Ce mémoire de maîtrise décrit la première phase de la réalisation d'un prototype de polarimètre portable à 37GHz. Les polarimètres portables actuellement disponibles sur le marché coûtent au dessus de 200 000$ et sont plus adaptés à l'utilisation au laboratoire que sur le terrain. Ils nécessitent le transport de gaz à l'état liquide pour leur calibration et ont de grands besoins énergétiques. Tous ces facteurs contribuent à leur haut coût et à leur grande complexité d'utilisation. Cette première phase du projet vise à développer la partie analogique du récepteur micro-onde qui sera au coeur du prototype. D'autres travaux, à la suite de cette maîtrise, seront nécessaires afin de rendre le récepteur utilisable et compléter le prototype. Les spécifications du polarimètre ont d'abord été définies. Par la suite, la décision d'acheter ou de fabriquer chaque sous-système/circuit a été prise. Ensuite, les activités d'achat et de conception ont eu lieu. Il a été constaté que les techniques standards utilisées pour fabriquer des circuits microruban n'étaient pas assez précis. Un procédé de fabrication a alors été développé et les circuits ont été fabriqués. Le tout a finalement été intégré. La finalité de ce projet a été un système analogique qui permet d'amplifier et de traiter une onde incidente à haute fréquence et à faible intensité pour la rendre mesurable par un système d'échantillonnage et de traitement numérique. Ce système numérique sera conçu et fabriqué à une date ultérieure.

Un radiomètre multicanal comportant jusqu' à six canaux dans la fenêtre spectrale de l infrarouge thermique a 10 µm, a été conçu pour réaliser des mesures, sur le terrain et aéroportées, de luminance et de température de brillance. Le détecteur est une thermopile rapide dont la réponse est faiblement dépendante de la température. La réalisation instrumentale a été conduite par la société CIMEL. L'analyse physique et la qualification des différentes étapes du développement de l'instrument ont été effectuées au Laboratoire d'Optique Atmosphérique (LOA). Un prototype nomme CLIMAT (Conveyable Low noise Infrared radiometer for Measurements of Atmosphere and surface Targets) dont le champ de visée est de 10 degrés a été qualifie en laboratoire puis en conditions réelles. Les caractéristiques essentielles de sensibilité, bruit, champ, comportement thermique, stabilité temporelles ont été étudiées sur le prototype. Les premiers résultats de mesures de la température de brillance d'un ciel clair, réalisées a Lille, sont présentes et compares avec les résultats de simulations obtenus avec un code radiatif. Le comportement du prototype est en outre comparé avec celui d un radiomètre monocanal Barnes PRT-5 (8-14µm). L instrument a enfin été qualifie lors de mesures aéroportées de température de brillance de la surface marine au large de Calais, a l aide des données satellitaires (AVHRR) de température de la mer.

L'objectif des études en télédétection au Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement est de pouvoir mesurer de l'espace les paramètres géophysiques importants caractérisant la surface des calottes polaires, tels que les zones de fonte, la température et l'accumulation de neige. De plus, les mesures satellitaires dans le domaine des micro-ondes offrent l'avantage d'être peu sensibles aux effets atmosphériques et de fournir des informations sur une épaisseur du manteau neigeux de quelques centimètres à plusieurs mètres. Un modèle semi-empirique basé sur le transfert radiatif et un modèle thermodynamique simple ont permis, moyennant l'hypothèse d'une émissivité constante et l'ajustement du coefficient d'extinction dans le milieu, de reconstruire les températures de brillance mesurées par le satellite (données SSM/I), à partir des seules températures de l'air dont nous disposions. Cette méthode a été testée sur deux sites d'Antarctique présentant des caractéristiques de neige différentes. Ce modèle a ensuite été inversé de façon à déterminer la température de surface de la neige à partir des mesures satellitaires. Le problème est actuellement sous déterminé, cependant les résultats sont prometteurs. De manière à valider les modèles, nous avons acquis simultanément, en un site glaciaire du massif du Mont-Blanc, des mesures radiométriques à plusieurs fréquences et angles d'incidence, avec le radiomètre PORTOS du CNES, fixé à une télécabine, et des mesures des caractéristiques du manteau neigeux. Ces mesures ont été étalonnées, corrigées de l'angle local d'incidence, l'effet du diagramme d'antenne sur la mesure angulaire a été évalué. Elles ont alors été comparées aux valeurs simulées par un modèle d'émissivité de la neige pour un milieu uniforme et stratifié et à un modèle de transfert radiatif. Les problèmes de caractérisation de la structure de la neige pour les micro-ondes et de modélisation de la diffusion par les cristaux ont été soulevés.

