Mémoire (M.Sc.A.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1991. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Les mesures de télédétection (MT) dépendent de l'interaction du rayonnement avec les paysages terrestres et l'atmosphère ainsi que des configurations instrumentales (bande spectrale, résolution spatiale, champ de vue: FOV,...) et expérimentales (structure et propriétés optiques du paysage et atmosphère,...). L'évolution rapide des techniques de télédétection requiert des outils appropriés pour valider leurs principes et améliorer l'emploi des MT. Les modèles de transfert radiatif (RTM) simulent des quantités (fonctions de distribution de la réflectance (BRDF) et température (BTDF), forme d'onde LiDAR, etc.) plus ou moins proches des MT. Ils constituent l'outil de référence pour simuler les MT, pour diverses applications : préparation et validation des systèmes d'observation, inversion de MT,... DART (Discrete Anisotropic Radiative Transfer) est reconnu comme le RTM le plus complet et efficace. J'ai encore nettement amélioré son réalisme via les travaux de modélisation indiqués ci-dessous. 1. Discrétisation de l'espace des directions de propagation des rayons. DART simule la propagation des rayons dans les paysages terrestres et l'atmosphère selon des directions discrètes. Les méthodes classiques définissent mal le centroïde et forme des angles solides de ces directions, si bien que le principe de conservation de l'énergie n'est pas vérifié et que l'obtention de résultats précis exige un grand nombre de directions. Pour résoudre ce problème, j'ai conçu une méthode originale qui crée des directions discrètes de formes définies. 2. Simulation d'images de spectroradiomètre avec FOV fini (caméra, pushbroom,...). Les RTMs sont de type "pixel" ou "image". Un modèle "pixel" calcule une quantité unique (BRDF, BTDF) de toute la scène simulée via sa description globale (indice foliaire, fraction d'ombre,...). Un modèle "image" donne une distribution spatiale de quantités (BRDF,...) par projection orthographique des rayons sur un plan image. Tous les RTMs supposent une acquisition monodirectionnelle (FOV nul), ce qui peut être très imprécis. Pour pouvoir simuler des capteurs à FOV fini (caméra, pushbroom,...), j'ai conçu un modèle original de suivi de rayons convergents avec projection perspective. 3. Simulation de données LiDAR. Beaucoup de RTMs simulent le signal LiDAR de manière rapide mais imprécise (paysage très simplifié, pas de diffusions multiples,...) ou de manière précis mais avec de très grands temps de calcul (e.g., modèles Monte-Carlo: MC). DART emploie une méthode "quasi-MC" originale, à la fois précise et rapide, adaptée à toute configuration instrumentale (altitude de la plateforme, attitude du LiDAR, taille de l'empreinte,...). Les acquisitions multi-impulsions LiDAR (satellite, avion, terrestre) sont simulées pour toute configuration (position du LiDAR, trajectoire de la plateforme,...). Elles sont converties dans un format industriel pour être traitées par des logiciels dédiés. Un post-traitement convertit les formes d'onde LiDAR simulées en données LiDAR de comptage de photons. 4. Bruit solaire et fusion de données LiDAR et d'images de spectroradiomètre. DART peut combiner des simulations de LiDAR multi-impulsions et d'image de spectro-radiomètre (capteur hyperspectral,...). C'est une configuration à 2 sources (soleil, laser LiDAR) et 1 capteur (télescope du LiDAR). Les régions mesurées par le LiDAR, dans le plan image du sol, sont segmentées dans l'image du spectro-radiomètre, elle aussi projetée sur le plan image du sol. Deux applications sont présentées : bruit solaire dans le signal LiDAR, et fusion de données LiDAR et d'images de spectro-radiomètre. Des configurations d'acquisition (trajectoire de plateforme, angle de vue par pixel du spectro-radiomètre et par impulsion LiDAR) peuvent être importées pour encore améliorer le réalisme des MT simulées, De plus, j'ai introduit la parallélisation multi-thread, ce qui accélère beaucoup les calculs / Remote Sensing (RS) data depend on radiation interaction in Earth landscapes and atmosphere, and also on instrumental (spectral band, spatial resolution, field of view (FOV),...) and experimental (landscape/atmosphere architecture and optical properties,...) conditions. Fast developments in RS techniques require appropriate tools for validating their working principles and improving RS operational use. Radiative Transfer Models (RTM) simulate quantities (bidirectional reflectance; BRDF, directional brightness temperature: BTDF, LiDAR waveform...) that aim to approximate actual RS data. Hence, they are celebrated tools to simulate RS data for many applications: preparation and validation of RS systems, inversion of RS data... Discrete Anisotropic Radiative Transfer (DART) model is recognized as the most complete and efficient RTM. During my PhD work, I further improved its modeling in terms of accuracy and functionalities through the modeling work mentioned below. 