Dans ce mémoire sont résumés mes travaux de recherche dans le domaine de la caractérisation large bande de fréquence. Après une présentation des techniques large bande, deux applications sont décrites : le cas du radar pour l'étude de la SER de cibles aériennes en vue de leur identification, et le cas des systèmes de radiocommunications, l'étude et la modélisation du canal de propagation. Ce mémoire se décompose donc en deux parties principales.<br />La première est consacrée au développement de systèmes radars HF – VHF à large bande de fréquence et à diversité de polarisation pour la classification et l'identification de cibles aériennes. Deux approches sont étudiées, une multifréquence et l'autre à balayage de fréquence. Dans un premier temps, les systèmes utilisant ces techniques, ainsi que leurs performances, sont décrits. Des exemples de mesures de SER d'avions non coopératifs sont présentés.<br />Les méthodes d'identification de cibles reposent généralement sur la comparaison de mesures à une base de données. Dans un second temps, les méthodes numériques utilisées pour la simulation de SER sont décrites et analysées. Dans un troisième temps, les méthodes d'identification développées sont présentées, discutées et illustrées par des résultats d'identification sur des cibles réelles.<br />Dans la deuxième partie sont regroupés mes travaux sur la caractérisation large bande de fréquence et la modélisation du canal de propagation. Les différents chapitres de cette partie s'organisent en fonction de la fréquence. On trouve tout d'abord la bande HF dans laquelle un modèle de prévisions de propagation a été développé afin d'évaluer le comportement large bande du canal. Différentes applications, telles que la réactualisation et la localisation à station unique, illustrent cette partie. Dans la bande UHF, des travaux ont été menés sur la caractérisation du canal de propagation radio-mobile et le développement de nouveaux outils de sondage.<br />Des campagnes de mesures ont été menées à l'aide d'un sondeur à corrélation glissante SIMO (Single Input – Multiple Output) en milieu urbain. La technique de mesure par balayage de fréquence a aussi été étudiée par le développement d'un nouveau sondeur, l'objectif étant de réaliser un équipement MIMO (Multiple Input – Multiple Output) permettant la mesure simultanée de tous les canaux de propagation.<br />Dans la bande EHF, le canal étudié concerne les applications des radars dans le domaine de l'automobile. Des mesures ont été réalisées et un modèle de propagation en est déduit. La caractérisation du canal s'est appuyée sur un analyseur de réseau vectoriel. La méthodologie est explicitée et des comparaisons entre les simulations et les mesures sont présentées.<br />La dernière partie conclut en effectuant un bilan provisoire de mes activités et en présentant les perspectives de mon travail sur la caractérisation à large bande de fréquence dans le domaine du radar et du sondage de canal. Enfin, une liste des mes publications, des différents encadrements, des contrats de recherche sur lesquels j'ai travaillé, de mes activités pédagogiques et administratives et des fonctions électives et autres responsabilités, est donnée.

