Nous nous intéressons dans cette thèse à des problèmes d'aménagement de satellites. Le but est de développer des algorithmes efficaces et robustes menant à des outils simples pour aider l'ingénieur du bureau d'études dans ses tâches répétitives d'aménagement. Nous proposons un algorithme optimal qui calcule une section plane de la somme de Minkowski de deux polyèdres convexes et un algorithme efficace qui calcule l'union d'un ensemble de polygones par division et fusion. Nous avons soigneusement analysé la précision numérique nécessitée pour 1e fonctionnement correct de ces deux algorithmes et le traitement des dégénérescences géométriques qui peuvent apparaître. Nous avons conçu le logiciel GEOTOOLS pour le placement d'une suite d'équipements et en particulier des antennes qui ont un champ de vision. GEOTOOLS permet le placement interactif d'un objet dans un aménagement partiel en visualisant les contraintes imposées par cet aménagement (l'espace admissible). La deuxième partie de cette thèse consiste en une expérimentation de GEOTOOLS sur des modèles réalistes de satellites en plaçant des séquences d'antennes ínteractivement et automatiquement.

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux réseaux de communications optiques avec d'une part des réseaux en espace libre optique et d'autre part des réseaux à fibres optiques.<br /><br />Dans un premier temps, nous étudions l'implantation en espace libre optique de réseaux de communications à l'aide de l'architecture OTIS (Optical Transpose Interconnection System), proposé dans [MMHE93]. Nous proposons une modélisation de ces réseaux par les graphes H(p,q,d) que nous cherchons ensuite à caractériser. Nous étudions en particulier les isomorphismes entre ces graphes et des graphes connus (de Bruijn, Kautz et autres graphes à alphabet). Nous développons une famille de graphes à alphabet contenant de nombreux graphes isomorphes au de Bruijn, que nous utilisons pour obtenir une implantation optimale, au sens de la minimisation du nombre de lentilles, du de Bruijn avec OTIS. Nous étudions aussi une famille de réseaux modélisés par des hypergraphes orientés, appelées stack-Kautz, pour laquelle nous donnons un algorithme de routage et des protocoles de contrôles.<br /><br />Dans un deuxième temps, nous nous intéressons au problème de la sécurisation par protection dans les réseaux WDM, qui consiste à utiliser des ressources prédéterminées et dédiées pour assurer la continuité du trafic lors de la rupture d'un faisceau de fibres dans le réseau. Nous décrivons de nombreuses stratégies de protection de l'instance et du réseau. Nous étudions plus particulièrement la protection par sous-réseaux qui consiste au partage de ressources de protection par un ensemble de requêtes formant un sous-réseau particulier (circuit). Nous donnons une solution optimale au problème de la protection par sous-réseaux dans le cas où le réseau est un cycle et les requêtes représentent un échange total.

La trame générale de ces travaux de recherche concerne la modélisation et l'implantation de systèmes d'interconnexions optiques à forte bande-passante spatiale et temporelle. Nous présenterons une suite de résultats au niveau des modèles, des applications et des réalisations prototypales. L'origine de ces travaux est une étude sur les connexions optiques en espace libre permettant de modéliser des opérations de calcul optique parallèle (telles que la multiplication matricielle), débouchant sur une classe d'opérations plus générale mettant en jeu un réseau d'interconnexions non-invariantes spatialement entre plans de données. Cette étape a permis d'évaluer, tant qualitativement que quantitativement, l'apport de la synergie entre la synthèse numérique d'éléments optiques diffractants (HSO) et les modulateurs spatiaux de lumière (MSL) à cristal liquide, dans le but de réaliser des dispositifs de traitement optique spatial dynamique de l'information. L'étape suivante traite des interconnexions dynamiques entre fibres optiques monomodes, débouchant naturellement sur la conception de dispositifs d'aiguillage et de commutation pour les réseaux de transmission optiques dorsaux multiplexés en longueur d'onde (WDM). A ce niveau, les contraintes principales portent sur les temps de commutation requis −inférieurs à la milliseconde− et les capacités de plusieurs dizaines de voies spatiales indépendantes. Au niveau de l'implantation prototypale, nous avons poussé le plus loin possible le concept d'holographie digitale dynamique sur MSL à cristal liquide, aboutissant à la conception et l'intégration de plusieurs générations d'aiguilleurs de bandes optiques performants (jusqu'à 64 voies spatiales). Par la suite, devant la nécessité de développer des règles d'ingénierie sur les anneaux et les réseaux maillés WDM, je me suis impliqué dans l'évaluation et le développement d'outils de simulation photonique concernant les dispositifs de commutation et de brassage transparent de canaux optiques. Je présente enfin les axes de recherche ayant émergé plus récemment, centrés sur le dimensionnement et l'intégration de réseaux locaux utilisant l'optique comme canal de propagation sans fil à très haut débit et à impact sanitaire et environnemental réduit.

