Le massif Alpin est régulièrement soumis à l'automne à des systèmes dépressionnaires amenant un flux d'air méditerranéen chaud et humide sur son versant sud . De par la forme et la topographie du massif, ce phénomène peut conduire localement à des précipitations intenses souvent à l'origine d'inondations éclairs, dommageables pour l'homme. L'un des objectifs de l'expérience internationale MAP (Mesoscale Alpine Program) est l'étude des mécanismes dynamiques et microphysiques de ces précipitations, dans le but d'en améliorer la prévision. La campagne s'est déroulée durant l'automne 1999 et a donné lieu à 17 Périodes d'Observations Intensives (POI).<br />Les travaux de recherche effectués durant cette thèse sont basés sur l'analyse de plusieurs d'entre elles, ceci au moyen de données de radars Doppler sole et aéroportés, et du modèle numérique méso-échelle non-hydrostatique Méso-NH. Ces travaux visent à établir le scénario et les processus fondamentaux qui ont mené à leur occurrence. Différents types d'évènements pluvieux ont été étudiés : 2 cas de précipitations convectives, le premier à fort cumul de pluie dans la région du Lac Majeur (ouest des Alpes, POI 2B), et un autre sur la région du Frioul (est des Alpes, POI 5) ; puis des conditions pour lesquelles les précipitations se sont révélées plus modérées sur la région du Lac Majeur (POIs 4, 8, 9 et 15) permettant d'étudier un autre mécanisme lié au relief ou non : le processus de blocage.<br />Sur ces 6 cas d'étude, le facteur dominant responsable du cumul de pluie au sol est le facteur durée : la persistance des précipitations associée au ralentissement du système dépressionnaire au niveau des Alpes mène aux plus forts cumuls. Ceux-ci ont été enregistrés pour les POIs 2B et 8, soit des évènements convectif et stratiforme respectivement. Dans le cas de la POI 2B, c'est un système quasi-stationnaire d'altitude qui est responsable du ralentissement, alors que pour la POI 8 il s'agit de la nature stable du flux incident sur les flancs alpins, et par la suite de son blocage au niveau du relief. Les POIs 4 et 15, caractérisées également par la stabilité du flux d'alimentation des précipitations, illustrent des acs pour lesquels l'arrivée du front froid associé au système dépressionnaire, et par conséquent d'un flux post-frontal antagoniste au flux d'alimentation, est responsable du déplacement des cellules précipitantes. La POI5 est une situation caractérisant le passage rapide du front froid, et l'évolution d'une ligne de cellules convectives associée.<br />L'effet du relief a été mis en évidence, dans les épisodes pluvieux stratiforme et convectif. Dans tous les cas, ce dernier contribue à renforcer/déclencher les précipitations. Il est responsable de la déviation vers l'ouest des flux incidents stables. L'impact de l'orographie de petite échelle a également été démontré à l'aide de tests numériques, en particulier les irrégularités du relief de l'ordre du kilomètre ont joué un rôle important dans la progression du système précipitant de la POI 5.

