La réflectométrie GNSS (ou GNSS-R) est une technique de télédétection originale et pportuniste qui consiste à analyser les ondes électromagnétiques émises en continu par la soixantaine de satellites des systèmes de positionnement GNSS (GPS, GLONASS, etc.), qui sont captées par une antenne après réflexion sur la surface terrestre. Ces signaux interagissent avec la surface réfléchissante et contiennent donc des informations sur ses propriétés. Au niveau de l'antenne, les ondes réfléchies interfèrent avec celles arrivant directement des satellites. Ces interférences sont particulièrement visibles dans le rapport signal-sur-bruit (SNR, i.e., Signal-to-Noise Ratio), paramètre enregistré par une station GNSS classique. Il est ainsi possible d'inverser les séries temporelles du SNR pour estimer des caractéristiques du milieu réfléchissant. Si la faisabilité et l'intérêt de cette méthode ne sont plus à démontrer, la mise en oeuvre de cette technique pose un certain nombre de problèmes, à savoir quelles précisions et résolutions spatio-temporelles peuvent être atteintes, et par conséquent, quels sont les observables géophysiques accessibles. Mon travail de thèse a pour objectif d'apporter des éléments de réponse sur ce point, et est axé sur le développement méthodologique et l'exploitation géophysique des mesures de SNR réalisées par des stations GNSS classiques. Je me suis focalisé sur l'estimation des variations de hauteur de l'antenne par rapport à la surface réfléchissante (altimétrie) et de l'humidité du sol en domaine continental. La méthode d'inversion des mesures SNR que je propose a été appliquée avec succès pour déterminer les variations locales de : (1) la hauteur de la mer au voisinage du phare de Cordouan du 3 mars au 31 mai 2013 où les ondes de marées et la houle ont pu être parfaitement identifiées ; et (2) l'humidité du sol dans un champ agricole à proximité de Toulouse, du 5 février au 15 mars 2014. Ma méthode permet de s'affranchir de certaines restrictions imposées jusqu'à présent dans les travaux antérieurs, où la vitesse de variation verticale de la surface de réflexion était supposée négligeable. De plus, j'ai développé un simulateur qui m'a permis de tester l'influence de nombreux paramètres (troposphère, angle d'élévation du satellite, hauteur d'antenne, relief local, etc.) sur la trajectoire des ondes réfléchies et donc sur la position des points de réflexion. Mon travail de thèse montre que le GNSS-R est une alternative performante et un complément non négligeable aux techniques de mesure actuelles, en faisant le lien entre les différentes résolutions temporelles et spatiales actuellement atteintes par les outils classiques (sondes, radar, diffusiomètres, etc.). Cette technique offre l'avantage majeur d'être basé sur un réseau de satellites déjà en place et pérenne, et est applicable à n'importe quelle station GNSS géodésique, notamment celles des réseaux permanents (e.g., le RGP français). Ainsi, en installant une chaîne de traitement de ces acquisitions de SNR en domaine côtier, il serait possible d'utiliser les mesures continues des centaines de stations pré-existantes, et d'envisager de réaliser des mesures altimétriques à l'échelle locale, ou de mesurer l'humidité du sol pour les antennes situées à l'intérieur des terres. / GNSS reflectometry (or GNSS-R) is an original and opportunistic remote sensing technique based on the analysis of the electromagnetic waves continuously emitted by GNSS positioning systems satellites (GPS, GLONASS, etc.) that are captured by an antenna after reflection on the Earth's surface. These signals interact with the reflective surface and hence contain information about its properties. When they reach the antenna, the reflected waves interfere with those coming directly from the satellites. This interference is particularly visible in the signal-to-noise ratio (SNR) parameter recorded by conventional GNSS stations. It is thus possible to reverse the SNR time series to estimate the reflective surface characteristics. If the feasibility and usefulness of thismethod are well established, the implementation of this technique poses a number of issues. Namely the spatio-temporal accuracies and resolutions that can be achieved and thus what geophysical observables are accessible.The aim of my PhD research work is to provide some answers on this point, focusing on the methodological development and geophysical exploitation of the SNR measurements performed by conventional GNSS stations. I focused on the estimation of variations in the antenna height relative to the reflecting surface (altimetry) and on the soil moisture in continental areas. The SNR data inversion method that I propose has been successfully applied to determine local variations of : (1) the sea level near the Cordouan lighthouse (not far from Bordeaux, France) from March 3 to May 31, 2013, where the main tidal periods and waves have been clearly identified ; and (2) the