Ce travail aborde le problème de l'identification de signaux et systèmes, appliqué à des problèmes de communications<br />numériques. Contrairement aux méthodes classiques d'optimisation stochastiques, nous proposons une approche algébrique<br />et déterministe. De plus, nous considérons les signaux et systèmes sous leur forme ``physique'' temps-continu, ce qui<br />nous permet d'exploiter certaines connaissances qui peuvent être cachées ou oubliées par un échantillonnage prématuré.<br />Enfin, avec les méthodes algébriques proposées, on abouti à des techniques simples et rapides, qui permettent une<br />implémentation en temps réel.<br /><br />Dans un premier temps, nous abordons le problème de correction des distorsions dans un système de communication par<br />courant porteur, en utilisant la platitude du système représenté par la ligne électrique. Le système inverse de la<br />ligne obtenu est, par la suite, utilisé dans un autre contexte, notamment celui de la correction du timbre de la voix<br />dans un réseau téléphonique.<br /><br />Dans un deuxième temps, le problème de l'identification est abordé dans le cadre d'une nouvelle théorie déterministe de<br />l'estimation reposant sur l'algèbre différentielle et le calcul opérationnel. Partant de cette théorie, nous avons<br />développé un algorithme général d'identifi-cation entrée-sortie d'un système rationnel. De plus, la rapidité des<br />estimations nous permet-tent d'introduire une notion de filtrage local. Ce filtrage rend possible la représentation<br />d'un système de grande dimension par un modèle de dimension très réduite (ordre un ou deux), variable par morceaux dans<br />le temps. Cette modélisation est très intéressante car elle permet une démodulation directe des symboles transmis, sans<br />nécessiter d'identifier/égaliser explicitement le canal.<br /><br />Finalement, le problème de démodulation des signaux modulés en fréquence à phase continue, reçus à travers un canal à<br />bruit additif, a aussi été abordé à la lumière de ces techniques algébriques. Notre démarche consiste à décrire le<br />signal reçu, dans chaque intervalle symbole, par une équation différentielle linéaire bruitée (en général à<br />coefficients variables), dont les coefficients sont des fonctions du symbole courant. La démodulation symbole par<br />symbole devient alors immédiate et particulièrement robuste aux perturbations.

La définition de la seconde est basée, depuis 1967, sur les propriétés atomiques de l'atome de césium. Une horloge atomique est l'instrument qui permet de réaliser cette définition avec une exactitude limitée par plusieurs sources de perturbations. Toute amélioration dans les performances des horloges atomiques est la bienvenue pour les diverses applications, actuelles et futures, qui utilisent ces horloges. L'objet de ce travail de thèse est d'améliorer les performances de l'étalon primaire de fréquence (JPO) à jet de césium du Laboratoire Primaire du Temps et des Fréquences. Les résultats obtenus se traduisent par les performances suivants : Notre Horloge JPO est maintenant l'horloge, à jet thermique, la plus exacte au monde, avec une exactitude de 6,3 x 10-15. Elle est également l'horloge à jet thermique la plus stable, avec une stabilité à court terme de 3 x 10-13/sqrt(t) où t est le temps d'intégration en seconde.<br />L'obtention de ces bons résultats est liée à la maîtrise des fuites micro-ondes grâce à la conception et à la réalisation d'une cavité de Ramsey. La bonne exactitude est due aux nouvelles techniques de traitement du signal (problèmes inverses, régularisation. analyse cepstrale, ...) que nous avons introduites pour mieux évaluer les effets perturbateurs. La bonne stabilité profite de l'étude détaillée du système d'asservissement dans une horloge ainsi que de la réalisation matérielle et logicielle d'une boucle d'asservissement numérique de haute qualité.

Les télécommunications sans fil mobiles connaissent un intérêt croissant depuis plus d'une décennie. Elles se décomposent en deux types d'applications : la téléphonie et les réseaux informatiques. La complémentarité de ces deux technologies offre un potentiel énorme pour fournir aux usagers une mobilité sans interruption de service quand l'utilisateur passe du domaine public au domaine privé et réciproquement. <br /><br />Toutefois, quel que soit le système de communication sans fil envisagé, il est soumis à une contrainte forte associée au caractère multitrajets du canal de propagation. Celles-ci se traduisent par des évanouissements parfois profonds et rapides du niveau de réception et par la sélectivité en fréquence du canal. Ainsi, le phénomène de trajets multiples associé au canal radioélectrique engendre des perturbations lors de la transmission de signaux à un instant, une position et une fréquence donnée.<br /><br />L'objectif de cette thèse s'inscrit dans ce contexte puisqu'il porte sur la caractérisation spatio-temporelle du canal de propagation tenant compte d'une ou plusieurs antennes à l'émission comme à la réception.<br /><br />Ainsi, dans ce document sont définis les outils théoriques permettant le calcul des fonctions caractéristiques. Ce formalisme est alors intégré dans un logiciel de caractérisation spatio-temporelle, pouvant considérer en entrée des données issues de campagnes de mesures ou provenant de modèles de propagation. Enfin, il propose une ouverture vers l'utilisation des informations de caractérisation du canal dans un système HiperLAN/2.

