This thesis has two major objectives. The first objective is to investigate the seasonal and diurnal variations in occurrence of HF coherent echoes. We assess F-region echo occurrence rates for the PolarDARN HF radars at Inuvik (INV) and Rankin Inlet (RKN) and the auroral zone SuperDARN radars at Saskatoon (SAS) and Prince George (PGR) for the period of 2007-2010. We show that the INV and RKN PolarDARN radars show comparable rates of echo occurrence all the time and they detect 1.5-2.5 times more echoes through ½-hop propagation mode (MLATs=80°-85°) than the SAS and PGR SuperDARN radars through 1½-hope propagation mode (MLATs=75°-80°). For all four radars, the winter occurrence rates are about ~2 times higher than the summer rates. For observations in the dusk, midnight and dawn sectors, equinoctial maxima are evident. The pattern of echo occurrence in terms of MLT/season is about the same for all radars with clear maxima near noon during winters and summers and enhanced (as compared to other time of the day) occurrence rates during equinoctial dusk and dawn hours. Additionally, to investigate the effect of solar cycle on occurrence of F-region echoes, we consider the near noon and near midnight echo occurrence rates for the Saskatoon radar over the period of 1994-2010. We show that there is a strong, by a factor of ~10, increase in SAS night-side echo occurrence towards solar maximum. The effect does not exist for the dayside echoes; moreover, a decrease in number of echoes, by a factor of ~2, was discovered for the declining phase of the solar cycle. The second objective is to evaluate the electron density and the electric field as factors controlling the occurrence of F-region echoes. We use observations of these two ionospheric parameters measured by CADI ionosonde and RKN observations of echo occurrence rates over Resolute Bay (MLAT=83°). We show that there is a correlation in changes of echo occurrence and electron density changes for 3 years of radar-ionosonde joint operation (2008-2010). The comparison of radar-ionosonde data shows that the enhanced echo occurrence at near noon hours during summer months correlate with the enhanced electric field during these periods.

This thesis describes the construction of a mobile Insect Monitoring Radars (IMR) and investigations of: the reliability of IMRs for observing insect migration in inland Australia; possible biases in IMR migration estimates; the relation between an insect???s size and its radar properties; radar discrimination between insect species; the effect of weather on the migrations of Australian plague locusts and of moths; the scale of these migrations; and here IMRs are best located. The principles of entomological radar design, and the main features of insect migration in inland Australia, are reviewed. The main procedures used in the study are: calculation of radar performance and of insect radar cross sections (RCSs); reanalysis of a laboratory RCS dataset; statistical analysis of a fouryear dataset of IMR and weather observations; and a field campaign using both two existing fixed IMRs and the new mobile unit. Statistical techniques used include correlation, multiple regression, discriminant analysis, and principal components analysis. The original results of this work include design details of the mobile IMR, extension of radar performance calculations to IMRs and evaluation of flight speed biases, a holistic approach to IMR design, the relation of insect RCS magnitudes and polarization patterns to morphological variables, an estimate of the accuracy of the retrieved parameters, evaluations of three approaches (oneparameter, theory-based, and a novel two-stage method) to target identification, and verification of inferred target identities using results from nearby light traps. Possible sites for future IMRs are identified. The major conclusions are that: a mobile IMR can be built with a performance equal to that of a fixed IMR but at half the cost; significant biases in the signal processing results arise from insect speed; locusts and moths can be distinguished if all RCS parameters are used; IMRs can be designed to match particular requirements; weather has a significant effect on insect migration, the best single predictor of insect numbers being temperature; moonlight has no effect; the spatial correlation of migration properties falls to 50% at a separation of 300 km; and migrating insects can be carried by the wind for 500 km in a single night

