Le sujet de cette ihèse s'inscrit dans le cadre du projet international Antares dont l'objectif est la construction d'un télescope à neutrînos situé dans un environnement marin au large de Toulon, A de fortes profondeurs, un neutrino a d'autant plus de chance de rentrer en collision avec une molécule d'eau, générant ainsi une réaction en chaîne générant un flash lumineux et une onde sonore. L'objectif de cette thèse est d'étudier cette onde sonore en vue de développer un système capable de détecter le front d'onde correspondant et d'estimer la direction originelle du neutrino. Dans un premier temps, l'étude se porte sur le signal acoustique. Deux descriptions issues de la littérature et de récents travaux effectués au CPPM sont confrontées et aboutissent à une modélisation mathématique du signal et du front d'onde.<br />Dans un second temps, plusieurs méthodes de détection sont étudiées, de la plus classique (étude du rapport de vraisemblance} à des méthodes plus récente (filtrage adapté, classification, etc.). La comparaison expérimentale en situation semi-réelle de celles-ci aboutit au choix de la méthode de détection suivante : le FASE (Filtrage Adapté Stochastique Etendu). Enfin, la position et la direction du neutrino sont estimés par un algorithme dérivé de Gauss-Newton, Cet estimateur se base sur la modélisation du déplacement du front d'onde acoustique et sur les informations temporelles de détection fournies par les hydrophones du télescope. De nombreuses configurations sont testées et les performances du système sont évaluées. Une structure d'hydrophone est proposée et une simulation dite « globale » finalisent cette thèse. Dans celle-ci, les étapes de détection et d'estimation sont basées sur les résultats obtenus précédemment. Les bruits de mer sont des bruits réels issus de campagnes de mesure et les résultats obtenus valident les travaux de cette thèse.

Le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo est un interféromètre laser pourvu de bras d'une longueur de trois kilomètres. Ce détecteur a atteint une sensibilité qui permet depuis mai 2007 de mener une première prise de données scientifiques en réseau avec les autres interféromètres mondiaux. Parmi les sources d'ondes gravitationnelles prometteuses pour ce réseau figurent les coalescences de systèmes binaires d'astres compacts. La connaissance théorique solide du rayonnement gravitationnel émis par ces sources permet d'envisager, malgré l'amplitude faible des signaux recherchés, une méthode de recherche performante. A partir de calques décrivant le rayonnement émis, on peut en effet filtrer les données pour en extraire un signal physique éventuellement présent et "noyé" dans le bruit du détecteur. Le travail présenté dans cette thèse s'intéresse à différents aspects de cette recherche.<br /><br />La sensibilité actuelle du détecteur a été atteinte après une période de mise en route de l'interféromètre marquée par différentes campagnes de prises de données. L'analyse dans le contexte d'une recherche de systèmes binaires d'étoiles à neutrons des données recueillies depuis août 2005 s'est concentrée sur la notion de qualité de données et a conduit à développer des méthodes d'exclusion d'événements liés à un fonctionnement anormalement bruyant de l'interféromètre. La compréhension de ces sources de bruit a parfois permis d'en améliorer le fonctionnement.<br /><br />La méthode d'analyse utilisée pour la recherche de systèmes binaires d'étoiles à neutrons peut s'avérer mal adaptée au cas de systèmes binaires plus massifs comportant un ou deux trous noirs. Après avoir clarifié ce point, nous envisageons dans le contexte du détecteur Virgo fonctionnant à sensibilité nominale différentes solutions pour une recherche performante de tels systèmes. Il s'agit d'une part de l'utilisation d'une famille de calques de détection, dont on confirme les performances. D'autre part, on s'intéresse à l'utilisation de calques spécifiquement adaptés à la description de l'évolution de systèmes binaires de trous noirs. Certains aspects techniques nécessaires à la mise en oeuvre d'une recherche utilisant ces solutions sont discutés. <br /><br />Enfin, le dernier aspect de la recherche de systèmes binaires abordé concerne l'analyse en réseau des données recueillies par les différents détecteurs mondiaux. En utilisant des données simulées, on montre que la définition d'un nouveau temps de référence pour les événements de coalescences permet d'améliorer la précision de reconstruction de la position des sources binaires.