soil moisture in an agricultural plot near Toulouse, France, from February 5 to March 15, 2014. My method eliminates some restrictions imposed in earlier work, where the velocity of the vertical variation of the reflective surface was assumed to be negligible. Furthermore, I developed a simulator that allowed me to assess the influence of several parameters (troposphere, satellite elevation angle, antenna height, local relief, etc.) on the path of the reflected waves and hence on the position of the reflection points. My work shows that GNSS-R is a powerful alternative and a significant complement to the current measurement techniques, establishing a link between the different temporal and spatial resolutions currently achieved by conventional tools (sensors, radar, scatterometer, etc.). This technique offers the major advantage of being based on already-developed and sustainable satellites networks, and can be applied to any GNSS geodetic station, including permanent networks (e.g., the French RGP). Therefore, by installing a processing chain of these SNR acquisitions, data from hundreds of pre-existing stations could be used to make local altimetry measurements in coastal areas or to estimate soil moisture for inland antennas.

Ce travail de thèse porte sur la conception, la réalisation et l’évaluation expérimentale d’ un microsystème d’analyse dont l’originalité repose sur l’intégration d’une micro antenne planaire de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (SRMN) sur un système micro fluidique à base d’un polymère, le Cyclique Oléfine Copolymère (COC). La détermination des caractéristiques géométriques optimales du microsystème afin d’optimiser le couplage électromagnétique entre la micro antenne de détection et l’échantillon est effectuée à l’aide d’un modèle de calcul numérique, ce qui permet l’optimisation du rapport signal sur bruit (RSB). La réalisation du microsystème avec des procédés de micro fabrication développés au laboratoire ont permis de valides son fonctionnement dans un spectromètre dont le champ magnétique statique atteint 11.74 Tesla (fréquence de Larmor du proton égale à 500MHz). Travailler dans un champ aussi intense permet d’améliorer la sensibilité de détection mais nécessite de porter une attention particulière à l’homogénéité du champ magnétique qui, dans notre cas, peut être dégradée en raison de l’introduction du microsystème dans le spectromètre. En effet, les distorsions du champ magnétique, dues aux différentes susceptibilités magnétiques des matériaux constituant la microsonde, ont un impact direct sur la résolution spectrale. C’est pourquoi, une modélisation 3D par éléments finis est proposée afin de prévoir l’influence du microsystème sur la forme des raies spectrales et donc d’en déduire la résolution spectrale pouvant être espérée. La comparaison des résultats expérimentaux et ceux issus des simulations permet de valider le modèle de calcul numérique. Il apparait cependant nécessaire d’inclure le phénomène d’amortissement radiatif afin de pouvoir rendre compte des résultats expérimentaux relatifs à la résolution spectrale effectivement observée. / The work presented in this thesis involves the design, the development and the experimental evaluation of an analysis micro system. The originality of the work lies in the integration of a planar micro coil of spectroscopy by nuclear magnetic resonance (SNMR) on a micro fluidic system based on a polymer, cyclo olefin copolymer (COC). The determination of the optimum geometric characteristics of the micro system to improve electromagnetic coupling between the detection micro coil and the sample is performed with the aid of a numerical model that ensures the optimization of the signal to noise ratio (SNR). Using micro fabrication techniques developed in the laboratory, the micro system was developed and its behaviour was validated in spectrometer producing a static magnetic field off 11.74 Tesla (Larmor frequency of the proton equal to 500MHz). Working in such an intense field results in improved sensitivity of detection but requires paying close attention to the homogeneity of magnetic field. In this case the homogeneity can be degraded due to the introduction of the micro system in the spectrometer. Indeed, the distortions of the magnetic field, due to the different magnetic susceptibilities of the materials constituting the microprobe, have a direct impact on the spectral resolution. As such, 3D modelling by finite elements is proposed to predict the influence of the micro system on the shape of the spectral lines and to determine the best expected spectral resolution. The comparison of the experimental results to those obtained from simulation allows the validation of the numerical model. However, it appears necessary to include the effect of the radiation damping in the model to be able to justify the experimental results relative to the spectral resolution that was observed.

