L'ensemble des travaux présentés traite le cas des signaux issus des milieux naturels et/ou des milieux incertains, ce qui se traduit par des cas d'analyse complexes. Les solutions d'analyse ne peuvent demeurer que dans le vaste domaine de l'analyse des signaux non-stationnaire et c'est la raison pour laquelle trois grandes classes de méthodes constituent le point de départ : l'analyse temps-fréquence linéaire et bilinéaire, les transformations non-linéaires (les opérateurs warping) et les transformations d'ordre supérieur (modélisation polynomiale de phase). A partir de ces trois piliers, la construction des méthodes de caractérisation parcimonieuse des signaux à composantes temps-fréquence non-linéaires représente l'objectif de base de mes travaux. Ainsi, trois axes de recherche ont été investigués. Le premier axe a été constitué par le tracking des structures temps-fréquence arbitraires en utilisant le regroupement des atomes temps-fréquence par un algorithme de type Viterbi. Le deuxième axe a eu pour objectif la généralisation des opérateurs warping pour des modulations complexes, par forcement inversibles mathématiquement. Enfin, la définition des distributions à temps complexe a constitué le troisième axe. L'ensemble de ces axes a été continué en cherchant à mieux analyser les signaux à structures temps-fréquence non-linéaires. Ainsi, une contribution importante a été constituée par le filtrage temps-fréquence basé sur le warping généalisé qui permet l'extraction des structures temps-fréquence non-linéaires en utilisant des opérateurs de traitement mono-dimensionnels. Cette contribution nous a permis de définir la classe des méthodes de suivi temps-fréquence-phaseen utilisant également des techniques de modélisation polynomiale de phase ainsi que le principe du tracking par la méthode de Viterbi. Cette classe de méthode de suivi temps-fréquence a prouvé son caractère général ainsi que son efficacité dans des applications diverses.