A partir des équations gouvernant le champ de vitesse, on peut non seulement s'attendre à un vent (fortement) non-gaussien, mais aussi à un vent présentant un comportement scalant. Par ‘scalant' ou invariant d'échelle, nous faisons référence à un comportement statistique auto-similaire particulier; les cascades de tourbillons. Les multifractales stochastiques (avec des singularités et des co-dimensions multiples) reproduisent facilement le comportement scalant et les distributions de probabilités à queues épaisses omniprésentes dans le vent et dont la quantification est essentielle pour la communauté. Les quelques paramètres qui définissent ces modèles peuvent être déduits soit de considérations théoriques, soit de l'analyse statistique de données. Nous avons constaté que les approximations de flux basées sur le module du cisaillement du vent donnent des moments statistiques non-scalants et donc des estimations faussées des paramètres multifractals. La méthode DSF n'exige pas cette approximation et garantit un comportement scalant sur une certaine gamme d'échelles. Nous n'avons trouvé aucune estimation véritablement stable d'alpha en utilisant des méthodes standards. Ceci n'arrive plus quand nous optimisons localement (par la différenciation fractionnaire) le comportement scalant du DTM. Nous obtenons alors des estimations très stables de l'indice de multifractalité qui sont en outre en accord (alpha ≤ 2) avec des résultats publiés. Au contraire, les deux autres paramètres (C1 et H) deviennent des fonctions non-linéaires de l'ordre q des moments statistiques. Ces résultats suggèrent que le modèle UM isotrope ne peut être utilisé pour reproduire le cisaillement de vent dans la couche de surface atmosphérique. Lesdites hypothèses sont examinées en utilisant un repère tournant pour analyser l'anisotropie de la vitesse horizontale dans la couche de surface atmosphérique. Cela permet de quantifier la dépendance angulaire de l'exposant de Hurst. Les valeurs de cet exposant restent tout de même conformes aux résultats précédemment publiés. Pour des échelles de temps supérieures à quelques secondes, les deux jeux de données présentent une anisotropie scalante forte, qui décroît avec l'altitude. Nous mettons en évidence une expression analytique de la variation angulaire de l'exposant de Hurst, reposant sur les corrélations entre les composantes horizontales. Ceci pilote la formation des extrêmes du cisaillement, y compris dans le sillage d'une éolienne. Les cisaillements turbulents du vent sont si extrêmes que leur loi de probabilité est une loi de puissance. L'exposant correspondant (qD) est similaire pour les deux sites à une hauteur de 50m (4 ≤ qD ≤ 5), malgré des conditions orographiques très différentes. Nous discutons aussi de ses conséquences en analysant la stabilité de la couche limite atmosphérique et proposons une nouvelle méthode pour sa classification. Enfin, nous démontrons analytiquement que l'anisotropie augmente la probabilité des extrêmes. Ce résultat met en lumière un des nombreux mécanismes de turbulence possibles dans la couche de surface qui peut apparemment surproduire les cisaillements extrêmes du vent, s'ils sont étudiés dans le cadre des UM isotropes. Nous en analysons théoriquement les conséquences sur les estimations des paramètres multifractales par la méthode DTM. Les résultats analytiques obtenus sont en parfait accord avec les observations empiriques. Nous discutons alors de la prise en compte de toutes ces considérations pour faire des simulations multifractales des champs du vent dans la couche limite atmosphérique / From the governing equations of the velocity field, one can not only expect a (highly) non-Gaussian wind but also one that is scaling. By ‘scaling' we mean a given statistical self-similarity; a turbulent cascade of eddies. Stochastic multifractals (with multiple singularities and co-dimensions) easily reproduce the scaling, heavy-tailed probabilities ubiquitous with the wind and essential to quantify for the wind energy community. The few parameters that define these models can be derived either from theoretical considerations or from statistical data analysis. It is sometimes possible to determine the statistics of the velocity shears with the universal multifractal (UM) parameters: alpha - the index of multifractality (0 ≤ alpha ≤ 2), C1 - the co-dimension of the mean intermittency (C1 ≥ 0) and H - the degree of non-conservation - the linear part of the scaling exponents. The latter of the three parameters is often called the Hurst exponent. We inter-compare the results from the rather standard method of empirical estimation of the UM parameters, the Double Trace Moment (DTM) method, with that of the Double Structure Function (DSF), a newly developed method. We found that flux proxies based on the modulus of the wind velocity shears yield non-scaling statistical moments and therefore spurious multifractal parameter estimates. DSF does not require this proxy approximation thus providing the scaling of the structure-function to an extent. We found no truly stable estimate of alpha using standard methods. This no longer occurs