Le suivi de la neige sèche a une place importante dans la télédétection, en raison du grand intérêt des applications en hydrologie, climatologie ou de la prévision d'avalanche. Ce travail présente des méthodes d'analyse multi-fréquentielles et multi-temporelles du couvert neigeux en milieux alpins à partir de données SAR polarimétriques.<br />A l'aide d'un modèle numérique de terrain, une étude polarimétrique altitudinale du couvert neigeux est développée, permettant d'associer une attitude à un comportement polarimétrique spécifique.<br />Ces méthodes sont appliquées sur des données SAR polarimétriques SIR-C des sites alpins de Risoul et Izoard.

De nos jours, l'augmentation des performances et la réduction des dimensions des composants microélectroniques ou optiques constituant les systèmes électroniques ou optroniques nécessite des techniques de caractérisation non destructrices, capables de sonder des micro- et nanoobjets. C'est dans cette optique que s'inscrivent les techniques de spectroscopie Raman et photoluminescence, capables de caractériser localement les contraintes mécaniques, introduites dans les dispositifs à semi-conducteurs actuels afin d'accroître leurs performances. Ce travail de thèse aborde deux objectifs, l'élargissement des capacités du spectromètre Raman polarimétrique comprenant l'ajout d'un module de détection du signal de luminescence et l'application des techniques et méthodologies développées à la caractérisation des contraintes dans des structures semiconductrices à base de silicium, germanium et arséniure de gallium. Après une étude expérimentale des paramètres pertinents, la dépolarisation, le retard et le dichroïsme, nécessaire afin de combiner le spectromètre Raman " classique " et un polarimètre, nous avons montré que l'étalonnage d'un tel système dépend de la longueur d'onde de la source d'excitation, ainsi que de la nature de la diffusion considérée (Raman ou Rayleigh). Au titre des applications de la technique, nous avons mesuré des contraintes mécaniques dans des nanolignes de silicium (15 nm d'épaisseur) et des microlignes de germanium grâce à la méthodologie de mesure développée. Les résultats obtenus ont été également modélisés analytiquement afin de mettre en évidence la physique des phénomènes observés. Ainsi, nous avons montré qu'il est possible d'amplifier le signal Raman dans les nanolignes de silicium grâce à la gestion appropriée des polarisations des rayonnements incident et diffusé. La mise en place de la technique de photoluminescence avec le contrôle des états de polarisation, rajoutée à la spectroscopie Raman, nous a permis d'étendre le champ de mesure des contraintes mécaniques dans les structures semiconductrices. Actuellement, grâce à cette technique, nous sommes capables de mesurer des efforts résiduels de l'ordre de 20 MPa, ce qui est au-delà des capacités de la spectroscopie Raman " conventionnelle " essentiellement limitée par la résolution spectrale.

Les radars à synthèse d'ouverture (Synthetic Aperture Radar ou SAR) permettent de fournir des images à très haute résolution de la surface de la Terre. Les algorithmes de classification traditionnels se basent sur une hypothèse de bruit gaussien comme modèle de signal, qui est rapidement mise en défaut lorsque l'environnement devient inhomogène ou impulsionnel, comme c'est particulièrement le cas dans les images SAR polarimétriques haute résolution, notamment au niveau des zones urbaines. L'utilisation d'un modèle de bruit composé, appelé modèle SIRV, permet de mieux prendre en compte ces phénomènes et de représenter la réalité de manière plus adéquate. Cette thèse s'emploie alors à étudier l'application et l'impact de ce modèle pour la classification des images SAR polarimétriques afin d'améliorer l'interprétation des classifications au sens de la polarimétrie et à proposer des outils adaptés à ce nouveau modèle. En effet, il apparaît rapidement que les techniques classiques utilisent en réalité beaucoup plus l'information relative à la puissance de chaque pixel plutôt qu'à la polarimétrie pour la classification. Par ailleurs, les techniques de classification traditionnelles font régulièrement appel à la moyenne de matrices de covariance, calculée comme une moyenne arithmétique. Cependant, étant donnée la nature riemannienne de l'espace des matrices de covariance, cette définition n'est pas applicable et il est nécessaire d'employer une définition plus adaptée à cette structure riemannienne. Nous mettons en évidence l'intérêt d'utiliser un modèle de bruit non gaussien sur des données réelles et nous proposons plusieurs approches pour tirer parti de l'information polarimétrique qu'il apporte. L'apport de la géométrie de l'information pour le calcul de la moyenne est de même étudié, sur des données simulées mais également sur des données réelles acquises par l'ONERA. Enfin, une étude préliminaire d'une extension de ces travaux au cas de l'imagerie hyperspectrale est proposée, de par la proximité de ce type de données avec les données SAR polarimétriques.