1. Discretizing the space of radiation propagation directions.DART simulates radiation propagation along a finite number of directions in Earth/atmosphere scenes. Classical methods do not define accurately the solid angle centroids and geometric shapes of these directions, which results in non-conservative energy or imprecise modeling if few directions are used. I solved this problem by developing a novel method that creates discrete directions with well-defined shapes. 2. Simulating images of spectroradiometers with finite FOV.Existing RTMs are pixel- or image-level models. Pixel-level models use abstract landscape (scene) description (leaf area index, overall fraction of shadows,...) to calculate quantities (BRDF, BTDF,...) for the whole scene. Image-level models generate scene radiance, BRDF or BTDF images, with orthographic projection of rays that exit the scene onto an image plane. All models neglect the multi-directional acquisition in the sensor finite FOV, which is unrealistic. Hence, I implemented a sensor-level model, called converging tracking and perspective projection (CTPP), to simulate camera and cross-track sensor images, by coupling DART with classical perspective and parallel-perspective projection. 3. Simulating LiDAR data.Many RTMs simulate LiDAR waveform, but results are inaccurate (abstract scene description, account of first-order scattering only...) or require tremendous computation time for obtaining accurate results (e.g., Monte-Carlo (MC) models). With a novel quasi-MC method, DART can provide accurate results with fast processing speed, for any instrumental configuration (platform altitude, LiDAR orientation, footprint size...). It simulates satellite, airborne and terrestrial multi-pulse laser data for realistic configurations (LiDAR position, platform trajectory, scan angle range...). These data can be converted into industrial LiDAR format for being processed by LiDAR processing software. A post-processing method converts LiDAR waveform into photon counting LiDAR data, through modeling single photon detector acquisition. 4. In-flight Fusion of LiDAR and imaging spectroscopy.DART can combine multi-pulse LiDAR and cross-track imaging spectroscopy (hyperspectral sensor...). It is a 2 sources (sun, LiDAR laser) and 1 sensor (LiDAR telescope) system. First, a LiDAR multi-pulse acquisition and a sun-induced spectro-radiometer radiance image are simulated. Then, the LiDAR FOV regions projected onto the ground image plane are segmented in the spectro-radiometer image, which is also projected on the ground image plane. I applied it to simulate solar noise in LiDAR signal, and to the fusion of LiDAR data and spectro-radiometer images. To further improve accuracy when simulating actual LiDAR and spectro-radiometer, DART can also import actual acquisition configuration (platform trajectory, view angle per spectro-radiometer pixel / LiDAR pulse). Moreover, I introduced multi-thread parallelization, which greatly accelerates DART simulations

La nouvelle fenêtre spectroscopique dans le sub-millimétrique, ouverte par l’avènement del’observatoire spatial Herschel, a permis la détection d’espèces azotées simples, les hydruresd’azote NH, NH2 et NH3, dans les enveloppes froides de proto-étoiles. Ces enveloppes sontconstituées de gaz dense et froid caractéristique des conditions physico-chimiques des nuagesmoléculaires. L’observation d’hydrures d’azote dans de tels environnements a donc permis d’apporterde nouvelles contraintes sur la chimie interstellaire de ces nuages, et nous a donné enparticulier l’occasion de ré-explorer la chimie de l’azote.L’objectif de mon travail de thèse a été d’analyser en détail cette chimie interstellaire etprincipalement la formation en phase gazeuse d’espèces polyatomiques simples : les hydruresd’azote. Dans des conditions de gaz dense et froid (n = 104 cm−3, T = 10 K), la chimie de cesderniers est initiée par une chimie lente (la conversion de N en N2 par réactions neutre-neutre),contrairement à celles de ses analogues oxygénés et carbonés. Nous nous sommes particulièrementintéressés à cette étape de la chimie de l’azote, au vu des récents travaux théoriqueset expérimentaux menés par plusieurs équipes d’experts (Bordeaux, Besançon). De plus, lesrécents travaux concernant la conversion ortho-para de l’hydrogène moléculaire et les nouveauxcalculs de rapports de branchement de spins