Réduire la vulnérabilité et accroître la résilience des sociétés d'aujourd'hui aux fortes précipitations et inondations exige de mieux caractériser leur très forte variabilité spatio-temporelle observable sur une grande gamme d'échelle. Nous mettons donc en valeur tout au long de cette thèse l'intérêt méthodologique d'une approche multifractale comme étant la plus appropriée pour analyser et simuler cette variabilité. Cette thèse aborde tout d'abord le problème de la qualité des données, qui dépend étroitement de la résolution temporelle effective de la mesure, et son influence sur l'analyse multifractale et la détermination de lois d'échelle des processus de précipitations. Nous en soulignons les conséquences pour l'hydrologie opérationnelle. Nous présentons la procédure SERQUAL qui permet de quantifier cette qualité et de sélectionner les périodes correspondant aux critères de qualité requise. Un résultat surprenant est que les longues chronologies de pluie ont souvent une résolution effective horaire et rarement de 5 minutes comme annoncée. Ensuite, cette thèse se penche sur les données sélectionnées pour caractériser la structure temporelle et le comportement extrême de la pluie. Nous analysons les sources d'incertitudes dans les méthodes multifractales « classiques » d'estimation des paramètres et nous en déduisons des améliorations pour tenir compte, par exemple, de la taille finie des échantillons et des limites de la dynamique des capteurs. Ces améliorations sont utilisées pour obtenir les caractéristiques multifractales de la pluie à haute résolution de 5 minutes pour plusieurs départements de la France (à savoir, les départements 38, 78, 83 et 94) et pour aborder la question de l'évolution des précipitations durant les dernières décennies dans le cadre du changement climatique. Cette étude est confortée par l'analyse de mosaïques radars concernant trois événements majeurs en région parisienne. Enfin, cette thèse met en évidence une autre application des méthodes développées, à savoir l'hydrologie karstique. Nous discutons des caractéristiques multifractales des processus de précipitation et de débit à différentes résolutions dans deux bassins versant karstiques au sud de la France. Nous analysons, en utilisant les mesures journalière, 30 minutes et 3 minutes, la relation pluie-débit dans le cadre multifractal. Ceci est une étape majeure dans la direction d'une définition d'un modèle multi-échelle pluie-débit du fonctionnement des bassins versants karstiques / To reduce vulnerability and to increase resilience of nowadays societies to heavy precipitations and floods require better understanding of their very strong spatio-temporal variability observable over a wide range of scales. Therefore, throughout this thesis we highlight the methodological interest of a multifractal approach as being most appropriate to analyze and to simulate such the variability. This thesis first discusses the problem of data quality, which strongly depends on the effective temporal resolution of the measurements, and its influence on multifractal analysis determining the scaling laws of precipitation processes. We emphasize the consequences for operational hydrology. We present the SERQUAL procedure that allows to quantify the data quality and to select periods corresponding to the required quality criteria. A surprising result is that long chronological series of rainfall often have an effective hourly data, rather than the pretended 5-minute rainfall data. Then, this thesis focuses on the selected data to characterize the temporal structure and extreme behaviour of rainfall. We analyze the sources of uncertainties of already "classical" multifractal methods for the parameter estimates, and we therefore developed their improvements considering e.g., the finite size of data samples and the limitation of sensor dynamics. These improvements are used to obtain proper multifractal characteristics of 5-minute high-resolution rainfall for several French departments (i.e., 38, 78, 83 and 94), and hence to raise the question of preicipitation evolution during the last decades in the context of climate change. This study is reinforced by the analysis of radar mosaics for three major events in the Paris region. Finally, this thesis highlights another application of the developed methods, i.e. for the karst hydrology. We discuss the multifractal characteristics of rainfall and runoff processes observed at the different resolutions in two karst watersheds on the south of France. Using daily, 30-minute and 3-minute measurements we analyse the rainfall-runoff relationships within the multifractal framework. This is a major step towards defining a rainfall-runoff multi-scale model of the karst watershed functioning