Cette étude traite de la dynamique des éruptions volcaniques explosives, depuis les mécanismes de sub-surface jusqu'aux processus d'émission et de dispersion des pyroclastes. A cet effet un radar Doppler sol est utilisé (VOLDORAD), lequel renseigne sur la charge / vitesse des ejectas. Les données sont intégrées avec d'autres techniques géophysiques, et des modèles numériques sont développés afin de simuler les émissions pyroclastiques, générer des signaux radar synthétiques, pour finalement améliorer notre compréhension des processus qui leurs sont sous-jacents. L'Arenal (Costa Rica) est utilisé comme volcan cible, où de fréquentes éruptions de faible magnitude émettent des panaches de cendres et des projections balistiques jusqu'à quelques centaines de mètres au-dessus de l'évent. Dans un premier temps, nous combinons des données sismiques et radar afin d'explorer la relation entre les processus de conduit et les émissions pyroclastiques. Leurs interactions complexes sont interprétées via un modèle conceptuel, lequel décrit les fractures parsemant le bouchon de lave comme responsables du dégazage du système, et en retour des signaux sismiques et radar collectés (ces derniers dépendants de la charge en cendres des émissions de gaz). Par ailleurs, nous investiguons la dynamique des émissions pyroclastiques à travers l'étude de radargrammes Doppler. La distribution spatio-temporelle de la vitesse des ejectas indique l'existence de deux phénomènes aux dynamiques distinctes. Des modélisations numériques permettant la reconstruction de signaux synthétiques indiquent qu'il s'agit de l'émission simultanée de blocs balistiques et de panaches de cendres. Une procédure d'inversion de type Monte Carlo couplée d'un algorithme d'optimisation permet de retrouver les radargrammes synthétiques qui reproduisent au mieux ceux observés. Les résultats apportent des contraintes sur divers paramètres éruptifs, tels que les tailles, trajectoires, vitesses des ejectas et des gaz, ainsi que la vitesse / direction de dispersion des panaches de cendres par le vent. Enfin, nous discutons du potentiel des radars Doppler appliqués à la surveillance opérationnelle des émissions volcaniques. En particulier, la possibilité de quantifier les masses éjectées dans l'atmosphère ou retombant sur les flancs du volcan, fournit des paramètres éruptifs à la source pouvant alimenter les modèles de dispersion de panaches de cendres.

This dissertation is focused on target trajectory identification using CW radar sensor network measuring. An omni-directional radar based on single mixing is considered for measurement in ballistic tunnel, where information about direction of target approaching is a priory known. Applied experimental radar network setup with system controller and acquisition units is demonstrated. Mathematical models and optimized structures have been developed for fitting of system parameters and presented in the theoretical part. The second part is aimed to the multi-trajectory identification. New methodical techniques of this work consist in identification of the points of the closest approach with V model function and utilizing gradient methods for path identification.

L'ONERA mène, depuis quelques années, des études sur les radars hautes fréquences à ondes de surface (RHFOS). Afin d'évaluer la capacité effective de surveillance maritime de ce type de radar, l'ONERA envisage de se doter d'un système de mesure. Le RHFOS, grâce à sa capacité de détection au-delà de l'horizon radioélectrique, répond à la demande de couverture de larges zones maritimes. Classiquement, sa portée peut atteindre 500 km à 600 km, sous des azimuts de 90 à 120 degrés. Toutefois, le signal reçu par le radar contient la signature des cibles, le fouillis de mer (signal caractéristique de la propagation sur la surface de la mer) et le fouillis ionosphérique (signal rétrodiffusé par les instabilités d'ionisation dans l'ionosphère). Ces deux dernières contributions peuvent masquer des cibles car leur niveau est très important. Les présents travaux consistent à définir les traitements permettant de réduire le fouillis ionosphérique pour améliorer les performances de détection du radar HF à ondes de surface. La nature des signaux en présence et le système radar développé par l'ONERA ne permettent pas un traitement par polarimétrie, direction d'arrivée ou techniques adaptatives. Nous proposons d'exploiter les différences d'échelles de variations des signaux. Pour cela, nous avons développé des méthodes de séparation des contributions (cible, fouillis de mer et fouillis ionosphérique) ; nous utilisons l'analyse discrète en ondelettes, à une ou deux dimensions. L'avantage d'une telle approche est qu'elle permet de supprimer le fouillis ionosphérique, d'extraire le fouillis de mer (amélioration du calcul de paramètres océanographiques et amélioration de la détection de cibles) et de réduire le bruit inhérent au système radar.