nucléaires pour les voies de production des hydruresd’azote dans leurs configurations ortho et para, menés à l’IPAG, nous ont permis d’entreprendrele calcul auto-cohérent des différentes symétries de spin des hydrures d’azote et de l’hydrogènemoléculaire. Nous avons ainsi pu développer un nouveau réseau chimique de l’azote, bénéficiantdes taux cinétiques les plus à jour pour les réactions critiques impliquées dans la chimie deshydrures d’azote.Ce nouveau réseau est utilisé pour modéliser l’évolution temporelle des abondances desespèces azotées dans des conditions de gaz dense et froid ( 103 < n < 106 cm−3, T ≤ 50 K).Les résultats à l’état stationnaire sont comparés aux observations de NH, NH2 et NH3, dans lesenveloppes froides de proto-étoiles de faible masse, en étudiant l’influence des abondances totalesen phase gazeuse du carbone, de l’oxygène et du soufre. Nos modèles chimiques reproduisent lesabondances des hydrures d’azote observés et leurs rapports pour un rapport C/O élementaire, enphase gazeuse, de ∼ 0.8 et à condition que l’abondance totale de soufre soit déplétée d’au moinsun facteur 2. Les rapports ortho/para prédits par nos modèles, pour NH2 et NH3, respectivement∼ 2.3 et ∼ 0.7, sont compatibles avec les observations de ces derniers dans des nuages diffusfroids. Les abondances des hydrures d’azote, dans des conditions de nuages sombres, sont donccohérentes avec une synthèse purement en phase gazeuse. De plus, nos résultats soulignent lefait que NH provient d’une voie de formation différente de celle de NH2 et NH3. NH vient de larecombinaison dissociative de N2H+ alors que la formation de NH2 et NH3 est principalementdue à la recombinaison dissociative de l’ion ammonium (NH+4 ), lui même molécule fille deN+. Ainsi, NH2 et NH3 procèdent de l’échange de charge dissociatif N2 + He+, tandis que NHprovient de la réaction N2 + H+3 . / The new spectroscopic window opened by the advent of the Herschel Space Observatory,has enabled the detection of simple nitrogen species, the nitrogen hydrides NH, NH2, and NH3,in the cold envelope of protostars. These envelopes are made of dense cold gas characteristicof the physico-chemical conditions of molecular clouds. The observation of nitrogen hydrides insuch environments has brought new constraints on the interstellar chemistry of these kind ofclouds, and gives, in particular, the opportunity to revisit the chemistry of nitrogen.The aim of my thesis was to comprehensively analyse the interstellar chemistry of nitrogen,focussing on the gas-phase formation of the simplest polyatomic species, namely nitrogen hydrides.Under dense, cold gas conditions (n = 104 cm−3, T = 10 K), the chemistry of theselatter is initiated by a slow chemistry (the conversion from N to N2 with neutral-neutral reactions),in contrast to their carbonated and oxygenated analogues. We have investigated andrevisited this specific part of the nitrogen chemistry in the light of recent theoretical and experimentalwork carried out by several expert teams (Bordeaux, Besançon). In addition, recentwork about the ortho-para conversion of molecular hydrogen and new calculations of nuclearspin branching ratios for the production pathways of nitrogen hydrides in their ortho and paraconfigurations conducted at IPAG, enabled us to treat self-consistently the different spin symmetriesof the nitrogen hydrides together with the ortho and para forms of molecular hydrogen.We were able to develop a new network of chemical nitrogen in which the kinetic rates of criticalreactions involved in the nitrogen chemistry have been updated.This new network is used to model the time evolution of the nitrogen species abundancesin dense cold gas conditions (T ≤ 50 K, 103 < n < 106 cm−3). The steady-state resultsare compared to observations of NH, NH2 and NH3 towards a sample of low-mass protostars,with a special emphasis on the influence of the overall amounts of gaseous carbon, oxygen, andsulphur. Our chemical models reproduced the nitrogen hydrides abundances and their ratios fora gas-phase elemental C/O ratio of ∼ 0.8, provided that the total amount of sulphur is depletedby at least a factor of two. Our predicted ortho-to-para ratios for NH2 and NH3, ∼ 2.3 and∼ 0.7 respectively, are in good agreement with the observations towards cold diffuse clouds.Then, in dark gas conditions, the nitrogen hydride abundances are consistent with a pure gasphasesynthesis. Moreover, our results are based on the fact that NH is coming from a differentpathway than NH2 and NH3. NH is the daughter molecule of N2H+, deriving from the reactionN2+H+3 , while NH2 and NH3 proceed from NH+4 , itself daughter molecule of N+, resulting fromthe dissociative charge exchange N2 + He+.

