L'objectif de cette thèse consiste à étudier un dispositif d'imagerie passive en gamme millimétrique pour la détection d'objets faiblement dissimulés en vue d'applications pour la sécurité des personnes. En s'abstenant d'éléments émetteurs nous assurons l'inoffensivité du dispositif. La détection s'effectue donc par radiométrie dans une bande de fréquences autour de 140 GHz afin de profiter du rayonnement important de la brillance spectrale des matériaux. Pour obtenir une image précise de la scène observée un unique récepteur n'est pas suffisant. Nous avons opté pour un dispositif interférométrique à haute résolution composé de plusieurs récepteurs radiométriques à détection I/Q (en phase et en quadrature). La mesure est ainsi basée sur le principe de synthèse d'ouverture permettant une résolution spatiale importante tout en conservant des antennes intégrables afin de limiter l'encombrement des récepteurs. Dans cette bande de fréquence, la conception des récepteurs nécessite la réalisation de circuits MMIC en technologie métamorphique HEMT 70 nm sur AsGa. Leurs performances permettent d'étudier précisément par simulation le comportement des récepteurs, plus particulièrement les erreurs ajoutées par ces derniers dans le but de les modéliser pour faciliter la reconstruction d'image. L'architecture de l'interféromètre permet de diminuer le nombre de récepteurs employés par rapport à la résolution de l'image reconstruite. La reconstruction d'image est obtenue par la solution en bande limitée du problème inverse. Ces travaux permettent de déterminer les caractéristiques du système en fonction des performances associées aux applications envisagées / The aim of this thesis is to study a passive imaging system in the millimeter range for the remote sensing of lower concealed objects applied to human security. The inoffensive character of the device is ensured by the lack of active emitter devices. The detection is a radiometric remote sensing within a frequency band centered around 140 GHz in order to benefit from the important radiation of the material spectral brightness. To get a clear picture of the observed scene, a single receiver is not enough. We decided to develop a high-resolution interferometric composed of several radiometric I / Q (in-phase and quadrature) receptors. The measurement is based on the principle of synthetic aperture allowing an important spatial resolution while maintaining integrated antennas in order to limit the size of the receivers. In this frequency band, the design of receivers requires the realization of MMIC devices, using the metamorphic HEMT 70 nm on GaAs technology from OMMIC. Their performance allow a precise study of the simulated behavior of receivers, mainly the added errors, in order to facilitate the model for image reconstruction. The architecture of the interferometer reduces the number of receivers used with respect to the resolution of the reconstructed image. The image reconstruction is obtained by band-limited solution of the inverse problem. This work identifies the characteristics of the system in function of the performances associated with applications.

Le radar à ouverture synthétique inverse (ISAR) est normalement utilisé pour produire l'image à haute résolution d'une cible éloignée en mouvement. Le mouvement de la cible est essentiel à l'imagerie mais un mouvement de translation produit une migration en portée des réflecteurs de la cible et introduit aussi un terme de phase additif et tous deux produisent une défocalisation de l'image. Dans ce mémoire, nous explorons comment l'algorithme génétique peut être utile à ISAR en le combinant à différentes méthodes connues de compensations du mouvement, plus particulièrement à l'algorithme AutoClean. Nous comparerons la performance de l'algorithme Auto-Clean telle qu'elle, de l'algorithme AutoClean avec sa combinaison à l'algorithme génétique et à d'autres combinaisons dont la méthode de projection AJTF et la méthode de minimisation de l'entropie MEM.

