L'utilisation de modèles de diffusion radar par la végétation permet de mieux comprendre les relations entre des observables radar et les caractéristiques de la scène observée. Des études récentes ont montré l'intérêt de modéliser de manière partielle ou totale les interactions cohérentes entre les diffuseurs d'une scène, les modèles de diffusion évoluant d'une formulation en intensité (incohérente) à une formulation en champ (cohérente). Durant cette thèse, nous avons développé une formulation cohérente et polarimétrique de la diffusion radar par des scènes forestières. La diffusion par des éléments canoniques (cylindres, ellipsoïdes) a été traitée afin de mettre en évidence les domaines de validité des méthodes employées. Le modèle de diffusion est ensuite présenté puis appliqué à une forêt considérée comme un milieu discret. La contribution totale de la forêt résulte alors de la sommation cohérente des champs diffusés par chacune de ses composantes. Chaque contribution est pondérée par le déphasage dû à la position relative des diffuseurs et l'atténuation complexe lié au trajet de l'onde dans la forêt. Les modèles cohérents ayant besoin de s'appuyer sur des descriptions réalistes de la végétation, un soin particulier à été porté à la modélisation de la forêt. Ce code a été appliqué à deux types de forêts (tropicale et tempérée) et à trois bandes de fréquences différentes (P,L et C). Son application aux forêts de Mangroves a montré qu'il modélise correctement la rétrodiffusion dans un cas où de forts effets cohérents sont attendus. Les limitations de ce code sont notamment analysées dans le cas particulier des hautes fréquences/densités. Finalement le degré de cohérence interférométrique est étudié et sa composition (contributeurs et mécanismes dominants) est analysée.

Cette étude se place dans le cadre du guidage des thérapies par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU). L'utilisation de l'échographie pour le guidage permet une visualisation temps réel mais un faible contraste. Afin de compenser ce manque de vision du traitement, deux études ont été mises en place. La première sur l'utilité de l'élastographie par compression manuelle en temps réel (23 à 60 images par seconde) a été réalisée et validée par deux protocoles in vivo. L'un a été effectué afin de visualiser des tumeurs VX2 dans le foie chez le lapin de manière extracorporelle et per-opératoire en utilisant une sonde de diagnostique linéaire (12MHz). L'autre a été réalisé sur des porcs avec la même sonde et avec une sonde d'imagerie sectorielle (7,5 MHz) placée au centre du transducteur HIFU. Une comparaison a été menée avec des images IRM des mêmes lésions réalisées après prélèvement de l'organe traité. Dans les deux cas, les élastogrammes assurent une meilleure visualisation des dimensions de la lésion (R=0,70) et un contraste plus important (23dB) en comparaison de l'échographie (R=0,65, contraste=3dB). La dernière partie de ces travaux a permis de démontrer que le signal ultrasonore rétrodiffusé par les tissus du foie change avec la température. Lors d'expériences in vitro et in vivo sur du foie de porc, ce changement de signal se corrèle (R=0,85) avec une hausse de température mesurée par un thermocouple positionné dans la zone focale du transducteur. Cette relation est linéaire positive in vitro et négative in vivo. Cette relation permet de calculer des images de température sur une plage de température allant de 20 à 100°C avec une précision de 5°C.

La première partie de ce travail est consacrée au développement d'un capteur granulométrique exploitant la rétrodiffusion de la lumière. L'intensité de la lumière rétrodiffusée est mesurée sur une large gamme de diamètre de particules (0,2 à 56 µm), indice de réfraction relatif <i>m</i> (1,09 à 1,94) et fraction volumique de solide Φ (10^-6 à 0,5). Les résultats expérimentaux sont comparés à trois approches théoriques : la méthode de rétrodiffusion simple qui décrit la rétrodiffusion dans des suspensions peu chargées, l'approximation de diffusion de la théorie du transfert radiatif qui est applicable pour des suspensions chargées et la méthode statistique de Monte Carlo qui peut être utilisée sur toute la gamme de fraction volumique. Il est démontré que le capteur de rétrodiffusion permet de déterminer - quand Φ et <i>m</i>. sont connus - le diamètre moyen des particules en suspension chargée. L'étendue de la gamme de mesure est d'environ 0,03 à 10 µm pour les diamètres et dépend de Φ et <i>m</i>. L'objectif de la deuxième partie est l'obtention d'une meilleure connaissance de l'agglomération de particules fines dans un écoulement turbulent. Dans ce but, la cinétique de l'agglomération est examinée sur une large gamme de Φ (2°10^-6 to 5°10^-3) dans une cuve agitée. Deux méthodes granulométriques <i>in situ</i> sont utilisées : la turbidimétrie et la rétrodiffusion. L'étude expérimentale montre que la croissance des agglomérats en cuve agitée est limitée par l'effet du cisaillement hydrodynamique : l'agglomération se poursuit au cours du temps jusqu'à atteindre un état stationnaire auquel correspond une taille limite d'agglomérat. Un modèle d'agglomération - fragmentation est présenté. Il permet de quantifier l'influence de la vitesse de cisaillement et de phi sur la cinétique de l'agglomération et la morphologie des agglomérats.