Les observations météorologiques depuis les satellites dans le domaine des micro-ondes sont actuellement limitées à 190 GHz. La prochaine génération de satellites météorologiques opérationnels européens (EUMETSAT Polar System-Second Generation-EPS-SG), em- portera un instrument, le Ice Cloud Imager (ICI), avec des fréquences sub-millimétriques jusqu’à 664 GHz, afin d’améliorer la caractérisation globale des nuages de glace. Pour préparer l’exploitation de ces nouvelles données, durant cette thèse, des travaux ont été effectués sur quatre axes complémentaires. Des simulations réalistes de transfert radiatif ont été réalisées de 19 à 700 GHz, pour des scènes météorologiques réelles, couvrant une grande variabilité des nuages en Europe. L’objectif était double : premièrement mieux comprendre la sensibilité des ondes millimétriques et sub-millimétriques à la phase glacée des nuages, deuxièmement créer une base de données robuste pour développer une méthode d’inversion statistique des caractéristiques des nuages de glace. Un code de transfert radiatif atmosphérique (Atmospheric Radiative Transfer Simulator ARTS) a été couplé avec des profils atmosphériques simulés par un modèle méso-échelle de nuage (Weather Research and Forecasting WRF), pour douze scènes européennes aux moyennes latitudes. Les propriétés de diffusion des hydrométéores (glace, neige, graupel, pluie et eau dans le nuage) ont été soigneusement sélectionnées, en particulier pour la phase glace, et la compatibilité avec la microphysique de WRF a été testée : le Discrete-Dipole approximation (DDA) est adopté pour calculer les propriétés diffusantes des particules de neige. Les simulations obtenues ont été systématiquement comparées avec des observations satellitaires coïncidentes d’imageurs et de sondeurs jusqu’à 200 GHz. L’accord entre les simulations et les observations montre la bonne qualité de la base de données, au moins jusqu’à 200 GHz... / The meteorological observations from satellites in the microwave domain are currently limited to 190 GHz. The next generation of European operational Meteorological Satellite (EUMETSAT Polar System-Second Generation-EPS-SG) will carry an instrument, the Ice Cloud Imager (ICI), with frequencies up to 664 GHz, to provide unprecedented measurements in the sub-millimeter spectral range, aiming to improve the characterization of ice clouds over the globe. To prepare this upcoming satellite-borne sub-millimeter imager, during this thesis, scientific efforts have been made on four complementary aspects. Realistic radiative transfer simulations have been performed from 19 to 700 GHz, for real meteorological scenes, covering a large variability of clouds in Europe. The goal was two fold, first to better understand the sensitivity of the microwave to sub-millimeter waves to the cloud frozen phases, and second, to create a robust training database for a statistical cloud parameter retrieval. The Atmospheric Radiative Transfer Simulator (ARTS) is coupled with atmospheric profiles from the Weather Research and Forecasting (WRF) model, for twelve diverse European mid-latitude scenes. The single scattering properties of the hydrometeors (cloud ice, snow, graupel, rain, and cloud water) are carefully selected, especially for the frozen phases, and compatibility with the micro- physics in WRF is tested: the Discrete-Dipole Approximation (DDA) is adopted for snow particles. The resulting simulations have been systematically compared with coincident satellite observations from imagers and sounders up to 200 GHz. The agreement between simulations and observations shows the good quality of the simulated training database, at least up to 200 GHz...