La qualité de l'air en milieu urbain fait désormais partie des préoccupations des autorités responsables des grandes agglomérations. Les décideurs ont besoin d'outils permettant la surveillance de la pollution atmosphérique. Actuellement, il est impossible de connaître précisément la distribution spatiale des polluants. Les associations en charge de la qualité de l'air sont donc très intéressées par tous les moyens susceptibles d'affiner cette connaissance. La télédétection est un de ces moyens, aussi nous nous sommes attachés, au cours de cette thèse, à apporter des éléments de réponse utiles aux praticiens. L'analyse d'images-radar à synthèse d'ouverture (RSO), de l'agglomération nantaise, nous a permis de définir les facteurs influençant la perception de l'environnement urbain dans les images-radar. De cette analyse a découlé une étude pour cartographier la rugosité aérodynamique sur toute la ville. Ce paramètre, caractérisant la morphologie locale, est nécessaire à la modélisation de la dispersion des polluants au-dessus des villes. Nous avons utilisé pour cette cartographie des images-radar seules ou employées conjointement à l'imagerie optique. Une autre étude a été menée visant à obtenir une méthode innovante, faisant usage des données optiques en infrarouge thermique, pour cartographier la distribution spatiale du champ de concentration des particules en suspension (fumées noires). Des facteurs pouvant influencer les interactions entre les polluants et les autres bandes spectrales, du visible et de l'infrarouge, ont été étudiés. Dans un souci d'opérationnalité, que ce soit avec l'imagerie radar ou optique, les résultats des nouvelles méthodes ont été comparés avec ceux obtenus avec des méthodes conventionnelles.

Les radars à synthèse d'ouverture (SAR) spatioportés ont fait la preuve de leur valeur inestimable dans l'observation des vents et des vagues océaniques mondiaux. Les images SAR acquises par plusieurs capteurs sont utilisées, notamment Sentinel-1 (S-1), Envisat/ASAR, Gaofen-3 et Radarsat-2. Cette thèse passe en revue les paramètres SAR couramment utilisés dans la première partie. Une série d'étapes d'étalonnage sont nécessaires pour obtenir un NRCS approprié et une évaluation du NRCS est effectuée pour le mode d'onde S-1 (WV). Il s'avère que WV est mal calibré et est donc recalibré pour obtenir un NRCS précis. Il a été démontré que la coupure de l'azimut est complémentaire du NRCS et peut expliquer l'impact de l'état de la mer sur l'extraction du vent. D'après les produits SAR entièrement polarimétriques disponibles, la coupure de l'azimut varie considérablement en fonction des polarisations. La transformation actuelle de la cartographie SAR est suffisante pour interpréter la coupure azimutale copolarisée, mais pas pour la polarisation croisée. Compte tenu des limites de l'imagerie SAR, un nouveau paramètre est proposé et défini en fonction du spectre croisé de l'image SAR, appelé MACS. La partie imaginaire de MACS est une quantité signée par rapport à la direction du vent. Compte tenu de cette dépendance, on s'attend à ce qu'un algorithme indépendant de récupération du vent en bénéficie. L'ampleur du MACS peut aider à estimer la fonction de modulation de la cartographie SAR. De plus, la MACS donne également des résultats prometteurs en ce qui concerne les études globales sur les vagues. Les signatures globales du MACS à différentes longueurs d'onde sont bien représentatives de la distribution spatiale et saisonnière des vents. Les MACS des vagues longues montrent des valeurs plus élevées sur les trajectoires des tempêtes alors que les vagues plus courtes sont principalement dans les vents des trader. Ces résultats devraient aider à évaluer les résultats du modèle et compléter les études ultérieures sur le climat spectral global des vagues. / Spaceborne synthetic aperture radar (SAR) has been demonstrated invaluable in observing the global ocean winds and waves. SAR images acquired by multiple sensors are employed, including Sentinel-1(S-1), Envisat/ASAR, Gaofen-3 and Radarsat-2. This thesis reviews the commonly used SAR parameters (NRCS and azimuth cutoff) in the first part. A series of calibration steps are required to obtain a proper NRCS and assessment of NRCS is carried out for S-1wave mode (WV). It turns out that WV is poorly calibrated and is thus re-calibrated to obtain accurate NRCS. Azimuth cut off is demonstrated to be complementary to NRCS and can account for the sea state impact on the wind retrieval. Based on the available fully polarimetric SAR products, azimuth cut off is found to vary greatly with polarizations. The present SAR mapping transformation is sufficient to interpret the co-polarized azimuth cut off, while not for the cross-polarization. With the limitations of SAR imaging in mind, a new parameter is proposed and defined based on the SAR image cross-spectra, termed as MACS. The imaginary part of MACS is found to be a signed quantity relative to the wind direction. Given this dependence, an independent wind retrieval algorithm is expected to benefit. The magnitude of MACS is able to aid for estimate of modulation function of SAR mapping. In addition, MACS also gives promising results regarding the global wave studies. The global signatures of MACS at various wave lengths are well representative of the winds distributions, spatially and seasonally. MACS of long waves shows greater values over the storm tracks while the shorter waves are mostly within the trader winds. These results are expected to help evaluate the model outputs and complement further studies of the global wave spectral climate. Data continuity in the coming 10 years shall extend the study towards longer duration.