Le travail de recherche mené lors de cette thèse propose d'améliorer la compréhension et l'utilisation de champs d'ondes complexes issus de la propagation en milieux réverbérants. Dans de tels milieux, la réverbération donne lieu à une répartition spatiale de l'intensité liée à la position de la source. Ce phénomène, appelé rétro-diffusion cohérente, est étudié dans des cavités simples afin de disposer de modèles analytiques permettant de prédire les résultats expérimentaux de surintensité à la source. Les symétries spatiales jouent aussi un rôle dans la répartition de l'intensité, rôle qui est étudié selon la même approche. La réverbération, aussi complexe soit-elle, contient des informations qui peuvent permettre d'imager le milieu de propagation. Ce principe est utilisé pour l'élastographie, l'imagerie de l'élasticité des tissus mous. La problématique et les méthodes d'élastographie sont alors présentées puis appliquées à la détermination de délais électromécaniques dans des muscles squelettiques. Les méthodes d'extraction de l'information contenue dans un champ complexe d'ondes élastiques sont ensuite développées. Basée sur le retournement temporel et la corrélation de bruit, une élastographie passive tirant profit du bruit physiologique est proposée. La faisabilité de cette méthode est démontrée à travers des mesures d'élasticité dans des gels et les premiers résultats in-vivo sont présentés. Finalement, une optimisation des méthodes d'imagerie passive est développée à partir de données sismiques. Le principe de ce filtre inverse passif consiste à mieux prendre en compte une répartition spatiale généralement inhomogène des sources de bruit.

Ces travaux de thèse, réalisés à l’Institut Lumière Matière, traitent de la rétrodiffusion optique des particules de l’atmosphère d’origine désertique, dont l’impact sur le bilan radiatif terrestre reste à quantifier, en raison de leur grande diversité de taille, de forme et de composition chimique. La thèse repose essentiellement sur un polarimètre de laboratoire (UV, VIS) adressant la géométrie de rétrodiffusion avec précision (180.0 +/- 0.2°). Le rapport des éléments de la matrice de rétrodiffusion a ainsi été évalué avec précision (< 1 %) et la réponse spectrale (UV, VIS) de ce rapport a ainsi pu être étudiée, ce qui a permis de discuter de l’applicabilité du modèle mathématique des sphéroïdes, décrit par le code T-matrix, pour décrire la rétrodiffusion optique de ces particules dans la géométrie d’exacte rétrodiffusion, comme publié dans JQSRT en 2016. Puis, l’utilisation de ce Pi-Polarimètre dans la troposphère libre de Lyon par lidar a permis d’évaluer la concentration en masse des particules désertiques. Cette évaluation a été réalisée pour différents modèles de forme (sphéroïdes, particules de surface lisse, rugueuse) obtenus par simulation numérique en coopération avec l’équipe de T. Nousiainen (Finlande). Un résultat majeur est que la concentration en masse peut différer de 30 % selon le modèle de forme choisi, comme publié dans Atmospheric Research en 2018. Enfin, la sensibilité et la précision du Pi-Polarimètre (UV, VIS) ont été utilisées pour révéler les principales caractéristiques du processus photo-catalytique de nucléation en présence de particules désertiques via des observations systématiques de ce processus, réalisées sur une durée de deux années / These thesis studies, carried out at the Institute of Light and Matter (ILM), deal with the optical backscattering of atmospheric particles of desert origin, whose impact on the terrestrial radiative budget remains to be quantified, due to their great diversity of size, shape and chemical composition. The thesis is essentially based on a laboratory polarimeter (UV, VIS) addressing the backscattering geometry with accuracy (180.0 +/- 0.2 °). The report of the backscattering matrix elements was thus accurately evaluated (<1%) and the spectral response (UV, VIS) of this report was thus studied, which made it possible to discuss the applicability of the spheroidal mathematical model, described by the T-matrix numerical code, to describe the optical backscattering of these particles in the exact backscattering geometry, as published in JQSRT in 2016. Then, the use of this Pi-Polarimeter in the troposphere free of Lyon by lidar made it possible to evaluate the mass concentration of desert dust particles. This evaluation was carried out for different shape models (spheroids, smooth particles, rough particles) obtained by numerical simulation in cooperation with T. Nousiainen’s group (Finland). A major result is that the mass concentration may differ by 30 % depending on the chosen dust shape model, as published in Atmospheric Research in 2018. Finally, the sensitivity and accuracy of the Pi-Polarimeter (UV, VIS) have been used to reveal the main characteristics of the photo-catalytic process of nucleation in the presence of desert dust particles via systematic observations of this process, carried out over a two years period

