Les aérosols atmosphériques constituent l’une des plus grandes incertitudes dans l’étude des processus de changement climatique. La diversité des leurs sources et mécanismes de formation rendent la distribution spatiale des aérosols très inhomogène ce qui nécessite la mise en place d’une instrumentation et de méthodes d’observation sophistiquées. Un nouveau photomètre solaire aéroporté PLASMA permet d’effectuer des mesures d’épaisseur optique des aérosols sur une large gamme spectrale (0.34−2.25 μm) et à différentes altitudes. La détermination de la distribution verticale des propriétés optiques des aérosols peut ainsi être utilisée pour valider les algorithmes d’inversion des mesures lidar. Il est possible de remonter à la distribution de taille des particules d’aérosol à différents niveaux. En outre, l’instrument peut être installé sur un véhicule afin de mesurer les profils horizontaux du contenu des aérosols. Cette étude est consacrée à la caractérisation et à l’étalonnage de l’instrument et à l’analyse de plusieurs jeux de données. De nombreuses mesures au sol, aéroportées et depuis un véhicule ont réalisées et sont comparées aux mesures d’autres instruments. L’étude de la sensibilité de l’algorithme d’inversion de Oleg Dubovik a montré qu’il est possible d’obtenir la distribution en tailles des particules à partir de mesures d’épaisseur optique quand l’indice de réfraction est connu avec une certaine précision. Les mesures aéroportées ont ainsi été inversées et les distributions de tailles obtenues pour différentes altitudes. Cette information permettra de mieux comprendre les processus de formation et la répartition spatiale des aérosols dans l’atmosphère. / Atmospheric aerosols still represents one of the greatest uncertainty in the study of the processes of climate change. The diversity of aerosol sources and their formation mechanisms make the spatial distribution of aerosols very inhomogenous and requires numerous instruments and different approaches for their analysis. A new multi-wavelength airborne sun photometer PLASMA (Photomètre Léger Aéroporté pour la Surveillance des Masses d’Air) developed in the Laboratory of Atmospheric Optics allows providing on-board measurements of aerosol optical depth over a wide (0.34 − 2.25 μm) spectral range and at different altitudes. The information of vertical distribution of aerosol optical properties can be then used to validate the lidar processing algorithms. It is possible to retrieve from PLASMA measurements the size distribution of the aerosol particles at different levels. Also, the instrument can be installed on an automobile in order to measure the horizontal profiles of AOT. This study is dedicated to characterization and calibration of PLASMA and to the analysis of several data sets. Numerous ground-based, airborne and automobile measurements were held and compared with other instruments. Sensitivity study of the Dubovik’s inversion algorithm showed that it is possible to get the particle’s size distribution from only AOD measurements assuming a value of the refractive index within a limited domain. Airborne PLASMA measurements were inverted and size distributions of the aerosol particles were obtained at different altitudes. This new information is helpful to better understand the formation and spatial distribution of aerosols in the atmosphere.

Le travail de recherche présenté dans cette thèse a pour objectif principal l’évaluation de l’intérêt de la télédétection active par lidar, à partir de plateformes spatiales, pour le suivi des systèmes forestiers à l’échelle de la planète. La forêt est l’un des principaux modérateurs du climat par son action sur les grands cycles biogéochimiques dont les plus importants sont les cycles de l’eau et du gaz carbonique. Cet environnement est néanmoins très mal documenté à l’échelle globale car il n’est pas toujours facile d’accès. Les observations aéroportées et spatiales, par télédétection, sont donc les approches les mieux adaptées afin de donner accès aux différentes échelles caractéristiques des processus d’interaction entre le milieu atmosphérique et la forêt. Afin de valoriser la télédétection par lidar, il a été nécessaire de construire une base de données représentative de différents environnements forestiers, allant de la forêt gérée à la forêt tropicale primaire. Ces données ont été obtenues suite à plusieurs campagnes utilisant un nouveau démonstrateur lidar, le système ULICE (Ultraviolet LIdar for Canopy Experiment). Elles ont permis d’évaluer les différentes sources d’incertitudes liées à la mesure pour l’extraction des paramètres forestiers pertinents (i.e. hauteur des arbres, quantité de biomasse aérienne, indice de couverture foliaire, …). Cette évaluation a été possible suite au développement d’un simulateur numérique qui prend en compte les caractéristiques de la surface, de l’atmosphère, de l’instrumentation lidar et d’orbitographie du satellite. On montre que la télédétection active lidar est une méthode de mesure performante pour la caractérisation des forêts à partir d’observations aéroportées ; elle reste très attractive pour des systèmes spatiaux en orbite basse, entre 300 et 500 km, comme la station spatiale internationale. / The research presented in this thesis aims at evaluating the usage of active remote sensor lidar, from space platforms to monitor forest systems at a global scale. Forest is one of the main climate regulators through biogeochemical cycles, in which the most important processes are water cycle and carbon cycle. However, it is still poorly documented at a global scale because it is not always easy to get the information. Airborne and spaceborne observations, through remote sensing, are therefore the most suitable approaches to characterize the interactions between forest and atmosphere, at a regional or global scale. In order to improve the lidar remote sensing, it was necessary to build a representative database of different forest types, from managed forest to primary tropical forest. These data are obtained from several experiments using a new airborne demonstrator, the ULICE (Ultraviolet LIdar for Canopy Experiment). These data allows us to evaluate different uncertainty sources associated with the measurements for the extraction of corresponding forest parameters (i.e. tree height, aboveground biomass, leaf area index, etc.). This evaluation is based on the development of a numerical simulator which takes into account the surface characteristics, the atmosphere, the lidar instrumentation, and the satellite orbitography. We show that the active remote sensing sensor lidar is a powerful measuring method to characterize the forest from airborne observations; it remains very promising for spaceborne systems in low orbit, between 300 and 500 km, as the International Space Station.