Nous cherchons à mettre en évidence l'influence des hétérogénéités de température, de structure ou de composition des atmosphères sur leurs observations. Dans le années à venir, de plus en plus d'appareils vont permettre l'observation par transmission des atmosphères d'exoplanètes. Toutefois, les outils numériques permettant de contraindre ces dernières reposent sur des modèles simples à une dimension. Ils supposent en effet des atmosphères ne possédant qu'une structure verticale (le climat est le même en tout point de la surface, la composition ou la température n'évolue qu'avec l'altitude). Cette approche a le mérite de permettre des calculs rapides et de contraindre les paramètres globaux de l'atmosphère avec des temps raisonnables. Ceci ne serait pas possible en l'état avec une modélisation en 3 dimensions des atmosphères, même si ce serait beaucoup plus réaliste. Ce que nous cherchons à mettre en évidence, ce sont les limites des techniques actuelles d'inversion et donc, de caractérisation des atmosphères qui seront observées. Pour cela, il fallait mettre au point un logiciel capable de résoudre le transfert radiatif au sein d'une atmosphère en 3 dimensions (et non plus 1 seul). Une fois le logiciel terminé, nous avons éprouvé l'algorithme de traitement du signal TauREx en comparant les résultats qu'il proposait à des simulations atmosphériques parfaitement contrôlées. Nous nous sommes tout principalement arrêté sur les biais découlant d'hétérogénéités de température en simulant des atmosphères avec un fort contraste jour/nuit. Ceci nous a permis de caractériser les biais découlant de ces types d'hétérogénéités, de les quantifier et de mettre l'accent sur un biais jusqu'ici très sous-estimé par la communauté, à savoir celui découlant des hétérogénéités le long de la ligne de visée. Nous avons appuyé nos propos et concentré nos efforts sur l'interprétation de l'inversion d'une simulation complexe de l'atmosphère de GJ 1214 b. La reconstitution de la chaine observationnelle : GCM (LMD), Pytmosph3R (LAB) et TauREx (UCL) ouvre les portes d'un vaste panel d'études envisageables, et notamment tout ce qui va concerner l'identification et la caractérisation des biais systématiques qui incomberont les observations à venir. / Transmission spectroscopy provides us with information on the atmospheric properties at the limb, which is often intuitively assumed to be a narrow annulus aound ther planet. Consequently, the few recent studies on the effect of atmospheric horizontal heterogeneities on transmission spectra have used approaches sensitive to variations along the limb only. Here we demonstrate that the region probed in transmission – the limb – actually extends significantly toward the day and night sides of the planet. Consequently we show that thestrong day-night thermal and compositional gradients expected on synchronous exoplanets create sufficient heterogeneities across the limb to result in important systematic effects on the spectrum and bias its interpretation. To quantify these effects, we developed a 3D radiative transfer model able to generate transmission spectra of atmospheres based on 3D atmospheric structures, whether they come from a Global Climate Model or more parametrized models. We first apply this tool to a simulation of the atmosphere of GJ 1214 b toproduce synethic JWST observations and show that producing a spectrum using only atmospheric columns at the terminator results in errors greater than expected noise. This demonstrates the necessity of a real 3D approach to model data for such precise observatories.Second, we investigate how day-night temperature gradients cause a systematic bias in retrieval analysis performed with 1D forward models. For that purpose we synthesize a large set of forward spectra for prototypical HD209458 b and GJ 1214 b type planets varying the temperatures of the day and night sides as well as the width of the transition region. We then perform typical retrievalanalyses and compare the retrieved parameters to the ground truth of the input model. This study reveals systematic biases on the retrieved temperature (found to be higher than the terminator temperature) and absorber abundances. This is due to the fact that the hotter dayside is more extended vertically and screens the nightside—a result of the nonlinear properties of atmospheric transmission.These biases will be difficult to detect as the 1D profiles used in the retrieval procedure are found to provide an excellent match to theobserved spectra based on standard fitting criteria (chi2, posterior distributions). This fact needs to be kept in mind when interpretingcurrent and future data.

L’imagerie moléculaire occupe une place majeure dans le domaine de la recherche préclinique. Parmi les modalités existantes, les techniques optiques fondées sur la détection d’un rayonnement visible ou proche infrarouge sont les plus récentes et sont principalement représentées par les méthodes de tomographie optique de luminescence. Ces méthodes permettent une caractérisation 3D d’un milieu biologique par la reconstruction de cartes de concentration ou la localisation de marqueurs luminescents sensibles à des processus biologiques et chimiques se déroulant à l’échelle de la cellule ou de la molécule. La tomographie de luminescence se fonde sur un modèle de propagation de la lumière dans les tissus, un protocole d’acquisition du signal en surface du milieu et une procédure numérique d’inversion de ces mesures afin de reconstruire les paramètres d’intérêts. Ce travail de thèse s’articule donc autour de ces trois axes et apporte un élément de réponse à chacun des problèmes. L’objectif principal de cette étude est d’introduire et de présenter des outils d’évaluation des performances théoriques d’une méthode de tomographie optique. L’un des aboutissements majeurs est la réalisation de reconstructions tomographiques expérimentales à partir d’images acquises par un imageur optique conçu pour l’imagerie planaire 2D et développé par la société Quidd. Dans un premier temps