La prospection géoélectrique est largement utilisée au Maroc pour des reconnaissances hydrogéologique. Le but de ce travail et de proposer de nouvelles techniques d’interprétation des sondages électriques verticaux en un temps réduit, et aussi de bien exploiter une base de données de sondages électriques, par l’établissement entre autre des images 2D horizontales et verticales de l’estimation de la distribution des résistivités électriques apparentes (modélisation géostatistique, inversion, etc.). Dans le but de caractériser électriquement le secteur d’étude (nord-est du Bassin de Saïss), une analyse statistique des résistivités apparentes de sondages électriques verticaux a été réalisée. Cette simple analyse descriptive est suivie par une étude statistique multidirectionnelle : analyse en composantes principales (ACP) et par une classification hiérarchique ascendante (CHA). (...) Les résultats des analyses statistiques et géostatistiques complétés par les inversions des sondages moyens pas classe, ont mis en évidence la fiabilité de ces techniques pour l’interprétation d’un nombre important de sondages électriques au lieu de la méthode ordinaire qui se base sur l’inversion des sondages un par un et les corréler ultérieurement pour construire la structure globale du domaine étudié. Avec les techniques utilisées, dans le cadre de ce travail, des résultats très satisfaisants en un temps plus réduit sont obtenus. Les profils étudiés et inversés à l’aide du logiciel RES2Dinv montrent tous les trois grandes structures définies auparavant (Résistant-Conductrice-Résistant), par contre on note des variations intra formations. De plus, l’organisation spatiale des formations permet de confirmer l’existence de failles cohérentes avec la structure en horst et graben du bassin. / The Geoelectric prospection is usually used in Morocco for hydrogeological recognition. The purpose of this work is to propose new techniques for interpreting vertical electric soundings in a reduced time, and also to fully exploit a database of stored electrical soundings by the establishment, amongst other things, of the horizontal and vertical 2D images, estimating the distribution of apparent electrical resistivity (geostatistic modeling, inversion, etc.). In order to characterize electrically the study area (north-east of the Saïss Basin), a statistical analysis of apparent resistivity of vertical electric soundings was performed. This simple descriptive analysis is followed by a statistical analysis (principal component analysis PCA and ascending hierarchical classification HAC.) (...)The results of statistical analysis and geostatistical supplemented by inversion of the average electric sounding per class, highlighted the reliability of these techniques to the interpretation of a large number of electrical soundings instead of the usual method which is based on the inversion of the electrical sounding one by one and correlate them later, to build the global structure of the area studied. With the techniques used in this work, very satisfactory results in a more reduced time, for interpreting vertical electric soundings, are obtained. VIThe studied profiles and inverted using the software RES2Dinv show all three structures defined previously (Resistant – Conductive - resistant), on the other hand, there are variations within the same formation. In addition, the spatial organization of the formation makes it possible to confirm the existence of faults coherent with the structure in horst and graben basin.

Le radar géologique est une méthode d'investigation géophysique basée sur la propagation d'ondes électromagnétiques dans le sous-sol. Avec des fréquences allant de 5 MHz à quelques GHz et une forte sensibilité aux propriétés électriques, le géoradar fournit des images de réflectivité dans des contextes et à des échelles très variés : génie civil, géologie, hydrogéologie, glaciologie, archéologie. Cependant, dans certains cas, la compréhension fine des processus étudiés dans la subsurface nécessite une quantification des paramètres physiques du sous-sol. Dans ce but, l'inversion des formes d'ondes complètes, méthode initialement développée pour l'exploration sismique qui exploite l'ensemble des signaux enregistrés, pourrait s'avérer efficace. Dans cette thèse, je propose ainsi des développements méthodologiques par une approche d'inversion multiparamètres (permittivité diélectrique et conductivité), pour des configurations en transmission, en deux dimensions.Ces développements sont ensuite appliqués à un jeu de données réelles acquises entre forages.Dans une première partie, je présente tout d'abord la méthode numérique utilisée pour modéliser la propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu 2D hétérogène, élément indispensable pour mener à bien le processus d'imagerie. Ensuite, j’introduis puis étudie le potentiel des méthodes d’optimisation locale standards (gradient conjugué non linéaire, l-BFGS, Newton tronqué dans ses versions Gauss-Newton et Exact-Newton) pour découpler la permittivité diélectrique et la conductivité électrique. Je montre notamment qu’un découplage effectif n’est possible qu’avec un modèle initial suffisamment précis et la méthode la plus sophistiquée (Newton tronqué). Comme dans le cas général, ce modèle initial n’est pas disponible, il s’avère nécessaire d'introduire un facteur d'échelle qui répartit le poids relatif de chaque classe de paramètres dans l'inversion. Dans un milieu réaliste avec une acquisition entre puits, je montre que les différentes méthodes d'optimisation donnent des résultats similaires en matière de découplage de paramètres. C'est finalement la méthode l-BFGS qui est retenue pour l'application aux données réelles, en raison de coûts