Si les performances des instruments d'exploration de l'Univers continuent de s'améliorer, c'est souvent au prix d'une augmentation de leurs dimensions. Pour le développement de nouveaux télescopes spatiaux, le vol en formation de satellites est une solution technique de plus en plus envisagée. La mesure absolue des distances entre satellites avec une exactitude de l'ordre de quelques dizaines de microns est alors une nécessité pour l'exploitation des données obtenues avec de tels systèmes. Elle est aussi au cœur d'expériences de physique fondamentale. Mon travail de thèse a porté sur le développement de deux télémètres, T2M et Iliade pouvant répondre à ces besoins. La difficulté dans le développement de ces deux systèmes est de concilier un grand intervalle de mesure de distances avec une grande sensibilité tout en gardant une certaine simplicité et ainsi permettre que ces instruments puissent être embarqués. La performance visée est une mesure de distance de l'ordre du kilomètre exacte à mieux d'un micron. La différence entre T2M et Iliade réside dans leurs conceptions mais aussi dans leurs complexités et les performances visées en termes de résolution. Le télémètre T2M exploite la différence de phase d'une onde modulée en amplitude séparée entre une voie de mesure et une voie de référence. La résolution visée avec ce système est la dizaine de nanomètres. Ce système est capable d'atteindre une grande exactitude du fait que la mesure de distance est déduite d'une mesure de fréquence. Les problèmes d'erreurs cycliques inhérentes à l'utilisation de ce type de techniques sont éliminés par un système d'aiguillage optique permettant d'échanger les faisceaux propres aux deux voies de télémétrie en regard des deux voies de détection. Après la stabilisation du battement de fréquences des deux lasers, mon travail a porté sur l'amélioration de la résolution et sur l'élimination des diverses sources d'erreurs affectant l'exactitude. Les objectifs fixés semblent être atteints et les résultats obtenus sont très encourageants pour les futurs tests et développements à réaliser. Le télémètre Iliade combine une mesure de temps de vol d'impulsions laser et une mesure interférométrique à deux longueurs d'onde. Au prix d'une sophistication un peu plus importante que T2M, la résolution visée est inférieure au nanomètre. La caractérisation de la source d'impulsions d'Iliade présentant un taux de répétition de 20 GHz, a permis de montrer que la gigue temporelle de 65 fs à sa sortie est principalement due au bruit de phase du battement initial de deux lasers monomodes. J'ai travaillé sur une cavité Fabry Perot fibrée pour pré-stabiliser le rayonnement d'un laser monomode. J'ai démontré une technique permettant d'obtenir un signal d'erreur de type dispersif, sans recourir à une modulation. Enfin j'ai étudié une méthode numérique basée sur l'analyse harmonique permettant d'assurer une mesure de différence de phase avec une exactitude de 10-5 radian. Le télémètre Iliade est actuellement en cours de développement.

Le monde militaire s’intéresse à la détection de systèmes optiques présents dans un milieu urbain. La raison de cet intérêt est que la présence de systèmes optiques peut être directement ou indirectement reliée à des activités hostiles. Cette visée consiste en un défi de taille car l’environnement urbain contient de nombreux éléments pouvant être confondus aux systèmes optiques, générant alors de fausses alarmes. Au cours de cette thèse, les concepts de base d’une méthode de détection novatrice permettant de détecter et d’identifier la présence de systèmes optiques ainsi que de diminuer les fausses alarmes sont présentés et vérifiés expérimentalement. Ces concepts sont fondés sur l’établissement d’une signature propre aux systèmes optiques construite à partir de la mesure de leur section efficace laquelle est fonction de la longueur d’onde de la source d’interrogation. Une plateforme de détection a été conçue afin de mesurer la section efficace des systèmes optiques en utilisant le principe de rétro-réflexion. Cette plateforme contient des sources lasers de longueurs d’onde différentes, une caméra à crénelage spatial, un tube télescopique pour l’émission et la collection des rayonnements ainsi qu’un télémètre laser. Les résultats expérimentaux ont permis de valider les concepts de la méthode proposée en détectant et identifiant correctement les systèmes optiques en plus de les différentier des fausses alarmes, ouvrant ainsi la voie à un traitement nouveau de l’information pour ce type d’application.