Dans le but d'obtenir les premières mesures globales d'humidité des sols et de salinité des océans, <br />l'Agence Spatiale Européenne, à travers son programme «Exploration de la Terre» finance <br />la mission spatiale SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity). <br />Elle repose, pour la première fois dans le cadre de l'observation de la Terre, <br />sur l'utilisation d'un radiomètre imageur à synthèse d'ouverture, technologie initialement développée <br />en radioastronomie.<br />Cette thèse est axée sur l'étude des méthodes de reconstruction régularisée permettant, à partir des données <br />interférométriques fournies par l'instrument, d'obtenir des cartes de températures de brillance. <br /> <br />Le principe de mesure diffère de celui des instruments habituellement utilisés pour l'observation <br />de la surface terrestre. Une première partie est donc consacrée à une introduction des mécanismes <br />fondamentaux de l'interférométrie passive, à travers une étude de la chaîne de mesure, d'un rappel <br />de l'expérience des trous d'Young et des propriétés de la transformée de Fourier à deux dimensions. <br /> <br />Le traitement des données interférométriques demande un cadre géométrique et algébrique rigoureux, <br />décrit dans une seconde partie. De plus, les radiomètres à synthèse d'ouverture étant des instruments <br />à bande passante limitée, il est nécessaire de faire appel à l'apodisation pour réduire les oscillations <br />apparaissant dans les cartes reconstruites. Les fenêtres d'apodisation sont donc caractérisées pour deux <br />configurations possibles du réseau d'antennes. L'estimation des paramètres géophysiques demandant <br />le traitement de cartes de températures de brillance définies sur des grilles régulières et <br />à résolution spatiale constante, nous avons introduit dans ce but des techniques de rééchantillonnage <br />et la possibilité d'utiliser le multi-fenêtrage.<br /> <br />Le problème inverse à résoudre étant mal posé, il est important de s'assurer de l'existence <br />d'une solution unique. C'est là l'objet de l'utilisation de méthodes de reconstruction régularisées. <br />Elles sont définies et comparées dans une troisième partie. Elles sont ensuite utilisées pour caractériser <br />plusieurs problèmes intervenant dans la reconstruction d'image pour les radiomètres imageurs à synthèse d'ouverture. <br />Ainsi, l'erreur systématique, qui intervient alors même qu'aucune erreur sur les données ou sur <br />la modélisation de l'instrument n'est introduite, est expliquée et quantifiée pour deux méthodes <br />de reconstruction régularisées et pour différentes scènes observées. La propagation du bruit radiométrique <br />sur les données fait l'objet d'un travail spécifique, ainsi que l'impact des erreurs de modélisation <br />subsistant suite à une auto-caractérisation, méthode présentée ici et permettant une calibration en vol <br />des paramètres instrumentaux. L'impact de la pollution des données interférométriques par le <br />rayonnement solaire sur la télédétection des océans est ensuite étudié. Enfin, la faisabilité et <br />la robustesse de la reconstruction en mode de polarisation totale à l'aide des méthodes de <br />reconstruction régularisées sont démontrées.