La polarimétrie de Mueller est une technique optique qui mesure la réponse polarimétrique complète d’un milieu sous la forme d’une seule matrice de Mueller afin de remonter à ses propriétés optiques comme le dichroïsme, la biréfringence et la dépolarisation. Le couplage avec la microscopie non-linéaire (SHG par exemple) permet d’avoir accès à des informations précises sur un milieu biologique (structure, organisation, . . .). Cela impose de passer à une modalité d’imagerie à balayage laser, qui nécessite de mesurer la réponse polarimétrique du milieu pixel-par-pixel en des temps relativement courts (de l’ordre de la microseconde). Le but de cette thèse est de mettre en oeuvre un polarimètre de Mueller dont les cadences d’acquisition sont compatibles avec l’imagerie à balayage laser. Dans un premier temps, un polarimètre de Mueller inédit est proposé, basé sur le codage spectral de la polarisation dont toute l’information polarimétrique de l’échantillon est mesurée sous la forme d’un seul signal d’intensité en un temps record (10 μs). Ce dispositif est constitué d’une source à balayage rapide en longueur d’onde à 100 kHz (ou swept-source), de lames de phase d’ordre élevé et d’un détecteur monocanal. Les erreurs systématiques qui entachent la mesure sont évaluées et des méthodes de correction permettent de les prendre en compte dans une étape d’étalonnage qui utilise la réponse de deux milieux étalons.Ensuite, le polarimètre est implémenté dans un microscope commercial à balayage laser, utilisé initialement pour réaliser de l’imagerie non-linéaire (SHG). Cela requiert un redimensionnement du montage, ainsi que la synchronisation entre les deux systèmes. Par ailleurs, un protocole de calibration du dispositif est développé et permet de tenir compte de l’ensemble des erreurs systématiques du polarimètre indépendamment des anisotropies optiques engendrées par le microscope. Enfin, les premières images polarimétriques de Mueller en microscopie à balayage laser ont été acquises sur des échantillons inhomogènes spatialement (rubans adhésifs et cristaux de roches). La potentialité de la microscopie multimodale est démontrée sur des échantillons de fibroses de foie, en couplant l’imagerie polarimétrique de Mueller et la microscopie non-linéaire au sein d’un seul instrument. / Mueller polarimetry is an optical technique allowing the acquisition of the full polarimetric signature of a medium with a single Mueller matrix, and leading to its polarimetric parameters such as dichroism, birefringence and depolarization. Coupling Mueller polarimetry with nonlinear microscopy techniques (SHG for example), more precise information about the medium could be obtained (structure, organization . . .). This imaging technique uses a laser scanning system to measure the Mueller matrix of a medium point-to-point quickly (of the order of the microsecond). The aim of this thesis is to develop a Mueller polarimeter compatible with the laser scanning system. First, a new Mueller polarimeter is proposed using spectral encoding of the polarization and measuring the full polarimetric signature of a sample with a single channeled spectrum in a fast way (10 μs). This setup is composed of a 100 kHz swept-source laser, high order retarders and a single channel detector. Systematic errors on the Mueller matrix measurement are evaluated and correction methods take into account these errors in a calibration step that uses polarimetric signature of two references medium. Then, the polarimeter is implemented on a commercial laser scanning microscope that usually images non-linear contrasts (SHG). The update needs to reduce the dimension of the polarimeter and ensure an electronic synchronization between these two systems. However, a new calibration step is proposed and takes into account all the systematic errors of the polarimeter, independently of the optical anisotropy induced by the microscope. Finally, the images with the first Mueller scanning microscope are obtained with spatially inhomogeneous samples (cellophane tapes, rocks). The potentiality of the multimodal scanning microscopy Mueller/SHG on the same instrument is demonstrated in the case of hepatic fibrosis.