Les applications nécessitant une grande précision temporelle sont de plus en plus nombreuses, notamment lorsqu'elles requièrent des mesures par temps de vol, c'est-à-dire de mesurer le temps de propagation de la lumière ou de particules. La télémétrie laser et certaines modalités d'imagerie médicale dont la tomographie d'émission par positrons (TEP) en sont des exemples. Ces applications requièrent l'attribution d'étampes temporelles aux photons détectés, tout en assurant une précision temporelle exceptionnelle. Le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS) développe des scanners TEP visant à intégrer des mesures par temps de vol pour améliorer le contraste des images. Pour ce faire, une partie du GRAMS (GRAMS3D) se concentre sur la réalisation de modules de comptage monophotoniques (MCMP) à grande précision temporelle pour intégrer les prochaines générations de scanners TEP. D'autres projets pourraient également se concrétiser dans les prochaines années, dont l'intégration des MCMP du GRAMS dans le Grand Collisionneur de Hadrons (Large Hadron Collider, LHC) au CERN pour des expériences en physique des hautes énergies. Pour atteindre de tels niveaux de performances, le MCMP se compose d'une matrice de photodiodes à avalanche monophotoniques intégrée en 3D avec l'électronique frontale et l'électronique de traitement de l'information. Certains MCMP n'utilisent qu'un seul convertisseur temps-numérique (CTN) pour une matrice de photodétecteurs, limitant le nombre d'étampes temporelles disponibles en plus d'obtenir un temps de propagation différent entre chacun des pixels et le CTN. Pour surpasser ces inconvénients, une autre approche consiste à intégrer un CTN à chacun des pixels. C'est dans cette perspective que le présent ouvrage se concentrera sur le CTN implanté dans chacun des pixels de 50 × 50 µm[indice supérieur 2] du MCMP développé au GRAMS. Le CTN proposé est basé sur une architecture vernier à étage unique afin d'obtenir une excellente résolution et une linéarité indépendante des variations de procédé. Sa taille de 25 × 50 µm[indice supérieur 2] et sa consommation de 163 µW en font un excellent choix pour une implantation matricielle. Le CTN, calibré en temps réel grâce à une boucle à verrouillage de phase numérique, a démontré une résolution de 14,4 ps avec une non-linéarité intégrale (INL)/non-linéarité différentielle (DNL) de 3,3/0,35 LSB et une précision temporelle inférieure à 27 ps[indice inférieur rms]. Les résultats obtenus prouvent qu'il est possible de concilier d'excellentes résolution et précision temporelles avec de très faibles dimensions et consommation.

Le schéma de T2L2 (Transfert de Temps par Lien Laser), basé sur la technologie de la télémétrie laser (SLR), représente un nouveau moyen pour la synchronisation d'horloges distantes. L'expérience T2L2 fut acceptée par le CNES en 2005 d'être embarqué sur le satellite d'altimétrie des mers Jason 2.<br />La première partie de ce travail traite la caractérisation intégrale de l'instrument spatial T2L2, incluant la calibration et l'évaluation de sa performance en métrologie de temps/fréquence. Ces tests furent menée à l'aide d'un banc de test de haute complexité, développé à l'Observatoire de la Côte d'Azur.<br />Par ailleurs, le document décrit un bilan des performances du schéma intégrale T2L2, incluant l'instrument spatial ainsi que le segment sol et autres contributeurs ; par conséquent on démontre la performance finale de tout le transfert de temps: Avec une stabilité de quelques picosecondes en intégrant pendant un passage du satellite, T2L2 permettra de comparer les horloges les plus avancés, incluant les fontaines atomiques. L'exactitude absolue d'un transfert de temps fut déterminé à moins que 50 ps en configuration vue commune.<br /><br />La deuxième partie du document présent est orientée autour l'extension de la technologie de télémétrie laser et T2L2 à la mesure absolue et de très haute résolution de distances en espace.<br />Cet objectif devra être atteint en utilisant un laser de peigne de fréquences en combinant la mesure de temps de vol avec une mesure interférométrique.<br />Le document décrit un pas important vers la faisabilité de cet approche, la mesure de distances en datation à très haute cadence et en mesure de phase, ce qui devrait permettre de franchir le seuil de la longueur d'onde.