L'altimétrie spatiale contribue majoritairement à la compréhension de la circulation océanique régionale et globale. Elle permet aujourd'hui de fournir une cartographie de la topographie océanique à des échelles spatiales et temporelles de plus en plus fines. Le passage du signal radar à travers la vapeur d'eau de l'atmosphère implique un retard de l'onde, qui nécessite d'être corrigé : c'est la correction troposphérique humide. Des méthodes statistiques sont actuellement utilisées pour estimer la correction troposphérique humide. Elles permettent d'inverser des mesures de températures de brillance fournies par un radiomètre couplé à l'altimètre sur une mission altimétrique, à deux ou trois fréquences proches de la bande d'absorption de la vapeur d'eau, à 22.235 GHz. Bien que ces algorithmes permettent d'estimer cette correction avec de faibles incertitudes en plein océan, des améliorations sont nécessaires pour réduire les erreurs dans les zones océaniques complexes, comme les régions d'upwelling, et sur les surfaces hétérogènes, comme en régions côtières, sur glace de mer, ou sur les eaux continentales. A ces fins, une approche variationnelle uni-dimensionnelle (1D-Var) est développée dans cette thèse. Elle permet de tenir compte de la physique de l'atmosphère et des variations de la surface dans l'environnement des mesures, pour estimer la correction troposphérique de manière globale, sur différents types de surface, dans le contexte des missions altimétriques actuelles, et futures, dont les technologies instrumentales évoluent. Une analyse fine des caractéristiques de l'approche 1D-Var, et de ses performances, permet de montrer l'apport et l'impact des différents paramètres en jeu sur les variables atmosphériques restituées, et la correction troposphérique humide estimée. Les performances du 1D-Var ainsi que ses limites sont évaluées pour l'estimation la correction troposphérique humide en plein océan, en conditions de ciel clair. L'apport des mesures de températures de brillance aux hautes fréquences, typiques des missions altimétriques futures, est également analysé. Leur potentiel est exploité dans le cadre de l'estimation de la correction troposphérique humide dans les régions côtières, où les mesures de températures de brillance sont contaminées par la présence de terre dans le signal. Enfin, une analyse des estimations des émissivités de surface, et de leurs variations sur la glace de mer, est proposée dans le cadre d'une étude préliminaire à l'estimation de la correction troposphérique humide, aux interfaces complexes mer/glace de mer, dans les régions polaires. / Space altimetry is one of the major contributors to the understanding of regional and global oceanic circulation. It currently enables to provide a map of ocean topography at higher temporal and spacial scales. A propagation delay of the altimeter signal along its path through atmospheric water vapor needs to be accounted for, and corresponds to the wet tropospheric correction. Statistical methods are currently used to estimate wet tropospheric correction. These methods are fed by brightness temperature measurements provided by a radiometer coupled to the altimeter, at two or three frequencies close to the water vapor absorption line, at 22.235 GHz. While these algorithms provide wet tropospheric correction with low uncertainties over open ocean, improvements are still needed to reduce higher uncertainties in complex oceanic areas, such as upwelling regions, and over heterogeneous surfaces, as coastal regions, sea ice or inland waters. To this end, a one-dimensional variational approach (1D-Var) is developed in the frame of this thesis. This approach accounts for atmospheric and surface variability in the surroundings of the measurements, to provide wet tropospheric correction estimates at a global scale, over various surfaces, in the context of both current and future altimetry missions, with improved instrumental technologies. We first analyze the characteristics of the 1D-Var approach and evaluate its performances. The contribution and impact of the different input parameters on retrieved atmospheric variables and wet tropospheric correction are shown through this analysis. The potential and limits of the 1D-Var approach to retrieve wet tropospheric correction over open ocean, for clear sky conditions, are evaluated. The contribution of high frequencies, typical to future altimetry missions, is also analyzed. It is fully exploited to retrieve wet tropospheric correction over coastal areas, where land contamination occurs within brightness temperature measurements. A preliminary analysis of surface emissivity estimates and their variability over sea ice is also undertaken, in the frame of the 1D-Var estimation of wet tropospheric correction over sea ice/open sea transition surfaces, in polar areas.