de calcul plus faibles.Dans une deuxième partie, j'applique cette méthodologie à des données réelles acquises entre deux forages localisés dans des formations carbonatées, à Rustrel (France, 84). Cette inversion est réalisée en parallèle d'une approche synthétique à l'aide d'un modèle représentatif du site étudié et des configurations d'acquisition similaires. Ceci permet de pouvoir comprendre, contrôler et valider les observations et conclusions obtenues sur les données réelles. Cette démarche montre que la reconstruction de la permittivité est très robuste. A contrario, l'estimation de la conductivité souffre de deux couplages majeurs, avec la permittivité diélectrique, d'une part, et avec l'amplitude de la source estimée, d'autre part. Les résultats obtenus sont confrontés avec succès à des données indépendantes (géophysique depuis la surface, analyse sur échantillons de roche), et permet de bénéficier d'une image haute-résolution des formations géologiques. Enfin, une analyse 3D confirme que les structures 3D à fort contraste de propriétés, telles que la galerie enfouie sur notre site, nécessiteraient une approche de modélisation 3D, notamment pour mieux expliquer les amplitudes observées. / Ground Penetrating Radar (GPR) is a geophysical investigation method based on electromagnetic waves propagation in the underground. With frequencies ranging from 5 MHz to a few GHz and a high sensitivity to electrical properties, GPR provides reflectivity images in a wide variety of contexts and scales: civil engineering, geology, hydrogeology, glaciology, archeology. However, in some cases, a better understanding of some subsurface processes requires a quantification of the physical parameters of the subsoil. For this purpose, inversion of full waveforms, a method initially developed for seismic exploration that exploits all the recorded signals, could prove effective. In this thesis, I propose methodological developments using a multiparameter inversion approach (dielectric permittivity and conductivity), for two-dimensional transmission configurations. These developments are then applied to a real data set acquired between boreholes.In a first part, I present the numerical method used to model the propagation of electromagnetic waves in a heterogeneous 2D environment, a much-needed element to carry out the process of imaging. Then, I introduce and study the potential of standard local optimization methods (nonlinear conjugate gradient, l-BFGS, Newton truncated in its Gauss-Newton and Exact-Newton versions) to fight the trade-off effects related to the dielectric permittivity and to the electrical conductivity. In particular, I show that effective decoupling is possible only with a sufficiently accurate initial model and the most sophisticated method (truncated Newton). As in the general case, this initial model is not available, it is necessary to introduce a scaling factor which distributes the relative weight of each parameter class in the inversion. In a realistic medium and for a cross-hole acquisition configuration, I show that the different optimization methods give similar results in terms of parameters decoupling. It is eventually the l-BFGS method that is used for the application to the real data, because of lower computation costs.In a second part, I applied the developed Full waveform inversion methodology to a set of real data acquired between two boreholes located in carbonate formations, in Rustrel (France, 84). This inversion is carried out together with a synthetic approach using a model representative of the studied site and with a similar acquisition configuration. This approach enables us to monitor and validate the observations and conclusions derived from data inversion. It shows that reconstruction of dielectrical permittivity is very robust. Conversely, conductivity estimation suffers from two major couplings: the permittivity and the amplitude of the estimated source. The derived results are successfully compared with independent data (surface geophysics and rock analysis on plugs) and provides a high resolution image of the geological formation. On the other hand, a 3D analysis confirms that 3D structures presenting high properties contrasts, such as the buried gallery present in our site, would require a 3D approach, notably to better explain the observed amplitudes.

L'échographie est un outil de diagnostic largement utilisé grâce à des vertus telles que l'acquisition / traitement de données en temps réel, la facilité d'utilisation et la sécurité pour le patient / praticien pendant l'examen. Cependant, comparée à d'autres méthodes d'imagerie telles que la tomographie à rayons X et l'imagerie par résonance magnétique, l'échographie présente l'inconvénient de fournir une qualité d'image relativement basse. Dans cette thèse, nous étudions une méthode capable d'augmenter la qualité d'image, permettant ainsi de meilleurs diagnostics échographiques. Afin d'augmenter le rapport signal / bruit des signaux reçus, nous proposons d'utiliser des signaux modulés en fréquence (chirps). Pour éviter l'effet négatif de la bande passante limitée de la sonde, nous modulons en amplitude les signaux d'excitations afin d'augmenter l'énergie du signal dans les bandes de fréquences où la sonde est moins efficace. Pour compresser l'énergie des échos, nous utilisons des filtres de Wiener afin d'obtenir un bon compromis résolution spatiale / stabilité du bruit. Nous combinons cette méthode appelée REC (Resolution Enhancement Technique) avec l’imagerie ultrarapide. Nous montrons des résultats simulés et expérimentaux (in-vitro, ex-vivo et in-vivo) prometteurs. De plus, nous adaptons REC afin de compenser l'effet d'atténuation tissulaire. Cette amélioration est