Le but de ce travail est de développer des méthodes spécifiques pour l'acquisition et la reproduction d'images numériques de très haute qualité colorimétrique. Pour parvenir à ce but, il est nécessaire de maîtriser toute la chaîne du traitement de l'information couleur. La première partie de cette étude porte plus spécifiquement sur le problème de la caractérisation colorimétrique des scanners et des imprimantes, en nous référant à un espace colorimétrique indépendant : l'espace CIELAB. L'algorithme proposé pour la caractérisation colorimétrique d'un scanner est le suivant : une mire de couleurs standardisée est d'abord numérisée, puis la réponse RVB du scanner est comparée avec les valeurs colorimétriques CIELAB de chaque échantillon de la mire. A partir de ce jeu de données, nous modélisons la réponse du scanner par une méthode de régression polynomiale d'ordre 3. Une des originalités de notre approche est d'optimiser directement dans l'espace CIELAB, sans passer par l'intermédiaire de l'espace CIEXYZ : l'erreur ainsi minimisée correspond assez bien à l'erreur visuelle. Nous avons ensuite elaboré une méthode originale pour la caractérisation colorimétrique d'une imprimante couleur. Elle met en oeuvre des techniques de géométrie algorithmique 3D permettant la conversion de tout point de couleur spécifié dans l'espace colorimétrique CIELAB, en un point dans l'espace de couleurs CMJ propre à l'imprimante. Elle prend aussi en compte le problème des couleurs non imprimables. Nous construisons deux structures tridimensionnelles partitionnant l'espace en deux ensembles de tétraèdres, la structure interne et la structure externe. La structure interne couvre l'ensemble des couleurs reproductibles par l'imprimante, appelé color gamut, et l'union des deux structures couvre entièrement le domaine de définition de l'espace CIELAB. Ces structures nous permettent de déterminer facilement si une couleur est à l'intérieur où à l'extérieur du solide des couleurs, d'appliquer tout type de procédé de gamut mapping si nécessaire, et puis de calculer par interpolation tétraédrique non-uniforme les valeurs CMJ correspondantes. Nous établissons ainsi le modèle inverse de l'imprimante. Dans une deuxième partie, pour atteindre une précision et une fidélité des couleurs encore plus grandes, nous avons mené une étude sur l'acquisition d'images multispectrales à l'aide d'une caméra numérique professionnelle et d'un ensemble de filtres chromatiques sélectionnés. Ainsi nous pouvons reconstruire en chaque pixel la réflectance spectrale du point de la surface de l'objet imagé en ce pixel. Dans cette étude nous proposons plus particulièrement des méthodes nouvelles pour la caractérisation spectrale du système d'acquisition d'images, ainsi que pour la sélection d'un ensemble de filtres. Cette sélection est optimisée pour un ensemble donné : caméra, illuminant, et réflectances spectrales. Nous atteignons ainsi une très bonne qualité spectrale et colorimétrique. En particulier nous démontrons que l'estimation des couleurs d'une scène sous n'importe quel illuminant est nettement meilleure en utilisant des images multispectrales, qu'avec une approche classique basée sur des images couleur.

Avec les échographes classiques, le médecin explore un volume à partir de plans de coupe. Il intègre ensuite les informations volumiques en coordonnant les images obtenues et les positions de la sonde. Les techniques d'échographie tridimensionnelle récupèrent directement les données volumiques, qui peuvent ensuite être exploitées de manière plus ou moins automatique. L'objectif de cette thèse est de permettre l'évaluation clinique des techniques ultrasonores tridimensionnelles, notamment en ce qui concerne l'exploration de la région thyroïdienne. Pour ce faire, nous avons développé un système qui repère les mouvements de la sonde échographique pendant que l'opérateur explore le volume étudié. Deux systèmes de repérages ont été testés : un bras mécanique et un capteur électromagnétique. Dans une première étape, nous avons étudié les problèmes de calibrage et la précision du repérage dans les conditions d'utilisation. Les caractéristiques des données ultrasonores rendent le problème de la visualisation des données tridimensionnelles particulièrement difficile. Nous proposons une méthode interactive pour obtenir des images tridimensionnelles réalistes et estimer le volume des structures étudiées. Les images obtenues facilitent alors l'échange d'informations entre l'opérateur et le chirurgien ou le patient. Nous présentons enfin deux méthodes de segmentation pour améliorer la visualisation des données dans deux situations précises. En ce qui concerne la région thyroïdienne, la segmentation semi-automatique de la carotide facilite la localisation des adénomes. En obstétrique, un algorithme de détection des parois la cavité utérine permet d'améliorer la visualisation du foetus.