nous abordons la théorie du transport en milieu diffusant afin de poser les concepts et outils sur lesquels vont s’appuyer l’ensemble des travaux. Nous présentons particulièrement deux modèles de propagation différents ainsi que les méthodes de résolution et les difficultés théoriques qui leur sont liées. Dans une deuxième partie nous introduisons les outils statistiques utilisés pour caractériser les systèmes tomographiques et leur résolution potentielle. Nous définissons une procédure et nous l’appliquons à l’étude de quelques situations simples en tomographie de luminescence. La dernière partie de ce travail présente la mise au point d’une procédure d’inversion. Après avoir présenté le cadre théorique dans lequel cette procédure s’inscrit nous la validons à partir de données numériques avant de l’appliquer avec succès à des mesures expérimentales. / Molecular imaging is a major modality in the field of preclinical research. Among the existing methods, techniques based on optical detection of visible or near infrared radiation are the most recent and are mainly represented by luminescence optical tomography techniques. These methods allow for 3D characterization of a biological medium by reconstructing maps of concentration or localisation of luminescent beacons sensitive to biological and chemical processes at the molecular or cellular scale. Luminescence optical tomography is based on a model of light propagation in tissues, a protocol for acquiring surface signal and a numerical inversion procedure used to reconstruct the parameters of interest. This thesis is structured around these three axes and provides an answer to each problem. The main objective of this study is to introduce and present the tools to evaluate the theoretical performances of optical tomography methods. One of its major outcomes is the realisation of experimental tomographic reconstructions from images acquired by an optical imager designed for 2D planar imaging and developed by the company Quidd. In a first step we develop the theory of transport in scattering medium to establish the concept on which our work will rely. We present two different propagation models as well as resolution methods and theoretical difficulties associated with them. In a second part we introduce the statistical tools used to characterise tomographic systems. We define and apply a procedure to simple situations in luminescence optical tomography. The last part of this work presents the development of an inversion procedure. After introducing the theoretical frameworkwe validate the procedure fromnumerical data before successfully applying it to experimentalmeasurements.

La génération actuelle des sondeurs infrarouges avancés constitue l’une des sources les plus importantes d’observation dans les systèmes d’assimilation de données dans les modèles de la Prévision Numérique du Temps (PNT). Cependant la richesse d’informations fournies par ce type de capteur avec son grand nombre de canaux et sa couverture globale est loin d’être complètement exploitée. La présence de nuages dans le champ de vision de l’instrument, qui affecte la majorité des observations, est l’une des raisons pour lesquelles les centres de PNT rejettent une grande quantité des observations des sondeurs. Les centres de PNT ont cependant commencé à assimiler au-dessus des océans les radiances affectées par les nuages en utilisant des canaux dont les effets radiatifs nuageux sont modélisés par un modèle de nuage simple. Certains de ces algorithmes de détection sont évalués dans ce manuscrit, et leurs limitations sont explicitées. Afin d’accroître la quantité de données assimilées, il est nécessaire de mieux représenter les nuages et leurs effets radiatifs. Depuis quelques années, des études ont été menées pour mieux représenter leurs effets dans les modèles de transfert radiatif ([Faijan et al., 2012] ; [Martinet et al., 2013]) ; et utiliser dans l’assimilation de nouveaux canaux infrarouges informatifs sur les hydrométéores nuageux. ([Martinet et al., 2014]). Cette thèse se concentre principalement sur ces méthodes de détection de scènes homogènes en consacrant sa majeur partie à l’établissement, l’évaluation et l’amélioration d’algorithme de détection de scènes homogènes en se basant sur la colocalistion d’observation avec d’autres sondeurs. Ces études sont rendus possibles par la prise en compte des champs d’hydrométéores fournis par les schémas convectifs du modèle ARPEGE en entrée du modèle de transfert radiatif nuageux RTTOV-CLD. Une partie validation des simulations est opérée dans cette thèse, en comparant l’apport les forces et faiblesses du schéma convectif en opérationnel ainsi que PCMT. Par la suite, différents tests, ou critères, de détection sont proposés, et en réalisant des expériences d’assimilation et en évaluant l’impact de ces ces critères de sélection proposés sur la qualité des prévisions à longues échéances, un des tests parmi ceux proposés se démarque des autres en conservant une quantité importante d’observation ciel clair et démontre des impacts neutres à légèrement positifs sur les prévisions. Les nouvelles méthodes de sélection de scènes homogènes proposées dans cette études permettent d’envisager une amélioration significative du contrôle de qualité des observation IASI en ciel clair. Cela ouvre ainsi donc la voie à une utilisation, plus maîtrisée, des scènes nuageuses. Nous expliquons dans ce manuscrit pourquoi il serait imprudent de précéder à des assimilation de radiances infrarouge contaminées par la présence de nuages. Pour contourner cette difficulté, une technique d’assimilation en deux étapes déjà utilisé pour l’assimilation des réflectivité radar ([Wattrelot et al., 2014]) dans AROME est évaluée. Cette méthode basée sur l’inversion bayésienne a récemment été adaptée pour les observations microondes satellitaire ([Duruisseau et al., 2018]). Dans cette étude, nous explorons cette technique pour les observations IASI. Plusieurs tests de sensibilité sont effectués sur les différents paramètres de l’algorithme, avec