La qualité actuelle des techniques de Géodésie Spatiale permet d'estimer des séries temporelles de produits géodésiques tels que les paramètres de rotation et les positions de stations terrestres. Ces nouveaux produits doivent être utilisés dans la matérialisation des Systèmes de Référence Terrestres, en constantes évolution et amélioration. Ils doivent aussi mettre en évidence les phénomènes, globaux ou locaux, régissant la rotation terrestre et les mouvements de la croûte. C'est dans ce contexte riche d'enjeux divers que s'inscrivent ces travaux. Leur but premier a été l'élaboration et l'application d'une méthode d'estimation de séries temporelles de positions de stations et de paramètres de rotation de la Terre par l'analyse de données de télémétrie laser sur satellites. Cette technique est en effet une des clefs de voûte du Repère de Référence Terrestre International (ITRF). En guise de validation de cette méthode, douze ans de données (1993-2004) sur les deux satellites LAGEOS ont été traités et analysés. Si les techniques géodésiques présentent certes des forces individuellement, c'est dans leur combinaison qu'elles montrent réellement toutes leurs potentialités. À ce titre, le Groupe de Recherche en Géodésie Spatiale (GRGS) a mené une expérience de combinaison de cinq techniques géodésiques (SLR/LLR/GPS/DORIS/VLBI) au niveau des observations sur l'année 2002. J'ai activement participé à cette expérience dont le but principal était de démontrer la force d'une telle approche pour la détermination de séries temporelles de coordonnées du pôle et du Temps Universel.

Au-delà de son utilisation en géophysique ou en métrologie à grande échelle, la télémétrie laser des longues distances devrait trouver de nombreuses applications pour les missions spatiales. Les instruments d'observation par synthèse ouverture en vols en formation demandent que la géométrie de la constellation soit connue et contrôlée à bien mieux que la longueur d'onde de la fenêtre d'observation. Pour répondre à ces besoins, nous avons étudié un nouveau schéma de mesure qui combine une mesure interférométrique, réalisée sur un faisceau à deux modes et une mesure de temps de vols. Mon travail de thèse a porté sur la conception, mise en œuvre et la caractérisation de la mesure interférométrique. Pour qu'elles ne soient pas affectées par les dérives lentes de l'instrumentation microonde, les deux mesures de phase de longueur d'onde optique (1.55 µm) et de longueur d'onde synthétique (15 mm) sont extraites d'un même signal d'interférence à deux modes en utilisant une procédure de mesure dédiée : on réalise des mesures du signal d'interférence à trois valeurs de la fréquence optique de la source, calculées d'après le résultat de la mesure de temps de vol. Le télémètre met à profit les propriétés du signal d'interférence à deux modes et exploite la phase et l'amplitude du signal à 20 GHz de façon à éliminer les dérives de phase à long terme du signal microonde dans les chaînes de mesure. On peut en attendre, en moins de 0.1 s, une mesure de résolution et d'exactitude inférieures au nanomètre. Le montage expérimental a permis de montrer que le principe de mesure est correct. Sur la mesure d'un chemin optique dans l'air, nous avons obtenu une résolution de 100 pm à 100 µs, qui nous permet d'observer le bruit acoustique. Le bruit sur la mesure des signaux permet d'espérer une résolution de à 10 pm à 43 ms. Les imperfections optiques du montage ont été mises en évidence: elles ont été décrites par une expression analytique, puis à l'aide d'optiques dédiées réduites au niveau nécessaire pour le fonctionnement de l'instrument. La phase des signaux de battement à 20 GHz est affectée d'erreurs de plusieurs 10-3 cycles qui, si elles ne sont pas corrigées, provoquent des erreurs de la mesure de longueur par une ou plusieurs fois la longueur d'onde optique. Nous avons réalisé une étude spécifique du couplage amplitude-phase à l'origine de cette déformation, et montré qu'il est en partie d'origine thermique, lié à la puissance de plusieurs kW/cm² dissipée dans les photodiodes à 20 GHz. Cet effet, voisin de ce qui est connu depuis quelques années en instrumentation microonde sous le nom d' "effet mémoire", est difficile à prendre en compte et la correction qui est faite sur les données ne parvient pas totalement à éviter que le télémètre délivre des valeurs erronées de la distance. En conclusion de ce mémoire deux options sont présentées afin de remédier à cette déformation du signal et d'aboutir à un instrument de haute exactitude.

