Les ceintures de radiation de la planète géante Jupiter sont constituées d’électrons, de protons et d’ions lourds de très haute énergie. Ces particules chargées représentent un risque majeur pour les satellites artificiels cherchant à explorer Jupiter. Dans le même temps, comprendre l’origine et la répartition de ces particules est une problématique fondamentale du domaine de la Physique de l’Espace.Le modèle physique Salammbô de l’ONERA répond aux deux enjeux précédents. Il a été développé pour le cas de la planète géante au cours de deux thèses successives qui se sont terminées en 2004 [Santos-Costa, 2001 ; Sicard, 2004]. Les travaux précédents ont permis de mettre en place un modèle d’électron qui s’étend de l’atmosphère de Jupiter jusqu’à l’orbite d’Europe (9 Rj) et un modèle de proton jusqu’à l’orbite de la lune volcanique Io (6 Rj). Depuis cette date, la mission américaine Galileo, qui fut en orbite autour de Jupiter jusqu’en 2003, a livré de nombreuses informations sur les ceintures de radiation et sur l’environnement qui influence celles-ci.Cette thèse revisite le modèle électron et étend le modèle proton jusqu’à l’orbite d’Europe. Cela permet, en particulier, de montrer que les ondes électromagnétiques se propageant entre les orbites des lunes Io et Europe induisent des pertes significatives de particules, celles-ci étant précipitées dans l’atmosphère de Jupiter. Les modèles proposés au cours de cette thèse sont également mieux à même de prédire l’environnement extrême et limitant des ceintures de radiation que les précédents travaux. / The radiation belts of the giant planet Jupiter are populated by very energetic electrons, protons and heavy ions. On one hand, these charged particles represent a major threat to exploration missions. On the other hand, understanding the radiation belt particles origin and distribution is a fundamental question of the broad Space Physics research domain.The physical model Salammbô of ONERA addresses the two previous challenges. It has been developed during two successive previous PhD thesis that ended in 2004 [Santos-Costa, 2001; Sicard, 2004]. Previous work has enabled to predict and study the electrons inward of Europa’s orbit (9 Rj) and the protons inward of the volcanic moon Io (6 Rj). Since 2004, the Galileo mission that was in orbit around Jupiter until 2003 has provided many inputs regarding the Jovian radiation belts and the environment that shape them.This PhD thesis revisits the electron model and expands the proton’s one up to Europa’s orbit. Our modeling effort shows that, in particular, electromagnetic waves propagating between the orbits of the moons Io and Europa create strong particle losses within the radiation belts, as the charged particles are precipitated in the Jovian atmosphere. In addition, our models are better suited than what has been proposed by previous work to predict the harsh radiative environment near Jupiter.STAR

Les résultats basés sur les mesures d'ondes 'électromagnétiques effectuées par le satellite DEMETER sont présentés. Nous nous concentrons sur deux phénomènes différents : 1) les effets liés à l'activité sismique 2) les 'émissions avec des structures fréquentielles linéaires. 1) Nous présentons une étude statistique de l'intensité des ondes électromagnétiques observées à proximité des tremblements de terre. Nous montrons que pendant la nuit il y a une diminution statistiquement significative de l'intensité des ondes peu avant le choc principal. 2) Nous présentons une étude systématique des événements ayant des structures fréquentielles linéaires. Un ensemble d'événements statistiquement significatif a 'été obtenu en utilisant une procédure automatique ainsi qu'une inspection visuelle des données. Tous les événements sont entièrement analysés et classifiés. Dans la gamme EBF (ou toutes les six composantes électromagnétiques sont mesurées pendant le mode Burst), une analyse détaillée des ondes a été faite.

Etude au voisinage de la résonnance des ondes dans le plasma-fréquence hybride basse en propagation perpendiculaire A B la résonnance hybride Boore fait intervenir un couplage entre l'onde et l'ensemble des espèces ionisées. On établit des approximations aux cas des plasmas ionosphérique et magnétosphérique. Analyse des raies des spectres en fréquence de signaux obtenus lors des expériences ISIS 2 et ELECTRON ECHO 1 (expliquée par l'excitation des modes de Berstein ioniques).