Les panaches volcaniques de téphras constituent un des aléas volcaniques majeurs. Pour prévoir leur dispersion et les zones d'impacts de leurs retombées, des modèles numériques sont utilisés en opérationnel et basés sur des paramètres éruptifs, regroupés sous la notion de terme source, caractérisant l'émission des panaches. L'ensemble du terme source est cependant difficile à mesurer en temps réel. C'est pourquoi les modèles de dispersion sont souvent basés sur des scénarios d'éruptions passées et utilisent des lois empiriques reliant la hauteur des panaches avec les flux massiques à la source. Cependant, les résultats qui découlent de ces modèles sont peu contraints, moyennés sur la durée des éruptions, et souffrent de larges incertitudes. Dans cette optique, les radars Doppler, capables de sonder l'intérieur des colonnes éruptives avec des échelles spatio-temporelles fines, peuvent fournir des contraintes cruciales sur le terme source des panaches en temps réel. Ce travail de thèse traite des applications de radars volcanologiques dédiés, potentiellement transposables aux radars météorologiques communément utilisés, afin de fournir des paramètres éruptifs à la source des panaches de téphras en surveillance opérationnelle mais également pour contraindre la dynamique des colonnes éruptives et les charges internes des panaches et de leurs retombées. Une campagne de mesures au volcan Stromboli a permis de montrer les capacités d'un couplage innovant entre un disdromètre optique (Parsivel2) avec un nouveau radar Doppler à onde millimétrique (Mini-BASTA). Grâce à l'excellente résolution spatio-temporelle de Mini-BASTA (12,5 m et 1 s), des figures intermittentes de sédimentation ont été observées dans les retombées de panaches transitoires dilués. Observées également au disdromètre mesurant la vitesse et la taille des retombées, ces figures ont été reproduites en laboratoire grâce à un modèle analogique. Un modèle conceptuel de formation de thermiques de sédimentation inversés est proposé pour expliquer ces figures et implique que les processus menant à une sédimentation irrégulière typique des panaches soutenus et concentrés peuvent s'appliquer à des panaches dilués, y compris ceux issus d'éruptions Stromboliennes normales en régime transitoire. Ensuite, une caractérisation physique d'un grand nombre de particules de cendres échantillonnées à Stromboli a permis de valider les mesures de tailles et de vitesses terminales de chutes par disdromètre sur le terrain et en laboratoire, justifiant par ailleurs son utilisation opérationnelle. A partir de ces contraintes, une loi reliant les concentrations de cendres avec les facteurs de réflectivité calculés a pu être comparée aux mesures radar in situ. Les concentrations internes modale et maximale des panaches de Stromboli sont respectivement autour de 1 × 10-5 kg m-3 et 7,45 × 10-4 kg m-3, largement supérieures au seuil fixé pour la sécurité aérienne. Les concentrations en cendres des retombées s’étalent entre 1,87 × 10-8 - 2,42 × 10-6 kg m-3 avec un mode vers 4 × 10-7 kg m-3.Finalement, ce travail de thèse montre les applications opérationnelles du radar UHF VOLDORAD 2B dans le cadre de la surveillance de l'activité de l'Etna. Une méthodologie, applicable à tout radar Doppler, a été développée pour obtenir des flux de masse de téphras en temps réel à partir d’un proxy de masse, uniquement basé sur les vitesses d'éjection et puissances mesurées, calibré avec un modèle de colonne tenant compte de l'influence du vent sur les panaches. La gamme de flux trouvée pour 47 paroxysmes entre 2011 et 2015 s’étend de 2.96 × 104 à 3.26 × 106 kg s-1. A partir d’un autre modèle de colonne éruptive, Plume-MoM, les flux radar ont permis de modéliser des hauteurs des panaches de téphras émis lors de quatre paroxysmes de l'Etna cohérentes avec les observations faites en temps réel par imagerie visible et par radar en