when we locally optimise (by fractionally differentiating) the DTM scaling behaviour. We then obtain very stable estimates of the multifractality index that are furthermore consistent (alpha ≤ 2) with other literature. On the contrary, the two other parameters (C1 and H) become non-linear functions of the order q of the statistical moments. These results suggest that the isotropic UM model cannot be used to reproduce the velocity shears in the atmospheric surface-layer. To investigate the above hypothesis we use a rotated frame of reference to analyse the anisotropy of the horizontal velocity in the atmospheric surface-layer. This enables us to quantify the angular dependency of a Hurst exponent. Despite being anisotropic the Hurst exponent is consistent with other surface-layer literature. For time-scales above a few seconds, both data exhibit a strong, scaling anisotropy that decreases with height. We put forward an analytical expression for the angular variation of the Hurst exponent based on the correlation of the horizontal components. It determines the generation of wind shear extremes, including those in the wake of a turbine. We find that the turbulent wind shears are so extreme that their probability distributions follow a power law. The corresponding exponent (qD) is rather the same in both sites at 50m heights (4 ≤ qD ≤ 5), in spite of very different orographic conditions. We also discuss its consequences when analysing the stability of the atmospheric boundary-layer and propose a new method for its classification. Finally, we analytically demonstrate that anisotropy increases the extremes probability. This finding reveals one of the many possible turbulence mechanisms in the atmospheric surface-layer that may seemingly over-generate wind shear extremes if they are studied in an isotropic UM framework. We theoretically analyse the consequences of this on the UM estimates for the DTM method. The obtained analytical results fully support empirical findings. We then discuss how to take into account all of these considerations when simulating multifractal fields of the wind in the atmospheric boundary-layer. The overall results of this dissertation go beyond wind energy, they open up new perspectives for the theoretical predictions of extremes in the general case of strongly correlated data

La connaissance de la turbulence atmosphérique en visée horizontale permet de mieux appréhender la physique des flux de chaleur à l’interface sol-atmosphère. Elle permet également, en visée verticale, d’améliorer les performances des futurs systèmes d’optique adaptative grand-champ pour l’observation astronomique. Le profil de Cn² caractérise localement la force de la turbulence. La méthode CO-SLIDAR, développée par l’ONERA, permet de réaliser des profils de Cn² le long de la ligne de visée du télescope à partir des pentes et de scintillations mesurées par un Analyseur de Shack-Hartmann sur source double. Cette méthode a été validée en visée verticale mais n’avait pas encore montré son efficacité en visée horizontale. Les deux expériences à Lannemezan et à Châtillon-Meudon ont vu la mise en place d'un nouveau profilomètre Shack-Hartmann Infrarouge : le SCINDAR. Elles ont été réalisées sur des surfaces respectivement hétérogène et homogène par morceaux, et elles participent à la validation de la méthode pour des applications agronomiques et écologiques. Mon étude consiste à améliorer le traitement du signal du profilomètre SCINDAR et à valider la méthode CO-SLIDAR pour des mesures de la turbulence atmosphérique proche du sol. Cette méthode a été adaptée en utilisant un formalisme de propagation en onde sphérique. L'étude a permis d'identifier et prendre en compte des sources d'erreur dans le traitement : à savoir la vibration de la machine à froid de l'analyseur de front d'onde cryogénique du SCINDAR et l'étendue des sources dans les fonctions de poids du modèle direct posé pour le traitement des données. Mon étude se consacre à l’amélioration du traitement des données du SCINDAR et à la validation expérimentale des profils de Cn² obtenus avec des mesures de Cn² acquises par des scintillomètres. J'ai construit tout d'abord une base de données de pentes et scintillations de qualité vérifiée. Pour l'inversion des données, j'ai choisi la régularisation L1L2 qui est adaptée pour des mesures de Cn² proches du sol. La méthode de réglage des hyperparamètres de cette régularisation est non-supervisée. Elle permet d’augmenter la fiabilité et la précision de l’estimation du profil de Cn² de façon pragmatique à l'aide des erreurs relatives sur les paramètres turbulents macroscopiques. Le profilomètre SCINDAR avec la méthode CO-SLIDAR ainsi améliorée produit finalement des profils de Cn² d'excellente qualité. Ces profils sont comparés avec succès aux mesures des scintillomètres. L’ensemble de ces travaux constitue l'adaptation de la méthode CO-SLIDAR pour des mesures de la turbulence proche du sol. / The knowledge of atmospheric turbulence in horizontal aim allows to better understand the physics of the heat fluxes at the ground-atmosphere interface. It also allows, in vertical