Cette thèse, co-dirigée par Jean-Marc Boucher et Ronan Fablet (IMT Atlantique) et co-encadrée par Didier Charlot (iXBlue), Gilles Le Chenadec et Michel Legris (ENSTA Bretagne), a été réalisée dans le cadre d'une convention CIFRE au sein de la société iXBlue. iXblue développe et commercialise un sondeur multifaisceaux (MBES) SEAPIX principalement dédié au marché de la pêche. Ce système a été développé pour offrir le meilleur compromis entre performances de détection et son coût de revient. Outre les caractéristiques classiques d'un MBES, il propose la particularité unique de pouvoir insonifier des fauchées différentes sous le navire par dépointage électronique du faisceau d'émission de bâbord à tribord et d'avant en arrière. Le travail de thèse a pour objectif d'étudier l'apport de ces nouvelles capacités multi-fauchées dans l'analyse et la classification des fonds marins. La première partie du travail a consisté à réaliser une analyse détaillée de la chaîne de mesure. Cette étude a permis d'évaluer la consistance des niveaux de rétrodiffusion entre les différents modes d'insonification. La deuxième partie s'est intéressée à la recherche des caractéristiques discriminantes du signal rétrodiffusé en tenant compte de la géométrie d'acquisition de chaque mode d'insonification. La dernière étape du travail a porté sur des méthodes de fusion des données acquises. Cette étude s'est réalisée en deux approches; la première considère des données venant du même mode d'insonification (intra-mode) et la seconde venant de modes différents (inter-mode), pour la cartographie des fonds marins. Les résultats expérimentaux obtenus mettent en évidence l'intérêt de la chaîne de traitement proposée et d'une architecture multi-mode sur les jeux de données réelles traitées. / This thesis, co-directed by Jean-Marc Boucher and Ronan Fablet (IMT Atlantique) and co-supervised by Didier Charlot (iXBlue), Gilles Le Chenadec and Michel Legris (ENSTA Bretagne), was realized in the context of a convention CIFRE with the company iXBlue.iXblue develops and commercializes a multibeam echosounder (MBES) SEAPIX primarily dedicated to the fishery market. The system is optimized to offer the best compromise between performances capabilities and cost. In addition to the classical characteristics of an MBES, it offers the unique feature of scanning the seafloor (and the water column volume) by electronical beamform multiple the emission swaths from port to starboard, as well as from forward to backward. The objective of the thesis is to study the contribution of these new multi-swath capacities in the analysis and classification of the seafloor.The first part of the work consisted in carrying out a detailed analysis of the measurement chain. This study evaluated the consistency in acquiring the backscattering strength from different insonification modes. The second part investigated the discriminant characteristics of the backscattered signal while taking into account the acquisition geometry of each insonification mode. The last stage of the work involved to methods of fusing the acquired data. This study was carried out in two approaches; the first considers data from the same insonification mode (intra-mode) and the second from different modes (inter-mode), for the seafloor classification. The obtained experimental results highlight the interest of the proposed processing chain and a multi-mode architecture on the real datasets.

Cette thèse est une contribution à la compréhension de la structuration des marges de la ride de Nouvelle-Calédonie ainsi que des processus tectoniques et eustatiques ayant contrôlé la structuration et l'édification du récif barrière de la Grande Terre de Nouvelle-Calédonie. Ce travail s'est appuyé d'une part sur une analyse morpho-structurale de la couverture bathymétrique complète des marges de la ride de Nouvelle-Calédonie (données multifaisceaux SIMRAD EM12 et EM1002) et d'autre part sur une analyse texturale couplée à une détermination des assemblages d'organismes contenus dans les échantillons prélevés par dragages sur des terrasses marines présentes à l'extérieur de la barrière récifale néo-calédonienne.