des thérapies associées.

Nous présentons dans cette thèse la définition, la réalisation et les tests d'un radar V.H.F. multifréquence et multipolarisation, travaillant dans une gamme allant de 20 à 100 MHz. <br />Ce système dénommé M.O.S.A.R. (Maquette Orientée pour un Système d'Analyse de Résonances) a pour objectif la mesure des sections efficaces radars d'avions dans cette gamme de fréquence, afin de fournir l'ensemble des connaissances qui permettront de concevoir un futur radar opérationnel, destiné à la détection et à l'identification des cibles aériennes.<br />Dans un premier temps, nous définissons les caractéristiques principales du système, telles que la largeur de l'impulsion émise, la période de récurrence, le nombre de fréquences utilisées, ... . Ensuite, nous construisons un radar à impulsions, monostatique, cohérent, commandé par ordinateur, capable de mesurer et d'enregistrer les signaux rétrodiffusés par des avions. Ce système emploie deux réseaux d'antennes différents pour l'émission et la réception, chacun de ces réseaux utilisant respectivement quatre antennes log-périodiques dipolaires. Les informations relatives aux cibles (amplitude, phase et fréquence Doppler) sont ensuite extraites par une analyse spectrale non linéaire haute résolution.<br />Nous évaluons les performances du radar et précisons les limites du système. Enfin, des résultats expérimentaux sont présentés et confirment les choix dans la définition et la réalisation du radar.

Les travaux de cette thèse concernent l'analyse des signatures de cibles aériennes dans le domaine des basses fréquences, à l'aide du radar HF-VHF multifréquence et multipolarisation MOSAR. On considère en particulier les possibilités de reconnaissance de cibles par le comportement de la surface équivalente radar (SER) dans cette bande de fréquence où les cibles ne peuvent être furtives. <br />Dans un premier temps, les capacités du radar MOSAR sont décrites, ainsi que les évolutions et améliorations que le système a subi pour atteindre un fonctionnement optimal. Ensuite, une première analyse est effectuée sur les campagnes de mesures. Elle met en évidence les difficultés de caractériser les cibles par une signature sans la connaissance de leur trajectoire. <br />Dans un second temps, les possibilités de développement de modèles numériques d'avions sont étudiées, pour essayer de mieux caractériser la SER des cibles dans la bande de fréquence utilisée. Un modèle d'avion commercial est réalisé et est évalué par comparaison à des mesures effectuées en chambre anéchoïde. Ses performances ont permis de quantifier l'influence de la trajectoire sur les signatures des cibles et de confirmer les observations.<br />Finalement, les possibilités de classification de cibles sont considérées. A cet effet, deux méthodes de classification sont utilisées : la méthode du plus proche voisin et la méthode du réseau de neurones perceptron multicouche (MLP). L'importance du choix des critères discriminants, ainsi que du nombre de fréquences émises, est mise en évidence, et l'application de ces méthodes aux données du système MOSAR est discutée.

La thèse porte sur l'excitation multifréquence dans les décharges capacitives basse pression utilisées pour la gravure en microélectronique. L'intérêt majeur que représente l'utilisation d'une décharge capacitive excitée à deux fréquences provient du fait qu'elle est susceptible d'offrir un contrôle indépendant entre l'énergie des ions et le flux des ions. Dans la première partie j'ai développé un modèle global analytique basé sur (i) un modèle d'une gaine de charge d'espace capacitive, inhomogène, et excitée à deux fréquences, (ii) un modèle de chauffage dans ces gaines (ohmique et stochastique). Les résultats de ce modèle montrent que le chauffage couple dans la gaine de charge d'espace la composante basse fréquence et la composante haute fréquence ce qui a pour conséquence que le flux et l'énergie des ions ne sont pas indépendants. Cette affirmation a été validée par l'obtention des lois d'échelles relatives à l'énergie des ions et au flux des ions. A haute fréquence nous pouvons voir la décharge comme la propagation d'une onde de surface du centre du plasma vers la périphérie à l'interface plasma-gaine de charge d'espace. Lorsque la longueur d'onde dans le plasma λ correspondant à la plus haute fréquence d'excitation est de l'ordre des dimensions des électrodes, alors des effets électromagnétiques apparaissent. Il s'agit de l'effet d'onde stationnaire (λ

L'étude de la composition corporelle permet notamment le suivi des volumes en eau du corps, du taux d'hydratation, ainsi que celui de la masse grasse, de la masse musculaire et de la masse cellulaire active. La bioimpédance permet d'accéder à ces informations de façon non invasive, indolore et peu coûteuse. Notre objectif a été de développer de nouvelles fonctionnalités pour un prototype de pèse-personne impédancemètre, souhaitant apporter ainsi des outils complémentaires au personnel médical. Pour ce faire, nous avons étudié des populations d'enfants et d'adultes sains et pathologiques. Nous avons utilisé un impédancemètre multifréquence, un prototype de pèse-personne impédancemètre permettant d'obtenir en plus de la masse grasse, les résistances à basse et haute fréquence, ainsi qu'un DEXA. Nous avons ainsi développé des équations permettant au prototype de donner les volumes en eau extracellulaire et totale, en plus de la masse maigre du corps. Nous avons aussi confirmé l'intérêt de paramètres tels que la phase ou la masse cellulaire pour le suivi de la dénutrition ou proposé de nouveaux indices tels que le rapport de la résistance extracellulaire sur la résistance à fréquence infinie. Nous avons aussi montré la fiabilité de l'impédancemétrie pour le suivi de surcharges hydriques et des thérapies associées.