Les chantiers de maintenance et d’assainissement dans les centrales nucléaires nécessitent la mise en place d’enceintes ventilées autour des zones contaminées afin de limiter la propagation de la contamination à l’environnement extérieur. L’air rentre dans l’enceinte aux travers d’ouvertures sous la forme d’un écoulement directionnel, orienté de l’extérieur vers l’intérieur, assurant ainsi le confinement dynamique. En raison des opérations qui se déroulent à l’intérieur de l’enceinte et des perturbations externes, il est possible que l’écoulement de confinement dynamique aux ouvertures soit perturbé et subisse des inversions locales et instationnaires, conduisant ainsi à transporter la contamination à l’extérieur de l’enceinte. La présente étude s’intéresse aux petites ouvertures de type fentes minces rectangulaires où l’écoulement au droit de celles-ci est généralement turbulent. Les principaux objectifs de la thèse sont d’une part d’identifier les conditions aérodynamiques susceptibles de produire le phénomène de rétrodiffusion aux ouvertures, d’autre part d’évaluer la capacité des approches de modélisation de la turbulence URANS et LES à reproduire les instabilités liées à ce type d’écoulement. Il a été montré que l’apparition du phénomène de rétrodiffusion est principalement liée à la présence d’une perturbation aéraulique additionnelle, de type jet turbulent ou sillage, en compétition avec l’écoulement initial de confinement dynamique. Des expériences de traçage gazeux ont été mises en place sur une maquette expérimentale dans le but de quantifier la rétrodiffusion en fonction des différentes conditions aérauliques à l’ouverture et des caractéristiques de celle-ci. Des visualisations des écoulements à l’ouverture ont également été réalisées à l’aide d’un dispositif de tomographie laser. Enfin, l’analyse des résultats des simulations CFD a démontré que les approches de type RANS ou URANS ne permettaient pas de reproduire les instabilités de l’écoulement conduisant au phénomène de rétrodiffusion, contrairement aux simulations des grandes échelles de la turbulence (LES) qui reproduisent fidèlement les structures locales et instantanées à l’origine du phénomène.

L'intégration de semiconducteurs III-V à gap direct sur silicium est un enjeu de taille pour le développement de l'optoélectronique. En effet, si le silicium est aujourd'hui à la base de la microélectronique, la nature indirecte de son gap en fait un très mauvais émetteur de lumière. Parmi les matériaux candidats à l'intégration, l'In(Ga)As présente l'avantage d'un gap direct plus faible que le silicium, favorisant un comportement de puits de potentiel pour les paires électrons-trous. En revanche, le fort désaccord paramétrique entre les deux matériaux fait de la croissance épitaxiale d'In(Ga)As sur silicium un sérieux défi pour le physicien. Cette thèse est focalisée sur l'étude par faisceaux d'ions de boîtes quantiques (BQs) d'In(Ga)As épitaxiées sur silicium et de leur encapsulation ultérieure par du silicium. L'analyse par rétrodiffusion élastique à haute énergie (RBS) a permis de quantifier la composition des îlots d'In(Ga)As et de la couche cap de Si. Des phénomènes d'exo-diffusion d'indium et la présence d'espèces en excès ont été mis en évidence. En pratiquant l'analyse en géométrie de canalisation (RBS-C), nous avons pu caractériser l'épitaxie des BQs sur le substrat ainsi que celle de la couche cap. La deuxième technique utilisée dans ce travail est l'analyse par rétrodiffusion élastique à moyenne énergie (MEIS), qui permet de profiler composition, défauts cristallins, et déformation avec une résolution sub-nanométrique au voisinage de la surface de la cible. Les spectres MEIS en modes aléatoire et canalisé ont permis d'obtenir le profil de composition et de défauts du plan de BQs. Enfin, la déformation du cristal d'In(Ga)As par rapport au monocristal de silicium du substrat a été étudiée grâce à l'effet de blocage du flux d'ions rétrodiffusés qui permet d'observer les ombres des axes et des plans cristallographiques.