Ce manuscrit présente des expériences d’imagerie par diffraction réalisées en utilisant une source de rayonnement cohérent basée sur la génération d’harmoniques d’ordre élevé d’un laser Ti:Sa. Elles démontrent que cette source extrême-UV de laboratoire produit un nombre suffisant de photons par impulsion pour enregistrer une figure de diffraction d’objets tests en « simple tirs ». Le signal ainsi enregistré permet l’obtention d’une image de l’objet avec une résolution d’une centaine de nanomètres. Deux schémas sont utilisés pour reconstruire l’objet : le premier utilise un algorithme itératif de reconstruction de la phase perdue pendant la détection de la figure de diffraction ; le second utilise une configuration holographique par transformée de Fourier. Les travaux réalisés comportent deux parties. La première concerne l’optimisation de la source harmonique et inclut une étude expérimentale d’un dispositif de filtrage spatial du faisceau laser de génération par propagation dans une fibre creuse. La seconde partie présente les expériences d’imagerie par diffraction, et notamment une démonstration du schéma holographique HERALDO qui est une extension de l’holographie par transformée de Fourier à des références en forme de polygones. L’utilisation de ces références « étendues » a pour avantage d’optimiser l’enregistrement holographique tout en conservant une reconstruction directe et sans ambigüité de l’objet. Une analyse signal-sur-bruit ainsi qu’une comparaison des reconstructions d’hologramme pour différentes formes de références sont effectuées. / This manuscript presents diffraction imaging experiments performed using a source of coherent radiation based on high order harmonics generation of a Ti:Sa laser. They demonstrate that this laboratory size XUV source produces a number of photons per pulse sufficient to record the diffraction pattern of test objects in « single shot ». The signal thus recorded allows obtaining an image of the object with a resolution of around 100 nanometers. Two schemes are used to reconstruct the object: the first one uses an iterative algorithm to retrieve the phase lost during the detection of the diffraction pattern; the second uses a configuration of Fourier transform holography. The work presented here is separated in two parts. The first one concerns the optimization of the harmonic source, including an experimental study of a spatial filtering device for laser beams by propagation in a hollow core fiber. The second part deals with the diffraction imaging experiments. In particular, I present a demonstration of the holographic scheme HERALDO, which is an extension of the Fourier transform holography with polygonal references. The use of these « extended » references allows the optimization of the holographic recording while maintaining a direct and non-ambiguous reconstruction of the object. An analysis of signal-to-noise ratio and a comparison of hologram reconstructions for different types of references are performed.