aim, to improve the performance of future wide-field adaptive optics systems for astronomical observation. The profile of Cn²locally characterizes the force of turbulence. The CO-SLIDAR method, developed by ONERA, allows profiles of Cn² along the line of sight of the telescope, from the slopes and scintillations of a double source measured by Shack-Hartmann analyzer. This method was validated in vertical aim but had not yet shown its effectiveness in horizontal aim. The two experiments in Lannemezan and Châtillon-Meudon introduced a new Shack-Hartmann Infrared profilometer: the SCINDAR. They were carried out on heterogeneous and piecewise homogeneous surfaces respectively, and they participate in the validation of the method for agronomic and ecological applications. My study consists of improving SCINDAR profilometer signal processing and validating the CO-SLIDAR method for near-ground atmospheric turbulence measurements. This method has been adapted using a spherical wave propagation formalism. The study identified and took into account sources of error in processing: the cold machine vibration of the SCINDAR cryogenic wavefront analyzer and the extent of the sources in the weight functions of the direct model set for data processing. My study focuses on improvement of the SCINDAR data processing and experimental validation profiles Cn² obtained with Cn² measurements acquired by scintillometers. I first built a database of slopes and scintillations of verified quality. For the inversion of the data, I chose the L1L2 regularization which is suitable for near-ground Cn² measurements. The method of setting the hyperparameters of this regularization is unsupervised. It makes it possible to increase the reliability and the accuracy of the Cn² profile estimation in a pragmatic way using the relative errors of the macroscopic turbulent parameters. The SCINDAR profilometer with the improved CO-SLIDAR method finally produces Cn² profiles of excellent quality. These profiles are successfully compared to scintillometer measurements. All of this work constitues the adaptation of the CO-SLIDAR method for measurements of near-ground turbulence.

Cette these rentre dans le cadre du projet d'European Extremely Large Telescope (E-ELT) pour la caracterisation des sites. L'un des facteurs tres important est la turbulence atmospherique. Car c'est elle qui limite la resolution angulaire a toutes les longueurs d'onde. L'installation d'un grand telescope avec tous ses systemes complexes de correction de front d'onde par optique adaptative n ecessite une etude elaboree de l'atmosphere au-dessus du site. Plusieurs techniques permettent de mesurer les differents parametres integraux et les profils verticaux de la turbulence optique. Dans ce contexte j'ai analyse les differentes techniques de profilage atmospherique appliquees a deux sites astronomiques : La Silla le site de l'ESO au Chili et egalement le site Antarctique du Dome C, qui depuis quelques annees interesse beaucoup les astronomes. <br />L'etude de Dome C met en evidence des conditions tres particulieres (s echeresse, froid, peu de vent) qui permettent d'envisager, meme de jour, certaines observations stellaires dans des fenetres spectrales de l'infrarouge thermique qui sont inaccessibles partout ailleurs sur Terre. Pendant l'ete austral le seeing moyen est meilleur que dans les autres sites connus. Pendant l'hiver il est degrade par la presence de la couche limite qui contient parfois jusqu'a 90% de la turbulence atmospherique dans la premiere trentaine de metres. Ceci est confirme par les mesures in situ et les resultats de re-analyses. Pour la suite, il est tres important de connaitre la distribution verticale de la turbulence qu'on obtient grace aux differentes techniques de profilage atmospherique par les mesures et par la modelisation. C'est pourquoi ici, on procede a la validation comparative du modele meteorologique europeen ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecasts) pour Dome C qui pourra fournir les parametres d'entree pour les divers modeles de turbulence qui de leur cote permettront d'obtenir la distribution verticale de Cn2(h) et par la suite la prevision du seeing a court et long terme.<br />Dans le cadre general de la recherche des meilleurs sites pour le futur telescope europeen E-ELT, une campagne de mesures a ete effectuee en 2002/2003 a l'observatoire de La Silla de l'ESO au Chili au moyen d'un profileur a etoile double - le SCIDAR Generalise. On a obtenu, apres 5 mois d'observation, la statistique pour le seeing, l'angle isoplanetique, le temps de coherence et les profils verticaux de Cn2(h) et V(h). Ceci a permis de decouvrir plusieurs particularites importantes de ce site astronomique. Les valeurs du seeing ont ete comparees a celles mesurees par l'instrument DIMM. Les resultats de cette campagne sont tres importants pour decrire la situation turbulente au-dessus de ce site et ils sont egalement n ecessaires pour proceder a la simulation des systemes d'optique adaptative afin de determiner les limites observationnelles des futurs grands telescopes et specialement pour l'optique adaptative.

