Deux études principales ont été menées au cours de ce travail. D’une part, le spectre de rotation pure du radical iodomethyle (état fondamental : X̃ 2B1) a été identifié pour la première fois dans le domaine des ondes millimétriques. Ce radical a été produit en phase gazeuse par réaction d’atomes de chlore (obtenus par décharge micro-ondes dans Cl2 à 2450 MHz) avec CH3I ou CH2I2 comme précurseurs. Au total 331 transitions rotationnelles de type a de la branche R ont été observées, et les structures fines et hyperfines ont été résolues. Ces résultats ont ainsi permis de compléter l’étude des radicaux halogénés CH2X (X = F, Cl, Br et I) effectuée au laboratoire PhLAM. La structure électronique de CH2I a pu être obtenue avec précision. Les constantes d'interaction fine et hyperfine obtenues sont en accord avec la symétrie 2B1, c'est à dire que l'électron non apparié occupe une orbitale pπ s'étendant perpendiculairement au plan de la molécule. D’autre part, des études par spectroscopie infrarouge ont été menées sur différentes espèces moléculaires, stables (C3H4, OCS et CH3OH) et réactives (l’ion ArD+ et le radical CN•) afin de tester la possibilité de surveillance de gaz présents dans l’atmosphère sous forme de trace. Ainsi, le concept de la variance d'Allan a été utilisé avec deux méthodes expérimentales bien connues dans le domaine de la détection de gaz présents sous forme de trace : la spectroscopie à diode laser et la spectroscopie photoacoustique à laser CO2. La détection des molécules et d’espèces réactives (O3•, CN•, ArD+) a été comparée sur la base des calculs de la variance d'Allan. / Two studies have been carried out during this work. On the one hand, pure rotational spectrum of the gas phase of the monoiodomethyl radical (ground state: X̃2B1) has been observed for the first time in the millimeter¬wave region. The CH2I• radical was created by the reaction of either diiodomethane (CH2I2) or iodomethane (CH3I) with the products of 2450 MHz microwave discharge of Cl2. The 331 millimeterwave a-type R-branch transitions have been observed with fully resolved fine and partly resolved hyperfine components. The small positive inertial defect, Δ0 = 0.03665(3) amu.A2, indicates that the radical is planar in the ground vibronic state. The observed fine and hyperfine interaction constants are consistent with 2B1 symmetry, i.e. with the unpaired electron occupying a pπ orbital extending perpendicular to the molecular plane. On the other hand, infrared spectroscopic studies on several molecular species, stable (C3H4, OCS and CH3OH) and reactive (the ion ArD+, the radicals CN• and O3•) have been carried out to test the possibility of atmospheric trace gas monitoring. Based on the mathematical evaluation of the calculated signal-to-noise ratios of absorption spectra, optimum values of frequency and amplitude modulation were found. The concept of the Allan variance has then been utilized with two experimental methods well-known for the detection of trace gas: diode-laser spectroscopy and CO2 laser photoacoustic spectroscopy. Detection of the above mentioned stable molecules and reactive unstable species have been compared on the basis of Allan variance calculations.

DORIS (Détermination d'Orbite et Radio positionnement Intégré sur Satellite) est un des systèmes permanents d'observation de la Terre avec le Global Positioning System (GPS) et la télémétrie laser sur satellite (SLR). La richesse des mesures collectées par ces systèmes permet de représenter le déplacement des stations au sol sous forme de séries temporelles de coordonnées. Au delà de la modélisation déterministe habituelle des phénomènes géophysiques, un nouveau domaine de recherche en géodésie s'est ouvert il y a quelques années, visant à la validation et à l'interprétation de ces séries temporelles.Dans la première partie du mémoire on décrit l'intégration de la fonction de mesure DORIS dans le logiciel de traitement GPS de l'Université de Berne.La partie principale des recherches effectuées concerne l'étude et la mise en oeuvre d'une méthode d'analyse de séries géodésiques 3D allant au delà des approches classiques que sont la répétitivité ou la recherche de périodicités et de ruptures. La méthode fait appel à des outils empruntés à d'autres disciplines : l'Analyse en Composantes Principales aux statistiques des sondages, et la variance d'Allan à la métrologie du temps et des fréquences. Elle est testée sur un certain nombre de jeux de séries temporelles de coordonnées de stations DORIS et GPS. On obtient une batterie de diagnostics qualifiant le spectre des mouvements de station et celui des erreurs de mesure. Ces diagnostics permettent la description déterministe et statistique du mouvement des stations obtenu par les analyses de géodésie spatiale. Ils conduisent aussi à une différenciation des systèmes de positionnement DORIS et GPS par leur signature spectrale.