La polarisation de la lumière est très souvent utilisée en imagerie pour caractériser certaines propriétés de la matière, ou pour mettre en évidence des zones qui ne seraient peu ou pas contrastées avec des caméras d'intensité classiques. Nous explorons le potentiel d'une nouvelle technique de polarimétrie, dite de « brisure d'orthogonalité », pour réaliser des acquisitions de manière simple, directe et à haute cadence. Cette technique d'imagerie par balayage laser repose sur l'emploi d'une source de lumière bi-fréquence bi-polarisation pour sonder les caractéristiques polarimétriques (notamment le dichroïsme ou anisotropie d'absorption) des échantillons imagés.Nous explorons la possibilité du déport de la mesure de « brisure d'orthogonalité » par fibre optique faiblement multimode pour le développement d'endoscopes polarimétriques. Un tel dispositif vise à fournir une méthode de diagnostic rapide pour analyser des tissus biologiques profonds tout en évitant le recours aux biopsies. Nous démontrons, théoriquement et expérimentalement, la compatibilité de cette approche avec un dispositif d'endoscopie commercial (fibre ou bundle multicœurs, légèrement multimodes) pourvu que le nombre de modes guidés soit inférieur à une dizaine. D'autre part, nous présentons la conception, la réalisation, la validation et l'exploitation d'un démonstrateur d'imagerie active par brisure d'orthogonalité dans le proche infrarouge. Ce dernier vise des applications défense de détection et/ou décamouflage de cibles. Après caractérisation des bruits dominants les signaux acquis, nous illustrons l'apport du démonstrateur pour la mise en évidence d'éléments dichroïques. Enfin, nous démontrons que la technique de brisure d'orthogonalité peut être avantageusement, et très simplement, adaptée pour mesurer sélectivement le dichroïsme, la biréfringence, et la dépolarisation, paramètres essentiels à la détection d'objets manufacturés (cibles). Ces trois modalités, lorsqu'elles sont conjuguées, offrent au démonstrateur des capacités d'identification. / Polarimetric imaging is a useful tool to characterize some matter properties, or to highlight regions slightly or not contrasted with intensity cameras. We investigate the capability of a novel polarimetric technique, namely the “orthogonality breaking technique”, to perform direct and straightforward measurements at high speed. Relying on the use of a dual-frequency dual-polarization light source, this imaging modality probes polarimetric features (dichroism, or absorption anisotropy) in imaged samples.We explore the potential to perform orthogonality breaking measurements through few mode optical fibers towards polarimetric endoscopy. Such an imaging device would greatly improve the diagnosis efficiency to analyze in-depth biologic tissues without biopsy surgery. We show, theoretically and experimentally, the compatibility of our approach with a commercial flexible endoscope (slightly multimode multicore fibers or bundle) provided that the number of guided modes remains inferior to a dozen.On the other hand, we describe the design, the development, the validation and the exploitation of an active near infrared imaging demonstrator based on the orthogonality breaking technique for defense target detection applications. After characterization of the acquired signals noise, we illustrate the imager capability to reveal dichroic elements. Finally, we demonstrate that the orthogonality breaking technique can be advantageously and straightforwardly tailored to address selectively the dichroism, the birefringence and the depolarization, which are core parameters for the detection of manufactured objects (targets). The combination of these three modalities grants an identification capability to the demonstrator.