A partir des équations gouvernant le champ de vitesse, on peut non seulement s'attendre à un vent (fortement) non-gaussien, mais aussi à un vent présentant un comportement scalant. Par 'scalant' ou invariant d'échelle, nous faisons référence à un comportement statistique auto-similaire particulier; les cascades de tourbillons. Les multifractales stochastiques (avec des singularités et des co-dimensions multiples) reproduisent facilement le comportement scalant et les distributions de probabilités à queues épaisses omniprésentes dans le vent et dont la quantification est essentielle pour la communauté. Les quelques paramètres qui définissent ces modèles peuvent être déduits soit de considérations théoriques, soit de l'analyse statistique de données. Nous avons constaté que les approximations de flux basées sur le module du cisaillement du vent donnent des moments statistiques non-scalants et donc des estimations faussées des paramètres multifractals. La méthode DSF n'exige pas cette approximation et garantit un comportement scalant sur une certaine gamme d'échelles. Nous n'avons trouvé aucune estimation véritablement stable d'alpha en utilisant des méthodes standards. Ceci n'arrive plus quand nous optimisons localement (par la différenciation fractionnaire) le comportement scalant du DTM. Nous obtenons alors des estimations très stables de l'indice de multifractalité qui sont en outre en accord (alpha ≤ 2) avec des résultats publiés. Au contraire, les deux autres paramètres (C1 et H) deviennent des fonctions non-linéaires de l'ordre q des moments statistiques. Ces résultats suggèrent que le modèle UM isotrope ne peut être utilisé pour reproduire le cisaillement de vent dans la couche de surface atmosphérique. Lesdites hypothèses sont examinées en utilisant un repère tournant pour analyser l'anisotropie de la vitesse horizontale dans la couche de surface atmosphérique. Cela permet de quantifier la dépendance angulaire de l'exposant de Hurst. Les valeurs de cet exposant restent tout de même conformes aux résultats précédemment publiés. Pour des échelles de temps supérieures à quelques secondes, les deux jeux de données présentent une anisotropie scalante forte, qui décroît avec l'altitude. Nous mettons en évidence une expression analytique de la variation angulaire de l'exposant de Hurst, reposant sur les corrélations entre les composantes horizontales. Ceci pilote la formation des extrêmes du cisaillement, y compris dans le sillage d'une éolienne. Les cisaillements turbulents du vent sont si extrêmes que leur loi de probabilité est une loi de puissance. L'exposant correspondant (qD) est similaire pour les deux sites à une hauteur de 50m (4 ≤ qD ≤ 5), malgré des conditions orographiques très différentes. Nous discutons aussi de ses conséquences en analysant la stabilité de la couche limite atmosphérique et proposons une nouvelle méthode pour sa classification. Enfin, nous démontrons analytiquement que l'anisotropie augmente la probabilité des extrêmes. Ce résultat met en lumière un des nombreux mécanismes de turbulence possibles dans la couche de surface qui peut apparemment surproduire les cisaillements extrêmes du vent, s'ils sont étudiés dans le cadre des UM isotropes. Nous en analysons théoriquement les conséquences sur les estimations des paramètres multifractales par la méthode DTM. Les résultats analytiques obtenus sont en parfait accord avec les observations empiriques. Nous discutons alors de la prise en compte de toutes ces considérations pour faire des simulations multifractales des champs du vent dans la couche limite atmosphérique

Cette thèse étudie la turbulence bidimensionnelle au moyen de simulations numériques. La turbulence bidimensionnelle intéresse surtout les météorologues et les océanographes car elle constitue une première approximation de leurs écoulements. Mon travail sur le modèle de turbulence bidimensionnelle du Laboratoire de Météorologie Dynamique a consisté à la fois en l'amélioration du modèle et la réalisation de diverses expériences sur ce modèle. La principale amélioration apportée au modèle est la mise au point d'une bonne modélisation de la cascade inverse d'énergie, i.e. une simulation plus réaliste des plus grandes échelles de l'écoulement. Les expériences réalisées sur ce modèle amélioré concernent la dispersion (absolue ou relative), i.e. nous simulons l'advection de flotteurs lagrangiens par l'écoulement. Les résultats obtenus diffèrent sensiblement des conjectures théoriques et nous obligent à envisager une approche différente de la dispersion turbulente. J'ai ajouté le travail d'une année, réalisé comme scientifique du contingent à l'Institut de Mécanique de Grenoble, sur les instabilités qui se développent dans une couche de mélange bidimensionnelle.