<br /><br />L'analyse morpho-structurale a révélé une morphologie générale sigmoïdale de la ride de Nouvelle-Calédonie, une diminution du gradient de pente du talus du Nord vers le Sud aussi bien le long des marges Est et Ouest et la présence d'arrachements vraisemblablement liés aux phases épirogéniques de la Grande Terre et aux variations du niveau de la mer au Quaternaire. Il a également été mis en évidence, pour la première fois, des structures majeures N110°E, transverses aux marges, venant se surimposer à l'orientation principale et originelle N135/140°E de la ride. D'autres structures transverses ont également été reconnues ; elles s'orientent Nord-Sud, N70°E et plus faiblement Est-Ouest. Les accidents N110°E et Nord-Sud participent pleinement à la segmentation de la barrière récifale et affectent également les terrasses marines quaternaires, notamment autour du Banc de Coëtlogon, au Sud-Est de la Grande Terre, leur conférant ainsi un caractère néotectonique.<br />Deux phases extensives sont proposées pour expliquer la structuration post-obduction des marges de la ride de Nouvelle-Calédonie. La première, probablement d'âge fini Oligocène à Miocène supérieur, est caractérisée par une extension perpendiculaire à l'axe de la ride, accommodée tout d'abord par des failles N135/140°E parallèles à la Grande Terre puis par des accidents Nord-Sud et N110°E alors néoformés. La seconde phase, probablement d'âge plio-quaternaire, est associée à la subduction active du Vanuatu qui débute au Miocène supérieur. Cette structuration, liée à une extension NNW/SSE oblique à la ride, reprend les accidents N110°E et Nord-Sud, à composante respective sénestre et dextre, et initie, principalement dans le Sud de la Grande Terre, le développement de failles normales N70°E, parallèles au vecteur de convergence actuel.<br />L'analyse des pentes sommitales des marges a révélé la présence de cinq groupes de terrasses marines. Celles-ci apparaissent mieux développées à proximité des grandes passes ainsi que sur les avancées récifales. Ces terrasses ont été interprétées comme étant la signature morphologique, le long des pentes externes de la barrière récifale néo-calédonienne, du toit d'unités récifales développées au cours des derniers hauts niveaux marins, au moins dès le MIS 15 (610 ka). La terrasse la plus étendue et la plus présente sur l'ensemble des marges, située entre -70 et -85 m, est rattachée au haut niveau marin du MIS 11 (408 ka). La distribution verticale, le long des marges, de la profondeur de cette terrasse a été utilisée comme traceur de mouvements verticaux. Ainsi, il est montré que le récif barrière de Nouvelle-Calédonie est segmenté en blocs basculés à mouvements verticaux indépendants. Les taux de subsidence moyenne calculés depuis 408 ka s'échelonnent entre 0,13 et 0,20 mm/an pour l'ensemble des marges de la ride de Nouvelle-Calédonie. Les séismes de magnitude supérieure ou égale à 4, enregistrés par le réseau mondial entre 1966 et 2002, seraient vraisemblablement liés au fonctionnement des failles majeures orientées N110°E ainsi que des accidents Nord–Sud et N70°E transverses à la ride de Nouvelle-Calédonie qui viennent d'être mis en évidence dans ce travail.<br /><br />Cette étude a également permis de compléter nos connaissances sur les processus d'édification du récif barrière de Nouvelle-Calédonie qui étaient uniquement basées, jusqu'à présent, sur l'analyse de quelques forages. Les pentes externes du récif barrière, ceinturant la Grande Terre, sont recouvertes par d'épais encroûtements modernes d'algues rouges, de foraminifères et plus rarement de bryozoaires et de matériels issus de chutes gravitaires. Une zonation bathymétrique de ces croûtes, de nature variable en fonction de la profondeur et en fonction de l'irradiance, a pu être établie. De la surface à -90 m ce sont des encroûtements à algues rouges qui prédominent car la luminosité est suffisante à leur développement. Celles-ci présentent une répartition verticale bien définie qui nous a permis de décrire trois groupes d'associations algaires retrouvés respectivement entre 0 et -6 m, 0 à -30 m et entre -15 et -90 m. En dessous de -90 m environ, on observe un remplacement progressif des encroûtements algaires par des encroûtements de foraminifères. Ces encroûtements, observés jusqu'à environ -160 m, dont à la fois l'abondance relative et l'épaisseur croîent avec la profondeur, sont alors systématiquement associés à des Mélobésoïdés, Sporolithon sp. et/ou Peyssonnelia sp. (association algaire profonde) qui ne prédominent plus en raison d'une irradiance trop faible. Le pourcentage relatif d'encroûtements algaires et de foraminifères constitue un outil de paléo-bathymétrie très fiable comme observé dans cette étude.