<p>Basic radar systems use electromagnetic wave reflections from targets to determine the motion characteristics of these targets. Synthetic Aperture Radar (SAR) systems use the reflections to produce target images as well. SAR is an imaging radar system that produces high resolution images of a scene or target by using radar motion to synthesize the antenna aperture. A SAR model to handle extended targets and point targets in faster time is presented, as are some simulated results. This thesis explains synthetic aperture concepts, the model used and a simulation of a SAR system. It runs through modelling point targets as well as extended targets by using the resolution cells of the radar, creating the raw signal data from the target information and then the signal processing that converts the raw data to a SAR image. The simulation was done for better understanding of synthetic aperture parameters and it was done in C++ programming language for improved processing speed. In comparison to previous simulations obtained from literature review, there is an increase in speed of more than 2.5 times as the number of targets increases, producing higher resolution images in less time. A model to handle extended targets was presented while also showing the imperfections due to the model assumptions. These assumptions are then explained as the best option in the absence of extra geographic information on the target scene.</p> / Master of Applied Science (MASc)

Ce travail de thèse porte sur la modélisation des ionosphères planétaires comme celle de la Terre et de Titan à travers les processus de transport cinétique des électrons et des protons. La modélisation des ions doublement chargés N2++, O2++ et O++ créés par photoionisation a constitué la première étape de ce travail. Les résultats de la simulation sont comparés avec succès aux seules données disponibles sur Terre pour O++. De cette validation expérimentale, nous prédisons ainsi la présence d'ions moléculaires doublement chargés dans l'ionosphère de la Terre et de Titan. Dans un deuxième temps, nous détaillons la genèse du modèle d'ionosphère TRANS4, à travers le couplage et l'optimisation de différents codes de transport cinétique et fluide capables de modéliser simultanément les précipitations d'électrons et de protons. Ce modèle constitue un outil unique et cohérent de diagnostic de l'impact combiné des protons et des électrons sur l'ionosphère en permettant notamment le calcul des profils de raies Balmer de l'hydrogène. La comparaison aux données a permis ensuite une approche quantitative du comportement de l'ionosphère soumis à un événement actif proton-électrons, sous le triple angle des données radar, satellite et optique. Les perspectives sont nombreuses et le portage du code dans d'autres ionosphères telles Titan, Mars ou Vénus est une voie de recherche privilégiée, qui coïncide avec les mesures en direct des sondes Cassini, Mars Express et Vénus Express. Une collaboration étroite avec le Laboratoire de Chimie Physique (LCP, Orsay) ainsi qu'avec les universités d'Oslo et de Svalbard (UNIS) a été menée tout au long de ce travail.

Nous avons caractérisé et estimé les erreurs du modèle océanique barotrope MOG2D en réponse aux incertitudes sur les forçages météorologiques à haute fréquence (pression et vent ARPEGE), dans le Golfe de Gascogne et la Manche. Les covariances d'erreur sont obtenues par méthode d'ensemble sous forme d'EOFs d'ensemble multivariés. En Manche, les erreurs océaniques sont fortement liées aux erreurs de vent, tandis que sur le Golfe de Gascogne elles sont surtout contrôlées par les incertitudes sur la pression. Puis ces statistiques d'erreur sont utilisées dans le système d'assimilation de données à ordre réduit SEQUOIA/MOG2D pour évaluer le contrôle du modèle via des expériences jumelles, dans différentes configurations du système et dans plusieurs scenarii de réseau d'observation in situ et altimétriques. Moyennant une correction du forçage atmosphérique, les réseaux marégraphiques permettent un contrôle efficace de l'erreur modèle et apparaissent complémentaires des réseaux de radars HF.

In this thesis, improving the performance of the automatic recognition of the Doppler radar targets is studied. The radar used in this study is a ground-surveillance doppler radar. Target types are car, truck, bus, tank, helicopter, moving man and running man. The input of this thesis is the output of the real doppler radar signals which are normalized and preprocessed (TRP vectors: Target Recognition Pattern vectors) in the doctorate thesis by Erdogan (2002). TRP vectors are normalized and homogenized doppler radar target signals with respect to target speed, target aspect angle and target range. Some target classes have repetitions in time in their TRPs. By the use of these repetitions, improvement of the target type classification performance is studied. K-Nearest Neighbor (KNN) and Support Vector Machine (SVM) algorithms are used for doppler radar target classification and the results are evaluated. Before classification PCA (Principal Component Analysis), LDA (Linear Discriminant Analysis), NMF (Nonnegative Matrix Factorization) and ICA (Independent Component Analysis) are implemented and applied to normalized doppler radar signals for feature extraction and dimension reduction in an efficient way. These techniques transform the input vectors, which are the normalized doppler radar signals, to another space. The effects of the implementation of these feature extraction algoritms and the use of the repetitions in doppler radar target signals on the doppler radar target classification performance are studied.