Atmospheric boundary layer flows are characterized by the coexistence of a broad range of scales. These scales cover from synoptic- (100-5000 km) and meso-scales (1-100 km) up to three-dimensional micro-scale turbulence (less than a few kilometers). This multiscale nature inherent to atmospheric flows clearly determines the behaviour of the atmospheric boundary layer, whose structure and evolution are of major importance for the wind energy community. This PhD thesis is focused on the development of a numerical methodology that allows to include contribution from all the above mentioned scales, with the purpose of improving the representation of boundary layer processes. The multiscale numerical methodology is developed based on a numerical weather prediction (NWP) model, the Weather Research and Forecasting (WRF) model.<p><p>Prior to the development of the multiscale numerical methodology, one-year of sonic anemometer and wind LiDAR measurements from the FINO1 offshore platform are analyzed. A comprehensive database of offshore measurements in the lowest 250 m of the boundary layer is developed after quality data check and correction for flow distortion effects by the measurement mast, allowing the characterization of the offshore conditions at FINO1. Spectral analysis of high frequency sonic anemometer measurements is used to estimate a robust averaing time for the turbulent fluxes that minimizes non-universal contributions from mesoscale structures but captures the contribution from boundary layer turbulence, employing the Ogive function concept. A stability classification of the measurements is carried out based on the Obukhov length. Results compare well to other surface layer observational studies while vertical wind speed profiles exhibit the expected stability-dependency.<p><p>Although NWP models have been extensively used for weather forecasting purposes, a comprehensive analysis of its suitability to meet the wind energy requirements needs to be carried out. The applicability of the WRF mesoscale model to reproduce offshore boundary layer characteristics is evaluated and validated against field measurements from FINO1. The ability of six planetary boundary layer (PBL) parameterizations to account for stability effects is analyzed. Overall, PBL parameterizations are rather accurate in reproducing the vertical structure of the boundary layer for convective and neutral stabilities. However, difficulties are found under stable stratifications, due to the general tendency of PBL formulations to be overdiffusive and therefore, not capable to develope the strong vertical gradients found in the observations. A low-level jet and a very shallow boundary layer cases are simulated to provide further insights into the limits of the parameterizations.<p><p>Large-eddy simulations (LES) based on averaged conditions from a convective episode at FINO1 are conducted to understand the mechanisms of transition and equilibration that occur in turbulent one-way nested simulations. The nonlinear backscatter and anisotropy subgrid scale model with a prognostic turbulent kinetic energy equation is found to be capable of providing similar results when performing one-way nested large-eddy simulations to a reference stand-alone domain using periodic lateral boundary conditions. A good agreement is obtained in terms of velocity shear and turbulent fluxes of heat and momentum, while velocity variances are overestimated. A considerable streamwise fetch is needed following each domain transition for appropriate energy levels to be reached at high wavelengths and for the solution to reach quasi-stationary results. A pile-up of energy is observed at low wavelengths on the first nested domain, mitigated by the inclusion of a second nested domain with higher resolution that allows the development of an appropriate turbulent energy cascade.<p><p>As the final step towards developing the multiscale capabilities of WRF, the specific problem of the transition from meso- to micro-scales in atmospheric models is addressed. The challenge is to generate turbulence on inner LES domain from smooth mesoscale inflow. Several new methods are proposed to trigger the development of turbulent features. The inclusion of adequate potential temperature perturbations near the inflow boundaries of the LES domain results in a very good agreement of mean velocity profiles, variances and turbulent fluxes, as well as velocity spectra, when compared to periodic stand-alone simulations. This perturbation method allows an efficient generation of fully developed turbulence and is tested under a broad range of atmospheric stabilities: convective, neutral and stable conditions, showing successful results in all the regimes. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The degradation of astronomical images caused by atmospheric turbulence will be much more severe in the next generation of terrestrial telescopes and its compensation will require deformable mirrors with up to tens-of-thousands of actuators.