validée expérimentalement sur des phantoms. Nous adaptons également REC à la propagation non linéaire des ondes ultrasonores, en proposant une technique d'inversion d'impulsions qui utilise REC pour fournir une meilleure résolution et un meilleur rapport contraste / bruit. Ensuite, nous appliquons REC à différents schémas d’acquisition tels que les ondes divergentes et la transmission multi-lignes (MLT). Nous montrons également que la qualité d’image peut être augmentée davantage en tenant compte de la réponse impulsionnelle spatiale de la sonde lorsque REC et MLT sont combinés / Ultrasound imaging is a diagnostic tool widely used thanks to such virtues as real-time data acquisition / processing, ease of use and safety for the patient / practitioner during examination. However, when compared to other imaging methods such as X-ray tomography and Magnetic Resonance Imaging, the echography has the disadvantage to provide relatively low image quality. In this thesis, we study a method that is able to increase the ultrasound image quality, thus paving the way towards improved diagnostics based on echography and novel ultrasound applications. In order to increase the echo signal to noise ratio of the received signals, we propose to use linear frequency modulated signals, also called chirps. To avoid the negative effect of the bandlimited acquisition probe, we apply a pre-enhancement step on the probe excitation signals in order to boost the signal energy in the frequency bands where the probe is less efficient. To compress the echo energy in reception, we use Wiener filters that allow obtaining a good trade-off between the spatial resolution and noise stability. We apply the previously detailed pipeline, also called REC (Resolution Enhancement Technique) on ultrafast imaging schemes. We show promising results in simulation and in-vitro, ex-vivo, in-vivo acquisitions. Furthermore, we adapt REC in such way that the frequency dependent tissue attenuation effect is compensated for. This improvement is validated in simulation and phantom experiments. We also adapt REC to the nonlinear propagation of ultrasound waves, by proposing a pulse inversion technique that uses REC to provide a better image resolution and contrast to noise ratio. Then, we demonstrate the generality of the REC method by applying it to different acquisition schemes such as diverging wave compounding and Multi Line Transmit (MLT). We also show that the image quality can be increased more by taking into account the spatial impulse response of the ultrasound probe when REC and MLT are combined

La planète Mars est le siège d'un climat complexe, caractérisé par des cycles du dioxyde de carbone et de l'eau, ainsi qu'un transport de poussière à toutes les échelles. Ces cycles se manifestent par la condensation saisonnière aux pôles de dépôts de glace de CO₂ et d'eau pendant la nuit polaire, et leur sublimation pendant le printemps local. Les cycles du CO₂ , de l'eau et des poussières sur Mars sont intimement liés. Un processus saisonnier actif illustre bien ces liens : les jets de gaz froid, déclenchés par la sublimation saisonnière des dépôts de CO₂ , pouvant mettre en suspension des poussières du régolite de manière durable dans l'atmosphère, et dont l'activité semble être modulée par les échanges d'eau à la surface.L'objectif de cette thèse est de permettre l'utilisation des données d'imagerie hyperspectrale disponibles au maximum de leur potentiel, pour apporter de nouvelles contraintes sur les échanges saisonniers entre surface et atmosphère et sur les interactions entre les différents cycles (CO₂ , eau, poussières), en se focalisant sur les jets de gaz froid. Pour cela, un modèle semi-analytique de transfert radiatif dans les glaces compactes, ainsi qu'une méthode efficace d'inversion ont été développés et validés.Le modèle de transfert radiatif permet de décrire l'interaction de la lumière avec une couche de glace de manière quantitative d'après les paramètres suivants : épaisseur de la couche, proportions volumiques et tailles des impuretés, rugosité de la surface. Il repose sur plusieurs hypothèses majeures : optique géométrique, milieux continus par morceaux, inclusions quasi-sphériques. L'approximation des deux flux est utilisée pour le transfert au sein de la couche mais la réflexion spéculaire en surface est estimée en tenant compte de la variabilité des facettes de la rugosité surfacique. Ce modèle a été validé numériquement et sur des données de laboratoire et des tests numériques. La méthode d'inversion consiste à créer des bases de données synthétiques d’après le modèle de transfert radiatif pour déterminer les jeux de paramètres les plus probables pour reproduire une mesure donnée. L'inversion repose sur le formalisme bayésien : les grandeurs manipulées sont décrites par des densités de probabilités. Ceci permet la prise en compte de manière réaliste des incertitudes sur la donnée et le calcul d'une incertitude a posteriori sur le résultat de l'inversion.Une étude ciblée d'un site d'intérêt a été menée pour tester et démonter l'applicabilité de cette démarche à l'inversion massive de données de spectro-imagerie.Nous avons déterminé l’état de surface du champ de dunes du cratère de Richardson (72°S, 180°W), choisi car il présente de fortes interactions entre cycle de l'eau et du CO₂ , une important activité saisonnière de jets froids mais aussi une grande quantité de données disponible et une haute qualité du suivi temporel. Le suivi des caractéristiques de surface sur ce site montre une diminution de l'épaisseur de la couche de glace pendant le printemps cohérente avec les estimations des modèles de climat. Nous avons pu estimer et faire le suivi du contenu en eau et en poussière pour discuter