pour objectif de préparer de futurs travaux sur l’assimilation all-sky infrarouges, explicités dans les perspectives de ce manuscrit. / The current generation of advanced infrared sounders is one of the most important sources of observations in data assimilation systems in numerical weather prediction (NWP) models. However, the total amount of information provided by this type of sensor, with its large number of channels and its global coverage, is far from being fully exploited. The presence of clouds in the instrument’s field of view, which affects the majority of observations, is one of the reasons why NWP centers reject a large amount of observations from sounders. NWP centers, however, have begun to assimilate cloud-affected radiances over the oceans using channels whose cloudy radiative effects are modeled by a simple cloud model. Some of these detection algorithms are evaluated in this manuscript, and their limitations are clarified. In order to increase the amount of assimilated data, it is necessary to better represent clouds and their radiative effects in the models. For several years, studies have been conducted to better represent their effects in radiative transfer models ([Faijan et al., 2012] ; [Martinet et al., 2013]) ; and to use new informative infrared channels of cloudy hydrometeors in the assimilation. [Martinet et al., 2014]. This thesis focuses on several approaches for the assimilation of cloudy radiances. In the first part, the characterization of the cloud parameters currently used for the assimilation of cloudy radiances was evaluated in the global and regional scale models. In addition, as part of the "all-sky" assimilation, which considers both clear and cloudy radiances, the evaluation and improvement of homogeneous scene detection algorithms based on the colocation of observations with other imagers was studied. These studies are made possible by taking into account the hydrometeorological fields provided by the convective schemes of the ARPEGE model as the input of the RTTOV-CLD cloud radiative transfer model. Part of this thesis concerns the validation of simulations, by comparing the contribution of the new convective PCMT scheme to the one used in operational applications. Subsequently, different criteria for selecting homogeneous scenes are proposed. By conducting assimilation experiments and evaluating the impact of these proposed selection criteria on the quality of long-term forecasts, one of the proposed tests stands out from the others by keeping a significant amount of clear sky observations and demonstrating neutral to slightly positive impacts on the forecasts. These new methods for selecting homogeneous scenes proposed in this study allows the consideration of improving the quality control of IASI observations in clear sky. To address the issue of all-sky radiance data assimilation, the two-step assimilation technique, already used for radar reflectivity assimilation in AROME ([Wattrelot et al., 2014]), was evaluated for IASI radiances in the ARPEGE model in a case study. This method based on Bayesian inversion has recently been adapted for satellite microwave observations ([Duruisseau et al., 2018]). Several sensitivity tests were carried out on the different parameters of the algorithm, with the objective of preparing for future work on infrared all-sky assimilation, as explained in the perspectives of this manuscript.

La comprehension des processus conduisant à la formation des étoiles est l'un des enjeux majeurs de l'astrophysique contemporaine. Au sein des nuages conduisant à la formation d'étoiles, les conditions de température, pression, etc... sont telles qu'il est impossible de les reproduire par l'expérience. C'est pourquoi la simulation numérique reste le seul moyen d'étudier les phénomènes physiques intervenant dans le processus de formation des étoiles et ainsi de vérifier la théorie. Ma thèse est axée autour des méthodes numériques utilisées dans le contexte de la formation d'étoiles, phénomène multi-échelles et hautement non-linéaire, nécessitant l'utilisation d'outils bien adaptés. Dans cette thèse autour de l'étude des premières phases de l'effondrement de coeurs denses préstellaires, mon travail s'est divisé en 4 parties liées. Dans une première étude, j'ai utilisé un code lagrangien 1D à symétrie sphérique (Audit et al. 2002) pour comparer plusieurs modèles traitant plus ou moins précisément le transfert radiatif et l'interaction matière-rayonnement. Cette comparaison est basée sur des calculs simples d'effondrement gravitationnel conduisant à la formation du premier coeur de Larson. J'ai aussi tiré bénéfice de ce premier travail pour étudier les propriétés du choc d'accrétion sur le premier coeur de Larson. Nous avons développé un modèle semi-analytique permettant de reproduire les propriétés de saut au choc en partant d'hypothèses bien connues. Ayant validé les méthodes utilisées précédemment, nous avons retenu l'approche de diffusion à flux limité que j'ai ensuite intégrée avec les équations de l'hydrodynamique radiative dans le code AMR RAMSES (Teyssier 2002). Après validation des schémas implémentés, nous avons utilisé RAMSES pour réaliser des effondrements multidimensionnels avec champ magnétique et transfert radiatif. Nous avons ainsi réalisé les premières simulations combinant les effets du champ magnétique et du transfert radiatif aux petites échelles avec une grande précision. Nos résultats montrent que le transfert radiatif à un impact significatif sur la fragmentation au cours de l'effondrement des coeurs denses préstellaires. Enfin, j'ai réalisé une comparaison du code RAMSES (approche eulérienne) et du code SPH DRAGON (Goodwin 2004, approche lagrangienne). Nous avons étudié l'impact de la résolution numérique sur la conservation du moment angulaire et la fragmentation. Nous avons montré qu'en utilisant des critères de résolution forts et bien supérieurs aux critères usuels de la littérature, les deux outils convergent et semblent donc bien adaptés à la formation d'étoiles.