Ce travail est dédié à la simulation d’écoulements multidimensionnels de gaz raréfiés dans un domaine où l’interface avec le solide est mobile. Le comportement du gaz est modélisé par un modèle de type BGK de l’équation de Boltzmann et une méthode déterministe de vitesses discrètes est utilisée pour discrétiser l’espace des vitesses microscopiques.Dans ce document, nous proposons tout d’abord trois discrétisations spatiales du modèle qui permettent la prise en compte du mouvement des parois solides, grâce à un traitement spécifique des conditions aux limites. Ces approches sont implémentées et validées pour plusieurs cas unidimensionnels et à la suite de cette étude, la méthode maille coupée est choisie pour une extension à des écoulements de dimensions plus élevées.La suite du travail présente l’algorithme utilisé pour la simulation d’écoulements 2D et 3D. La précision et la robustesse de l’implémentation sont mises en avant grâce à la simulation de nombreux cas tests, dont les résultats sont comparés à ceux issus de la littérature. La méthode maille coupée a notamment été optimisée par une technique de raffinement de maillage adaptatif. La simulation instationnaire 3D de la rotation des pâles du radiomètre de Crookes illustre pleinement le potentiel de la méthode. / This work is devoted to the multidimentional simulation of rarefied gases in a domain with moving boundary. The governing equation is given by BGKtype model of Boltzmann equation and velocity space is discretized with a standard discrete velocity method.We first propose three space discretizations that take boundary motion into account by specific treatment of the boundary conditions. These approaches are implemented and validated for several 1D flows. Based on this study, the cut cell method is chosen to be extend to multidimentional flows.Then we detail the cut cell algorithm for 2D and 3D flow simulations. Robustness and accuracy of the implementation are investigated through the simulation of numerous test cases. Our results are rigorously compared to the ones coming from the literature and good agreement is shown. The cut cell method has been optimized with an adaptive refinement mesh technique. The 3D unstationary simulation of the Crookes radiometer rotating vanes is a perfect illustration of the method potential.

L'étalonnage des radiomètres embarqués sur satellite, utilisés pour l'observation de la Terre, est basé sur l'utilisation de sources de référence, capables de générer des températures de brillance ou des températures de bruit bien distinctes : une source chaude et une source froide. Dans le cas de la source froide, l'utilisation de sources externes (comme par exemple le ciel froid) est la méthode la plus communément utilisée. L'utilisation d'une charge froide active (ACL pour Active Cold Load) réalisée à base de transistors présente de nombreux avantages en termes d'intégration et de simplification du système. La première partie de cette thèse est consacrée au principe de la radiométrie. Après avoir rappelé l'importance des techniques de télédétection utilisées pour l'observation de la Terre, un état de l'art, non exhaustif, des différents types de radiomètre est présenté. L'un des éléments importants de l'instrument, quel que soit l'architecture choisie, est la phase de calibrage. De ce fait, un état de l'art sur les sources de référence, et plus particulièrement sur les charges froides actives est exposé. On constate notamment, que de part leur faible niveau de bruit et de leur couverture fréquentielle, les transistors à effet de champ (FET) sont de bons candidats. Nous présentons dans le second chapitre, un nouveau type de charge froide active basée sur l'utilisation d'un transistor bipolaire à hétérojonction (HBT) SiGe en bande L. Nous détaillons la technologie et la topologie du circuit et nous montrons les résultats obtenus concernant l'adaptation, la température de bruit et la sensibilité aux variations de température ambiante. En vue de comparer les différentes technologies en termes de stabilité à long terme, nous présentons également la conception et la caractérisation d'une ACL avec un PHEMT sur GaAs. La troisième partie concerne la réalisation d'un radiomètre spécifique, dans le but d'évaluer la stabilité à long terme des charges froides qui ont été déve loppées. La conception de ce radiomètre a été articulée autour de deux points critiques : limiter les variations de gain du système pour accroitre sa stabilité et obtenir une très bonne sensibilité. Pour cela, les choix technologiques et techniques ainsi que les performances du système sont détaillées. Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de stabilité à long terme des ACLs qui ont été réalisées. Celles-ci sont très stables sur le court-terme, et présentent des caractéristiques intéressantes sur le long terme. Les différences concernant les comportements et les performances des deux circuits sont abordées.