le scénario de formation des jets froids. Nous avons proposé un nouveau mécanisme de mise en suspension des petits grains d’eau. / Mars has a complex climate, characterized by carbon dioxide and water cycles, and dust transport at all scales. These cycles are mainly controlled by the seasonal condensation of CO₂ and water ice deposits at high latitudes during the polar night and their sublimation during the local spring. There are a lot of interactions between the CO₂ , water and dust cycles on Mars and they influence each other. An active seasonal process illustrates particularly well these links: the cryoventing, cold CO₂ gas jets triggered by seasonal sublimation of CO₂ deposits, which can put dust from the regolith in suspension into the atmosphere durably, and whose activity seems to be modulated by the exchange of water at the surface.The purpose of this thesis is to allow the use of the available hyperspectral imaging data to their full potential, to bring new constraints on seasonal exchanges between surface and atmosphere and the interactions between the different cycles (CO₂ , water , dust), focusing on cold gas jets. To achieve this, a semi-analytical radiative transfer model in compact ices and an effective inversion method were developed and validated.The radiative transfer model describes the interaction of light with a surface quantitatively, using the following parameters: thickness of the layer, volume proportions and grain-sizes of impurities, surface roughness. It is based on several key assumptions: geometrical optics, piecewise-continuous media quasi-spherical inclusions. The two-stream approximation is used for the radiative transfer inside the layer, but the surface specular reflectance is estimated taking into account the variability of the facets orientations from the surface roughness. This model was validated both numerically and on laboratory data.The inversion method consists in exploring synthetic databases generated by the radiative transfer model and determining the most likely sets of parameters to reproduce a given measure. The inversion is based on the Bayesian formalism: the manipulated variables are described by probability density functions. This allows to take into account realistic uncertainties on the data and enables to calculate a posteriori uncertainties on the result of the inversion.A focused study was conducted on a area of particular interest, to test and prove the applicability of this approach to the massive inversion of spectro-imaging data. The dune-field of Richardson Crater (72°S, 180°W) was chosen because it shows strong interactions between the water and CO₂ cycles, a major seasonal cryoventing activity, but also a large amount of data available and a high quality temporal monitoring. The monitoring of surface characteristics on this site shows a decrease in the thickness of the ice during the spring consistently with climate models simulations. We were able to estimate and monitor the content of water and dust in order to discuss the formation scenario of cold jets.

L'utilisation du LiDAR en télédétection permet une description précise de l'architecture du couvert végétal. L'objet de cette thèse est le développement des approches d'inversion de mesures LiDAR à l'aide d'une modélisation physique et statistique du signal dans le but d'estimer des propriétés biophysiques de cultures dominantes (blé, maïs) du Sud-Ouest de la France et d'un couvert forestier en Chine. Le travail a tout d'abord porté sur l'estimation du LAI et la hauteur des cultures par inversion de formes d'onde LiDAR à faible empreinte. Une base de données de simulations de formes d'onde réalistes des cultures est réalisée à l'aide du modèle de transfert radiatif (MTR) DART. L'inversion consiste à utiliser la technique de table de correspondance qui consiste à chercher la simulation la plus proche de l'observation réelle. Le travail a ensuite porté sur l'estimation du profil de LAI des arbres de la forêt. Une approche variationnelle d'estimation du profil de LAI par inversion de formes d'ondes est proposée. Elle repose sur un MTR simplifié et une technique de lissage du profil de LAI s'appuyant sur les chaines de Markov. La formulation bayésienne du problème, nous amène à une fonction de coût non-linéaire. Elle est minimisée à l'aide d'une nouvelle technique de gradient multi-échelle. Les approches développées montrent bien leurs performances en les appliquant sur des données réelles de cultures (maïs et blé) et de milieu forestier. / The use of LiDAR in remote sensing allows a precise description of the vegetation cover architecture. The aim of this thesis is the development of LiDAR data inversion approaches using physical and statistical signal modeling in order to estimate the biophysical properties of dominant crops (wheat, maize) of the South-West of France and a forest cover in China. The work firstly focused on estimating LAI and crop height by small footprint LiDAR waveforms inversion. A realistic crop waveform simulations database is performed using the Radiative Transfer Model (MTR) DART. The inversion consists in using the Look up Table technique which consists of looking for the closest simulation to the actual observation. The second inversion approach focused on LAI profile estimation of the forest trees. A variational approach to estimate LAI by waveform inversion is proposed. It relies on a simplified MTR and LAI profile smoothing technique based on Markov chains. The Bayesian formulation of the problem leads us to a non-linear cost function. It is minimized using a new multi-scale gradient technique. The developed approaches show clearly their performance by applying them to real crop data (corn and wheat) and forest.