L'étude des ondes d'extrêmement basses fréquences dans les cavités ionosphériques des planètes et satellites dotés d'atmosphère suit une approche similaire à celle suivie pour la Terre. Elle contribue à la caractérisation du circuit électrique atmosphérique, des sources d'énergie associées et des limites des cavités. Un modèle numérique à éléments finis a été développé et appliqué à ces corps planétaires en vue d'étudier en particulier les résonances de Schumann. La pertinence d'un modèle de la cavité de Titan a été testée par rapport aux mesures de l'instrument PWA de la sonde Huygens. La découverte d'une couche ionisée à basse altitude et l'évaluation des propriétés diélectriques de la surface après l'atterrissage sont exposées. L'expérience acquise est appliquée à la conception de nouveaux instruments, ARES et SP2, pour étudier l'atmosphère et le sol de la planète Mars dans le cadre du projet ExoMars et pour d'autres corps lors de futurs projets spatiaux.

Les activités de transport de passagers et de marchandises augmentent sans cesse dans le monde et en particulier dans l'Union Européenne, entre autres au bord des péages. Afin d'améliorer la fluidité et réduire les risques d'encombrements, une des solutions consiste à rendre les péages plus performants. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la performance des systèmes d'identification de véhicules et de contribuer à la conception d'un système de classification des types de véhicules par ondes électromagnétiques pour application au télépéage. Ce système permet un paiement automatique sans arrêt des véhicules. La première partie de la thèse est consacrée à l'étude de deux systèmes d'identification de véhicules : RFID UHF et DSRC. Notre recherche s'est focalisée sur l'augmentation de la distance de communication ainsi que sur la réduction de la taille et du prix du système grâce à 5 nouvelles antennes à bas coûts, très directives et faciles à industrialiser. La deuxième partie est consacrée à l'étude d'un système de classification à distance des différents types de véhicules, basé sur les ondes diffusées par les véhicules. Il détecte la présence d'un véhicule et mesure la distance entre ce véhicule et le système avec une bonne précision. Ce système est basé sur la technique de radar Ultra-Large-Bande. Le signal émis est une impulsion monocyle de très courte durée. Dans cette partie, nous proposons et testons trois méthodes de classification de véhicules dans un environnement proche du milieu routier.

La théorie des problèmes de diffraction inverses pour les ondes acoustiques et électromagnétiques est un domaine de recherche très actif qui a connu des avancées significatives ces dernières années. La Linear Sampling Method (LSM), permettant de reconstituer la forme d’un objet à partir de sa réponse acoustique ou électromagnétique avec peu de données a priori sur les propriétés physiques de l’objet, a révélé l’existence de fréquences de résonance appelées valeurs propres de transmission, pour lesquelles cette méthode échoue dans le cas d’objets diffractants pénétrables. Ces fréquences particulières peuvent être étudiées à partir d’un nouveau type de problème appelé problème de transmission intérieur. Ces valeurs propres s’avèrent utiles dans le problème d’identification puisqu’elles peuvent aussi être calculées à partir des mesures à l’infini et quelles apportent des informations qualitatives sur les propriétés physiques de l’objet. Dans cette thèse, nous prouvons l’existence et le caractère discret de l’ensemble des valeurs propres de transmission pour deux nouvelles configurations, correspondant aux cas où l’objet diffractant pénétrable contient une cavité ou un conducteur parfait. De plus, nous proposons une nouvelle approche utilisant les équations intégrales permettant de calculer numériquement les valeurs propres de transmission / The theory of inverse scattering for acoustic or electromagnetic waves is an active area of research with significant developments in the past few years. The Linear Sampling Method (LSM) is a method that allows the reconstruction of the shape of an object from its acoustic or electromagnetic response with a few a priori knowledge on the physical properties of the scatterer. However, this method fails for resonance frequencies called transmission eigenvalues in the case of penetrable objects. These transmission eigenvalues are the eigenvalues of a new type of problem called the interior transmission problem. Their main feature is that not only they can give information on the physical properties of the scatterer but they can also be computed from far field measurements. In this thesis, we prove the existence and the discreteness of the set of transmission eigenvalues for two new configurations corresponding to the cases of a scatterer containing a cavity or a perfect conductor. A new approach using surface integral equations is also developed to compute numerically transmission eigenvalues for general geometries

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.