bande-X. (...) / Volcanic tephra plumes are one of the major volcanic hazards. To forecast their dispersion and the impact zones of their fallout, the numerical models used in operational monitoring are based on eruptive parameters, called the source term, characterizing the plume emission. Source term parameters are challenging to measure in real time. This is why dispersion models are often based on past eruptive scenarios and use empirical laws that relate plume heights to source mass fluxes. However, the model outputs are not well constrained, averaged over the eruption duration, and suffer from large uncertainties. In this topic, Doppler radars are capable of probing the interior of eruptive columns and plumes at high space-time resolution and can provide crucial constraints on the source term in real time. This thesis deals with applications in operational monitoring of dedicated volcanological radars, potentially transposable to most common meteorological radars, to provide eruptive parameters at the source of tephra plumes but also to constrain the dynamics and internal mass load of eruptive columns, volcanic plumes and their fallout.A measurement campaign at Stromboli volcano has shown the capabilities of an innovative coupling between an optical disdrometer (Parsivel2) and a new 3-mm wave Doppler radar (Mini-BASTA). Owing to its high spatio-temporal resolution (12.5 m and 1 s), intermittent sedimentation patterns were observed in the fallout of dilute transient plumes typical of normal strombolian activity. These features, also recorded with the disdrometer, measuring the particle settling speeds and sizes, were reproduced in the laboratory using an analog model. A conceptual model for the formation of reversed sedimentation thermals is proposed to explain these features. It implies that processes leading to irregular sedimentation typical of sustained concentrated strong plumes can be applied to dilute weak plumes, including those formed by normal transient Strombolian activity. Then, a physical characterization of a large number of ash particles sampled at Stromboli allowed the validation of particle size and terminal velocity measurements by the disdrometer in the field and in the laboratory, arguing in favor of its operational use. Then, a physical characterization of a large number of ash particles sampled at Stromboli allowed to validate the measurements of size and terminal velocity of falls by disdrometer in the field and in laboratory, justifying also its operational use. From these constraints, a law relating ash concentrations with calculated reflectivity factors was found and compared to in situ radar measurements inside ash plumes and fallout. The modal and maximum internal concentrations of Strombolian plumes are at about 1 × 10-5 kg m-3 and 7.5 × 10-4 kg m-3 respectively, well above the threshold for aviation safety. Ash concentrations in the fallout range from 1.9× 10-8 to 2.4 × 10-6 kg m-3 with a mode at about 4 × 10-7 kg m-3.Finally, this thesis work shows operational applications of the UHF VOLDORAD 2B radar for the monitoring of explosive activity at Etna. A methodology, applicable to any Doppler radar, has been developed to obtain tephra mass eruption rates in real time from a mass proxy, based only on measured ejection velocities and power, and calibrated with an eruptive column model taking crosswinds into account. Tephra mass fluxes found for 47 paroxysms between 2011 and 2015 range from 3 × 104 to over 3 × 106 kg s-1. Then, tephra plumes heights of four Etna paroxysms were simulated using the eruptive column model Plume-MoM from the radar-derived mass eruption rates and were found consistent with real-time observations made by visible imagery and by X-band radar. This last part demonstrates the capabilities of VOLDORAD 2B to provide quantitative input parameters for dispersion models in the case of future Etna paroxysms. (...)