Les observations astronomiques nous permettent d’étudier l’univers et de comprendre les phénomènes qui le gouvernent. La matière visible dans l’univers émet des ondes à des fréquences très diverses, réparties sur tout le spectre électromagnétique (domaines radio, submillimétrique, infrarouge, visible, ultraviolet, X et gamma). Ces ondes nous renseignent sur certaines caractéristiques physico-chimiques des éléments observés (nature, température, mouvement, etc.). Des télescopes couvrant différentes plages de fréquences sont nécessaires pour observer l’ensemble du spectre électromagnétique. Les radio-télescopes, sensibles aux ondes (sub)millimétriques, sont principalement dédiés à l’observation de la matière froide présente dans le milieu interstellaire. Le milieu interstellaire est le berceau des étoiles et son étude est essentielle pour comprendre les différentes étapes de la vie des étoiles. La fréquence maximale d’observation des radio-télescopes est en augmentation depuis la fabrication des premiers radio-télescopes dans les années 1930. Récemment, des radio-télescopes capables de détecter des signaux dans l’infrarouge lointain, au delà de 1 THz, ont été développés. Ces avancées technologiques ont été motivées, entre autres, par la présence, dans le milieu interstellaire, de molécules et d’ions uniquement observables à des fréquences supérieures à 1 THz. Pour observer des raies avec une haute résolution spectrale, les radio-télescopes sont équipés de récepteurs hétérodynes. Ce type de récepteur permet d’abaisser la fréquence de la raie spectrale observée tout en conservant ses caractéristiques (une raie observée à 1 THz peut, par exemple, être décalée à une fréquence de 1 GHz). Cette technique permet d’observer des raies avec une très haute résolution spectrale et c’est pourquoi les récepteurs hétérodynes sont largement utilisés pour les observations de raies spectrales aux fréquences GHz et THz. Dans les récepteurs hétérodynes, un oscillateur local (OL) émet un signal monochromatique à une fréquence très proche de celle du signal observé. Les deux signaux sont superposés à l’aide d’un diplexeur et transmis à un mélangeur. Ce dernier réalise le battement des deux signaux et génère un signal identique au signal observé mais à une fréquence plus faible. Durant ma thèse, j’ai travaillé sur la construction, la caractérisation et l’amélioration d’un récepteur hétérodyne à 2.6 THz. Cette fréquence d’observation (2.6 THz) est l’une des plus hautes atteintes par les récepteurs hétérodynes THz existant actuellement, ce qui constitue un défi technologique très important. Dans le but de caractériser et d’améliorer ce récepteur, je me suis concentré sur trois aspects essentiels ..... / (Sub)Millimeter-telescopes are often used to observe the interstellar medium in the universe and they enable us to study the stellar life cycle. To detect and study some important molecules and ions, we need receivers able to observe at frequencies above 1 THz. Receivers working at such high frequencies are quite new and the 2.6 THz heterodyne receiver I built and characterized during my PhD represents the state-of-the-art of THz heterodyne receivers. I especially focused on three important aspects of this receiver: its stability, the superimposition of the local oscillator signal (LO) and the observed signal by a diplexer, and the splitting of the LO signal by a phase grating. The stability was calculated with the Allan variance and I found that the two elements limiting the stability of our receiver were the 1.4 THz local oscillator and the mixer bias supply. The Martin-Puplett interferometer (MPI) diplexer I designed, built and tested is able to transmit 76 % of the LO power at 2.6 THz and we estimate a transmittance around 79 % for the observed signal. This MPI is operational and ready for the next generation of heterodyne receivers. Splitting the LO signal is essential to build heterodyne receivers with several pixels, which allows us to get spectra of the universe at many positions in the sky simultaneously. I have developed a new kind of grating, called Global gratings, and I made two prototypes of these Global phase gratings able to split the LO beam into four beams. These two phase grating prototypes, a transmissive and a reflective one, were optimized for 610 GHz and showed, respectively, an efficiency of 62 ± 2 % and 76 ± 2 %. These excellent results validate the design and fabrication processes of this new kind of grating. In conclusion, the work accomplished during this PhD constitutes an important step toward the realization of a very stable and highly sensitive 2.6 THz multi-pixel heterodyne receiver using a MPI diplexer.