<p>Current designs for these correctors consist of scaling up the proven technologies of flexible optical plates deformed under the out-of-plane action of linear actuators. This approach will lead to an exponential growth of cost with the number of actuators, and in very complex mechanisms.<p><p>This thesis proposes a new concept of optical correction which is modular, robust, lightweight and low-cost and is based on the bimorph in-plane actuation.<p><p>The adaptive mirror consists of segmented identical hexagonal bimorph mirrors allowing to indefinitely increase the degree of correction while maintaining the first mechanical resonance at the level of a single segment and showing an increase in price only proportional to the number of segments.<p><p>Each bimorph segment can be mass-produced by simply screen-printing an array of thin piezoelectric patches onto a silicon wafer resulting in very compact and lightweight modules<p>and at a price essentially independent from the number of actuators.<p><p>The controlled deformation of a screen-printed bimorph mirror was experimentally achieved with meaningful optical shapes and appropriate amplitudes; its capability for compensating turbulence was evaluated numerically. The generation of continuous surfaces<p>by an assembly of these mirrors was numerically simulated and a demonstrator of concept consisting of 3 segments was constructed. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'interférométrie visible longue base est une technique d'observation en astronomie permettant de sonder les objets avec une résolution spatiale qu'il est impossible d'atteindre avec un télescope seul. La mise en œuvre au sol de cette méthode est limitée en sensibilité et précision de mesure à cause de la turbulence atmosphérique. Or les nouveaux besoins scientifiques, tels que la détermination des paramètres fondamentaux, l'étude de l'environnement proche ou de la surface des étoiles, requièrent la capacité d'observer des objets de moins en moins brillants et de faire des mesures de plus en plus précises, en interférométrie visible. Pour s'affranchir de la turbulence, l'interférométrie multimode a été développée en reprenant le concept de l'interférométrie des tavelures utilisée sur un seul télescope. Aujourd'hui, pour améliorer davantage les performances des futurs instruments, cette instrumentation évolue vers l'utilisation de la nouvelle génération de détecteur, l'Electron Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD), et de l'emploi des fibres optiques interfacées avec des optiques adaptatives. Cette avancée est motivée par le succès de l'utilisation conjointe de l'optique adaptative et du suivi de franges pour s'affranchir partiellement de la turbulence en interférométrie infrarouge, en 2017 avec l'instrument GRAVITY (Gravity Collaboration et al. 2017). Le prototype FRIEND (Fibered and spectrally Resolved Interferometer - New Design) a été conçu pour caractériser et évaluer les performances de la combinaison de ces éléments, dans le domaine visible. L'amélioration de la précision des instruments interférométriques est apportée par les fibres optiques et par la dynamique du signal délivré par une EMCCD. L'inconvénient de l'emploi des fibres dans le visible est une perte de la sensibilité du fait que le taux d'injection du flux dans celles-ci est très faible à cause de la turbulence atmosphérique. Mais il se trouve que l'optique adaptative et l'EMCCD permettent d'améliorer la sensibilité. En effet, l'optique adaptative maximise l'injection en réduisant l'influence de la turbulence atmosphérique, et l'EMCCD est capable de détecteur de faibles flux. FRIEND prépare ainsi le développement du futur instrument SPICA, recombinant jusqu'à six télescopes (Mourard et al. 2017, 2018). Celui-ci devra explorer la stabilisation des interférences grâce au suivi de franges. Cet aspect n'est pas abordé dans cette thèse. Je présente dans cette thèse le prototype FRIEND, capable de recombiner jusqu'à trois télescopes, opérant dans la bande R en franges dispersées. Il est doté de fibres optiques gaussiennes monomodes à maintien de polarisation et d'une EMCCD. Il est installé sur l'interféromètre visible Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA), au Mount Wilson, en Californie, qui est en train de s'équiper d'optiques adaptatives. J'ai développé des estimateurs de visibilité et de clôture de phase, la méthode de réduction des données de ce prototype et une stratégie d'observation. Grâce à ces outils, j'ai montré que les optiques adaptatives améliorent le taux d'injection dans les fibres. Il est alors apparu que la stabilisation de l'injection est importante pour maximiser le rapport signal-à-bruit dans chaque image. La biréfringence des fibres dégrade les performances de l'instrument mais elle a pu être compensée. J'ai montré qu'un instrument, basé sur la conception de FRIEND, permet d'accéder à des mesures de visibilité faibles avec une précision, inatteignable avec la génération actuelle, grâce au développement et l'utilisation d'un modèle de rapport signal-à-bruit. L'instrument a enfin été testé dans son intégralité sur le système binaire connu ζ Ori A. Cette observation montre la fiabilité