Les spores fongiques sont à l'origine d'infections nosocomiales affectant le pronostic vital de patients immunodéprimés, et peuvent se transmettre par l'air. C'est pourquoi nous nous sommes intéressé à la déposition et au réenvol de spores d'"Aspergillus", responsables de pathologies gravissimes comme l'aspergillose pulmonaire invasive. Nous avons lors de nos expérimentations utilisé deux méthodes d'aérosolisation : le nébuliseur Collison standard, nécessitant la mise en solution des spores, ainsi qu'un prototype permettant de souffler directement sur les cultures fongiques Ceci nous a permis de mesurer la vitesse de sédimentation des spores, et d'évaluer l'efficacité et la rémanence de traitements fongicides en utilisant un protocole original mettant en œuvre des conditions réalistes.Un dispositif expérimental a été mis au point afin de soumettre des spores déposées sur une surface à un flux d'air tangentiel, et de filmer leur réenvol ( http://tinyurl.com/bla9ynz ), et un critère prédictif théorique de détachement a été exhibé. Des simulations numériques de l'écoulement autour de sphères idéales ont complété cette étude en nous donnant accès à des paramètres critiques inaccessibles expérimentalement.Nous avons finalement appliqué les résultats de nos investigations à la problématique des infections nosocomiales aérotransmises, et découvert que les ventilateurs de refroidissement d'appareils électroniques sont un réservoir de pathogènes et une source de contamination croisée potentielle. Des expériences en milieu contrôlé associées à une campagne de prélèvements en milieu hospitalier ont mis à jour ce nouveau et important risque de contamination.