La résolution d'un problème d'estimation de l'état d'un système nécessite de disposer d'un modèle régissant l'évolution des variables d'état et de mesurer de manière directe ou indirecte l'ensemble ou une partie de ces variables d'état. Les travaux exposés dans ce mémoire de thèse portent sur la problématique d'estimation en présence de méconnaissances de modèle et de pertes de capteurs. La première partie de ce travail constitue la synthèse d'un dispositif d'estimation d'état pour systèmes non linéaires. Cela consiste à sélectionner un estimateur d'état et convenablement le régler, puis à concevoir algorithmiquement, à partir d'un critère introduit pour la circonstance, une redondance matérielle visant à compenser la perte de certains capteurs. La seconde partie de ce travail porte sur la conception, à l'aide de la variance d'Allan, d'un sous-modèle permettant de compenser les incertitudes d'un modèle d'état, ce sous-modèle étant utilisable par un filtre de Kalman. Ce travail a été exploité pour tenir compte de dérives gyroscopiques dans le cadre d'une navigation inertielle hybridée avec des mesures GPS par un filtre de Kalman contraint. Les résultats obtenus, issus d'expériences sur deux trajectoires d'avion, ont montré un comportement sain et robuste de l'approche proposée.

La résolution d'un problème d'estimation de l'état d'un système nécessite de disposer d'un modèle régissant l'évolution des variables d'état et de mesurer de manière directe ou indirecte l'ensemble ou une partie de ces variables d'état. Les travaux exposés dans ce mémoire de thèse portent sur la problématique d'estimation en présence de méconnaissances de modèle et de pertes de capteurs. La première partie de ce travail constitue la synthèse d'un dispositif d'estimation d'état pour systèmes non linéaires. Cela consiste à sélectionner un estimateur d'état et convenablement le régler, puis à concevoir algorithmiquement, à partir d'un critère introduit pour la circonstance, une redondance matérielle visant à compenser la perte de certains capteurs. La seconde partie de ce travail porte sur la conception, à l'aide de la variance d'Allan, d'un sous-modèle permettant de compenser les incertitudes d'un modèle d'état, ce sous-modèle étant utilisable par un filtre de Kalman. Ce travail a été exploité pour tenir compte de dérives gyroscopiques dans le cadre d'une navigation inertielle hybridée avec des mesures GPS par un filtre de Kalman contraint. Les résultats obtenus, issus d'expériences sur deux trajectoires d'avion, ont montré un comportement sain et robuste de l'approche proposée / To solve the problem of estimating the state of a system, it is necessary to have at one's disposal a model governing the dynamic of the state variables and to measure directly or indirectly all or a part of these variables. The work presented in this thesis deals with the estimation issue in the presence of model uncertainties and sensor losses. The first part of this work represents the synthesis of a state estimation device for nonlinear systems. It consists in selecting a state estimator and properly tuning it. Then, thanks to a criterion introduced for the occasion, it consists in algorithmically designing a hardware redundancy aiming at compensating for some sensor losses. The second part of this work deals with the conception of a sub-model compensating for some model uncertainties. This sub-model, designed by using the Allan variance, is usable by a Kalman filter. This work has been used to take into account some gyroscopical drifts in a GPS-INS integrated navigation based on a constrained Kalman filter. The results obtained, coming from experiments on two plane trajectories, showed a safe and robust behaviour of the proposed method