et la précision des mesures interférométriques obtenues avec ce prototype, montrant l'intérêt de cette association de technologies pour les futurs interféromètres visibles. / Long baseline visible interferometry in astronomy is an observing technique which allows to get insights of an object with an outstanding angular resolution, unreachable with single-dish telescope. Interferometric measurements with ground-based instrumentation are currently limited in sensitivity and precision due to atmospheric turbulence. However, the new astrophysical needs, particularly the determination of fundamental parameters or the study of the closed environment and the surface of the stars, require to observe fainter objects with a better precision than now in visible interferometry. Ought to overcome the atmospheric turbulence, multispeckle interferometry has been developed by adapting speckle imaging technics used on single-dish telescope. Today, in order to improve the performance of the future combiners, instrumentation progresses to the use of a new generation detector called EMCCD, and the use of optical fibers which are coupled with adaptive optics. This path is chosen thank to the success of the use of the adaptive optics with the fringe tracking in the infrared interferometry in 2017 (Gravity Collaboration et al. 2017), in order to compensate turbulence. FRIEND prototype (Fibered and spectrally Resolved Interferometer - New Design) has been designed to characterize and estimate the performance of such a combination of technologies, in the visible spectral band. The improvement of the precision of the measurements from interferometric instruments is due to optical fibers and the dynamical range of the EMCCD. The counterpart of using the optical fibers is a loss in sensitivity due to a low injection rate of flux into the fibers because of the atmospheric turbulence. On the other hand, sensitivity is improved thanks to adaptive optics and EMCCDs. Indeed, adaptive optics increases the injection rate and EMCCDs can measure low fluxes. Lastly, FRIEND is a pathfinder for the future instrument SPICA which should recombine up to 6 telescopes (Mourard et al. 2017, 2018). Fringe-tracking aspects will have to be studied for SPICA; this topic is not dealt with in this thesis. In this work, I present the FRIEND prototype, which can recombine up to three telescopes and operates in the R band with dispersed fringes. It has Gaussian polarization-maintaining single mode optical fibers and an EMCCD. It is set up at the Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA), at Mount Wilson, in California. CHARA is currently being equipped with adaptive optics. I develop estimators of visibility modulus and closure phase, the data reduction software and an observing strategy. Thanks to that, I am able to show that adaptive optics improves the injection rate. I also demonstrate how important the stabilization of injection is to maximize the signal-to-noise ratio (SNR) per frame. Birefringence of the fibers decreases the performance of the instrument but we manage to compensate it. I show how such an instrument can measure low visibility with a better precision than now by developing and using a SNR model of FRIEND. Finally, FRIEND has entirely been tested on the known binary system ζ Ori A. These observations demonstrate how reliable and accurate the measurements of FRIEND are.

Au cours de la dernière décennie, les communications optiques en espace libre (FSO) ont pris de l’ampleur dans les deux domaines académiques et industriels. L’importance de FSO s’appuie sur la possibilité de faire un système de transmission économique et écologique avec un débit élevé et sans licence à l’opposition des systèmes de transmission radiofréquences (RF). Dans la plupart des travaux antécédents sur les systèmes multi-émetteurs, seulement les canaux décorrélés ont été considérés. Un canal décorrélé nécessite un espace suffisant entre les émetteurs. Cette condition devient difficile et non-réalisable dans certaines applications. Pour cette raison, nos études se focalisent sur les performances des codes à répétition RC (Repitition Codes) et les codes OSTBC (Orthogonal Space-Time Block Codes) dans des canaux log-normaux corrélés en utilisant une modulation d’intensité et une détection directe (IM/DD). En addition, les effets des différentes conditions météorologiques sur le taux d’erreur moyen (ABER) sont étudiés. Les systèmes FSO à multi-entrées/ multi-sorties MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) avec une modulation SSK (Space Shift Keying) ont été abordés. Les résultats obtenus montrent que la SSK est supérieure aux RC avec une modulation d’impulsion (Multiple Pulse Amplitude Modulation) pour toute efficacité spectrale égale ou supérieure à 4 bit/s/Hz. Nous avons aussi analysé les performances d’un système à sauts multiples (Multi-Hop) et des relais à transmission directe (forward relays). Nos simulations montrent que le système ainsi considéré est efficace pour atténuer les effets météorologiques et les pertes géométriques dans les systèmes de communication FSO. Nous