L'observation du Soleil à haute résolution angulaire est d'une grande importance en astronomie. Dans ce contexte, je montre les effets de la turbulence optique sur les images solaires, notamment sur les mesures astrométrique du diamètre solaire en longue pose. Je propose, dans l'approximation des faibles perturbations, une modélisation des fluctuations d'angle d'arrivée locales chromatiques et polychromatiques qui a des retombées directes pour les observations diurnes de la turbulence optique. Afin d'extraire les fluctuations d'angle d'arrivée à partir des images courte pose du bord solaire, je propose une approche efficace et stable qui consiste en une intégration photométrique saturée avec test de l'anisoplanétisme local. Cette méthode améliore l'efficacité des méthodes précédentes. Elle a aussi des retombées sur la mesure du diamètre solaire en longue pose et la définition du diamètre photométrique. Une autre manière de mesurer les fluctuations d'angle d'arrivée de jour est de le faire dans le plan conjugué de la pupille. J'étudie cette approche avec sa validité et ses limites. Comme application directe on présente le concept d'un moniteur profileur de la turbulence optique basse altitude. Une autre partie importante de mon travail est la modélisation de la variation temporelle de la turbulence optique en introduisant le bouillonnement propre. Le modèle théorique que je propose est présenté avec des exemples liés à des techniques diverses de l'observation à haute résolution angulaire (interférométrie, optique adaptative...) en présence de turbulence optique.

L'objectif est de comprendre d'effet de la turbulence optique sur la mesure au sol du rayon solaire. La mesure du rayon solaire avec précision est importante pour les modèles de structure et d'évolution solaire et stellaire. En plus l'activité solaire a une influence certaine sur le climat terrestre. Le travail de thèse a porté sur la calibration et l'exploitation de données issues des télescopes SODISM2, dédié à la mesure du rayon solaire par imagerie pleine, et MISOLFA un moniteur de turbulence qui permet d'estimer les paramètres spatio-temporels de celle-ci. Les premières mesures de MISOLFA montrent sa capacité pour l'extraction des profils de la turbulence et des paramètres intégrés à partir des fluctuations des angles d'arrivées observées sur le bord solaire. Les paramètres spatiaux issus des fluctuations d'intensité dans la voie pupille montrent un bon accord avec les paramètres issus de la voie image. Les premières mesures du temps caractéristique des angles d'arrivée ont été également obtenues qui donnent une valeur moyenne de 5.3 ms sur une année de mesures. SODISM2 est la copie d'un instrument à bord du satellite PICARD (2010-2014). Les premières mesures de cet instrument montrent une grande stabilité et une dispersion de l'ordre de 200 mas. Une tendance à la baisse de l'ordre de 12 mas/an a été également observée mais elle demeure non significative compte tenu de la dispersion. Une nouvelle méthode a été élaborée pour l'obtention des flat field en utilisant les cartes de contrastes. Des simulations numériques d'imagerie à travers la turbulence montrent un effet systématique des paramètres de la turbulence sur l'estimation du rayon et de la largeur du limbe / The objective is to understand the effect of optical turbulence on ground-based solar radius measurements. The measurement of the solar radius with accuracy is important for models of solar and stellar structure and evolution. In addition solar activity has an evident influence on the terrestrial climate. The work focused on the calibration and exploitation of data obtained by two telescopes: SODISM2 dedicated to the measurement of the solar radius by full-disk imaging, and MISOLFA a turbulence monitor which allows to estimate the turbulence spatio-temporal parameters. The first measurements of MISOLFA show its capacity for the extraction of turbulence profiles and integrated parameters from the angle-of-arrival fluctuations observed on the solar edge. The spatial parameters estimated from the intensity fluctuations in the pupil plane show a good agreement with the parameters coming from the image plane. The first measurements of the angle-of-arrival characteristic time have also been obtained which give an average value of 5.3 ms over a year of measurements. SODISM2 is the qualification model of an instrument on board the PICARD satellite (2010-2014). The first measurements of this instrument show a high stability and a dispersion of the order of 200 mas (milli-arcseconds). A downward trend on the order of 12 mas/year was also observed but it is not significant given the dispersion of the measurements. A new method was developed for obtaining flat fields using contrast maps. Numerical simulations of imaging through turbulence show a systematic bias introduced by the effect of the turbulence parameters on the estimation of the radius and the limb width