Ce manuscrit étudie les images omnidirectionnelles catadioptriques couleur en tant que variétés Riemanniennes. Cette représentation géométrique ouvre des pistes intéressantes pour résoudre les problèmes liés aux distorsions introduites par le système catadioptrique dans le cadre de la perception couleur des systèmes autonomes. Notre travail démarre avec un état de l’art sur la vision omnidirectionnelle, les différents dispositifs et modèles de projection géométriques. Ensuite, nous présentons les notions de base de la géométrie Riemannienne et son utilisation en traitement d’images. Ceci nous amène à introduire les opérateurs différentiels sur les variétés Riemanniennes, qui nous seront utiles dans cette étude. Nous développons alors une méthode de construction d’un tenseur métrique hybride adapté aux images catadioptriques couleur. Ce tenseur a la double caractéristique, de dépendre de la position géométrique des points dans l’image, et de leurs coordonnées photométriques également. L’exploitation du tenseur métrique proposé pour différents traitements des images catadioptriques, est une partie importante dans cette thèse. En effet, on constate que la fonction Gaussienne est au cœur de plusieurs filtres et opérateurs pour diverses applications comme le débruitage, ou bien l’extraction des caractéristiques bas niveau à partir de la représentation dans l’espace-échelle Gaussien. On construit ainsi un nouveau noyau Gaussien dépendant du tenseur métrique Riemannien. Il présente l’avantage d’être applicable directement sur le plan image catadioptrique, également, variable dans l’espace et dépendant de l’information image locale. Dans la dernière partie de cette thèse, nous discutons des applications robotiques de la métrique hybride, en particulier, la détection de l’espace libre navigable pour un robot mobile, et nous développons une méthode de planification de trajectoires optimal. / This manuscript investigates omnidirectional catadioptric color images as Riemannian manifolds. This geometric representation offers insights into the resolution of problems related to the distortions introduced by the catadioptric system in the context of the color perception of autonomous systems. The report starts with an overview of the omnidirectional vision, the different used systems, and the geometric projection models. Then, we present the basic notions and tools of Riemannian geometry and its use in the image processing domain. This leads us to introduce some useful differential operators on Riemannian manifolds. We develop a method of constructing a hybrid metric tensor adapted to color catadioptric images. This tensor has the dual characteristic of depending on the geometric position of the image points and their photometric coordinates as well.In this work, we mostly deal with the exploitation of the previously constructed hybrid metric tensor in the catadioptric image processing. Indeed, it is recognized that the Gaussian function is at the core of several filters and operators for various applications, such as noise reduction, or the extraction of low-level characteristics from the Gaussian space- scale representation. We thus build a new Gaussian kernel dependent on the Riemannian metric tensor. It has the advantage of being applicable directly on the catadioptric image plane, also, variable in space and depending on the local image information. As a final part in this thesis, we discuss some possible robotic applications of the hybrid metric tensor. We propose to define the free space and distance transforms in the omni- image, then to extract geodesic medial axis. The latter is a relevant topological representation for autonomous navigation, that we use to define an optimal trajectory planning method.