Ce manuscrit de thèse présente l’étude des techniques de super-résolution latérale en nanoscopie optique, qui est une des nouvelles techniques d'imagerie haute résolution, aujourd'hui largement utilisée en biophysique et en imagerie médicale, pour imager et caractériser des nanostructures, tout en conservant les avantages de l'imagerie optique en champ lointain comme un vaste champ, la visualisation et l’analyse en temps réel…Un des défis futurs de la microscopie 3D super-résolue est d’éviter l’utilisation des marqueurs fluorescents. La microscopie interférométrique fait partie des techniques d’imagerie 3D sans marquage permettant la détection de nanostructures. Pour améliorer le pouvoir de détection de ce système optique, un premier protocole de traitement d’images a été développé et implémenté, permettant ainsi de révéler des structures initialement non mesurables. Puis, pour améliorer la résolution latérale du système, une nouvelle technique combinant l’interférométrie et le principe du nano-jet photonique a été développée permettant l’observation d’objets de taille inférieure à la limite de diffraction de l’instrument optique. / This manuscript presents the study of the lateral super-resolution techniques in optical nanoscopy, which is a new high-resolution imaging method now widely used in biophysics and medical imaging, to observe and measure nanostructures, with the advantages of far field optical imaging, such as a large field of view, visualization and analysis in real time…One of the future challenges of 3D super resolution microscopy is to avoid the use of fluorescent markers. Interferometric microscopy is a 3D label-free imaging technique enabling the detection of nanostructures. To improve the detection capability of this optical system, a first version of a protocol composed of image processing methods was developed and implemented, revealing structures initially unmeasurable. Then, to improve the lateral resolution of the system, a new technique combining interferometry and the principle of the photonic nano-jet has been developed, thus allowing the observation of objects of a size smaller than the diffraction limit of the optical instrument.

Imager des objets non-périodiques à une échelle nanométrique et à une échelle femto seconde est un vrai challenge à notre époque. Les techniques d'imagerie " sans lentille " sont des moyens puissants pour répondre à ce besoin. En utilisant des sources ultrarapide (~fs) et cohérente (ex. laser à électron libre ou harmoniques d'ordres élevés), ces techniques nous permettent de reconstruire des objets à partir de leur figure de diffraction, remplaçant les optiques conventionnelles du système d'imagerie par un algorithme informatique. Dans ce travail de thèse, je présent des expériences d'imageries en utilisant un rayonnement extrême-UV (15~40 nm) produit par la génération d'harmoniques d'ordre élevé d'un laser infrarouge puissant. Ce manuscrit est constitué d'une introduction, un chapitre de background théorique, trois chapitres de travail de thèse et une conclusion générale avec perspectives. La première partie du travail de thèse porte sur les développements et caractérisations de la ligne de lumière avec l'objectif de générer maximum de photons harmoniques cohérents avec un front d'onde plat. La deuxième partie est consacrée aux expériences et analyses de trois techniques d'imageries " sans lentille " : Imagerie par diffraction cohérente (CDI), Holographie par la transformée de Fourier (FTH) et Holographie avec références étendues (HERALDO). Ces derniers nous permettent de reconstruire des objets avec une résolution spatiale de 78 nm dans le cas de CDI et de 112 nm dans le cas de HERALDO, tous les deux avec une résolution temporaire de 20 fs. La troisième partie est une première application physique de l'imagerie sur la ligne harmonique. Il s'agit des études statiques et dynamiques de nano-domaines magnétique avec une résolution spatiale sub-100 nm à l'échelle femto seconde. Perspective des techniques d'imagerie 3D et développement potentiel de la ligne d'harmoniques sont présentés à la fin.

Dans une première partie, nous définissons plusieurs schémas de compression en partant de l'état de l'art qu'est JPEG 2000 aujourd'hui. Les schémas de compressions que nous avons définis proposent d'utiliser une transformation pour la réduction de la redondance spatiale transformée en ondelette discrète (TOD) et une autre transformation pour réduire la redondance spectrale. Les transformations optimales sous les hypothèses faible distortion, permettant de réduire la redondance spectrale, s'obtiennent dans certains cas en minimisant un critère qui peut être interprété comme le critère de l'analyse en composantes indépendantes (ACI) (minimisation de l'information mutuelle) additionné d'un terme toujours positif ou nul qui est une certaine mesure à l'orthogonalité de la transformation obtenue. Les performances obtenues en intégrant ces transformations dans nos schémas de compression montrent une amélioration des performances en comparaison à la transformation de Karhunen Loève (TKL). Dans la deuxième partie, nous proposons un modèle de mélange convolutif pour rechercher une transformation unique réduisant à la fois les redondances spatiales et spectrales. Nous définissons le critère à minimiser sous les hypothèses faibles distortions et nous montrons que ce critère peut s'interprété comme celui de l'ACI pour la séparation et déconvolution lorsque le critère à minimiser est l'information mutuelle auquel s'additionne un terme toujours positif ou nul. Puis nous proposons deux algorithmes permettant d'obtenir d'une part la transformation minimisant le critère dans le cas général, et d'autre part celle qui minimise le critère sous la contrainte que la distorsion dans le domaine transformée est la même que celle du domaine de l'image.