Nous présentons dans ce mémoire une technique d'imagerie laser à synthèse d'ouverture par réinjection optique. L'imageur de base, appelé Laser Optical Feedback Imaging (LOFI), détecte la faible quantité de lumière rétrodiffusée par la cible à analyser, qui est décalée en fréquence et réinjectée dans la source laser pour être amplifiée par la dynamique du laser. Le grand avantage de cette technique est qu'elle est auto-alignée, c'est à dire que le laser est à la fois la source et le détecteur. La résolution spatiale des images LOFI est limitée par la diffraction : nous proposons d'adapter la technique de synthèse d'ouverture, bien connue dans le domaine radar, pour nous affranchir de ce problème. En mettant à profit le balayage du laser sur la cible pour faire l'acquisition de l'image pixel par pixel, nous montrons qu'il est possible d'augmenter synthétiquement l'ouverture de collection du système et donc la résolution de l'image. Nous présentons le traitement du signal adapté à la reconstruction de l'image super-résolue à partir des données acquises pour les différentes positions successives du laser. Nous montrons qu'on peut étendre cette technique utilisée en balayage linéaire à un balayage angulaire et que nous pouvons obtenir une résolution, non seulement meilleure que la limite de diffraction, mais également meilleure que celle obtenue avec un balayage linéaire. Nous validons cette technique expérimentalement en comparant des images LOFI obtenues avec et sans synthèse d'ouverture.<br />Nous présentons ensuite dans ce mémoire le dispositif LOFI en régime paramétrique soumis à une modulation de pompage. Nous présentons l'analyse d'un laser soumis de manière synchronisée à une réinjection optique décalée en fréquence et une modulation de pompage et nous montrons qu'il est possible d'amplifier paramétriquement le signal rétrodiffusé par la cible. Nous validons cette analyse par des résultats numériques et expérimentaux et nous démontrons qu'il est possible de déterminer la quantité de lumière réinjectée dans le laser.

Le sujet porte sur l'étude de systèmes SAS (Synthetic Aperture Sonar) multistatiques. Ces systèmes permettent d'obtenir des images de cibles mieux résolues qu'avec un sonar classique à partir d'ondes acoustiques. Le SAS est largement exploité en configuration monostatique mais il existe très peu d'études à ce jour en SAS multistatique. Le travail consiste donc à évaluer les performances en configuration bistatique et multistatique et à les comparer à celles connues en configuration monostatique. Une méthode de calcul utilisée en radar a donc été mise en oeuvre en sonar de façon à expliciter la résolution en configuration bistatique, ce qui est un résultat original de ce travail. L'algorithme classiquement utilisé pour reconstruire des images repose sur l'hypothèse que la cible est une somme de points brillants. Cette hypothèse n'est pas bien adaptée en acoustique sous-marine. Un nouvel algorithme a donc été développé dans le but de se rapprocher des phénomènes de diffraction présents à l'interface entre l'eau et la cible. Le modèle de champ diffracté est obtenu par la combinaison d'équations intégrales de frontière avec l'approximation de Kirchhoff. Une méthode de reconstruction d'images par transformée de Fourier 2D de ce modèle a été implémentée et testée sur des données simulées, puis sur des données obtenues lors d'essais en cuve. Le nouvel algorithme montre une meilleure précision de la reconstruction et la capacité de pouvoir extraire de l'information quantitative de la cible. L'intérêt des configurations multistatiques pour la reconnaissance de cibles a également été démontré dans ces travaux de thèse. / This study deals with multistatic SAS (Synthetic Aperture Sonar) systems. SAS are high resolution imaging systems compared to classical sonar ones. The SAS technique is largly exploited in the monostatic configuration but few studies already exist in multistatic SAS. Thus, the work consists in evaluating resolution and detection performances in bistatic and multistatic configurations. Then, the objective is to compare these performances to monostatic ones. A radar method has been adapted to sonar to compute bistatic performances and this is an original result of this work.The classical algorithm to reconstruct images from acoustical waves lies on the hypothesis that the target is a sum of point scatterers. This hypothesis is not really well adapted to underwater acoustics that is why a new algogorithm has been developped in this study. The new algorithm would be better adapted to scattering diffraction phenomena at the interface between water and target than the classical one. The scattered field model of the target is obtained by combinating boundary integral equations and the Kirchhoff Approximation. An imaging reconstruction method by 2D Fourier Transform of this model has been implemented and tested on numerical and experimental datas. The new algorithm allow a better reconstruction accurency and is able to give quantitative information on targets. The interest of multistatic configurations for target identification has also been demonstrated in this PhD work.