Cette thèse porte sur la caractérisation non destructive de structures 2D magnéto-diélectriques inhomogènes complexes. L’ensemble des étapes allant de l’expérience au traitement du problème inverse est traité. Dans un premier temps, un modèle direct reliant le champ diffusé aux propriétés électromagnétiques du matériau a été mis en place. Ce modèle requiert des calculs par éléments finis de la propagation de l’onde électromagnétique, en présence de l’objet observé lorsque celui-ci est positionné sur un support métallique. Une validation expérimentale a été réalisée via la mise en place d'un banc de mesure multi statique. Différentes étapes d'ajustements et d'étalonnages ont permis la réduction du bruit de mesure ainsi que des biais. L’inversion est traitée principalement par une approche linéaire, avec un choix attentif de la valeur des hyper paramètres qui y sont associés. Une fois les outils mis en place, six études ont été réalisées pour la validation de notre système d’imagerie 2D des propriétés électromagnétiques de matériaux magnéto-diélectriques inhomogènes. Cela comprend l’évaluation des incertitudes de mesure, de la résolution spatiale, la mesure de différents matériaux magnétiques et l’utilisation de différents supports à géométries variées. L’ensemble des résultats expérimentaux réalisés se place dans une hypothèse de géométrie 2D. C’est pourquoi, nous avons ensuite orienté nos travaux vers la recherche d’un design innovant permettant de faire évoluer le banc de mesure en un dispositif d’imagerie 3D. Dans cette perspective, une source secondaire vient se déplacer proche de la cible pour acquérir de l’information selon la troisième dimension. / The subject of this thesis is the non-destructive characterization of complex inhomogeneous magneto-dielectric structures. Successively, the experimental developments, the modelling and the data treatments stages are addressed. A forward model that links the scattered field to the electromagnetic properties is established. This model requires some finite element computations in order to estimate the propagation of the electromagnetic wave in presence of the magneto-dielectric object which is glued on a metallic support. A multistatic bench has been designed and constructed in order to collect measured scattered fields. Several adjustments and calibration procedures have been carried out to reduce the measurement noise and biases. Next, the inverse problem has been dealt with, in order to retrieve the electromagnetic properties of the samples, from the measured scattered field. The inverse problem is mainly solved with a linear approach, with a careful selection of the hyperparameters. Once the system has been fine tuned, six studies have been realized to validate our 2D imaging system. The assessment of the measurement uncertainty, the evaluation of the spatial resolution, the characterization of various magnetics materials and the use of different supports with variable geometries have been performed. So far, all the developments were done under a 2D hypothesis. That is why, we have then focused our research on the design of a 3D innovative imaging setup. To this end, a secondary source moving close to the target has been added in order to gain information in the third direction. A numerical study has been performed to assess the expected performances of this new setup.

Le travail de cette thèse est consacré à l’étude et l’optimisation d’un cas particulier de la diffusion des ondes électromagnétiques. Elle porte plus particulièrement sur un phénomène appelé le « jet photonique ou jet électromagnétique (jet EM)». Il s’agit d’un faisceau de lumière étroit et concentré en champ proche avec des caractéristiques physiques remarquables. Dans ce travail, un guide d’onde terminé par un embout de forme particulière est utilisé pour générer le jet photonique. Cette thèse a pour objectif l’étude, la caractérisation expérimentale et l’optimisation de jets photoniques pour des applications dans le domaine optique et hyperfréquences. Une méthode robuste et rapide a été développée pour calculer le champ électromagnétique généré par un objet diélectrique ou en sortie d’un guide d'onde avec un embout de forme particulière. Elle est basée sur la Méthode d'Equation Intégrale aux Frontière (MEIF) qui utilise la seconde identité Green. La caractérisation expérimentale des jets photoniques a été réalisée dans le domaine micro-ondes à des fréquences autour de 30 GHz. La possibilité de générer un jet simple et double en utilisant un guide d’onde à embout a été montrée expérimentalement et théoriquement par la méthode MEIF. Les jets EM simples et doubles ont été utilisés pour la détection d’objets métalliques de taille plus petite que la longueur d’onde et l'imagerie en champ proche à travers des structures optiquement opaques. Une procédure d’optimisation basée sur le couplage entre la MEIF et les algorithmes génétiques a été mise au point afin de générer des jets photoniques avec des caractéristiques a priori bien définie. Des optimisations des jets photoniques générés par un objet diélectrique et en sortie d’un guide d’onde avec embout ont été effectuées pour la micro-gravure laser et l’imagerie HF / The work of this thesis is devoted to the study and optimization of a particular case of the scattering of electromagnetic waves. Particularly, it is about a phenomenon called the "photonic jet or electromagnetic jet (EM jet)". This is a narrow light beam concentrated in near-field with remarkable physical characteristics. In this work, a waveguide terminated by a tip with special form is used to generate the photonic jet. This thesis performs the electromagnetic modeling, the experimental characterization and the optimization of photonic jets for applications in optic and microwave field. A robust and fast method was developed to calculate