Les recherches sur la fusion thermonucléaire par confinement magnétique visent à l'obtention de plasmas chauffés majoritairement par les réactions de fusion entre les ions Deuterium et Tritium. Cette thèse se place dans la problématique générale de l'étude du transport turbulent, qui limite les performances d'un tokamak. Le champ électrique radial (dirigé vers l'intérieur ou l'extérieur du plasma, de géométrie torique) peut être à l'origine de barrières de transport lorsque son cisaillement devient suffisamment important pour causer une décorrélation des structures tourbillonnaires. Lors de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés aux mécanismes à l'origine de la génération spontanée du champ électrique radial à l'intérieur de la dernière surface magnétique fermée. Sur le tokamak Tore Supra, un diagnostic de réflectométrie Doppler permet une mesure quasi-directe de la vitesse de dérive électrique associée au champ électrique radial. L'influence du ripple, ondulation de l'intensité du champ magnétique dans la direction toroïdale dûe au nombre fini de bobines, est examinée par la comparaison des mesures avec les prédictions de plusieurs modèles, associés à différents régimes de diffusion (ripple-plateau, piégeage local). Nous étudions ensuite plus en détail un cas expérimental où le champ électrique radial, usuellement négatif à l'intérieur du plasma, devient localement positif, ce qui suggère la présence de mécanismes alternatifs non-ambipolaires. Le rôle possible de l'activité MHD et des ilots magnétiques est discuté à partir des mesures effectuées.

Un nombre croissant de données satellitaires et aéroportées acquises dans le domaine micro-ondes sur la surface demer est aujourd’hui disponible. L’interprétation correcte de ces observations dépend d’une part de la précision desmodèles de diffusion électromagnétiques, et d’une autre part de la maîtrise des propriétés hydrodynamiques etstatistiques de la surface. Ces dernières années ont connu une amélioration considérable des modèlesélectromagnétiques et spectraux. Cependant, certains phénomènes sont encore mal compris et non pris en comptepar ces modèles. En particulier, la variation angulaire de la surface de mer est à ce jour non totalement caractériséeet modélisée. Ce travail de thèse concerne l’étude de cette variation azimutale et des asymétries directionnelles de lasurface de mer. Une première étape consiste à effectuer une analyse expérimentale en se basant sur les données dela littérature mais également sur d’autres jeux de données acquises par l’ONERA et le DSTO. Cette analysepermettra de caractériser les asymétries directionnelles en fonction de la géométrie d’observation, l’état de mer et lafréquence électromagnétique. Une seconde étape consiste à proposer des mécanismes physiques pouvant être àl’origine des asymétries directionnelles. L’asymétrie upwind-crosswind étant essentiellement liée à la fonctiond’étalement du spectre directionnel, notre étude théorique a principalement porté sur la caractérisation del’asymétrie upwind-downwind. Nous étudions l’influence de la prise en compte des formes déferlantes, initialementà travers des formes simples de vagues fortement asymétriques, et ensuite à travers une distribution de pentesexpérimentale prenant en compte ces formes de vagues. Les asymétries obtenues par un modèle deux-échellesprenant en compte ces formes de vagues sont en accord qualitatif avec les asymétries observées pour les bandes defréquences X et L. Une étape supplémentaire consiste ensuite à calculer les asymétries obtenues par un code dediffusion rigoureux sur des profils numérisés d’une expérience en soufflerie et permet la validation des résultatsobtenus avec un modèle deux-échelles. / An increasing number of airborne and spaceborne data acquired in the microwave regime on the sea surface is nowavailable. The appropriate interpretation of these observations depends on the precision of the electromagneticscattering models as well as the knowledge of hydrodynamic and statistical properties of the sea surface. Aconsiderable improvement has been realized in electromagnetic and spectral models in the recent years. However,some phenomena are still poorly understood and not correctly taken into account in these models. In particular, theangular variation of the sea surface is still not totally characterized and modeled. This PhD work concerns the studyof this azimuthal variation and the related directional asymmetries. A first step consists in carrying out anexperimental analysis based on data of the literature and other datasets acquired by ONERA and DSTO. Thisanalysis enables the characterization of the directional asymmetries with respect to acquisition geometry, sea stateand electromagnetic frequency. A second step consists in suggesting and testing physical mechanisms that may beat the origin of these directional asymmetries. As the upwind-crosswind asymmetry is essentially related to thespreading function of the directional spectrum, our theoretical study focused on the study of the upwind-downwindasymmetry. We investigate the influence of the presence breaking waves, initially through simple forms of stronglyasymmetric waves, and then through an experimental slope distribution including these wave forms. Theasymmetries obtained by a two-scale model taking into account these wave forms are in qualitative agreement withthe asymmetries observed at X and L bands. A further step consists in calculating the asymmetries using a rigorousmodel on digitized wind tank experiment profiles and allows the validation of the results previously obtained usinga two-scale model.