Honeywell Technology Solutions Lab, India / Weather is a major contributing factor in aviation accidents, incidents and delays. Doppler weather radar has emerged as a potent tool to observe weather. Aircraft carry onboard radars but their range and angular resolution are limited. Networks of ground-based weather radars provide extensive coverage of weather over large geographic regions. It would be helpful if these data can be transmitted to the pilot. However, these data are highly voluminous and the bandwidth of the ground-air communication links is limited and expensive. Hence, these data have to be compressed to an extent where they are suitable for transmission over low-bandwidth links. Several methods have been developed to compress pictorial data. General-purpose schemes do not take into account the nature of data and hence do not yield high compression ratios. A scheme for extreme compression of weather radar data is developed in this thesis that does not significantly degrade the meteorological information contained in these data. The method is based on contour encoding. It approximates a contour by a set of systematically chosen ‘control points’ that preserve its fine structure up to a certain level. The contours may be obtained using a thresholding process based on NWS or custom reflectivity levels. This process may result in region and hole contours, enclosing `high' or `low' areas, which may be nested. A tag bit is used to label region and hole contours. The control point extraction method first obtains a smoothed reference contour by averaging the original contour. Then the points on the original contour with maximum deviation from the smoothed contour between the crossings of these contours are identified and are designated as control points. Additional control points are added midway between the control point and the crossing points on either side of it, if the length of the segment between the crossing points exceeds a certain length. The control points, referenced with respect to the top-left corner of each contour for compact quantification, are transmitted to the receiving end. The contour is retrieved from the control points at the receiving end using spline interpolation. The region and hole contours are identified using the tag bit. The pixels between the region and hole contours at a given threshold level are filled using the color corresponding to it. This method is repeated till all the contours for a given threshold level are exhausted, and the process is carried out for all other thresholds, thereby resulting in a composite picture of the reconstructed field. Extensive studies have been conducted by using metrics such as compression ratio, fidelity of reconstruction and visual perception. In particular the effect of the smoothing factor, the choice of the degree of spline interpolation and the choice of thresholds are studied. It has been shown that a smoothing percentage of about 10% is optimal for most data. A degree 2 of spline interpolation is found to be best suited for smooth contour reconstruction. Augmenting NWS thresholds has resulted in improved visual perception, but at the expense of a decrease in the compression ratio. Two enhancements to the basic method that include adjustments to the control points to achieve better reconstruction and bit manipulations on the control points to obtain higher compression are proposed. The spline interpolation inherently tends to move the reconstructed contour away from the control points. This has been somewhat compensated by stretching the control points away from the smoothed reference contour. The amount and direction of stretch are optimized with respect to actual data fields to yield better reconstruction. In the bit manipulation study, the effects of discarding the least significant bits of the control point addresses are analyzed in detail. Simple bit truncation introduces a bias in the contour description and reconstruction, which is removed to a great extent by employing a bias compensation mechanism. The results obtained are compared with other methods devised for encoding weather radar contours.