La connaissance du flux UltraViolet (UV) solaire et de sa variabilité dans le temps est un problème clé aussi bien dans le domaine de l'aéronomie qu'en physique solaire. Alors que l'extrême UV, entre 10 et 121 nm, est important pour la caractérisation de l'ionosphère, l'UV entre 121 et 300 nm l'est tout autant pour les modélisations climatiques. La mesure continue de l'irradiance dans l'UV est cependant une tâche ardue. En effet, les instruments spatiaux étant dans un environnement hostile se dégradent rapidement. De nombreux modèles basés sur des indices solaires sont alors utilisées lorsque peu de données sont disponibles. Pourtant, l'utilisation de ces indices ne permet pas d'atteindre aujourd'hui une précision suffisante pour les différentes applications en météorologie de l'espace. Comme alternative, ce travail de thèse met en avant l'utilisation de bandes passantes pour reconstruire l'irradiance solaire dans l'UV. En utilisant des méthodes d'analyse statistique multivariée, ce travail met tout d'abord en évidence la forte cohérence de la variabilité spectrale de l'irradiance dans l'UV, ainsi que ses principales caractéristiques. Une première étape consiste à utiliser des bandes passantes existantes afin de tester la faisabilité de notre approche: le flux UV peut ainsi être reconstruit avec une erreur relative d'environ 20%, une bien meilleure performance qu'avec l'utilisation d'indices solaires. Ce travail propose ensuite plusieurs choix pour définir un futur instrument d'un genre nouveau. Afin de limiter les problèmes de dégradation liés à l'utilisation de filtres, les nouveaux détecteurs à matériaux à large bande interdite permettent de sélectionner la bande spectrale, notamment pour l'UV à partir de 120 nm. Enfin, une modélisation de l'impact du flux UV solaire sur l'atmosphère de Ganymède est exposée. Les émissions atmosphériques pour quelques espèces sont alors calculées, afin de proposer quelques recommandations pour les futures missions pour Jupiter.