La demande toujours croissante de connectivité et de débit de données requiert une rupture dans la conception des futurs réseaux de communication et systèmes radio. Plusieurs applications émergentes en bande millimétrique, notamment les réseaux mobiles de cinquième génération (5G) et les communications satellites, exigent des antennes large bande qui assurent une grande couverture angulaire, tout en étant à la fois compactes, facilement intégrables et à bas coût.Cette thèse propose des systèmes antennaires multifaisceaux large bande et à très grande couverture angulaire, appelés «Continuous Transverse Stub Antenna» (CTS), pour réaliser un bon compromis de l’ensemble de ces objectifs. L’architecture de l’antenne comprend un réseau de fentes longues excitées par un réseau d’alimentation en chandelier, basé sur des guides d’onde à plans parallèles. Cette structure est excitée par un formateur de faisceaux quasi-optique co-intégré. La première partie du manuscrit présent des nouveaux modèles numériques qui facilitent la conception de chaque sous-système de l’antenne et permettent l’analyse des performances globales, soit en termes d’adaptation, soit en termes de diagrammes de rayonnement. Ces outils sont exploités pour la conception d’antenne et pour étudier les limites en balayage. La thèse se poursuit en présentant de nouvelles solutions technologiques et de nouveaux design pour intégrer les antennes CTS dans des modules multicouches planaires et à faible profil. La conception et la caractérisation de deux antennes intégrées en technologie LTCC pour des points d’accès 5G à 60 GHz sont discutées. L’une des deux est à faisceau fixe, l’autre est à balayage électronique, avec une couverture de ±40°, de faibles lobes secondaires et un niveau élevé de recoupement des faisceaux. Enfin, nous proposons l’association de radomes polarisants planaires à faible profil aux antennes CTS, pour réaliser des systèmes rayonnants en polarisation circulaire. Une méthodologie systématique pour la conception de polarisateurs à très large bande est présentée, ainsi qu’un design couvrant entièrement la bande Ka pour des applications satellites. / The ever-growing demand for fast and seamless connectivity shows the need of new wireless standards and technologies. Novel broadband, wide-angle scanning antennas achieving an optimal trade-off among size, gain, efficiency and costs are crucial to the development of emerging applications at millimeter waves, such as fifth-generation (5G) mobile networks and satellite communications. In this thesis, multibeam parallel-fed continuous transverse stub (CTS) array antennas are proposed as possible candidates for future mm-wave communications and are developed to tackle these requirements. The antenna architecture comprises an array of long slots, a corporate feed network based on parallel plate waveguides (PPWs) and an integrated quasi-optical beamformer. First, novel numerical models for the analysis of each subsystem and of the overall antenna, are presented, which enable an efficient and modular design of CTS antennas. These tools are exploited to derive design guidelines and assess the scanning performance. Then, novel design and technological solutions for the integration of CTS antennas in flat, low-profile multilayer modules are discussed. The design and characterization of two prototypes in LTCC technology, for 60-GHz mobile access points are presented: a fixed beam array and a switched-beam antenna with a field of view of ±40°, low SLLs and high beam overlap. Finally, planar linear-to-circular polarization converters are proposed to realize circularly polarized CTS antenna systems. A procedure to achieve an ultra-wideband, low-loss polarization conversion is outlined and a design for Ka-band satellite application is presented.

L'étude conjointe des parties immergée et émergée de l'Ile de La Réunion (Océan Indien), basée sur la valorisation des données marines multifaisceaux acquises ces 20 dernières années et confrontée à l'ensemble des connaissances géologiques et géophysiques, démontre l'importance considérable des processus de déstabilisations de flanc dans l'évolution des édifices de ce système volcanique océanique. Au total, une cinquantaine d'événements multi-échelles, primaires ou secondaires, d'origine aérienne, côtière ou sous-marine, ont démantelé de façon récurrente les volcans du Piton des Neiges, des Alizés et du Piton de La Fournaise au cours des 2 derniers millions d'années au moins. La plupart correspondent à des phénomènes instantanés et catastrophiques de type avalanche de débris. Leurs dépôts sont principalement accumulés en mer, au sein de quatre gigantesques excroissances topographiques, les Reliefs Sous-Marins, localisés à l'est, au nord, à l'ouest et au sud de l'île. Ces éperons triangulaires, de 20-30 km de large au niveau de la côte et 100-150 km à leur extrémité, à 70-80 km du littoral, se sont construits progressivement par la superposition et la juxtaposition des produits déplacés dans des épisodes de déstabilisation pouvant impliquer plusieurs centaines de km3 de matériaux. Une très faible proportion est retrouvée à terre, au cœur et en bordure littorale du massif du Piton des Neiges et constitue le faciès proximal des dépôts immergés. Les principales structures de la morphologie sub-aérienne de l'île sont interprétées comme (1) les zones sources de déstabilisations relativement récentes, souvent remodelées par l'érosion et/ou comblées par l'activité volcanique ultérieure, ou (2) les traces rémanentes d'amphithéâtres d'avalanches de débris anciens dont les failles bordières ont pu être réactivées dans des processus volcano-tectoniques (effondrements caldériques, étalement gravitaire, subsidence du complexe hypovolcanique du Piton des Neiges,...) et/ou lors d'épisodes ultérieurs de déstabilisation. Ces failles ont probablement guidé le démantèlement par érosion des massifs et ainsi facilité le creusement des dépressions centrales du Piton des Neiges (les trois cirques de Mafate, Salazie, Cilaos et le paléo-cirque des Marsouins) et des principales vallées de l'île. L'étude du volcan Mount Haddington (Ile de James Ross, Antarctique) et les expériences analogiques montrent que la déformation ductile d'horizons de faible résistance inclus dans la structure des volcans boucliers, et en particulier de deltas volcanoclastiques essentiellement constitués de dépôts d'avalanches de débris, est un élément clé dans la génération de glissements rotationnels et d'avalanches de débris ultérieures. Ce modèle est privilégié à La Réunion, en considérant un rôle prépondérant des processus gravitaires dans le déclenchement des déstabilisations des volcans de l'île.