Cette thèse, réalisée en partenariat avec Rockwell-Collins France, s'inscrit dans le cadre du développement d'un radar FMCW aéroporté de détection d'obstacles fonctionnant en bande X. Dans cette thèse, nous nous plaçons dans le contexte plus général de détection de cibles présentant un risque de collision avec le porteur radar dans du fouillis de sol. Les performances de détection des cibles d'intérêt diminuent grandement lorsqu'elles se retrouvent dans les zones de fouillis. Le principal objectif de cette thèse réside ainsi dans la conception de traitements en vue d'améliorer les capacités de détection et de reconnaissance de cibles présentant un risque de collision avec le porteur radar dans les zones de fouillis de sol. Dans un premier temps, nous effectuons une revue des traitements adaptés à la détection d'obstacles par un radar aéroporté FMCW: formation de faisceaux conventionnelle, compensation de migration distance, et création d'une cartographie distance-vitesse par double FFT. Dans un second temps, nous utilisons ensuite un traitement d'antennes adaptatif pour séparer en élévation le fouillis de sol et d'éventuels obstacles situés au-dessus du sol pouvant présenter un risque pour le porteur (câbles, pylônes, immeubles, ...). Dans la seconde partie de cette thèse, nous incluons une information supplémentaire sur le signal temporel d'une case distance avec un temps d'intégration plus long~: la variation de fréquence Doppler des cibles. Une cible de collision ou un câble ne changent pas de fréquence tandis qu'un élément au sol aura une variation connue dépendant de la vitesse du porteur et de son angle de vue. Cette information nous a tout d'abord permis de séparer le signal d'un pylône et d'un câble, pour ensuite séparer la cible de collision du fouillis de sol. Enfin, nous effectuons la détection adaptative d'une cible mobile de collision étendue en distance et noyée dans le fouillis de sol. Les algorithmes développés dans cette thèse ont été testés avec succès sur données expérimentales. / This thesis, in collaboration with Rockwell-Collins France, forms part of the development of an X-band FMCW airborne radar designed for obstacles detection and collision avoidance. More precisely, this thesis deals with the problem of detecting targets which exhibit a collision trajectory with the radar carrier, in presence of ground clutter. Target detection performances are highly degraded when the targets of interest fall into ground clutter. The main goal of this thesis is to develop signal processing methods to increase radar detection capacities and recognition for collision targets inside ground clutter. First, we give a brief review of signal processing methods for target detection using an airborne FMCW radar : conventional beamforming, range migration compensation, double-FFTs for Range-Doppler Map visualization. We then derive an adaptive antenna array processing to separate ground clutter and fixed hazardous obstacles above the ground (cables, pylons, buildings, ...) using their difference in elevation angle. In the second part of this thesis, we use a long integration time and include extra information on the time model of a range cell signal : Doppler frequency variation. A collision target does not exhibit Doppler frequency variation, whereas fixed obstacle or ground clutter exhibits a known variation depending on the carrier velocity and the aspect angle. We take advantage of this variation first to separate a cable from a pylon, and then separate collision target from ground clutter. We finally tackle the problem of adaptively detecting a collision mobile spread target in ground clutter region. The proposed algorithms in this thesis have been successively tested on experimental data.

De nombreux travaux ont montré le potentiel de la télédétection parscanner laser aéroporté pour caractériser les massifs forestiers.Cependant, l'application aux forêts complexes de montagne reste encorepeu documentée. On se propose donc de tester les deux principalesméthodes permettant d'extraire des paramètres forestiers sur desdonnées acquises en zone montagneuse et de les adapter aux contraintesspéci fiques à cet environnement. En particulier on évaluera d'unepart l'apport conjoint de la régression à vecteurs de support et de laréduction de dimension pour l'estimation de paramètres de peuplement,et d'autre part l'intérêt d'un apprentissage non supervisé pour ladétection d'arbres.

Cette thèse doctorale aborde divers aspects méthodologiques de l'analyse de levés électromagnétiques aéroportés en domaine temporel (TDEM) pour une interprétation détaillée à finalités géologique et hydrogéologique. Ce travail s'est appuyé sur un levé réalisé dans la région de Courtenay (Nord-Est de la région Centre) caractérisée par un plateau de craie karstifié (karst des Trois Fontaines) recouvert par des argiles d'altération et des alluvions. Tout d'abord, une méthode de filtrage des données TDEM utilisant la Décomposition en Valeurs Singulières (SVD) a été développée. L'adaptation rigoureuse de cette technique aux mesures TDEM a permis de séparer avec succès les bruits, qui ont pu être cartographiés, et le " signal géologique ", diminuant grandement le temps nécessaire à leur traitement. De plus, la méthode s'est avérée efficace pour obtenir, rapidement, des informations géologiques préliminaires sur la zone. Ensuite, une analyse croisée entre le modèle de résistivité obtenu en inversant les données filtrées et les forages disponibles a été effectuée. Celle-ci a mené à une amélioration de la connaissance géologique et hydrogéologique de la zone. Une figure d'ondulation, séparant deux dépôts de craie, et le réseau de failles en subsurface ont pu être imagés, apportant un cadre géologique au karst des Trois Fontaines. Enfin, une nouvelle méthode combinant l'information aux forages et les pentes issues du modèle de résistivité EM a permis d'obtenir un modèle d‟une précision inégalée du toit de la craie. L'ensemble de ces travaux fournit un cadre solide pour de futures études géo-environnementales utilisant des données TDEM aéroportées, et ce, même en zone anthropisée.