avons montré qu’un tel système avec plusieurs entrées et une sortie (MISO, i.e. multiple-input single-output) à sauts multiples est supérieur à un système MISO avec un lien direct (direct link) avec une forte atténuation. Pour satisfaire la demande croissante des réseaux de communication à débits élevés, la communauté scientifique s'intéresse de plus en plus aux systèmes FSO avec des relais full-duplex (FD). Pour ces derniers systèmes, nous avons étudié la probabilité d'erreur moyenne (ABER) et nous avons analysé leurs performances. En considérant des différentes conditions de transmission, les performances de relais FD ont été comparées à celles d'un système avec un lien direct ou des relais half-duplex. Les résultats obtenus montrent que les relais FD ont le minimum ABER. En conséquence, les résultats obtenus dans cette thèse sont très prometteurs pour la prochaine génération de FSO. / Free-space optical (FSO) communication has been the subject of ongoing research activities and commercial attention in the past few years. Such attention is driven by the promise of high data rate, license-free operation, and cheap and ecological friendly means of communications alternative to congested radio frequency communications. In most previous work considering multiple transmitters, uncorrelated channel conditions have been considered. An uncorrelated channel requires sufficient spacing between transmitters. However, this can be difficult and may not be always feasible in some applications. Thereby, this thesis studies repetition codes (RCs) and orthogonal space-time block codes performance in correlated log-normal FSO channels using intensity modulation and direct detection (IM/DD). Furthermore, the effect of different weather conditions on the average bit error rate (ABER) performance of the FSO links is studied. Multiple-input multiple-output (MIMO) FSO communication systems using space shift keying (SSK) modulation have been also analyzed. Obtained results show that SSK is a potential technique for spectral efficiencies equal or greater than 4 bits/s/Hz as compared to RCs with multiple pulse amplitude modulations. The performance analysis of a multi-hop decode and forward relays for FSO communication system using IM/DD is also considered in this thesis. It is shown that multi-hop is an efficient technique to mitigate atmospheric turbulence and different weather attenuation effects and geometric losses in FSO communication systems. Our simulation results show that multiple-input single-output (MISO) multi-hop FSO systems are superior to direct link and MISO systems over links exhibiting high attenuation. Meeting the growing demand for higher data rates communication networks, a system with full-duplex (FD) relays is considered. For such a system, the outage probability and the ABER performance are analyzed under different turbulence conditions, misalignment error and path loss effects. FD relays are compared with the direct link and half-duplex relays. Obtained results show that FD relays have the lowest ABER and the outage probability as compared to the two other systems. Finally, the obtained results in this thesis are very promising towards the next generation of FSO systems.

La résolution angulaire des observations à partir du sol est limitée par la turbulence atmosphérique qui déforme aléatoirement le front d'onde de la lumière d'un objet céleste. L'optique adaptative a été développée pour corriger cette déformation en temps réel. Cependant, cette correction n'est souvent que partielle, et une déconvolution de l'image s'impose dans le but d'effectuer une photométrie de bonne précision. La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'estimation de la réponse impulsionnelle pour le système d'optique adaptative ADONIS du télescope de 3.6m de PUEO. La variabilité des conditions atmosphériques rend difficile sa calibration par l'observation d'une source quasi-ponctuelle. Pour cela, j'ai utilisé la méthode développée pour le système d'optique adaptative PUEO, qui estime la réponse impulsionnelle à partir des mesures de son senseur de courbure, et je l'ai adaptée au système ADONIS (basé sur un senseur de Shack-Hartmann). J'ai appliqué la méthode à des données obtenues dans différentes conditions atmosphériques et je discute ses limites. En particulier, le modèle ne peut pas reproduire une certaine aberration variable dont l'origine est probablement due à la présence d'une turbulence locale et non-stationnaire. Cette turbulence est clairement mise en évidence par le comportement spatial et temporel de la phase résiduelle. Dans la deuxième partie de cette thèse, je présente et discute les résultats d'une étude sur la variabilité photométrique des étoilesYY Orionis qui sont des étoiles jeunes montrant dans leurs spectres la signature de l'accrétion de matière. En particulier, une variabilité photométrique a pu être détectée pour l'étoile YY Ori. J'interprète cette variabilité par la présence d'une tache chaude relativement importante sur la surface de l'étoile, apparaissant et disparaissant périodiquement au cours de la rotation stellaire.