Nous étudions Le problème de l'estimation spectrale dans la situation défavorable où très peu de données sont disponibles, et nous l'abordons sous l'angle de la synthèse de Fourier. Dans ce cadre, l'estimation spectrale s'identifie à un problème inverse linéaire sous-déterminé. Il convient de le régulariser sur la base d'informations a priori portant sur la forme du spectre, en définissant un critère composé d'une fonction de pénalisation et d'un terme d'attache aux données. Le minimiseur global de ce critère définit le spectre solution. Cette fonction de pénalisation est associée spécifiquement à chaque forme spectrale; sont étudiés les spectres impulsionnels, réguliers, et mélangés, où un fond continu se superpose à un spectre de raies. L'accent est mis sur la construction de fonctions de pénalisation convexes d'une part, car elles garantissent le caractère bien posé du problème régularisé et facilitent le calcul de la solution, et circulaires d'autre part, ie qui ne dépendent que des modules des coefficients de Fourier recherchés. De plus, nous retenons une fonction séparable pour estimer des raies, un terme markovien pour le cas régulier et une énergie composite pour le cas mélangé. Le choix d'une pénalisation convexe nous amène pour les cas régulier et mélangé, à considérer une fonction non différentiable en zéro. Le recours à une stratégie de Non Différentiabilité Graduelle permet d'obtenir une solution à faible coût calculatoire. Sur le plan algorithmique, la méthode IRLS s'avère la plus efficace mais ne s'applique qu'à l'estimation de raies. Nous proposons donc des généralisations aux autres cas reposant sur l'interprétation semi-quadratique augmentée de la pénalisation. La méthode de relaxation par blocs résultante est convergente et compétitive avec un algorithme de gradient pseudo-conjugué. Enfin, l'intérêt et l'efficacité des méthodes développées sont illustrés sur signaux synthétiques et réels dans le cadre de l'imagerie radar Doppler.

This dissertation is focused on developing the new target localization and the target velocity estimation methods for frequency-only multi-input, multi-output (MIMO) radar systems with widely separated antennas. If the frequency resolutions of the transmitted signals are enough, only the received frequencies and the Doppler shifts can be used to find the position of the target. In order to estimate the position and the velocity of the target, most multistatic radars or radar networks use multiple independent measurements from the target such as time-of-arrival (TOA), angle-of-arrival (AOA) and frequency-of-arrival (FOA). Although, frequency based systems have many advantages, frequency based target localization methods are very limited in literature because of the fact that highly non-linear equations are involved in solutions. In this thesis, alternative target localization and the target velocity estimation methods are proposed for frequency-only systems with low complexity. One of the proposed methods is able to estimate the target position and the target velocity based on the measurements of the Doppler frequencies. Moreover, the target movement direction can be estimated efficiently. This method is referred to as &quot / Target Localization via Doppler Frequencies - TLDF&quot / and it can be used for not only radar but also all frequency-based localization systems such as Sonar or Wireless Sensor Networks. Besides the TLDF method, two alternative target position estimation methods are proposed as well. These methods are based on the Doppler frequencies, but they requires the target velocity vector to be known. These methods are referred to as &quot / Target Localization via Doppler Frequencies and Target Velocity - TLD&amp / V methods&quot / and can be divided two sub-methods. One of them is based on the derivatives of the Doppler Frequencies and hence it is called as &quot / Derivated Doppler - TLD&amp / V-DD method&quot / . The second method uses the Maximum Likelihood (ML) principle with grid search, hence it is referred to as &quot / Sub-ML, TLD&amp / V-subML method&quot / . The more realistic signal model for ground based, widely separated MIMO radar is formed as including Swerling target fluctuations and the Doppler frequencies. The Cramer-Rao Bounds (CRB) are derived for the target position and the target velocity estimations for this signal model. After the received signal is constructed, the Doppler frequencies are estimated by using the DFT based periodogram spectral estimator. Then, the estimated Doppler frequencies are collected in a fusion center to localize the target. Finally, the multiple targets localization problem is investigated for frequency-only MIMO radar and a new data association method is proposed. By using the TLDF method, the validity of the method is simulated not only for the targets which are moving linearly but also for the maneuvering targets. The proposed methods can localize the target and estimate the velocity of the target with less error according to the traditional isodoppler based method. Moreover, these methods are superior than the traditional method with respect to the computational complexity. By using the simulations with MATLAB, the superiorities of the proposed methods to the traditional method are shown.