Imager des objets non-périodiques à une échelle nanométrique et à une échelle femto seconde est un vrai challenge à notre époque. Les techniques d’imagerie « sans lentille » sont des moyens puissants pour répondre à ce besoin. En utilisant des sources ultrarapide (~fs) et cohérente (ex. laser à électron libre ou harmoniques d’ordres élevés), ces techniques nous permettent de reconstruire des objets à partir de leur figure de diffraction, remplaçant les optiques conventionnelles du système d’imagerie par un algorithme informatique. Dans ce travail de thèse, je présent des expériences d’imageries en utilisant un rayonnement extrême-UV (15~40 nm) produit par la génération d’harmoniques d’ordre élevé d’un laser infrarouge puissant. Ce manuscrit est constitué d’une introduction, un chapitre de background théorique, trois chapitres de travail de thèse et une conclusion générale avec perspectives. La première partie du travail de thèse porte sur les développements et caractérisations de la ligne de lumière avec l’objectif de générer maximum de photons harmoniques cohérents avec un front d’onde plat. La deuxième partie est consacrée aux expériences et analyses de trois techniques d’imageries « sans lentille » : Imagerie par diffraction cohérente (CDI), Holographie par la transformée de Fourier (FTH) et Holographie avec références étendues (HERALDO). Ces derniers nous permettent de reconstruire des objets avec une résolution spatiale de 78 nm dans le cas de CDI et de 112 nm dans le cas de HERALDO, tous les deux avec une résolution temporaire de 20 fs. La troisième partie est une première application physique de l’imagerie sur la ligne harmonique. Il s’agit des études statiques et dynamiques de nano-domaines magnétique avec une résolution spatiale sub-100 nm à l’échelle femto seconde. Perspective des techniques d’imagerie 3D et développement potentiel de la ligne d’harmoniques sont présentés à la fin. / Ultrafast imaging of isolated objects with nanometric spatial resolution is a great challenge in our time. The lensless imaging techniques have shown great potential to answer this challenge. In lensless imaging, one can reconstruct sample images from their diffraction patterns with computational algorithms, which replace the conventional lens systems. Using ultrafast and coherent light sources, such as free electron laser and high order harmonics, one can investigate dynamic phenomena at the femtosecond time scale. In this thesis work, I present the lenless imaging experiments using XUV radiation provided by a laser driven high order harmonic beamline. The manuscript is composed of an introduction, a chapter of theoretical background, three chapters of main research work and a general conclusion with perspectives. The first part of this work concerns the development of the harmonic beamline to optimize the illumination condition for lensless imaging. The second part concentrates on the imaging techniques: the Coherent Diffraction Imaging (CDI), the Fourier Transform Holography (FTH) and the Holography using extended references (HERALDO). The reconstructions have achieved 78 nm spatial resolution in case of CDI and 112 nm resolution in case of HERALDO, both in single-shot regime corresponding to a temporal resolution of 20 fs. The third part presents the first physical application on the harmonic beamline using the lensless imaging. Samples with magnetic nano-domains have been studied with sub-100 nm spatial resolution, which paves the way for ultrafast magnetic dynamic studies. At the end, single-shot 3D imaging and further beamline development have been discussed.