Le géoradar, ou Ground Penetrating Radar (GPR) en anglais, est une méthode non destructive couramment utilisée pour l'auscultation des ouvrages en béton. L'intérêt de cette méthode réside sur sa capacité à ausculter rapidement des très grandes surfaces, elle est de plus en plus employée en Génie Civil. Habituellement, cette méthode est utilisée en Génie Civil pour la localisation les aciers de renforcements, ou bien pour l'estimation de l'épaisseur d'enrobage du béton. Toutefois, la méthode GPR peut aussi être utilisée pour l'auscultation du béton. En effet, le béton est un matériau diélectrique poreux qui peut modifier la propagation des ondes électromagnétiques (EM). Les résultats les plus récents présentent la capacité du GPR à évaluer la teneur en eau. Cependant, le GPR pourrait très bien aussi être utilisé pour la détection des ions chlorure présents dans la solution interstitielle du béton, car comme les chlorures modifient la conductivité du béton ils sont susceptibles d'atténuer les ondes électromagnétiques. Néanmoins, seulement quelques études ont été menées dans ce domaine. Par conséquent, dans cette étude, nous proposons d'utiliser les ondes EM du géoradar pour estimer conjointement la teneur en eau et la teneur en chlorure du béton pour différents corps d'épreuves. Pour cela, plusieurs séries de corps d'épreuves sont utilisées avec des modes de contaminations par les chlorures différents. Une procédure de mesure de la vitesse à partir de l'analyse des signaux réfléchis est proposée. On démontre que la vitesse des ondes EM est essentiellement affectée par la teneur en eau alors que l'atténuation est sensible à la fois à la teneur en eau et à la teneur en chlorures. Ensuite, dans un second temps, nous testons différents modèles de permittivité pour prédire les mesures de constante diélectrique et du facteur de pertes évalués à partir des mesures par GPR ou de résistivité électrique. / Ground Penetrating Radar (GPR) is an usual nondestructive testing method for the assessment of concrete structures. The benefit of this method lies within its ability to assess quickly a large scale of concrete surface. Generally, GPR is used for the localization of reinforcements or for the thickness measurements. However, GPR can be also used for the diagnosis of concrete because concrete is a porous dielectric material which can modify the propagation of the electromagnetic (EM) waves. Most common results present the ability of GPR to assess moisture. But, GPR could be also used to detect the presence of chlorides into the interstitial concrete solution as chlorides can modify the concrete conductivity and altered the electromagnetic signal waves. However, only few studies have been carry-out on that field. Therefore, in this study, we propose to use GPR electromagnetic waves to evaluate both the water content and the chloride content inside the interstitial concrete solution of several tests concrete samples. So, several groups of concrete samples with the same formulation will be conditioned for different chloride contamination modes. Thereafter, a velocity measurement process will be proposed from the reflected signal wave analysis. In that process, we will show that the velocity is only affected by the water content while the attenuation strongly affected by both the water content and the chloride content. Furthermore, we will test several permittivity models to predict the dielectric permittivity and the loss factor estimated from the concrete samples measurements with the GPR device and the electrical resistivity device.

Les guides d'ondes optiques sont utilisés dans plusieurs dispositifs de télécommunications pour le transport d'informations numériques. Nous les retrouvons aussi dans les équipements médicaux ou d'ingénierie, comme par exemple les coupleurs, les interféromètres optiques, les convertisseurs de polarisation, etc. Le transport des informations dans ces structures demeure une question capitale et donc les méthodes utilisées doivent être capables de véhiculer ces informations avec un minimum de perte. Dans cette thèse, nous présentons une méthode numérique d'approximation qui permet la simulation du transport des ondes dans une direction choisie avec le maximum de précision et à un coût abordable. Cette méthode est basée sur une approximation au sens de Padé d'opérateurs pseudo-différentiels associés à la fonction algébrique y/1 — x . Essentiellement, nous approchons une équation différentielle ordinaire (EDO) d'ordre 2 par une EDO d'ordre 1 dont les solutions ont la même phase que celle des solutions de l'EDO d'ordre 2 qui se propagent dans la direction choisie. Nous avons évalué les capacités de cette méthode sur de nombreux problèmes bidimensionnels et tridimensionnels. Elle s'est révélée à la fois robuste et précise