Dans un premier temps, nous nous intéressons à la modélisation de la couleur de la peau. Cette dernière est une structure multicouche, chacune contenant des centres diffuseurs de différentes tailles. L'interaction lumière/matière dans un tel milieu est modélisée par l'équation de transfert radiatif, résolue par la méthode de la fonction auxiliaire. Les propriétés optiques des centres diffuseurs sont soient déterminées par la théorie de Mie, soient trouvées dans la littérature. Un modèle optique est développé et validé par des spectres de réflexion diffuse mesurés sur des peaux réelles. L'influence des paramètres physiologiques est ensuite étudiée. Enfin, le problème est inversé et ces paramètres physiologiques sont déterminés à partir d'un spectre mesuré. Dans un second temps, nous nous intéressons aux carnations dans les peintures de chevalet occidentales. Une étude bibliographique et expérimentale sur de vraies œuvres révèle des similitudes entre les carnations et la peau réelle. Il en ressort aussi que les pigments ont peu changé au cours des siècles, contrairement aux techniques picturales (caractérisées principalement par le liant). L'influence des liants sur l'aspect visuel des peintures, c'est-à-dire la brillance (diffusion de surface) et la couleur (diffusion de volume), est étudiée expérimentalement sur des échantillons, réalisés avec 5 liants et 4 pigments. On discrimine trois types de liants: les liants aqueux, la tempera à l'œuf et l'huile de carthame. La brillance vient principalement du taux d'évaporation du solvant des liants et la couleur provient principalement des indices de réfraction des liants. Ces conclusions peuvent être légèrement modifiées selon les pigments.

Ce travail est consacré à l'étude de la diffusion de la lumière dans les tissus biologiques, en vue du développement d'une méthode de biopsie optique pour la détection précoce du cancer des organes creux. D'un point de vue théorique nous avons développé un modèle permettant de rendre compte de la diffusion de la lumière dans un système multistratifié, hétérogène, diffusant, dont la géométrie est proche de celle des tissus biologiques. Ce modèle est basé sur la résolution de l'Equation de Transfert Radiatif Vectorielle (ETRV) par la méthode des Ordonnées Discrètes. Il permet de calculer la répartition angulaire et les variations spectrales de la lumière diffusée suivant différents états de polarisation. Nos simulations du processus de cancérisation à l'intérieur d'un tissu épithélial ont montré que l'on peut espérer distinguer un tissu sain d'un tissu cancéreux à partir de l'analyse de l'intensité et de l'état de polarisation de la lumière diffusée en fonction de sa direction de diffusion. L'élément morphologique discriminant étant le doublement de la taille du noyau des cellules, principal diffuseur de la lumière, dans le tissu dysplasique. D'un point de vue expérimental nous avons réalisé des mesures de diffusion de lumière sur des échantillons école (lait et intralipides) à l'aide d'un gonio-spectro-photomètre construit au laboratoire. Elles ont permis la validation de notre modèle. Dans la continuité de ces expériences nous avons étudié des tissus reconstitués dont les cellules présentaient des tailles de noyaux différentes et des peaux de souris dont l'une présentait vraisemblablement un début de tumeur. Les résultats de ces mesures sont en accord quantitatif (pour les tissus de culture) et qualitatif (pour les essais préliminaires sur la peau de souris) avec les prédictions du modèle. Ils sont encourageants pour poursuivre notre étude de la diffusion élastique de la lumière comme outil de diagnostic.