the electromagnetic field generated by a dielectric object or by a waveguide terminated with a tip. It is based on the boundary integral equation method (BIEM) which uses the second Green identity. Experimental characterization of photonic jets was conducted in the microwave field around 30 GHz. The ability to generate a single and double EM jet using a tipped waveguide has been shown experimentally and theoretically by BEIM method. The single and double EM jets were used for the detection of metal objects with a size smaller than the wavelength and for imaging through opaque structures in near field. An optimization procedure based on the coupling between the BEIM and genetic algorithms has been developed to generate photonic jets with properties well defined. Optimizations of photonic jets generated by a dielectric object and by a tipped waveguide have been realized for laser micro-etching and RF imaging

Au cours de la dernière décennie, les communications optiques en espace libre (FSO) ont pris de l’ampleur dans les deux domaines académiques et industriels. L’importance de FSO s’appuie sur la possibilité de faire un système de transmission économique et écologique avec un débit élevé et sans licence à l’opposition des systèmes de transmission radiofréquences (RF). Dans la plupart des travaux antécédents sur les systèmes multi-émetteurs, seulement les canaux décorrélés ont été considérés. Un canal décorrélé nécessite un espace suffisant entre les émetteurs. Cette condition devient difficile et non-réalisable dans certaines applications. Pour cette raison, nos études se focalisent sur les performances des codes à répétition RC (Repitition Codes) et les codes OSTBC (Orthogonal Space-Time Block Codes) dans des canaux log-normaux corrélés en utilisant une modulation d’intensité et une détection directe (IM/DD). En addition, les effets des différentes conditions météorologiques sur le taux d’erreur moyen (ABER) sont étudiés. Les systèmes FSO à multi-entrées/ multi-sorties MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) avec une modulation SSK (Space Shift Keying) ont été abordés. Les résultats obtenus montrent que la SSK est supérieure aux RC avec une modulation d’impulsion (Multiple Pulse Amplitude Modulation) pour toute efficacité spectrale égale ou supérieure à 4 bit/s/Hz. Nous avons aussi analysé les performances d’un système à sauts multiples (Multi-Hop) et des relais à transmission directe (forward relays). Nos simulations montrent que le système ainsi considéré est efficace pour atténuer les effets météorologiques et les pertes géométriques dans les systèmes de communication FSO. Nous avons montré qu’un tel système avec plusieurs entrées et une sortie (MISO, i.e. multiple-input single-output) à sauts multiples est supérieur à un système MISO avec un lien direct (direct link) avec une forte atténuation. Pour satisfaire la demande croissante des réseaux de communication à débits élevés, la communauté scientifique s'intéresse de plus en plus aux systèmes FSO avec des relais full-duplex (FD). Pour ces derniers systèmes, nous avons étudié la probabilité d'erreur moyenne (ABER) et nous avons analysé leurs performances. En considérant des différentes conditions de transmission, les performances de relais FD ont été comparées à celles d'un système avec un lien direct ou des relais half-duplex. Les résultats obtenus montrent que les relais FD ont le minimum ABER. En conséquence, les résultats obtenus dans cette thèse sont très prometteurs pour la prochaine génération de FSO. / Free-space optical (FSO) communication has been the subject of ongoing research activities and commercial attention in the past few years. Such attention is driven by the promise of high data rate, license-free operation, and cheap and ecological friendly means of communications alternative to congested radio frequency communications. In most previous work considering multiple transmitters, uncorrelated channel conditions have been considered. An uncorrelated channel requires sufficient spacing between transmitters. However, this can be difficult and may not be always feasible in some applications. Thereby, this thesis studies repetition codes (RCs) and orthogonal space-time block codes performance in correlated log-normal FSO channels using intensity modulation and direct detection (IM/DD). Furthermore, the effect of different weather conditions on the average bit error rate (ABER) performance of the FSO links is studied. Multiple-input multiple-output (MIMO) FSO communication systems using space shift keying (SSK) modulation have been also analyzed. Obtained results show that SSK is a potential technique for spectral efficiencies equal or greater than 4 bits/s/Hz as compared to RCs with multiple pulse amplitude modulations. The performance analysis of a multi-hop decode and forward relays for FSO communication system using IM/DD is also considered in this thesis. It is shown that multi-hop is an efficient technique to mitigate atmospheric turbulence and different weather attenuation effects and geometric losses in FSO communication systems. Our simulation results show that multiple-input single-output (MISO) multi-hop FSO systems are superior to direct link and MISO systems over links exhibiting high attenuation. Meeting the growing demand for higher data rates communication networks, a system with full-duplex (FD) relays is considered. For such a system, the outage probability and the ABER performance are analyzed under different turbulence conditions, misalignment error and path loss effects. FD relays are compared with the direct link and half-duplex relays. Obtained results show that FD relays have the lowest ABER and the outage probability as compared to the two other systems. Finally, the obtained results in this thesis are very promising towards the next generation of FSO systems.