Les systèmes d’imagerie microonde suscitent un grand intérêt actuellement dans le domaine de la recherche, notamment pour des applications de sécurité (scanners corporels, vision à travers les murs, etc). Plusieurs techniques d’acquisition déjà existantes permettent d’optimiser l’ouverture rayonnante afin de garantir une bonne résolution sur l’image finale. Cependant, le verrou actuel des systèmes d’imagerie est de pouvoir atteindre un temps de rafraîchissement temps réel et d’adresser un grand nombre d’antennes. La majorité des systèmes actuels peinent à concilier la rapidité et la résolution, tout en garantissant une bonne sensibilité. Les travaux réalisés dans ce manuscrit visent à proposer une alternative aux systèmes existants en se basant sur des techniques de codage analogique des signaux d’antennes. Globalement, l’objectif est de minimiser le nombre de récepteurs sans affecter les performances. Les architectures proposées sont essentiellement basées sur le concept du Radar MIMO (pour les systèmes actifs) et du radiomètre à synthèse d’ouverture interférométrique ou SAIR (pour les systèmes passifs). Ces deux systèmes permettent de réduire considérablement le nombre d’antennes sans affecter la résolution de l’image, ce qui permet une première levée de contraintes. En sus, des composants compressifs entièrement passifs sont utilisés pour réduire le nombre de récepteurs des systèmes Radar MIMO et SAIR. Ces composants à diversité spatiale et fréquentielle présentent des fonctions de transfert orthogonales. Utilisés en émission, ils permettent un adressage simultané et indépendant des antennes du réseau. En réception, ils permettent de coder les signaux reçus par les antennes vers un nombre de voies RF considérablement réduit. En appliquant des techniques de décodage appropriées, les signaux reçus par chacune des antennes peuvent être estimées afin d’appliquer les algorithmes dédiés à la reconstruction de l’image. Ces composants offrent l’avantage de réduire fortement le nombre de voies RF tout en conservant la même ouverture rayonnante et en autorisant une acquisition simultanée des signaux. Des démonstrateurs laboratoires ont été réalisés en bande S afin de montrer une preuve de faisabilité des alternatives proposées. Enfin, les résultats obtenus ont fait l'objet d'une demande de brevet et un prototype d'imageur radiométrique à ondes millimétriques est en cours de prototypage dans le cadre du projet ANR-PIXEL. / Microwave imaging systems are currently attracting great attention in the field of research, especially for security applications (body scanners, vision through walls, etc.). Several acquisition techniques already exist to optimize the antenna aperture in order to guarantee a good resolution on the final image. However, the current lock of imaging systems is to be able to achieve a real-time acquisition and address numerous antennas. Most of the current systems struggle to reconcile fast imaging and resolution while ensuring good sensitivity. The work carried out in this manuscript aims at proposing an alternative to the existing systems based on analog coding techniques of the antenna signals. Overall, the goal is to minimize the number of receivers without affecting performances. The proposed architectures are based essentially on the concept of the MIMO radar (for active systems) and the Synthetic Aperture Interferometric Radiometer or SAIR (for passive systems). These two systems allow a significant reduction of the number of antennas without affecting the resolution of the image, thus enabling a first lifting of constraints. In addition, passive compressive components are used to reduce the number of receivers in the MIMO Radar and the SAIR systems. These components with spatial and frequency diversity exhibit orthogonal transfer functions. Used in transmission, they allow simultaneous and independent addressing of each element of the antenna array. In reception, they allow the signals received by the antennas to be coded into a considerably reduced number of aggregate waveforms. By applying suitable decoding techniques, the signals received by each antenna can be estimated in order to apply imaging algorithms. These components offer the advantage of greatly reducing the number of RF channels while keeping the same number of antennas and allowing simultaneous acquisition of the signals. Laboratory demonstrators were carried out in S-band to demonstrate the feasibility of the proposed alternatives. Finally, the results obtained were the subject of a patent application and a prototype of a millimeter-wave radiometric imager is being developed in the framework of the ANR-PIXEL project.