La mesure de distance et la détection d'objets sont devenues essentielles dans de nombreux domaines tels que l'automobile ou la robotique, les applications médicales, les procédés industriels et agricoles, les systèmes de surveillance et de sécurité, etc. Dans le but d'améliorer les performances des dispositifs de télémétrie laser en terme de bruit et de diaphonie, une technique hétérodyne par mélange optoélectronique doit être utilisée. Par ailleurs, l'aspect système embarqué nécessite une réduction de l'encombrement et de la consommation à performances égales. L'intégration de mélangeurs optoélectroniques en technologie CMOS apporte donc une solution optimale à cette approche grâce à ses multiples avantages (intégration du circuit d'instrumentation sur la même puce, modèles bien connus, coût raisonnable, performances élevées,…). Ainsi cette thèse traitera de l'étude de mélangeurs optoélectroniques en technologie CMOS pour la télémétrie embarquée haute résolution. Le premier chapitre de ce manuscrit présente les diverses technique de mesure de distance par télémétrie laser par et justifie le choix de la télémétrie laser par déphasage ainsi que le gain en performances lié à l'hétérodynage. Le second chapitre décrit les mélangeurs électriques et optoélectroniques ainsi que les propriétés nécessaires à leur réalisation. Quelques photodétecteurs y sont présentés au vu de la possibilité de les utiliser en mélangeurs optoélectroniques et d'une intégration potentielle en technologie CMOS. Les principales contraintes liées à l'intégration en technologie CMOS de photocapteurs utilisables en mélangeurs optoélectroniques, sont exposés dans la troisième partie. Les travaux de conception et d'optimisation des structures ainsi que les phases de simulations et de test y sont détaillés. Enfin, pour valider expérimentalement les études précédentes, le dernier chapitre présente la conception d'une chaîne de mesure multivoies pour une tête de photoréception CMOS matricée pour un télémètre laser embarqué haute résolution. / Distance measurement and object detection has become essential in many fields such as automotive and robotics, medical applications, industrial processes and farming systems, surveillance and security, etc.. In order to improve the performance of laser ranging devices in terms of noise and crosstalk, an optoelectronic heterodyne technique of mixing should be used. Moreover, the aspect of embedded system requires a reduction in the size and power consumption for the same performance. The integration of optoelectronic mixers in CMOS technology will provide an optimal solution to this approach through its many advantages (integrated instrumentation circuit on the same chip, well-known models, reasonable cost, high performance, ...). Thus this thesis will focus on the study of optoelectronic mixers in CMOS technology for high resolution, embedded laser range finding systems. The first chapter of this thesis discusses the various technique of distance measurement by laser ranging and justifies the choice of phase shift technique and the gain in performance related to heterodyning. The second chapter describes the electrical and optoelectronic mixers and the properties needed to develop them. Some photodetectors are presented given the opportunity to use optoelectronic mixers and a potential integration with CMOS technology. The main constraints to the integration of CMOS photosensors used in optoelectronic mixers are set out in Part III. The work of design and optimization of structures and phases of simulations and testing are detailed. Finally, to experimentally confirm the earlier studies, the final chapter presents the design of a measuring head for a multichannel photoreceptor CMOS for a high resolution laser range finder.