Le développement croissant des systèmes de communication sans fil pour des applications médicales (imagerie), radar (surveillance, détection, localisation), radiomobiles (navigation, sur- veillance) et réseaux (WLAN,WPAN) nécessite l'introduction de nouvelles technologies. Depuis peu, un intérêt particulier s'est porté sur des applications courtes distances, très hauts débits (supérieurs à 100 Mbit/s), multi-utilisateurs et faible puissance (inférieure à 1 mW). Dans ce contexte, la technologie Ultra-Large Bande (ULB ou UWB) a récemment attiré l'attention de la communauté scientifique et des industriels. Alors que les technologies bande étroite sont fondées sur une étude dans le domaine fréquentiel, la technologie ULB se prête mieux à une étude dans le domaine temporel puisqu'elle utilise des signaux temporels très brefs, de spectre extrêmement large, de grande période de répétition et de faible puissance. Le développement de cette approche, considérée comme une évolution majeure des technologies traditionnelles bande étroite, induit des problématiques nouvelles au sein d'environnements intra-bâtiment. Ces problématiques nécessitent la réalisation préalable d'études approfondies de modélisation et de caractérisation du canal de propagation pour dimensionner les paramètres du système de transmission.<br />Dans le cadre de l'élaboration d'outils de prédiction déterministe de la propagation à l'in-<br />térieur de bâtiments, entrepris à l'ESYCOM (Marne-La-Vallée) en bande étroite et à l'IETR<br />(Rennes) en ultra-large bande, nous avons cherché à développer une documentation précise<br />associée aux comportements de deux éléments du canal de propagation, les matériaux et les<br />antennes ; l'implémentation de cette documentation dans les simulateurs de canal nécessitera<br />encore un peu de temps. Notre travail a consisté à développer deux modules particulièrement<br />originaux traitant, dans les domaines fréquentiel et temporel, de modélisations analytique et<br />numérique, ainsi que de la caractérisation des matériaux et des antennes à l'aide de bancs de<br />mesure spéciÞquement réalisés. La spéciÞcité des études conduites tient à la modélisation des<br />réponses de ces éléments dans le domaine temporel; notamment, nous avons montré que l'ex-<br />citation d'un matériau par une impulsion génère des échos successifs déformés et atténués dont<br />l'allure dépend de sa structure (porosité, dimension des grains,...) et des conditions initiales<br />(température, humidité, ...). Aussi, l'excitation d'une antenne de type résonante produit des<br />signaux, qui au premier ordre, ont l'allure de la dérivée du signal incident mais ayant subi une<br />distorsion qui dépend de l'angle d'observation. Ainsi, nous avons remarqué que la largeur de<br />l'impulsion d'excitation influe non seulement sur l'allure des impulsions rayonnées dans l'espace,<br />mais aussi sur la direction du maximum de rayonnement. Cette propriété remarquable permet<br />d'envisager la focalisation d'une antenne ULB dans une direction particulière en modifiant la<br />durée et la forme de l'impulsion d'excitation. En prévision de l'analyse des trajets multiples d'un canal de propagation ultra-large bande, nous avons abordé leur identiÞcation à l'aide d'al-<br />gorithmes Haute Résolution (HR) en considérant le canal généré par un matériau du bâtiment.<br />Les algorithmes, MUSIC modiÞé et Faisceau de matrices, sont fondés sur l'analyse spectrale<br />paramétrique des données et prennent en compte la dispersion fréquentielle. Ils ont permis de<br />reconstruire la réponse impulsionnelle de matériaux caractérisés en réflexion.<br />La modélisation d'une chaîne de transmission a été de plus abordée dans le cadre d'études de<br />faisabilité du projet "internet-pêche" qui vise à doter des ßotilles de pêche de longueur inférieure<br />à 25 mètres d'une connexion internet par liaison sans Þl aux fréquences MF-HF ([2 ; 30] MHz).<br />Une modélisation statistique de la surface de la mer, remuée par le vent, pour un profil de relief<br />sous-marin donné, a été proposée. Puis, nous avons implémenté le modèle de propagation du<br />terrain irrégulier afin de rendre compte de la présence d'ondes de sol se propageant sur une<br />surface de mer considérée comme rugueuse.