Le suivi de l’évolution du manteau neigeux est directement lié à des enjeux socio-économiques majeurs en zone de montagne. Parmi ces enjeux figure la prévision du risque d’avalanche qui s’appuie principalement sur des observations et sur la connaissance de l’état du manteau neigeux et de son évolution dans le temps. Dans cette thèse, co-financée par le CNES et par Météo- France, nous avons évalué l’apport d’observations de télédétection spatiale active micro-ondes issues du radar à synthèse d’ouverture (SAR) de Sentinel-1, pour suivre l’évolution de certaines propriétés du manteau neigeux. Dans un premier temps, nous avons évalué la chaîne de modélisation SAFRAN-ISBA/Crocus-MEMLS par rapport aux données Sentinel-1 pré-traitées sur 3 saisons hivernales de 2014 à 2017, sur une zone de 2310 km2 à 20 m de résolution dans les Alpes du Nord françaises. Nous avons montré que les données SAR étaient pertinentes pour suivre l’évolution du manteau neigeux et, avons démontré la capacité de la chaîne de modélisation à reproduire les variations du signal observé dans le temps malgré de forts biais négatifs en cas de neige humide. Nous nous sommes intéressés à la valeur ajoutée des observations SAR de Sentinel-1 pour cartographier la neige humide, c’est-à-dire, la neige avec un taux élevé d’eau liquide. Des comparaisons ont été effectuées entre les produits neige humide obtenus par Sentinel-1 et les produits neige de Sentinel-2 distribués par Theia. Cette étude a été menée sur la saison hivernale 2017-2018, qui a connu un enneigement exceptionnel. Ces travaux ouvrent la voie à l’assimilation de données de télédétection SAR dans le modèle de neige Crocus ainsi qu’à une plus grande exploitation de ces données dans le cadre du suivi de l’enneigement pour de multiples applications. / Monitoring snowpack properties in moutainous areas is directly related to major socio-economic issues. Among these issues, avalanche prediction works through a range of tools based on meteorological and snow observations and modeling. In this thesis, co-funded by the CNES and Météo-France, we evaluated the contribution of Sentinel-1 synthetic aperture radar (SAR) remote sensing observations to study the snowpack properties and the quality of the simulations for assimilation in a snowpack model. As a first step, we evaluated the SAFRAN-ISBA/Crocus- MEMLS modeling chain against pre-processed Sentinel-1 data for 3 winter seasons from 2014 to 2017 over an area of 2310 km2 in the Northern French Alps. We have shown that SAR data are relevant for monitoring snowpack evolution and demonstrated the ability of the modeling chain to reproduce observed signal variations despite strong negative bias in wet snow conditions. We focused on wet snow products derived from Sentinel-1 SAR observations in synergy with snow absence/presence products derived from visible Sentinel-2 observations. This study was conducted on the winter season 2017-2018, which was remarkable for its snow and avalanche conditions. Such combined products make it possible to follow the spatio-temporal variability of mountain wet snow and dry snow at high elevation. This work opens the way for the assimilation of SAR remote sensing data into the Crocus snowpack model as well as greater exploitation of this data in the context of avalanche snow monitoring and prediction for a variety of purposes.

Cette thèse présente la méthode de détection de changements MIMOSA (Method for generalIzed Means Ordered Series Analysis). Cette nouvelle méthode permet de détecter automatiquement des changements entre couples ou séries temporelles d’images SAR. En effet, grâce aux moyennes temporelles, le nombre d’images en jeu n’importe plus puisque seulement deux moyennes différentes sont comparées de sorte à détecter les changements (par exemple moyenne géométrique et moyenne quadratique). De ce fait, les grand volumes de données disponibles de nos jours sont exploitables plus facilement puisque l’information utile est «résumée» dans les moyennes. Le seul paramètre de la détection est le taux de fausses alarmes obtenu dans le résultat, ce qui rend son analyse plus intuitive. Les cartes de changements fournies par MIMOSA sont de très bonne qualité en comparaison à celles fournies par d’autres méthodes. De nombreux tests ont été mis en place pour constater la robustesse de la méthode MIMOSA face aux problèmes les plus souvent rencontrés, comme une mauvaise calibration radiométrique, ou encore un mauvais recalage. Une interface graphique a de plus été développée autour de MIMOSA, incorporant de nombreux outils de préparation et traitement des données, ainsi que des outils d’analyse des résultats. / This PhD thesis presents the MIMOSA (Method for generalIzed Means Ordered Series Analysis) change detection methood. This new technique can automatically detect changes between SAR image pairs or within time series. Indeed, thanks to the temporeal means, the number of involved images doesn’t matters because only two different means are compared to detect the changes (for example, the geometric and quadratic means). Thus, large data volumes can be processed easily, since the useful information is condensed within the temporal means. The only change detection parameter is the false alarm rate that will be MIMOSA method are very good compared to other methods. Several tests have been performed in order to quantify the robustness of the method facing the most common problems, like image misregistration or radiometric calibration errors. A graphical user interface has also been developed for MIMOSA, including many useful tools to prepare and process SAR data, but also several analyse tools.