Les travaux de cette thèse portent sur la conception d'antennes multi-faisceaux. Ces dernières permettent à plusieurs faisceaux de partager la même partie rayonnante et offrent la possibilité d'avoir simultanément un fort gain et une grande couverture angulaire. Pour leur fonctionnement, ces antennes se basent sur des réseaux à formation de faisceaux, qui peuvent être groupés en deux catégories : les réseaux formateurs de faisceaux de type quasi-optique et les réseaux formateurs de faisceaux de type circuit. Plusieurs structures antennaires reposant sur ces types de réseaux à formation de faisceaux sont proposés dans cette thèse : structures pillbox simples intégrant les deux variantes de la technique mono-pulse pour augmenter la résolution angulaire de l'antenne, lentilles de Rotman bicouche et multicouche, pour le cas quasi-optique ; réseaux phasés pour applications SATCOM (projet ANR) et matrice de Butler avec circuit de contrôle des niveaux de lobes secondaires pour le cas circuit. Les différents concepts ont été étudiés dans différentes bandes de fréquences : Ku, K et V. Pour des raisons de coût essentiellement, deux technologies ont été retenues : La technologie SIW (Substrate Integrated Waveguide), qui associe les avantages de la technologie des circuits imprimés et celles de la technologie guide d'ondes. Des efforts particuliers ont été faits pour l'implémentation de structures multicouches car nous arrivons à ce stade à la limite du savoir faire industriel national dans ce domaine. La technique de « Diffusion Bounding » développée au « Ando and Hirokawa lab » du TIT (Tokyo Institute of Technology) et qui consiste à assembler de fines couches métalliques sous haute température et haute pression. Cette technique permet le développement d'antennes en guides creux avec des efficacités supérieures à 80% en bande millimétrique. / This PhD thesis deals with the design of multi-beam antennas. A single radiating aperture is used to generate several beams with high gain and a large field of view. The multi beam operation is achieved by using two topologies of Beam Forming Networks (BFN): quasi optical BFN, and circuit-based BFN. For each category, several solutions have been proposed and validated experimentally. In particular, for the quasi-optical configurations, pillbox structures, mono-pulse antennas in pillbox technology, and multi-layer Rotman lenses have been considered. On the other hand, for circuit-based multi-beam antennas, two solutions have been analyzed: a phased array for SATCOM applications in the framework of a national ANR project and a Butler matrix with controlled side-lobe levels for the radiated beams within a collaboration with the Tokyo Institute of Technology, Japan. The proposed concepts and antenna solutions have been considered in different frequency bands: Ku, K and V. Two technologies have been mainly adopted for the fabrication of the various prototypes: Substrate Integrated Waveguide technology (SIW) which combines the advantages in terms of cost of the printed circuit board (PCB) fabrication process with the efficiency of classical waveguide technology. Considerable efforts have been devoted to the implementation of multilayer SIW structures to overcome and go beyond the current state of the art at national level on PCB fabrication process. Diffusion Bounding Technique, developed at “Ando and Hirokawa lab” at the Tokyo Institute of Technology, which consists of bonding laminated thin metal plates under high temperature and high pressure. This technique allows the fabrication of planar hollow waveguide structures with efficiencies up to 80% in the millimeter wave-band.