Bakgrund: I Sverige är den generella uppfattningen att det vid val av vardagssko är rekommenderat att välja en sportsko framför en canvas tennissko. Tidigare studier har jämfört hur olika skomodeller påverkar gången, men ingen har studerat skillnader mellan sportskor och canvas tennisskor. Syfte: Undersöka hur en sko med instabil läst och platt bindsula (canvas tennissko) samt en sko med en stadig läst, en sula med bra stötdämpning och avrullning (sportsko) påverkar den mediolaterala stabiliteten olika under stödfasen. Metod: Gånganalys på fem kvinnliga deltagare. Kinetisk och kinematisk data samlades in med hjälp av ett 3D-rörelseanalyssystem. Resultat: Rörelseomfånget skiljer sig mer mellan deltagare än skomodeller. Sportskor har ett försumbart lägre rörelseomfång än canvas tennisskor. Sportskor ger mer inverterad gång än Canvas tenniskor. Steglängden och stödfasen (stance time) skiljer inte mellan de två skomodellerna. Slutsats: Fotens rörelseomfång i frontalplanet skiljer sig inte mellan canvas tennisskor och sportskor under stödfasen, men sportskon har en mer inverterad rörelse. / Background: In Sweden it is a general perception that a sports shoe is a better choice than a canvas tennis shoe for everyday use. Previous studies have investigated how different shoe models affect the gait, but none have studied the differences between sport shoes and canvas tennis shoes. Aim: Investigate how a shoe with unstable last and a flat insole (canvas tennis shoe) and a shoe with steady last, a sole with good shock absorbing and roll off (sport shoe) affect the mediolateral stability differently during stance. Methods: Gait analysis on five female participants. Kinetic and kinematic data collected with3D-modionanalysis system. Results: The range of motion differs more between participants than between shoe models. The sport shoe have a negligible lower range of motion than the canvas tennis shoe. Walking in sport shoe shows a more inverted gait than gait in canvas tennis shoe. Step length and stance time are the same in both shoe models. Conclusion: The range of motion and motion pattern of the foot in the coronal plane does not differ between canvas tennis shoes and sport shoes during stance phase, but the sport shoe has a more inverted motion.

La caractérisation des tremblements de terre est un domaine de recherche primordial en sismologie, où l'objectif final est de fournir des estimations précises d'attributs de la source sismique. Dans ce domaine, certaines questions émergent, par exemple : quand un tremblement de terre s’est-il produit? quelle était sa taille? ou quelle était son évolution dans le temps et l'espace? On pourrait se poser d'autres questions plus complexes comme: pourquoi le tremblement s'est produit? quand sera le prochain dans une certaine région? Afin de répondre aux premières questions, une représentation physique du phénomène est nécessaire. La construction de ce modèle est l'objectif scientifique de ce travail doctoral qui est réalisé dans le cadre de la modélisation cinématique. Pour effectuer cette caractérisation, les modèles cinématiques de la source sismique sont un des outils utilisés par les sismologues. Il s’agit de comprendre la source sismique comme une dislocation en propagation sur la géométrie d’une faille active. Les modèles de sources cinématiques sont une représentation physique de l’histoire temporelle et spatiale d’une telle rupture en propagation. Cette modélisation est dite approche cinématique car les histoires de la rupture inférées par ce type de technique sont obtenues sans tenir compte des forces qui causent l'origine du séisme.Dans cette thèse, je présente une nouvelle méthode d'inversion cinématique capable d'assimiler, hiérarchiquement en temps, les traces de données à travers des fenêtres de temps évolutives. Cette formulation relie la fonction de taux de glissement et les sismogrammes observés, en préservant la positivité de cette fonction et la causalité quand on parcourt l'espace de modèles. Cette approche, profite de la structure creuse de l’histoire spatio-temporelle de la rupture sismique ainsi que de la causalité entre la rupture et chaque enregistrement différé par l'opérateur. Cet opérateur de propagation des ondes connu, est différent pour chaque station. Cette formulation progressive, à la fois sur l’espace de données et sur l’espace de modèle, requiert des hypothèses modérées sur les fonctions de taux de glissement attendues, ainsi que des stratégies de préconditionnement sur le gradient local estimé pour chaque paramètre du taux de glissement. Ces hypothèses sont basées sur de simples modèles physiques de rupture attendus. Les applications réussies de cette méthode aux cas synthétiques (Source Inversion Validation Exercise project) et aux données réelles du séisme de Kumamoto 2016 (Mw=7.0), ont permis d’illustrer les avantages de cette approche alternative d’une inversion cinématique linéaire de la source sismique.L’objectif sous-jacent de cette nouvelle formulation sera la quantification des incertitudes d’un tel modèle. Afin de mettre en évidence les propriétés clés prises en compte dans cette approche linéaire, dans ce travail, j'explore l'application de la stratégie bayésienne connue comme Hamiltonian Monte Carlo (HMC). Cette méthode semble être l’une des possibles stratégies qui peut être appliquée à ce problème linéaire sur-paramétré. Les résultats montrent qu’elle est compatible avec la stratégie linéaire dans le domaine temporel présentée ici. Grâce à une estimation efficace du gradient local de la fonction coût, on peut explorer rapidement l'espace de grande dimension des solutions possibles, tandis que la linéarité est préservée. Dans ce travail, j'explore