The Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission is an Earth Explorer Opportunity mission from the European Space Agency (ESA). It was a direct response to the global observations of soil moisture and ocean salinity. Its goal is to produce global of these parameters using a dual-polarization L-band interferometric radiometer the Microwave Imaging Radiometer by Aperture Synthesis (MIRAS). This instrument is a new polarimetric two-dimensional (2-D) Y-shaped synthetic aperture interferometric radiometer based on the techniques used in radio-astronomy to obtain high resolution avoiding large antenna structures. MIRAS measures remotely the brightness temperature (TB) emitted by the Earth's surface, which is not isotropic, since it depends on the incidence angle and polarization, the Soil Moisture (SM) or the Sea Surface (SSS), the surface roughness etc. among others. The scope of this doctoral thesis is the study of some potential improvements could eventually be implemented in future interferometric radiometers. To validate improvements a ground-based instrument concept demonstrator the Passive Advanced Unit Synthetic Aperture or (PAU-SA) has being designed and implemented. Both MIRAS and PAU-SA are Y-shaped array, but the receiver topology and the processing unit are different. This Ph.D. thesis has been developed in the frame of The European Investigator Awards (EURYI) 2004 project entitled "Passive Advanced Unit (PAU): Hybrid L-band Radiometer, GNSS Refectometer and IR-Radiometer for Passive Sensing of the Ocean", and supported by the European Science Foundation (ESF).

SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) is ESA's Earth Explorer series satellite carrying the novel MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis) interferometric synthetic aperture radar. Its objective is monitoring and studying the planet's water cycle by following the changes in soil moisture levels and ocean surface salt concentrations on a global scale. The success of the mission calls for nearly uninterrupted operation of the science payload. However, the instrument experiences sporadically problems with its hardware, which cause losses of scientific data and may require intervention from ground to resolve. The geographical areas in which most of these anomalies occur, polar regions and the South-Atlantic anomaly, give cause to assume these problems are caused by charged particles in the planet's ionosphere. In this thesis, methods of predicting occurrence of hardware anomalies from indicators of Earth radiation environment are investigated.

La télédétection par satellite est aujourd'hui une composante à part entière de l'océanographie. Elle permet d'effectuer des mesures de vents, de température de surface (SST), de couleur de l'eau, de topographie, ... avec des couvertures spatiales et temporelles bien supérieures à celles obtenues par des méthodes in situ. Cependant, il n'existe pas à l'heure actuelle de mesure satellitaire de salinité de surface des océans (SSS), et celle-ci reste sous échantillonnée à la fois spatialement et temporellement. La salinité étant un paramètre important pour la circulation des masses d'eau océaniques, son observation globale et régulière constituerait un apport conséquent à l'océanographie physique. C'est pourquoi de nombreuses équipes scientifiques à travers le monde relèvent actuellement le défi technologique de la télédétection de la SSS par satellite, et particulièrement en Europe grâce à la mission de l'Agence Spatiale Européenne « Soil Moisture and Ocean Salinity » (SMOS). Au cours de ma thèse, j'ai étudié la faisabilité de la mesure de la SSS à l'aide d'un radiomètre hyperfréquence en bande L (i.e. fréquence = 1.4 GHz <=> longueur d'onde = 21 cm), en estimant les sources d'incertitude sur la SSS qui sera restituée dans le cadre de la mission SMOS. Pour cela, j'ai codé un modèle direct, qui simule les processus physiques intervenant depuis la surface océanique jusqu'à l'antenne du radiomètre. Ce modèle est constitué d'un modèle d'émissivité de la mer à « deux échelles » (i.e. on distingue les vagues selon qu'elles soient « grandes » ou « petites » par rapport à la longueur d'onde du radiomètre), et d'un modèle de transfert radiatif à travers l'atmosphère. Le modèle d'émissivité m'a permis d'estimer la sensibilité de la température de brillance (Tb) de l'océan aux paramètres géophysique océanique (i.e. SSS, SST, et rugosité de surface induite par le vent ou la houle), ainsi que l'incertitude sur cette sensibilité en comparant les résultats obtenus à partir de paramétrisations différentes. J'ai conclu de ces études que la sensibilité de la Tb à la SSS est relativement bien connue (de l'ordre de quelques dixièmes de Kelvin par psu) mais que l'effet de la rugosité est très incertain à cause de l'imprécision des modèles de spectre des vagues, alors que cet effet ne semble pas être négligeable (la sensibilité de la Tb au vent étant comprise entre 0.12 à 0.25 K/(m/s) selon le modèle de spectre). Le modèle de transfert radiatif m'a permis d'estimer les différentes contributions de l'atmosphère (atténuation des rayonnements la traversant et émission propre), ainsi que la sensibilité de ces contributions aux paramètres atmosphériques (i.e. profils de température, pression et humidité relative). En bande L, l'atmosphère est quasiment transparente (épaisseur optique ~ 0.01 néper) et sa température de brillance est de l'ordre de 2 K. Ces effets sont peu sensibles aux paramètres atmosphériques, particulièrement à la vapeur d'eau. Je présente aussi dans la thèse des comparaisons du modèle avec des mesures radiométriques en bande L récentes (campagnes WISE 2000, WISE 2001 et EuroSTARRS) ainsi que les conclusions sur la validité des différents modèles de spectre de mer étudiés.

Un regain d'intérêt pour la télédétection de la salinité de surface de l'océan (SSS) par radiométrie en bande-L (21cm) est apparu dans les années 1990 et a conduit au lancement des missions spatiales SMOS (nov. 2009) et Aquarius (juin 2011). Cependant, en raison du faible rapport signal sur bruit, l'inversion de la SSS à partir des mesures radiométriques en bande-L est très difficile. Ce travail porte sur l'étude de la signature radiométrique en bande-L des propriétés de la surface de l'océan (en particulier SSS et rugosité) à partir des mesures du radiomètre aéroporté en bande-L CAROLS, acquises dans le golfe de Gascogne en 2009 et 2010. Une première étude a montré que la SSS déduite des mesures du radiomètre CAROLS était précise à mieux que 0.3 pss dans une zone de forte variabilité spatio-temporelle avec une meilleure précision que les modèles océanographiques côtiers. La seconde étude qui combine les mesures passives (CAROLS) et active (diffusiomètre en bande-C STORM) a mis en évidence l'amélioration des nouveaux modèles de rugosité par rapport aux modèles pré-lancement satellitaires. Par ailleurs, l'étude a montré l'importance de la prise en compte des moyennes et grandes échelles de rugosité (> 20 cm) pour l'interprétation des mesures radiomé- triques loin du nadir.