L'imagerie radar à synthèse d'ouverture (SAR) est une source importante d'information pour le suivi d'objets géophysiques terrestres par télédétection.<br />Nous présentons une première partie méthodologique dédiée au filtrage du speckle des données POL/In/POL-InSAR multivariées et son impact sur l'estimation de paramètres.<br /><br />L'objectif du filtrage de speckle est de restaurer l'information spatiale et radiométrique de la scène.<br />Trois directions principales sont étudiées pour gagner en stationnarité/ergodicité : des voisinages adaptatifs vis-à-vis du signal, un estimateur adaptatif ou non (moyenne complexe multi-vue, LLMMSE) et la compensation de la composante déterministe du signal de phase interférométrique.<br />Une nouvelle stratégie pour filtrer des images SAR multivariées est proposée: l'utilisation de voisinages adaptatifs obtenus par une technique de croissance de région multivariée.<br />Cette méthode appelée IDAN combine toutes les informations d'intensité disponibles dans un processus de croissance de région pour assurer la validité des hypothèses de stationnarité/ergodicité.<br />Conjointement à IDAN, une nouvelle méthode est proposée pour estimer les fréquences locales dans des interférogrammes SAR.<br />Ces méthodes ont été testées à la fois sur des images satellitaires basse résolution provenant d'acquisitions tandem ERS et sur plusieurs jeux de données aéroportées haute résolution dans différentes bandes de fréquences et configurations polarimétriques.<br /><br />La seconde partie est dédiée à l'observation des glaciers alpins par télédétection SAR.<br />Cette partie aborde le problème du traitement des données SAR multivariées sur le site test « Chamonix Mont-Blanc ».<br />L'analyse de plusieurs interférogrammes ERS tandem acquis entre juillet 1995 et avril 1996 a permis d'obtenir les premiers champs de vitesse D-InSAR sur des glaciers des Alpes françaises et de montrer qu'il est possible de mesurer leur vitesse de surface entre octobre et avril avec un échantillonnage spatial de l'ordre de 20 m dans des interférogrammes à 1 jour en bande C.<br />La seconde application présente une analyse POL/POL-InSAR des données SAR multi-bandes haute résolution acquises par le système aéroporté E-SAR en octobre 2006, sur les glaciers d'Argentière, du Tacul et de la Mer-de-glace.<br />Ces premiers résultats illustrent plusieurs applications possibles de la télédétection radar polarimétrique/interférométrique pour l'observation des glaciers, telle que l'analyse des bandes de Forbes.

L’étude de la structure du nucléon est un sujet actif de la recherche et un des objectifs majeurs du Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab). Dans cette optique et afin d’obtenir des résultats statistiquement significatifs, il est essentiel d’avoir une cible polarisée ayant à la fois une haute polarisation et une densité de matériel polarisé élevée. Cette thèse présente les principes et utilisations d’une cible de deutérure d’hydrogène (ou cible de HD) qui remplit les deux conditions précédemment énoncées. Bien qu’il ait été prouvé que la cible de HD pouvait être utilisée avec succès sous un faisceau de photons de haute intensité, il restait à montrer si elle pouvait résister un faisceau d’électrons de courant relativement élevé (nA). Dans ce but, la cible de HD a été testée pour la première fois dans son mode de “spin gelé” sous un faisceau d’électrons pendant l’expérience g14 dans le Hall B de Jefferson Lab en 2012. Deux méthodes de polarimétrie sont également décrites dans cette thèse : une par Resonance Magnétique Nucléaire appliquée à la cible de HD pendant les tests sous un faisceau d’électrons, et une autre utilisant la réaction de diffusion élastique d’un faisceau d’électrons sur une cible en utilisant des données élastiques sur l’hélium-3 prises en 2003 pendant l’expérience E97-110 dans le Hall A de Jefferson Lab. / The study of the nucleon structure has been a major research focus in fundamental physics in the past decades and still is the main research line of the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab). For this purpose and to obtain statistically meaningful results, a highly efficient polarized target is essential. This means high polarization and high relative density of polarized material. This dissertation presents the principles and usage procedures of a Hydrogen Deuteride (HD) target that presents both such characteristics. Although the HD target has been shown to work successfully under a high intensity photon beam, it remained to be seen if the target could stand an electron beam of reasonably high current (nA). In this perspective, the HD target was tested for the first time in its “frozen spin” mode under an electron beam during the g14 experiment in the Jefferson Lab’s Hall B in 2012. Two methods of polarimetry are also discussed in this dissertation : one with Nuclear Magnetic Resonance of this HD target during the electron beam tests, and another with the elastic scattering of electrons off a polarized target by using data taken on helium-3 during the E97-110 experiment that occurred in Jefferson Lab’s Hall A in 2003.