la performance de la stratégie HMC traitant des cas synthétiques simples, afin de permettre une meilleure compréhension de tous les concepts et ajustements nécessaires pour une exploration correcte de l'espace de modèles probables. Les résultats de cette investigation préliminaire sont encourageants et ouvrent une nouvelle façon d'aborder le problème de la modélisation de la reconstruction cinématique de la source sismique, ainsi, que de l’évaluation des incertitudes associées. / The earthquake characterization is a fundamental research field in seismology, which final goal is to provide accurate estimations of earthquake attributes. In this study field, various questions may rise such as the following ones: when and where did an earthquake happen? How large was it? What is its evolution in space and time? In addition, more challenging questions can be addressed such as the following ones: why did it occur? What is the next one in a given area? In order to progress in the first list of questions, a physical description, or model, of the event is necessary. The investigation of such model (or image) is the scientific topic I investigate during my PhD in the framework of kinematic source models. Understanding the seismic source as a propagating dislocation that occurs across a given geometry of an active fault, the kinematic source models are the physical representations of the time and space history of such rupture propagation. Such physical representation is said to be a kinematic approach because the inferred rupture histories are obtained without taking into account the forces that might cause the origin of the dislocation.In this PhD dissertation, I present a new hierarchical time kinematic source inversion method able to assimilate data traces through evolutive time windows. A linear time-domain formulation relates the slip-rate function and seismograms, preserving the positivity of this function and the causality when spanning the model space: taking benefit of the time-space sparsity of the rupture model evolution is as essential as considering the causality between rupture and each record delayed by the known propagator operator different for each station. This progressive approach, both on the data space and on the model space, does require mild assumptions on prior slip-rate functions or preconditioning strategies on the slip-rate local gradient estimations. These assumptions are based on simple physical expected rupture models. Successful applications of this method to a well-known benchmark (Source Inversion Validation Exercise 1) and to the recorded data of the 2016 Kumamoto mainshock (Mw=7.0) illustrate the advantages of this alternative approach of a linear kinematic source inversion.The underlying target of this new formulation will be the future uncertainty quantification of such model reconstruction. In order to achieve this goal, as well as to highlight key properties considered in this linear time-domain approach, I explore the Hamiltonian Monte Carlo (HMC) stochastic Bayesian framework, which appears to be one of the possible and very promising strategies that can be applied to this stabilized over-parametrized optimization of a linear forward problem to assess the uncertainties on kinematic source inversions. The HMC technique shows to be compatible with the linear time-domain strategy here presented. This technique, thanks to an efficient estimation of the local gradient of the misfit function, appears to be able to rapidly explore the high-dimensional space of probable solutions, while the linearity between unknowns and observables is preserved. In this work, I investigate the performance of the HMC strategy dealing with simple synthetic cases with almost perfect illumination, in order to provide a better understanding of all the concepts and required tunning to achieve a correct exploration of the model space. The results from this preliminary investigation are promising and open a new way of tackling the kinematic source reconstruction problem and the assessment of the associated uncertainties.

L'impact des nuages de glace sur le cycle de l'eau et le bilan radiatif est encore incertain en raison de la complexité des processus nuageux qui rend difficile l'acquisition d'observations adéquates sur les propriétés des nuages de glace et leur représentation dans les modèles de circulation générale. Les instruments de télédétection actifs et passifs, tels que les radiomètres, les radars et les lidars, sont couramment utilisés pour les étudier. La restitution des propriétés microphysiques des nuages (extinction, contenu en glace, rayon effectif, ...) peut être effectuée à partir d'un seul instrument ou de la combinaison de plusieurs instruments. L’intérêt de l’utilisation de synergies instrumentales pour restituer les propriétés nuageuses réside dans le fait que cela permet de réduire les incertitudes dues aux lacunes des différents instruments pris séparément. La constellation de satellites A-Train a considérablement amélioré notre connaissance des nuages. Depuis 2006, le lidar à rétrodiffusion visible CALIOP embarqué à bord du satellite CALIPSO et le radar nuage à 94GHz CPR embarqué à bord du satellite CloudSat ont permis l’acquisition de profils nuageux sur l’ensemble du globe et de nombreuses méthodes synergiques de restitution ont été adaptées à ces instruments. En 2021 sera lancé un nouveau satellite, EarthCARE, embarquant des instruments de télédétection de pointe, notamment ATLID, un lidar à haute résolution spectrale (HSRL) à 355 nm et un radar nuage Doppler à 94 GHz. La mission principale de ce satellite est de quantifier les interactions entre les nuages, les aérosols et le bilan radiatif