Au-delà de son utilisation en géophysique ou en métrologie à grande échelle, la télémétrie laser des longues distances devrait trouver de nombreuses applications pour les missions spatiales. Les instruments d'observation par synthèse ouverture en vols en formation demandent que la géométrie de la constellation soit connue et contrôlée à bien mieux que la longueur d’onde de la fenêtre d’observation. Pour répondre à ces besoins, nous avons étudié un nouveau schéma de mesure qui combine une mesure interférométrique, réalisée sur un faisceau à deux modes et une mesure de temps de vols. Mon travail de thèse a porté sur la conception, mise en œuvre et la caractérisation de la mesure interférométrique. Pour qu'elles ne soient pas affectées par les dérives lentes de l'instrumentation microonde, les deux mesures de phase de longueur d’onde optique (1.55 µm) et de longueur d’onde synthétique (15 mm) sont extraites d'un même signal d’interférence à deux modes en utilisant une procédure de mesure dédiée : on réalise des mesures du signal d’interférence à trois valeurs de la fréquence optique de la source, calculées d'après le résultat de la mesure de temps de vol. Le télémètre met à profit les propriétés du signal d'interférence à deux modes et exploite la phase et l'amplitude du signal à 20 GHz de façon à éliminer les dérives de phase à long terme du signal microonde dans les chaînes de mesure. On peut en attendre, en moins de 0.1 s, une mesure de résolution et d'exactitude inférieures au nanomètre. Le montage expérimental a permis de montrer que le principe de mesure est correct. Sur la mesure d’un chemin optique dans l'air, nous avons obtenu une résolution de 100 pm à 100 µs, qui nous permet d'observer le bruit acoustique. Le bruit sur la mesure des signaux permet d'espérer une résolution de à 10 pm à 43 ms. Les imperfections optiques du montage ont été mises en évidence: elles ont été décrites par une expression analytique, puis à l’aide d’optiques dédiées réduites au niveau nécessaire pour le fonctionnement de l'instrument. La phase des signaux de battement à 20 GHz est affectée d'erreurs de plusieurs 10-3 cycles qui, si elles ne sont pas corrigées, provoquent des erreurs de la mesure de longueur par une ou plusieurs fois la longueur d'onde optique. Nous avons réalisé une étude spécifique du couplage amplitude-phase à l'origine de cette déformation, et montré qu'il est en partie d'origine thermique, lié à la puissance de plusieurs kW/cm² dissipée dans les photodiodes à 20 GHz. Cet effet, voisin de ce qui est connu depuis quelques années en instrumentation microonde sous le nom d' "effet mémoire", est difficile à prendre en compte et la correction qui est faite sur les données ne parvient pas totalement à éviter que le télémètre délivre des valeurs erronées de la distance. En conclusion de ce mémoire deux options sont présentées afin de remédier à cette déformation du signal et d'aboutir à un instrument de haute exactitude. / Beyond its use in geophysics or in large scale metrology, laser-based measurement of long distances is expected to find numerous applications in space missions. Synthetic aperture instruments in formation flight require that the constellation geometry be known and controlled to much better than the wavelength of the observation window. To meet these needs, we have been studying a novel laser ranging scheme that combine an interferometric measurement, performed on a two-mode laser beam, and a time of flight measurement. My thesis focused on the design, implementation, and characterization of the interferometric measurement. To prevent systematic errors due to slow drifts in the microwave components, the two phase measurements of optical wavelength (1.55 microns) and the synthetic wavelength (15 mm) are extracted from the same two-mode interference signal by using a dedicated measurement procedure: we perform interference signal measurements at three optical frequency values of the laser source, calculated based on the time of flight measurement result. The rangefinder utilizes the two-mode interference signal properties and exploits phase and amplitude of the 20 GHz signal in a manner to eliminate long-term phase drifts of the microwave signal in the measurement chain. We can expect in less than 0.1 s, a measurement with sub-nanometer accuracy and resolution. The experimental setup showed that the principle is correct. On an optical path measurement in air, we obtained a 100 pm resolution in 100 us, which allows us to observe the acoustic noise. The measurement signal noise allows expecting a 10 pm resolution in 43 ms. Optical imperfections in the setup have been observed. They were described by an analytical expression, then, using dedicated optics, they were reduced to the level required for the instrument operation. The phase of two-mode signal is affected to several 10-3 cycle errors which, if not corrected, result in errors in the measurement length by multiples of the optical wavelength. We performed a specific study of amplitude-to-phase coupling causing this deformation, and showed that it is part of thermal origin, related to the power of several kW/cm² dissipated in the 20 GHz photodiodes. This effect, close to what has been known for some years in microwave instrumentation under the name of "memory effects", is difficult to take into account and the correction made on the data can not completely prevent the rangefinder from delivering incorrect values of the distance. In concluding this thesis two options are presented to remedy this signal distortion and result in a high accuracy instrument.