Le but de cette thèse est d'étudier la propagation des ondes ultrasonores dans les milieux présentant des diffuseurs allongés, et plus particulièrement les alliages de titane comportant des macrozones. Cette étude est menée à l'aide d'un dispositif expérimental constitué d'un transducteur multi-éléments linéaire en rotation autour de son axe, piloté par une électronique multivoie programmable. Le champ rétrodiffusé par un milieu à diffuseurs allongés présente une cohérence spatiale anisotrope et nous montrons que l'intensité rétrodiffusée par un tel milieu dépend de l'orientation du transducteur dans le plan perpendiculaire à la direction d'insonification. Cette dépendance permet de déterminer la direction d'élongation des macrozones, leur taille caractéristique, et de réduire le bruit de structure lors d'un contrôle ultrasonore. Une cartographie en trois dimensions de la direction locale des macrozones est ainsi réalisable en employant deux faisceaux ultrasonores focalisés en un même point selon deux directions différentes. Afin de déterminer le régime de diffusion aux fréquences usuelles de contrôle, nous avons développé, à partir des travaux de thèse d'Alexandre Aubry (UPMC 2008), un indicateur du niveau de diffusion multiple : l'estimateur de la proportion de diffusion simple. Il permet de démontrer que la diffusion multiple est importante dans les alliages de TA6V et Ti17. Nous avons de plus étendu cette méthode au cas d'interfaces eau/solide complexes suffisamment régulières. Enfin, nous proposons une nouvelle visualisation des résultats de simulations de forge permettant d'observer la direction réelle des macrozones et de mieux concevoir les plans de contrôle. / This manuscript is devoted to the study of ultrasonic wave propagation in complex media composed of elongated scatterers, and specifically titanium alloys comprising macrozones. This study is carried out using a linear phased array probe rotating around its axis and driven by a multi-channel programmable amplifier. The ultrasonic field backscattered by elongated scatterers presents an anisotropic spatial coherence and we show that the intensity backscattered by such a medium depends on the angle between scatterers elongation direction and the orientation of the probe in the plane perpendicular to the insonified direction. This dependence allows to determine the macrozones elongation direction and size, and to reduce the structural noise during a non-destructive evaluation. A three dimensional cartography of local elongation direction of macrozones is achievable by using two beams focused at the same point but with different directions of incidence. In order to assess the scattering regime at conventional testing frequencies, we developed a multiple scattering measure: the single scattering proportion estimator, based on Alexandre Aubry’s PhD thesis (UPMC 2008). Applied on TA6V and Ti17 alloys, it showed strong multiple scattering. We further extended this estimator to the case of water/solid complex interfaces. Lastly, we proposed a new visualization of forging simulation results, allowing to directly observe the real macrozones elongation direction and to better design inspection procedures.