Les systèmes de communications sans fil ne cessent de se multiplier pour devenir incontournables de nos jours. Cette croissance cause une augmentation de la demande des ressources spectrales, qui sont devenues de plus en plus rares. Afin de résoudre ce problème de pénurie de fréquences, Joseph Mitola III, en 2000, a introduit l'idée de l'allocation dynamique du spectre. Il définit ainsi le terme « Cognitive Radio » (Radio Intelligente), qui est largement pressenti pour être le prochain Big Bang dans les futures communications sans fil [1]. Dans le cadre de ce travail on s'intéresse à la problématique du spectrum sensing qui est la détection de présence des Utilisateurs Primaires dans un spectre sous licence, dans le contexte de la radio intelligente. L'objectif de ce travail est de proposer des méthodes de détection efficaces à faible complexité et/ou à faible temps d'observation et ceci en utilisant le minimum d'information a priori sur le signal à détecter. Dans la première partie on traite le problème de détection d'un signal aléatoire dans le bruit. Deux grandes méthodes de détection sont utilisées : la détection d'énergie ou radiomètre et la détection cyclostationnaire. Dans notre contexte, ces méthodes sont plus complémentaires que concurrentes. Nous proposons une architecture hybride de détection des bandes libres, qui combine la simplicité du radiomètre et la robustesse des détecteurs cyclostationnaires. Deux méthodes de détection sont proposées qui se basent sur cette même architecture. Grâce au caractère adaptatif de l'architecture, la détection évolue au cours du temps pour tendre vers la complexité du détecteur d'énergie avec des performances proches du détecteur cyclostationnaire ou du radiomètre selon la méthode utilisée et l'environnement de travail. Dans un second temps on exploite la propriété parcimonieuse de la Fonction d'Autocorrelation Cyclique (FAC) pour proposer un nouvel estimateur aveugle qui se base sur le compressed sensing afin d'estimer le Vecteur d'Autocorrelation Cyclique (VAC), qui est un vecteur particulier de la Fonction d'Autocorrelation Cyclique pour un délai fixe. On montre par simulation que ce nouvel estimateur donne de meilleures performances que celles obtenues avec l'estimateur classique, qui est non aveugle et ceci dans les mêmes conditions et en utilisant le même nombre d'échantillons. On utilise l'estimateur proposé, pour proposer deux détecteurs aveugles utilisant moins d'échantillons que nécessite le détecteur temporel de second ordre de [2] qui se base sur l'estimateur classique de la FAC. Le premier détecteur exploite uniquement la propriété de parcimonie du VAC tandis que le second détecteur exploite en plus de la parcimonie la propriété de symétrie du VAC, lui permettant ainsi d'obtenir de meilleures performances. Ces deux détecteurs outre qu'ils sont aveugles sont plus performants que le détecteur non aveugle de [2] dans le cas d'un faible nombre d'échantillons. / The wireless communications systems continue to grow and has become very essential nowadays. This growth causes an increase in the demand of spectrum resources, which have become more and more scarce. To solve this problem of spectrum scarcity, Joseph Mitola III, in the year 2000, introduced the idea of dynamic spectrum allocation. Mitola defines the term “Cognitive Radio”, which is widely expected to be the next Big Bang in wireless communications [1]. In this work we focus on the problem of spectrum sensing which is the detection of the presence of primary users in licensed spectrum, in the context of cognitive radio. The objective of this work is to propose effective detection methods at low-complexity and/or using short observation time, using minimal a priori information about the signal to be detected. In the first part of this work we deal with the problem of detecting a random signal in noise. Two main methods of detection are used: energy detection or radiometer and cyclostationary detection. In our context, these methods are more complementary than competitive. We propose a hybrid architecture for detecting free bands, which combines the simplicity of the radiometer and the robustness of the cyclostationary detection. Two detection methods are proposed that are based on this same hybrid architecture. Thanks to the adaptive nature of the architecture, the complexity of the detector decreases over time to tend to the one of an energy detector with close performance to the cyclostationary detector or to the performance of a radiometer, depending on the used method and on the working environment. In the second part of this work we exploit the sparse property of the Cyclic Autocorrelation Function (CAF) to propose a new blind estimator based on compressed sensing that estimates the Cyclic Autocorrelation Vector (CAV) which is a particular vector of the CAF for a given lag. It is shown by simulation that this new estimator gives better performances than those obtained with the classical estimator, which is non-blind, under the same conditions and using the same number of samples. Using the new estimator, we propose two blind detectors that require fewer samples than the second order time domain detector of [2] which is based on the classical estimator of the CAF. The first detector uses only the sparse property of the CAV while the second detector exploits the symmetry property of the CAV in addition to its sparse property, resulting in better performances. Both detectors, although they are blind, are more efficient than the non-blind detector of [2] in the case of a small number of samples.