Les instruments, satellites ou systèmes aéroportés, actuellement utilisés pour la détection et la caractérisation d'hydrocarbure sur la mer sont basés sur des moyens optiques ou radars. Ces moyens présentent une performance dégradée due à une fréquence encore trop importante de fausses alarmes ou à un temps de traitement des données trop conséquent. Les méthodes de détection, d'identification et de quantification des fuites d'hydrocarbures offshores peuvent donc être améliorées en associant robustesse et réactivité. Cette amélioration suppose une compréhension approfondie des phénomènes océanographiques et électromagnétiques à l'œuvre dans cette scène particulière. La thèse s'appuie sur des données regroupant des images optiques et SAR aéroportées ou satellites ainsi que des mesures réalisées en laboratoire. Ce jeu de données permet de vérifier la cohérence des résultats obtenus par modélisation. L'objectif de la thèse est de distinguer une surface de mer polluée d'une surface de mer propre à l'aide de la signature électromagnétique de la surface totale puis de détailler le type et la quantité d'hydrocarbure présent. La thèse se divise en deux domaines, à savoir modélisation océanographique et modélisation électromagnétique. La modélisation océanographique intègre la simulation de la surface rugueuse imitant une surface de mer propre, et polluée. Cette surface de mer doit être générée sur une superficie importante et doit conserver une résolution restituant les petites vagues avec un temps de génération minimal. La partie électromagnétique est centrée sur les modèles asymptotiques de diffusion des ondes électromagnétiques par une interface rugueuse. Ces modèles sont adaptés au contexte de la thèse, complexité de la scène et rapidité du traitement, mais nécessitent plusieurs hypothèses pour être appliqués. / Satellites or airborne systems currently used for the detection and characterization of oil slicks on sea surface are based on optical or radar means. These means have a lack of performance due to a too high frequency of false alarms or to an excessively long data processing time. The methods for detecting, identifying and quantifying offshore pollutant can therefore be improved by combining robustness and reactivity. This improvement implies an in-depth understanding of the oceanographic and electromagnetic phenomena at work in this particular scene. The thesis is based on data gathering aerial and satellite images and SAR as well as measurements carried out in laboratory. This dataset makes it possible to check the consistency of the results obtained by modeling. The objective of the thesis is to distinguish a polluted sea surface from a clean sea surface using the electromagnetic signature of the total surface and then to detail the type and quantity of pollutant. The thesis is divided into two domains, namely oceanographic modeling and electromagnetic modeling. Oceanographic modeling integrates the simulation of the rough surface imitating a clean or polluted sea surface. This sea surface must be generated over a large area with a thin resolution. The electromagnetic part is centered on the asymptotic models for the electromagnetic waves diffraction by a rough interface. These models are adapted to the context of the thesis, the complexity of the scene and the speed of processing, but require several hypotheses to be applied.