In radars, matched filters are used in the receiver of the system. Since the target velocity is not known a priori, degradation occurs due to mismatch of the return signal and the matched filter. The performance of the radar can be improved by using a bank of matched filters. The first topic investigated in this work is optimization of the bank of matched filter structure. Two methods are proposed for the design of the parallel filter structure and computations are performed with both methods. The output signal of a radar receiver filter consists not only of the main peak from the target but also of range sidelobes. In a multi-target radar environment, the sidelobes of one large target may appear as a smaller target at another range, or the integrated sidelobes from targets or clutter may mask all the information of another target. The second part of this thesis discusses the methods for decreasing the sidelobe level of the receiver output. Two methods are studied for this purpose. The first is the classical amplitude weighting and the second is the use of an inverse filter that minimizes total sidelobe energy. Both methods decrease the sidelobe levels while bringing a mismatch loss and main peak broadening. For the inverse filter case it is observed that the effect of inverse filter becomes evident as the filter length is increased beyond some point. Finally, the effects of quantization on video signal and the receiver filter coefficients are evaluated. It is observed that 16 bits quantization is sufficient for all kinds of receiver filters tested.

VOLDORAD, un radar Doppler UHF moyenne puissance, est un système portable basé au sol, développé par l'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand (France), spécifiquement pour l'étude de l'activité volcanique explosive. La capacité de ces méthodes de télédétection à sonder l'intérieur des jets et des panaches volcaniques dangereux constitue un vrai pas en avant concernant l'analyse des paramètres physiques qui contrôlent la dynamique des éruptions volcaniques. L'objectif principal de cette thèse est d'apporter des contraintes plus précises, notamment à partir du développement de procédures méthodologiques, sur l'interprétation des données radar Doppler, dans le but final d'améliorer notre compréhension de la dynamique explosive. Ce travail a été réalisé à partir de mesures radar Doppler acquises pendant l'éruption du cratère Sud-Est de l'Etna en Juillet 2001, et s'intéresse plus particulièrement à l'activité Strombolienne. Cependant, les méthodes de traitement, les modèles directs et les procédures d'inversion développés dans cette étude ont été réalisés dans une optique plus générale, et applicable sur différents types de dynamismes. L'étude détaillée de l'activité Strombolienne par la méthode radar Doppler a permis d'obtenir une large gamme de paramètres sources, notamment : les vitesses et masses de gaz et de particules, ainsi que les caractéristiques géométriques des jets. L'estimation quantitative précise de ces paramètres et de leur évolution au cours du temps est cruciale pour (1) la surveillance et la détection précoce de l'activité volcanique, ainsi que (2) pour l'apport de contraintes sur les hypothèses formulées dans les modèles de dynamique éruptive et dans les modèles de prédiction de dispersion des cendres, indispensables à la minimisation des risques.

L'intensité pluvieuse est une information essentielle en hydrologie, notamment pour les bassins versants situés en zone urbaine ou montagneuse. Il est donc nécessaire de disposer, sur ces bassins, d'estimations fiables des précipitations ainsi que de prévisions de la pluie à très courte échéance. Le radar météorologique constitue une solution à ces besoins. Toutefois les radars existants aujourd'hui ne sont pas totalement adaptés à toutes les applications hydrologiques en terme de souplesse d'utilisation et de résolution spatiale et temporelle. L'utilisation de radars de configuration légère en bande X, est envisagée pour les besoins de l'hydrologie urbaine. Les conditions d'utilisation de tels radars sont à définir. Ces études proposent d'évaluer l'intérêt de l'information radar volumique et Doppler pour la prévision des précipitations à très courte échéance. La première partie de la thèse s'intéresse à la mesure du VIL par radar. Elle présente également une méthode de restitution du champ de vitesse horizontale tirant parti de la mesure Doppler. La deuxième partie de la thèse concerne la formulation et l'évaluation d'une méthode de prévision de la pluie à très courte échéance reposant sur le VIL. Cette méthode est d'abord testée à l'aide de données radar simulées afin de mettre en évidence l'intérêt des données volumiques indépendamment des erreurs de mesure. Une étude de cas réel a été ensuite menée sur des événements pluvieux de la période spéciale d'observation de MAP (Mesoscale Alpine Programme).