Les spores fongiques sont à l'origine d'infections nosocomiales affectant le pronostic vital de patients immunodéprimés, et peuvent se transmettre par l'air. C'est pourquoi nous nous sommes intéressé à la déposition et au réenvol de spores d'"Aspergillus", responsables de pathologies gravissimes comme l'aspergillose pulmonaire invasive. Nous avons lors de nos expérimentations utilisé deux méthodes d'aérosolisation : le nébuliseur Collison standard, nécessitant la mise en solution des spores, ainsi qu'un prototype permettant de souffler directement sur les cultures fongiques Ceci nous a permis de mesurer la vitesse de sédimentation des spores, et d'évaluer l'efficacité et la rémanence de traitements fongicides en utilisant un protocole original mettant en œuvre des conditions réalistes.Un dispositif expérimental a été mis au point afin de soumettre des spores déposées sur une surface à un flux d'air tangentiel, et de filmer leur réenvol ( http://tinyurl.com/bla9ynz ), et un critère prédictif théorique de détachement a été exhibé. Des simulations numériques de l'écoulement autour de sphères idéales ont complété cette étude en nous donnant accès à des paramètres critiques inaccessibles expérimentalement.Nous avons finalement appliqué les résultats de nos investigations à la problématique des infections nosocomiales aérotransmises, et découvert que les ventilateurs de refroidissement d'appareils électroniques sont un réservoir de pathogènes et une source de contamination croisée potentielle. Des expériences en milieu contrôlé associées à une campagne de prélèvements en milieu hospitalier ont mis à jour ce nouveau et important risque de contamination. / Fungal spores are a leading cause of lethal nosocomial infections affecting immunocompromised patients, and can be transmitted through the air. As such, we have studied the deposition and re-entrainment of "Aspergillus" fungal spores, which are responsible for invasive pulmonary aspergillosis, a severe disease with a high mortality rate among immunocompromised populations.In our studies two methods of fungal spore aerosolization are used; standard nebulization, and dry blowing using a homemade device. This enabled us to measure the spore settling velocity and to assess the efficiency of fungicide surface treatments using a newly developed test under realistic conditions. These tests have allowed us to quantify different surface treatment efficiencies and established their persistence.An experimental set-up has also been developed to expose spores deposited on a surface to a tangential flow, and to observe and record their removal ( http://tinyurl.com/bla9ynz ). These studies have lead to theoretical criteria for spore detachment. Furthermore, computational fluid dynamic simulations around ideal spherical particles exposed to a tangential flow were used to determine critical parameters needed to estimate particle detachment.Lastly, we have applied our findings to nosocomial infection concerns in the hospital environment and discovered that electronic fans are a pathogen reservoir and potential cross-contamination source. Systematic testing together with random sampling in hospital wards has revealed a new and important contamination risk.

Les changements dans le contexte du traitement radar aéroporté impliquent de plus en plus d'améliorations qui justifient la recherche d'une alternative au filtrage adapté, qui est le processus utilisé classiquement pour estimer les paramètres des cibles détectées. Le Compressed Sensing ouvre la perspective d'un nouveau traitement, également efficace dans les configurations de cibles multiples, avec de meilleures performances de suivi et de reconnaissance que l'approche classique. Nous cherchons à appliquer ce traitement aux formes d'onde dites à évasion de fréquence. Le choix intégral des paramètres de définition du signal transmis déterminee entièrement la matrice de mesure de la procédure du Compressed Sensing, laquelle solution fournit toutes les informations recherchées sur la scène observée. Pour chaque signal à évasion de fréquence, et d'amplitude constante, la matrice de mesure correspondante est obtenue en extrayant certaines lignes d'une matrice de Fourier étendue particulière, la matrice de Fourier 2D. La construction de la génération de la matrice de mesure est importante car le succès de la reconstruction dépend des propriétés algébriques de cette matrice. / Changes in the context of airborne radar processing implie more and more improvements that justify to look for an alternative to Matched Filtering, the process conventionally used to estimate the parameters of detected targets. Compressed Sensing suggests a new treatment, also performing in multi-target cases, with better tracking and recognition performances than classical approach. We seek to apply this treatment to step frequency waveforms. The whole choice of definition parameters for the transmitted signal entirely builds the measurement matrix of the Compressed Sensing procedure which solution gives all the sought information of the observed scene. For each step frequency signal with constant amplitude, the resulting measurement matrix is obtained by extracting some lines from a particular extended Fourier matrix, the 2D Fourier matrix. The construction of the measurement matrix generation is important since the success of the reconstruction depends on the algebraic properties of this matrix.