Au cours des deux dernières décennies, les signaux chaotiques ont été de plus en plus pris en compte dans les télécommunications, traitement du signal ou transmissions sécurisées. De nombreux articles ont été publiés qui étudient la densité spectrale de puissance (DSP) des signaux générés par des transformations spécifiques. La concentration sur la DSP est due à l'importance de la fréquence dans les télécommunications et la transmission sécurisée. Grâce au grand nombre de systèmes sans fil, la disponibilité des fréquences de transmission et de réception est de plus en plus rare pour les communications sans fil. Aussi, les médias guidés ont des limitations liées à la bande passante du signal. Dans cette thèse, nous étudions certaines propriétés associées à la bifurcation collision de frontière pour une transformation unidimensionnelle linéaire par morceaux avec trois pentes et deux paramètres. Nous calculons les expressions analytiques de l'autocorrélation et de la densité spectrale de puissance des signaux chaotiques générés par les transformations linéaires par morceaux. Nous montrons l'existence d'une forte relation entre les différents types de densité spectrale de puissance (passe-bas, passe-haut ou coupe-bande) et les paramètres de bifurcation. Nous notons également en évidence une relation entre le type de spectre et l'ordre des cycles attractifs. Le type du spectre dépend de l'existence des orbites périodiques au-delà de la bifurcation de collision de frontière qui a donné naissance au chaos. Nous utilisons ensuite les transformations chaotiques pour étudier la fonction d'ambiguïté. Nous combinons quelques transformations chaotiques bien déterminées pour obtenir un spectre large bande avec une bonne fonction d'ambiguïté qui peut être utilisée en système radar.

Avec l’avènement de nouvelles techniques d’acquisition d’image et l’émergence des systèmes satellitaires à haute résolution, les données de télédétection à exploiter sont devenues de plus en plus riches et variées. Leur combinaison est donc devenue essentielle pour améliorer le processus d’extraction des informations utiles liées à la nature physique des surfaces observées. Cependant, ces données sont généralement hétérogènes et imparfaites ce qui pose plusieurs problèmes au niveau de leur traitement conjoint et nécessite le développement de méthodes spécifiques. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse qui vise à élaborer une nouvelle méthode de fusion évidentielle dédiée au traitement des images de télédétection hétérogènes à haute résolution. Afin d’atteindre cet objectif, nous axons notre recherche, en premier lieu, sur le développement d’une nouvelle approche pour l’estimation des fonctions de croyance basée sur la carte de Kohonen pour simplifier l’opération d’affectation des masses des gros volumes de données occupées par ces images. La méthode proposée permet de modéliser non seulement l’ignorance et l’imprécision de nos sources d’information, mais aussi leur paradoxe. Ensuite, nous exploitons cette approche d’estimation pour proposer une technique de fusion originale qui permettra de remédier aux problèmes dus à la grande variété des connaissances apportées par ces capteurs hétérogènes. Finalement, nous étudions la manière dont la dépendance entre ces sources peut être considérée dans le processus de fusion moyennant la théorie des copules. Pour cette raison, une nouvelle technique pour choisir la copule la plus appropriée est introduite. La partie expérimentale de ce travail est dédiée à la cartographie de l’occupation des sols dans les zones agricoles en utilisant des images SPOT-5 et RADARSAT-2. L’étude expérimentale réalisée démontre la robustesse et l’efficacité des approches développées dans le cadre de cette thèse. / With the advent of new image acquisition techniques and the emergence of high-resolution satellite systems, remote sensing data to be exploited have become increasingly rich and varied. Their combination has thus become essential to improve the process of extracting useful information related to the physical nature of the observed surfaces. However, these data are generally heterogeneous and imperfect, which poses several problems in their joint treatment and requires the development of specific methods. It is in this context that falls this thesis that aimed at developing a new evidential fusion method dedicated to heterogeneous remote sensing images processing at high resolution. In order to achieve this objective, we first focus our research, firstly, on the development of a new approach for the belief functions estimation based on Kohonen’s map in order to simplify the masses assignment operation of the large volumes of data occupied by these images. The proposed method allows to model not only the ignorance and the imprecision of our sources of information, but also their paradox. After that, we exploit this estimation approach to propose an original fusion technique that will solve problems due to the wide variety of knowledge provided by these heterogeneous sensors. Finally, we study the way in which the dependence between these sources can be considered in the fusion process using the copula theory. For this reason, a new technique for choosing the most appropriate copula is introduced. The experimental part of this work isdevoted to land use mapping in case of agricultural areas using SPOT-5 and RADARSAT-2 images. The experimental study carried out demonstrates the robustness and effectiveness of the approaches developed in the framework of this thesis.