Les cartes à puce, mondialement appelées Smart Cards, sont de véritables ordinateurs embarqués dont le but est d'effectuer des opérations de cryptographie et de stocker des données confidentielles, telles que des sommes d'argent, des informations biométriques, des droits d'accès. Il n'est donc pas étonnant que les pirates tentent de s'accaparer ces données, par des failles où la carte laisse fuir des informations capitales, appelées canaux secondaires. Le but de cette thèse est de concevoir des techniques de traitement du signal de masquage de signaux de consommation de courant. Un premier chapitre introductif présente l'univers de la carte à puce ainsi que les enjeux de sa sécurisation. Cela permet de fixer l'objectif à atteindre qui est de concevoir des techniques de masquage des signaux compatibles avec la technologie Smart Card. Le second chapitre présente l'étude et la caractérisation statistique d'un système dynamique chaotique servant à la genèse de nombres pseudo-aléatoires. Le chapitre suivant présente la méthode de masquage par décomposition des signaux, consistant à remplacer les échantillons du signal à masquer par les coefficients de son développement de Karhunen-Loève. Enfin, un dernier chapitre présente une autre technique de masquage des signaux où le modèle utilisé pour la consommation de courant est paramétrique. Le paramètre est estimé selon le critère du maximum de vraisemblance par une technique originale basée sur le couplage du filtrage adapté stochastique utilisé en détection avec l'algorithme Expectation-Maximization. Toutes les techniques sont validées à l'aide de signaux réels.

La classification des cibles sous-marines est principalement basée sur l'analyse de l'ombre acoustique. La nouvelle génération des sonars d'imagerie fournit une description plus précise de la rétrodiffusion de l'onde acoustique par les cibles. Par conséquent, la combinaison de l'analyse de l'ombre et de l'écho est une voie prometteuse pour améliorer la classification automatique des cibles. Quelques systèmes performants de classification automatique des cibles s'appuient sur un modèle pour faire l'apprentissage au lieu d'utiliser uniquement des réponses expérimentales ou simulées de cibles pour entraîner le classificateur. Avec une approche basée modèle, un bon niveau de performance en classification peut être obtenu si la modélisation de la réponse acoustique de la cible est suffisamment précise. La mise en œuvre de la méthode de classification a nécessité de modéliser avec précision la réponse acoustique des cibles. Le résultat de cette modélisation est un simulateur d'images sonar (SIS). Comme les sonars d'imagerie fonctionnent à haute et très haute fréquence le modèle est basé sur le lancer de rayons acoustiques. Plusieurs phénomènes sont pris en compte pour augmenter le réalisme de la réponse acoustique (les effets des trajets multiples, l'interaction avec le fond marin, la diffraction, etc.). La première phase du classificateur utilise une approche basée sur un modèle. L'information utile dans la signature acoustique de la cible est nommée « A-scan ». Dans la pratique, l'A-scan de la cible détectée est comparé à un ensemble d'A-scans générés par SIS dans les mêmes conditions opérationnelles. Ces gabarits (A-scans) sont créés en modélisant des objets manufacturés de formes simples et complexes (mines ou non mines). Cette phase intègre un module de filtrage adapté pour permettre un résultat de classification plus souple capable de fournir un degré d'appartenance en fonction du maximum de corrélation obtenu. Avec cette approche, l'ensemble d'apprentissage peut être enrichi afin d'améliorer la classification lorsque les classes sont fortement corrélées. Si la différence entre les coefficients de corrélation de l'ensemble de classes les plus probables n'est pas suffisante, le résultat est considéré ambigu. Une deuxième phase est proposée afin de distinguer ces classes en ajoutant de nouveaux descripteurs et/ou en ajoutant davantage d'A-scans dans la base d'apprentissage et ce, dans de nouvelles configurations proches des configurations ambiguës. Ce processus de classification est principalement évalué sur des données simulées et sur un jeu limité de données réelles. L'utilisation de l'A-scan a permis d'atteindre des bonnes performances de classification en mono-vue et a amélioré le résultat de classification pour certaines ambiguïtés récurrentes avec des méthodes basées uniquement sur l'analyse d'ombre. / Underwater target classification is mainly based on the analysis of the acoustic shadows. The new generation of imaging sonar provides a more accurate description of the acoustic wave scattered by the targets. Therefore, combining the analysis of shadows and echoes is a promising way to improve automated target classification. Some reliable schemes for automated target classification rely on model based learning instead of only using experimental samples of target acoustic response to train the classifier. With this approach, a good performance level in classification can be obtained if the modeling of the target acoustic response is accurate enough. The implementation of the classification method first consists in precisely modeling the acoustic response of the targets. The result of the modeling process is a simulator called SIS (Sonar Image Simulator). As imaging sonars operate at high or very high frequency the core of the model is based on acoustical ray-tracing. Several phenomena have been considered to increase the realism of the acoustic response (multi-path propagation, interaction with the surrounding seabed, edge diffraction, etc.). The first step of the classifier consists of a model-based approach. The classification method uses the highlight information of the acoustic signature of the target called « A-scan ». This method consists in comparing the A-scan of the detected target with a set of simulated A-scans generated by SIS in the same operational conditions. To train the classifier, a Template base (A-scans) is created by modeling manmade objects of simple and complex shapes (Mine Like Objects or not). It is based on matched filtering in order to allow more flexible result by introducing a degree of match related to the maximum of correlation coefficient. With this approach the training set can be extended increasingly to improve classification when classes are strongly correlated. If the difference between the correlation coefficients of the most likely classes is not sufficient the result is considered ambiguous. A second stage is proposed in order to discriminate these classes by adding new features and/or extending the initial training data set by including more A-scans in new configurations derived from the ambiguous ones. This classification process is mainly assessed on simulated side scan sonar data but also on a limited data set of real data. The use of A-scans have achieved good classification performances in a mono-view configuration and can improve the result of classification for some remaining confusions using methods only based on shadow analysis.