Cette thèse doctorale aborde divers aspects méthodologiques de l’analyse de levés électromagnétiques aéroportés en domaine temporel (TDEM) pour une interprétation détaillée à finalités géologique et hydrogéologique. Ce travail s’est appuyé sur un levé réalisé dans la région de Courtenay (Nord-Est de la région Centre) caractérisée par un plateau de craie karstifié (karst des Trois Fontaines) recouvert par des argiles d’altération et des alluvions. Tout d’abord, une méthode de filtrage des données TDEM utilisant la Décomposition en Valeurs Singulières (SVD) a été développée. L’adaptation rigoureuse de cette technique aux mesures TDEM a permis de séparer avec succès les bruits, qui ont pu être cartographiés, et le « signal géologique », diminuant grandement le temps nécessaire à leur traitement. De plus, la méthode s’est avérée efficace pour obtenir, rapidement, des informations géologiques préliminaires sur la zone. Ensuite, une analyse croisée entre le modèle de résistivité obtenu en inversant les données filtrées et les forages disponibles a été effectuée. Celle-ci a mené à une amélioration de la connaissance géologique et hydrogéologique de la zone. Une figure d’ondulation, séparant deux dépôts de craie, et le réseau de failles en subsurface ont pu être imagés, apportant un cadre géologique au karst des Trois Fontaines. Enfin, une nouvelle méthode combinant l’information aux forages et les pentes issues du modèle de résistivité EM a permis d’obtenir un modèle d‟une précision inégalée du toit de la craie. L’ensemble de ces travaux fournit un cadre solide pour de futures études géo-environnementales utilisant des données TDEM aéroportées, et ce, même en zone anthropisée. / This PhD thesis addresses various methodological aspects of the analysis of airborne Time Domain ElectroMagnetic (TDEM) surveys for a detailed interpretation in geological and hydrogeological purposes. This work was based on a survey conducted in the region of Courtenay (north-east of the Région Centre, France) characterized by a plateau of karstified chalk (karst des Trois Fontaines) covered by weathering clays and alluvium. First, a TDEM data filtering method using the Singular Value Decomposition (SVD) was developed. The rigorous adaptation of this technique to TDEM data has successfully separated the noise, which was mapped, and the “geological signal”, greatly reducing the time required for processing. Furthermore, the method has proved to be effective to obtain quick preliminary geological information on the area. Then, a cross analysis between the resistivity model obtained by inverting the filtered data and the available boreholes was conducted. This has led to the improvement of the geological and hydrogeological knowledge of the area. An undulating feature, separating two chalk deposits, and a fault network were imaged in subsurface, providing a geological framework for the Trois Fontaines karst. Finally, a new 3D modelling method combining the information at boreholes and the slopes derived from the EM resistivity model yielded an accurate model of the top of the chalk. All of this work provides a solid framework for future geo-environmental studies using airborne TDEM data, even in anthropized area.

Cette thèse doctorale aborde divers aspects méthodologiques de l‟analyse de levés électromagnétiques aéroportés en domaine temporel (TDEM) pour une interprétation détaillée à finalités géologique et hydrogéologique. Ce travail s‟est appuyé sur un levé réalisé dans la région de Courtenay (Nord-Est de la région Centre) caractérisée par un plateau de craie karstifié (karst des Trois Fontaines) recouvert par des argiles d‟altération et des alluvions. Tout d‟abord, une méthode de filtrage des données TDEM utilisant la Décomposition en Valeurs Singulières (SVD) a été développée. L‟adaptation rigoureuse de cette technique aux mesures TDEM a permis de séparer avec succès les bruits, qui ont pu être cartographiés, et le " signal géologique ", diminuant grandement le temps nécessaire à leur traitement. De plus, la méthode s‟est avérée efficace pour obtenir, rapidement, des informations géologiques préliminaires sur la zone. Ensuite, une analyse croisée entre le modèle de résistivité obtenu en inversant les données filtrées et les forages disponibles a été effectuée. Celle-ci a mené à une amélioration de la connaissance géologique et hydrogéologique de la zone. Une figure d‟ondulation, séparant deux dépôts de craie, et le réseau de failles en subsurface ont pu être imagés, apportant un cadre géologique au karst des Trois Fontaines. Enfin, une nouvelle méthode combinant l‟information aux forages et les pentes issues du modèle de résistivité EM a permis d‟obtenir un modèle d‟une précision inégalée du toit de la craie. L‟ensemble de ces travaux fournit un cadre solide pour de futures études géo-environnementales utilisant des données TDEM aéroportées, et ce, même en zone anthropisée.