de la Terre afin d'améliorer les prévisions météorologiques et des modèles climatiques. Grâce à son instrumentation avancée installée sur une plate-forme unique, cette nouvelle mission devrait fournir des observations sans précédent des nuages depuis l'espace. Cependant, pour ce faire, les algorithmes synergiques développés pour les mesures de l'A-Train doivent être adaptés à cette nouvelle configuration instrumentale. Au cours de ma thèse, je me suis concentrée sur l'algorithme Varcloud développé en 2007 par Delanoë et Hogan et basé sur une technique variationnelle. La première partie du travail a consisté à adapter certains paramètres du modèle microphysique de l’algorithme aux études récentes d’une large base de données in situ. En particulier, les questions de la paramétrisation du rapport lidar et du choix de la relation masse-diamètre pour les cristaux de glace ont été abordées. La deuxième partie de mon travail a consisté à adapter l'algorithme de restitution Varcloud aux plates-formes aéroportées. Les plates-formes aéroportées sont idéales pour préparer et valider les missions spatiales, permettant de réaliser des mesures sous-trace, colocalisées avec les instruments spatiaux. En particulier, le HALO allemand et le Falcon 20 français ont des charges utiles très complémentaires et sont parfaitement conçus pour la préparation et la validation de la mission EarthCare. Les deux avions embarquent notamment un lidar à haute résolution spectrale (355 nm sur le Falcon et 532 nm sur le HALO) et un radar Doppler à 36 GHz (HALO) et 95 GHz (Falcon). À l'automne 2016, une campagne aéroportée dans laquelle les deux avions étaient impliqués s'est déroulée en Islande, à Keflavik, dans le cadre du projet NAWDEX. Les mesures recueillies au cours de cette campagne fournissent un ensemble de données intéressant pour caractériser la microphysique et la dynamique des nuages dans l'Atlantique Nord, région qui présent un grand intérêt pour les missions Cloudsat-CALIPSO et EarthCARE. En outre, une série de vols communs avec observation de la même scène nuageuse par les deux plates-formes ont été réalisées, fournissant des données permettant d'étudier l'influence de la configuration instrumentale sur les propriétés des nuages de glace restituées. / The impact of ice clouds on the water cycle and radiative budget is still uncertain due to the complexity of cloud processes that makes it difficult to acquire adequate observations of ice cloud properties and parameterize them into General Circulation Models. Passive and active remote sensing instruments, radiometers, radars and lidars, are commonly used to study ice clouds. Inferring cloud microphysical properties (extinction, ice water content, effective radius, ...) can be done from one instrument only, or from the synergy of several. The interest of using instrumental synergies to retrieve cloud properties is that it can reduce the uncertainties due to the shortcomings of the different instruments taken separately. The A-Train constellation of satellites has considerably improved our knowledge of clouds. Since 2006, the 532nm backscattering lidar CALIOP on board the satellite CALIPSO and the 94GHz cloud radar CPR on board the satellite CloudSat have acquired cloud vertical profiles globally and many lidar-radar synergetic methods have been adapted to CloudSat and CALIPSO data. In 2021 will be launched a new satellite, EarthCARE, boarding state of the art remote sensing instrumentation, in particular ATLID, a High Spectral Resolution Lidar (HSRL) at 355nm and a Doppler cloud radar at 94 GHz. The main mission of this satellite is to quantify interactions between clouds, aerosols and the Earth's radiation budget in order to improve weather prediction and climate models. Thanks to its advanced instrumentation mounted on a single platform, this new mission is expected to provide unprecedented observations of clouds from space. However, to do so, the synergistic algorithms that were developed for A-Train measurements have to be adapted to this new instrumental configuration. During my PhD, I focused on the Varcloud algorithm that was developed in 2007 by Delanoë and Hogan, based on a variational technique. The first part of the work consisted in adapting some parameters of the microphysical model of the algorithm to recent studies of a large dataset of in-situ measurements. In particular, the questions of a parameterization of the lidar extinction-to-backscatter ratio and the choice of the mass-size relationship for ice crystals were addressed. The second part of my work consisted in adapting the Varcloud retrieval algorithm to airborne platforms. Airborne platforms are ideal to prepare and validate space missions, allowing for direct underpasses of spaceborne instruments. Moreover, German and French aircraft, respectively HALO and French Falcon 20 have very complementary payloads and are perfectly designed for the preparation, the calibration and the validation of EarthCare. Both aircraft board a high spectral resolution lidar (355 nm on the French Falcon and 532 nm on the HALO) and a Doppler radar at 36 GHz (HALO) and 95 GHz (Falcon). In fall 2016 a field campaign related to the NAWDEX project took place in Iceland, Keflavik with both aircraft involved. The measurements collected during this campaign provide an interesting dataset to characterize cloud microphysics and dynamics in the North Atlantic, which are of high interest regarding the Cloudsat-CALIPSO and EarthCARE missions. In addition, a series of common legs with the same cloud scene observed by both platforms were performed, providing data to study the influence of the instrumental configuration on the retrieved ice cloud properties.