Nous étudions la faisabilité de la détection du sillage de navires en imagerie radar, éventuellement bistatique, afin d'obtenir des paramètres tels que le cap et la vitesse du navire. Dans un premier temps, on décrit la chaîne d'acquisition radar bistatique ainsi que l'environnement maritime, en particulier les modèles de diffusion des ondes électromagnétiques sur des surfaces océaniques et la manière d'obtenir une carte des hauteurs des vagues de sillage de Kelvin d'un navire. On décrit ensuite un simulateur de signaux radars bruts en configuration bistatique, en validant les résultats obtenus avec des données radar monostatiques disponibles dans la littérature. La seconde partie de la thèse est dédiée à l'étude de la détectabilité du sillage de navires. On traite tout d'abord du cas de la détection du sillage d'eau morte, en réalisant un test comparatif de quatre chaînes de référence représentatives. On traite ensuite la détectabilité du sillage de Kelvin dans des images radar de haute résolution, en commençant par discuter le choix d'une configuration radar optimisant la visibilité du sillage, puis en présentant un algorithme de détection et de traitement basé sur la théorie du filtrage adapté stochastique. Cet algorithme fonctionne également sur des données d'imagerie spatiale optiques haute résolution.

Le sujet de cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet international Antares dont l'objectif est la construction d'un télescope à neutrinos situé dans un environnement marin au large de Toulon. A de fortes profondeurs, un neutrino a d'autant plus de chance de rentrer en collision avec une molécule d'eau, générant ainsi une réaction en chaîne générant un flash lumineux et une onde sonore. L'objectif de cette thèse est d'étudier cette onde sonore en vue de développer un système capable de détecter le front d'onde correspondant et d'estimer la direction originelle du neutrino<br />Dans un premier temps, l'étude se porte sur le signal acoustique. Deux descriptions issues de la littérature et de récents travaux effectués au CPPM sont confrontées et aboutissent à une modélisation mathématique du signal et du front d'onde.<br />Dans un second temps, plusieurs méthodes de détection sont étudiées, de la plus classique (étude du rapport de vraisemblance) à des méthodes plus récentes (filtrage adapté, classification, etc.). La comparaison expérimentale en situation semi réelle de celles-ci aboutit au choix de la méthode de détection suivante : le FASE (Filtrage Adapté Stochastique Etendu).<br />Enfin, la position et la direction du neutrino sont estimées par un algorithme dérivé de Gauss-Newton. Cet estimateur se base sur la modélisation du déplacement du front d'onde acoustique et sur les informations temporelles de détection fournies par les hydrophones du télescope. De nombreuses configurations sont testées et les performances du système sont évaluées.<br />Une structure d'hydrophone est proposée et une simulation dite "globale" finalise cette thèse. Dans celle-ci, les étapes de détection et d'estimation sont basées sur les résultats obtenus précédemment. Les bruits de mer sont des bruits réels issus de campagnes de mesure et les résultats obtenus valident les travaux de cette thèse.