MODIS est une méthode fiable et précise utilisée couramment pour suivre l'évolution du couvert nival au-dessus de bassins versants alpins. Toutefois, cette méthode de télédétection possède quelques limitations importantes, tel que l'inhabilité à distinguer la neige humide de la neige sèche, qui pourrait être mieux prise en compte par l'utilisation d'une méthode de télédétection complémentaire telle que l'imagerie par radar à synthèse d'ouverture (RSO). Le site d'étude utilisé pour le projet est le bassin versant de la rivière Nechako, situé dans la chaîne Côtière de la Colombie-Britannique, qui est caractérisé par un manteau neigeux pouvant atteindre plusieurs mètres d’épaisseur en montagne. Quinze images RADARSAT-2 en mode ScanSAR Wide ont été obtenues en polarisation VV et VH entre les mois de mars et juillet 2012. Elles ont été traitées à l'aide d'un algorithme basé sur la méthode de Nagler et Rott pour distinguer la neige humide de la neige sèche, mais qui utilise un seuil graduel plutôt que le seuil de -3 dB fréquemment utilisé. Les cartes de neige humide qui découlent de cette technique correspondent mieux aux incertitudes retrouvées sur le bassin en raison de la présence importante de forêts de conifères et de régions montagneuses. Les cartes ont été combinées au produit de neige de MODIS, afin d'utiliser son habileté à détecter le couvert nival avec précision pour corriger les zones de bruit des images RSO, causées entre autres par des sols gorgés en eau. Afin d'aider l'analyse des images RSO, une modélisation fine du manteau neigeux a été effectuée avec le logiciel Crocus afin de procéder à une analyse détaillée de l’évolution des caractéristiques du manteau neigeux, notamment du contenu en eau liquide de la neige, tout au long de l’hiver. La modélisation a été effectuée à l'emplacement de trois coussins à neige sur le bassin versant et est réalisée grâce à l'utilisation de données du North American Regional Reanalysis (NARR). À partir des résultats du modèle Crocus et de l'équivalent en eau observé aux coussins à neige, une relation a été établie entre la détection de neige humide en montagne par RADARSAT-2 et le ruissellement reçu au réservoir de la rivière Nechako. Avec le jeu de données actuel, le ruissellement maximal reçu au réservoir a été prévu avec une précision de 10 jours. Il est prévu que davantage d'années d’images radar pourraient permettre de confirmer et de réduire cet intervalle.

Ce travail est consacré à la caractérisation des paramètres bio- et géo-physiques d'un sol nu à partir de données SAR polarimétriques, multi-fréquentielles et multi-résolutions.<br /><br />Des relations quantitatives entre la rugosité et l'humidité du sol et des descripteurs polarimétriques sont déterminées au moyen d'un modèle de diffusion utilisant la méthode de l'équation intégrale. Deux algorithmes d'inversion multi-fréquentiels sont développés pour l'extraction des paramètres physiques d'une surface et sont appliqués sur des mesures SAR polarimétriques acquises au laboratoire européen JRC.<br /><br />La réponse électromagnétique d'une surface rugueuse dépend aussi de la taille de la cellule de résolution radar. La relation entre la résolution SAR et les caractéristiques polarimétriques d'une surface est établie en partageant son spectre en deux composantes. Un nouveau modèle de diffusion prenant en compte la résolution est ainsi présenté et validé sur des données multi-résolutions polarimétriques.

Cette thèse porte sur le suivi des paramètres de surface par télédétection radar. Le diffusiomètre ERS, caractérisé par une forte répétitivité temporelle et une faible résolution spatiale, a montré son potentiel sur des zones pastorales sahéliennes. Afin d'élargir son utilisation à l'ensemble de la bande sahélienne, il s'agit d'évaluer son potentiel sur des zones plus hétérogènes. Pour cela, les travaux portent sur une région d'étude située en zone sahélienne agro-pastorale. Les résultats d'une étude de modélisation du signal alliée à l'exploitation de la complémentarité des données issues du diffusiomètre et du radar à synthèse d'ouverture ERS, montrent que le taux de recouvrement du couvert végétal est le paramètre clé de la réponse radar au sein de la cellule de résolution. Ces résultats ont permis d'estimer par inversion l'humidité de surface à partir des données du diffusiomètre.