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.

Un développement récent de la polarimétrie en imagerie radar consiste à l'associer à l'interférométrie. L'analyse polarimétrique permet de comprendre les mécanismes électromagnétiques qui ont lieu au sein d'une cellule de résolution, tandis que l'interférométrie permet de calculer la hauteur du "centre de phase" de cette même cellule. L'utilisation conjointe de ces deux techniques permet d'envisager des bénéfices aussi divers que l'amélioration de la qualité des cartes d'élévations pour une zone urbaine, ou l'estimation des paramètres descriptifs d'une forêt à partir de modèles de diffusion. Les principaux outils théoriques proposés sont validés par des résultats de mesures en chambre anéchoïque et des images SAR du système aéroporté RAMSES de l'ONERA en bandes X, P et L.

Depuis quelques années, l'interférométrie radar a largement démontré son aptitude à recréer des Modèles Numériques de Terrain (MNT). Cependant, son usage reste délicat aux hautes résolutions, notamment en milieu urbain. En effet, les caractéristiques géométriques d'acquisition et les propriétés de l'onde radar créent des ambiguïtés dans le signal interférométrique. Dans un premier temps, une approche par simulation a donc été retenue, afin d'étudier l'impact des phénomènes mis en jeu, et de tester les techniques susceptibles de lever les ambiguïtés. Ainsi, les travaux sur la haute résolution radar ont mis en évidence des cas de corrélation spatiale de la phase sur des données réelles et simulées. Une proposition de modélisation du phénomène a été effectuée, et nous en avons montré les implications dans le cadre des traitements interférométriques. Nous avons ensuite étudié la possibilité d'un traitement optimal des zones de repliement pour la reconstruction du 3D sur des données simulées, grâce à des techniques de filtrage fréquentiel. Enfin, nous avons souligné l'intérêt d'une reconstruction adaptée à l'objet traité, grâce à une classification floue obtenue à partir de l'ensemble des informations extraites de l'image.

Ce travail de thèse consiste à développer l'approche bayésienne en séparation de sources. Mes contributions sont à la fois méthodologiques et algorithmiques illustrées par des applications en imagerie satellitaire et en cosmologie observationnelle. - Au niveau méthodologique: 1. nous avons proposé une modélisation pertinente des sources. L'aspect hiérarchique de ce modèle est bien adapté à la structure cachée naturelle du problème de séparation de sources. 2. Nous avons étudié le problème de dégénérescence du maximum de vraisemblance dans le cas vectoriel et dans le contexte de séparation de sources. 3. Nous avons proposé une approche originale pour la sélection d'a priori avec les outils de la géométrie différentielle. - Au niveau Algorithmique: 1. Nous avons proposé des algorithmes de séparation et de ségmentation dont le principe est l'exploitation de la non stationnarité dans le domaine temporel, spatial, spectral, temps-fréquence... 2. Nous avons mis en oeuvre la solution bayésienne avec une impémentation parallèle de l'échantillonneur de Gibbs ainsi que d'autres approximations stochastiques de l'EM. 3. Ces algorithmes sont illustrés par une application en imagerie satellitaire et une application en cosmologie observationnelle. Enfin, j'ouvre des perspectives théoriques sur la dualité de l'approche bayésienne et de l'approche informationnelle dans le cadre de la séparation et de la ségmentation conjointes des sources.