Depuis la révolution industrielle, les croissances économique et démographique ont augmenté de manière exponentielle induisant l’augmentation de la combustion d’énergies fossiles, telles que le charbon, le pétrole, et le gaz naturel. La combustion de ces sources d’énergie conduit à l’émission de gaz à effet de serre, principalement le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4), qui par leur accumulation dans l’atmosphère entraînent une augmentation de l’effet de serre. Selon le GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat), l’implication des émissions anthropiques dans l’augmentation de l’effet de serre est extrêmement probable avec un pourcentage de certitude qui dépasse 95%. Toutefois, l’estimation des bilans régionaux d'émissions de GES reste très incertaine. L’objectif de cette thèse est de contribuer à l’amélioration de l’estimation des bilans régionaux de GES en France, en utilisant pour la première fois les concentrations atmosphériques du CO2 et de CH4 mesurées par le réseau ICOS (Integrated Carbon Observation System) et la modélisation inverse à l’échelle régionale.Dans un premier temps, on s’est focalisé sur l’étude des concentrations mesurées de CO2, CH4 et CO (monoxyde de carbone) fournis par des stations de surface. Cette étude a pour objectif l'identification des mesures atmosphériques contaminées par les émissions locales (quelques kilomètres au tour de la station) et qui provoque ce qu’on appelle « les pics de concentrations ». Trois méthodes ont été appliquées sur des séries temporelles fournies par quatre stations du réseau ICOS, afin de déterminer leur degré de contamination. Les résultats des différentes méthodes ont été comparés entre eux, puis comparés à un inventaire de données contaminées préparé manuellement par les gestionnaires des stations. Cette comparaison a permis l’évaluation de la performance des trois méthodes pour la détection réussie des pics. À l’issue de ce travail, la méthode la plus performante a été proposée pour effectuer un nettoyage automatique des séries de mesure du réseau ICOS.Dans un deuxième temps, le modèle régional de chimie-transport CHIMERE est utilisé pour simuler les concentrations atmosphériques du CO2 et du CH4 de l’année 2014 sur un domaine centré sur la France. L’objectif de cette étude est d’étudier la sensibilité des concentrations simulées en utilisant différentes données d’entrées. Premièrement, on étudie la sensibilité des concentrations simulées par rapport au transport en utilisant deux modèles météorologiques AROME et ECMWF. Deuxièmes, on analyse la sensibilité des concentrations simulées face aux différentes cartes d’émissions. Dans cette dernière étape, on étudie les différences entre les cartes d’émissions anthropiques séparément des cartes d’émissions biogéniques. Ce travail nous permet de quantifier à la fois les erreurs liées aux transports et les erreurs liées aux flux d’émissions. La meilleure combinaison des données d’entrée va être sélectionnée pour l’étape d’inversion des flux.Dans un dernier plan, les mesures atmosphériques des concentrations de CO2 et du CH4 sont utilisées par le système d’inversion PYMAI (Berchet et coll., 2013 et 2015) afin d’estimer les bilans régionaux d'émissions des principaux GES en France. L’inversion s’est exécutée pour un mois d’hiver (janvier) et un mois d’été (juillet) en utilisant le modèle de transport CHIMERE forcé par ECMWF et les flux de surface (EDGAR et VPRM). Le résultat de ce travail permet une réduction des incertitudes des bilans nationaux à hauteur de 35 %, et la quantification les émissions de CO2 et de CH4 à l'échelle nationale et régionale. Par contre, cette inversion ne contraint que partiellement les flux d’émissions. Cependant, la question sur l’efficacité de la quantité d’informations disponibles ressort à nouveau. / Since the industrial revolution, the economic and the demographic growths have increased exponentially,leading to an enhancement of the fossil fuels combustion, such as coal, oil, and natural gas. Consumingthese source of energy amplifies the greenhouse gas emissions, mainly carbon dioxide (CO2) and methane(CH4), whose accumulation in the atmosphere lead to the increase of the greenhouse effect. According tothe 5th assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), it is extremely likely(95-100% of certainty) that the observed increase in the greenhouse effect is related to the increase of theanthropogenic emissions. However, the estimations of the GHG budget at the regional and the nationalscales remains highly uncertain. The aim of this thesis is to improve the estimation of the CO2 and CH4fluxes in France, using data assimilation techniques and atmospheric measurements provided by theIntegrated Carbon Observation System (ICOS) network.The first phase focuses on analyzing the measured CO2, CH4, and CO (Carbon monoxide) atmosphericconcentrations provided by surface monitoring stations. This study is concerned with the problem ofidentifying atmospheric data influenced by local emissions that can result in spikes in the GHG time series.Three methods are implemented on continuous measurements of four contrasted atmospheric sites. The aimof this analysis is to evaluate the performance of the used methods for the correctly detect the contaminateddata. This work allows us to select the most reliable method that was proposed to perform daily spikedetection in the ICOS Atmospheric Thematic Centre Quality Control (ATC-QC) software.Secondly, we simulate the atmospheric concentrations of CO2 and CH4 using the chemistry transport modelCHIMERE in a domain centered over France for the year 2014. The objective of this study is to evaluate thesensitivity of simulated concentrations using different input data (sensitivity to the meteorological transportand sensitivity to the surface fluxes). This work led to the quantification of both the transport and surfacefluxes errors based on the combination of different simulations. Thus, the most reliable combination of thebest input data was selected for the flux inversion study.Lastly, the measured CO2 and CH4 concentrations are used by the PYMAI inversion system (Berchet et al.,2013 and 2015) in order to estimate the CO2 and CH4 fluxes in France. The Inversion is performed for onemonth in winter (January) and one month in summer (July), using the transport model CHIMERE. Theinversion results have provided very interesting results for the regional estimation of the CO2 and CH4surface fluxes in France with an uncertainty reduction that may attain 35% of the national totals.

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