La focalisation du champ électromagnétique dans les zones de champ proche et lointain est un sujet de forte actualité pour l'imagerie médicale et la radiométrie des microondes jusqu'aux ondes millimétriques. Dans ce cadre, la théorie des ondes de fuite est un formalisme élégant qui permet de décrire d'une même façon les problèmes radiatifs en champ proche et en champ lointain des microondes aux fréquences optiques. Dans cette thèse, on utilise la polyvalence de la théorie des ondes de fuite pour développer des systèmes rayonnants complexes afin de contrôler les caractéristiques radiatives en champ lointain aux fréquences submillimétriques et pour focaliser la radiation électromagnétique en champ proche aux fréquences millimétriques. Ainsi, l'utilisation de matériaux uniques comme le graphène et les cristaux liquides ont été considérés pour la conception des antennes à ondes de fuite, en obtenant des résultats très intéressants en termes de reconfigurabilité, d'efficience et de directivité. Dans ce contexte, une analyse théorique originale a fourni de nouvelles formules pour l'évaluation des caractéristiques radiatives (c.à.d. la largeur de faisceau, le niveau des lobes secondaires, etc.) des antennes à ondes de fuite. En effet, la largeur du faisceau de ces antennes est, jusqu'à présent, estimée au moyen des formules proposées pour la première fois dans les années '60 par Prof. Arthur A. OLINER. Ces formules ne tiennent en compte ni de la longueur de l'antenne (sauf pour des cas très particuliers), ni du rayonnement longitudinal, elles ne permettent donc pas une évaluation rigoureuse.En complément à la reconfigurabilité en champ lointain, les ondes de fuite offrent aussi la possibilité de focaliser la radiation en champ proche. Dans ce cas, on voit que les ondes de fuite peuvent être utilisées d'une façon efficace pour générer des faisceaux non diffractifs de Bessel à travers des systèmes rayonnants à bande étroite aux ondes millimétriques. De plus, le caractère non diffractif des faisceaux de Bessel peut aussi être utilisé pour générer des impulsions très localisées (comme les solitons en optiques) à travers la superposition continue des faisceaux de Bessel sur une large bande de fréquence. Dans ce cadre, une nouvelle formulation a été développée afin de comprendre les limitations physiques et technologiques concernant la génération des impulsions non diffractives et non dispersives, c.à.d. les X-waves. Les résultats ont montré qu'un type de systèmes rayonnants à large bande, notamment les antennes RLSA (en anglais « Radial Line Slot Array »), semblent très favorables pour la génération des X-waves. / In recent years, microwave, millimeter-wave, and THz applications such as medical and security imaging, wireless power transfer, and near-field focusing, just to mention but a few, have gained much attention in the area of ICT due to their potentially high social impact. On one hand, the need of highly-directive THz sensors with tunable radiating features in the far-field region has recently boosted the research activity in the design of flexible, low-cost and low-profile devices. On the other hand, it is of paramount importance to focus energy in the near-field region, and thus the generation of limited-diffraction waves in the microwave and millimeter-wave regime is a topic of recent increasing interest. In this context, leaky-wave theory is an elegant and extremely useful formalism which allows for describing in a common fashion guiding and radiating phenomena in both the near field and the far field, spanning frequencies from microwaves to optics passing through THz. In this PhD thesis we aim to exploit the intrinsic versatility of the leakywave approach to design advanced radiating systems for controlling the far-field radiating features at THz frequencies and for focusing electromagnetic radiation in the near field at millimeter waves. Specifically, the use of relatively new materials such as graphene and liquid crystals has been considered for the design of leaky-wave based radiators, achieving very promising results in terms of reconfigurability, efficiency, and radiating capabilities. In this context, an original theoretical analysis has provided new general formulas for the evaluation of the radiating features (e.g., half-power beamwidth, sidelobe level, etc.) of leaky-wave antennas. Indeed, the current formulations are based on several simplifying hypotheses which do not allow for an accurate evaluation of the beamwidth in different situations. In addition to the intriguing reconfigurable capabilities offered by leaky waves in far-field applications, interesting focusing capabilities can be obtained in the near field. In particular, it is shown that leaky waves can profitably be used to generate limited-diffraction Bessel beams by means of narrow-band radiators in the microwave range. Also, the use of higherorder leaky-wave modes allows for achieving almost the same performance in the millimeter-wave range, where previous designs were subjected to severe fabrication issues. Even more interestingly, the limited-diffractive character of Bessel beams can also be used to generate limited-diffraction pulses as superpositions of monochromatic Bessel beams over a considerable fractional bandwidth. In this context, a novel theoretical framework has been developed to understand the practical limitations to efficiently generate limited-diffraction, limited-dispersion pulses, such as X-waves, in the microwave/millimeter-wave range. As a result of this investigation, a class of wideband radiators has been thoroughly analyzed, showing promising capabilities for the generation of both zeroth-order and higher-order Xwaves. The latter may pave the way for the first localized transmission of orbital angular momentum in the microwave range.