La Station Laser Ultra Mobile est la plus petite station de télémétrie laser au monde, ne pesant que 300 kg, dédiée à la poursuite de satellites équipés de rétroréflecteurs laser. Elle utilise un petit télescope de 13 cm de diamètre placé sur une monture issue d'un théodolite de précision et motorisé, un laser très compact et une photodiode à avalanche permettant la détection au niveau du simple photo-électron. Les premières expériences (Corse, fin 1996) ont révélé des instabilités dans la qualité des mesures. Ce travail concerne l'étude et la mise en place de nombreuses modifications techniques afin d'atteindre une exactitude centimétrique des mesures et de pouvoir participer à la campagne de validation des orbites et d'étalonnage de l'altimètre du satellite océanographique JASON-1 (2001). La précision instrumentale souhaitée a été vérifiée avec succès en laboratoire.<br />Outre cet aspect instrumental et métrologique, une analyse a été développée afin de pouvoir estimer l'exactitude et la stabilité des observations de la station mobile après intégration des modifications. A partir d'une expérience de co-localisation entre les deux stations laser fixe du plateau de Calern, on a fait une analyse fondée sur l'ajustement, par station, de coordonnées et d'un biais instrumental moyen à partir d'une orbite de référence des satellites LAGEOS. Des variations saisonnières très cohérentes ont été mises en évidence dans les séries temporelles des différentes composantes. La comparaison locale des déformations de la croûte terrestre se traduisant par des variations d'altitude issues des données laser montre une cohérence avec les mesures d'un gravimètre absolu transportable (FG5). Des signaux de même amplitude ont été observés par GPS. Ces variations sont également mises en évidence à l'échelle mondiale et leur interprétation géophysique est due à la combinaison des effets de marées terrestres et polaire et des effets de charge atmosphérique.

Cette étude va se focaliser sur trois aspects. Dans un premier temps, un effort sera porté sur l'aspect "localisation précise" du véhicule en mouvement. Pour cela, il est nécessaire de se pencher sur l'intégration et le traitement de l'information issue de systèmes hétérogènes de navigation: GPS et centrale inertielle (INS) auxquels sera rajoutée ensuite l'odométrie. La raison de cette intégration est d'exploiter les avantages de chacun des systèmes utilisés. L'intégration utilise un filtrage numérique pour procéder à une compensation des erreurs en position, vitesse, et en attitude issues de chaque capteur. L'accent n'a pas seulement été mis sur l'intégration, mais aussi sur les notions de précision des résultats. Dans un deuxième temps, nous allons nous intéresser à la fois à la validation quantitative et qualitative des résultats et à l'élaboration d'une application exploitant notre travail. Les erreurs du système sont comparées avec une trajectoire de référence. Nous avons choisi de réaliser un système de numérisation tridimensionnelle de l'environnement couplé à un système de modélisation adapté au type d'environnement. L'étude se penchera sur le capteur d'acquisition de données télémétriques et son intégration à bord du véhicule. Un intérêt particulier est porté sur la qualité et les imprécisions des données retournées par le télémètre. L'acquisition des données se fera au vol et pendant le déplacement du véhicule. Enfin, le modèle obtenu sera exploité, de deux manières: la constitution d'un modèle géométrique et topologique précis puis l'extraction d'informations sémantiques du modèle (extraction de la route ou des obstacles fixes, identifications d'amers, caractérisation de la route, etc.).