Les techniques de pompage optique sont habituellement bien adaptées à l'étude de la dynamique de spin des semi-conducteurs. Le silicium est un cas particulier, à cause d'un gap indirect et d'un faible couplage spin-orbite.<br />La stratégie mise en place dans nos travaux consiste à «réduire le temps de vie» des électrons de conduction, afin que leur polarisation initiale soit conservée.<br />Dans un premier temps, nous avons mené une étude de photoluminescence polarisée. La réduction du temps de vie s'opère essentiellement en faisant varier le taux de dopage en accepteurs. Nous avons mis en évidence une luminescence chaude fortement polarisée sur un échantillon très dopé. Cependant, aucun effet de dépolarisation en champ transverse n'a pu être observé.<br />Dans un deuxième temps, nous avons conduit une expérience de photo-émission résolue en spin et en énergie, pour une gamme d'énergie d'excitation variant de l'infrarouge à l'ultraviolet. L'échelle de temps pertinente est le temps d'échappement, beaucoup plus court que le temps de vie. Cela a nécessité la mise au point une procédure d'activation de photocathodes en silicium en affinité électronique négative. Une étude spectroscopique à 20 meV de résolution des distributions d'électrons photo-émis a été réalisée. L'analyse en spin de ces distributions montre une augmentation spectaculaire de la polarisation électronique lorsque l'énergie d'excitation se rapproche du gap direct. Des polarisations de l'ordre de 15% sont mesurées, proches des valeurs théoriques que nous calculons. Nous avons également observé un changement de signe de la polarisation très sensible à la température dans la partie thermalisée des distributions électroniques.

L'information polarimétrique des ondes électromagnétiques est fondamentalement semblable pour les micros ondes (radar), l'infrarouge et le visible (optique). Cependant, les échelles et les moyens de mesures impliqués varient très fortement ce qui explique que les divers outils développés (étalonnage, configuration géométrique, filtrage du bruit) divergent entre les différentes communautés. Ces divergences s'illustrent notamment sur les points suivants : - La géométrie d'acquisition, classiquement bistatique en optique et majoritairement monostatique en radar. - La nature de la mesure, cohérente pour le radar (intensité et phase) et en énergie pour l'optique ; quand l'optique mesure directement des grandeurs quadratiques du champ électrique, en radar il faut effectuer des estimations statistiques pour obtenir ces mêmes grandeurs. - Les traitements : en radar ce sont les décompositions polarimétriques en sommes matricielles qui sont les plus populaires, en optique les traitements sont le plus souvent multiplicatifs. Cette thèse exploite l'utilisation transverse des outils appartenant à ces deux mondes afin d'améliorer notre compréhension globale de la polarimétrie et son exploitation. Le travail présenté suit l'organisation logique d'un protocole de la mesure à l'exploitation. Nous avons d'abord adapté une méthode de calibration inspirée de l'optique au cas du radar bistatique. Ensuite nous avons analysé l'impact des géométries bistatiques et des choix de référence, pour proposer le choix du plan de diffusion dans l'analyse des images radar. Puis nous nous sommes penchés sur l'estimation de la matrice de covariance polarimétrique dans le cadre du radar. Ceci a permis de proposer une méthode originale de segmentation des images SAR ainsi que de nouveaux types de détecteurs. Enfin, nous présentons les différents "traitements polarimétriques" à proprement parler, et diverses applications auxquels ces traitements peuvent servir : caractérisation de milieux dépolarisants en optique (tissus) ou radar (forêt), détection de cibles déterministes, aide à la restitution 3D.

L'information polarimétrique des ondes électromagnétiques est fondamentalement semblable pour les micros ondes (radar), l'infrarouge et le visible (optique). Cependant, les échelles et les moyens de mesures impliqués varient très fortement ce qui explique que les divers outils développés (étalonnage, configuration géométrique, filtrage du bruit) divergent entre les différentes communautés. Diffèrent notamment : la géométrie d'acquisition, classiquement bistatique en optique et majoritairement monostatique en radar, la nature de la mesure, cohérente pour le radar (intensité et phase) et en énergie pour l'optique ; les traitements. Cette thèse exploite l'utilisation transverse des outils appartenant à ces deux mondes afin d'améliorer notre compréhension globale de la polarimétrie et son exploitation. Nous avons d'abord adapté une méthode de calibration inspirée de l'optique au cas du radar bistatique. Ensuite nous avons analysé l'impact des géométries bistatiques et des choix de référence, pour proposer le choix du plan de diffusion dans l'analyse des images radar. Puis nous nous sommes penchés sur l'estimation de la matrice de covariance polarimétrique dans le cadre du radar. Ceci a permis de proposer une méthode originale de segmentation des images SAR ainsi que de nouveaux types de détecteurs. Enfin, nous présentons les différents "traitements polarimétriques" à proprement parler, et diverses applications auxquelles ces traitements peuvent servir : caractérisation de milieux dépolarisants en optique (tissus) ou radar (forêt), aide à la restitution 3D.