La turbulence optique et son impact sur les images obtenues à partir d'instruments de mesure est un phénomène connu dans le domaine de l'astronomie. Des modèles issus de la théorie de Kolmogorov, développée pour une turbulence dynamique, ainsi que des méthodes de correction, telles que l'optique adaptative, existent pour l'analyse et la compensation des effets de cette turbulence optique. L'analyse de cette dernière dans les milieux confinés est cependant plus limitée. Les sources susceptibles de générer une turbulence optique dans ces espaces sont pourtant multiples et peuvent avoir un impact non négligeable sur les mesures des instruments installés à proximité. Ce mémoire constitue une première approche de la caractérisation de la turbulence optique dans un espace confiné. Après l'introduction des phénomènes étudiés et des outils mathématiques employés, ce mémoire présente les résultats issus d'analyses de coupoles de télescopes et de caractérisations de salles blanches employées par l'entreprise Thales Alenia Space pour l'intégration et le test d'instruments optiques. Ces résultats sont obtenus avec l'instrument INTENSE, développé durant la thèse pour la caractérisation de la turbulence optique locale via la mesure des fluctuations des angles d'arrivée de multiples faisceaux lasers. En prévision de futurs améliorations de l'analyse de la turbulence en espace confiné, un chapitre du mémoire est dédié aux travaux réalisés sur une méthode d'extraction du profil de l'énergie de la turbulence et à son application sur l'instrument INTENSE. Les conclusions et les perspectives des travaux réalisés pendant la thèse sont présentées à la fin du mémoire. / Optical turbulence and its impact on measured images is a well-known phenomenon in astronomy. Models based on the Kolmogorov theory, elaborated for a dynamical turbulence description, and methods, such as Adaptive Optics, were both developed so as to understand and correct the degradations caused by this turbulence. Analysis of the same phenomenon in indoor situation was however less investigated. The local air volume is nonetheless prone to optical perturbations sources which could have non negligible impacts on the measurements of instruments installed at proximity. This document introduces a first approach of indoor optical turbulence characterization. After the introduction of the studied phenomenon and the mathematical tools employed, this thesis present optical turbulence characterizations inside Thales Alenia Space clean rooms used for optical instrument integration and testing. Analyses inside telescope domes are also shown in this document. All the results were obtained using the INTENSE instrument which was developed during the thesis for optical turbulence characterizations using angle of arrival fluctuations of laser beams. In anticipation for future ameliorations of optical turbulence analysis methods, a chapter of this thesis is dedicated to the work made on a turbulence energy profile extraction and its application on the INTENSE instrument. Conclusions and perspectives of the work made during this thesis are presented at the end of the document.

La turbulence atmosphérique générée par une différence de température entre le sol et l'atmosphère, provoque des effets sur les ondes optiques et présente un grand intérêt scientifique depuis de nombreuses années. Les distorsions du front d'onde optique induites par le résultat de la turbulence atmosphérique génèrent un étalement du faisceau au-delà de celles dues à la diffraction pure, à des variations aléatoires de la position du centre de gravité du faisceau, et à une répartition aléatoire de l'énergie du faisceau qui conduit à des fluctuations de l’irradiance.Ces effets ont des conséquences sur les communications optiques en espace libre (OFS), la désignation de cible, le LiDAR hyper spectral, et d'autres applications qui nécessitent la transmission d'ondes optiques dans l'atmosphère sur une grande portée.Tout au long de cette thèse, nous introduisons le concept général de la turbulence, en se concentrant sur la turbulence atmosphérique. Diverses expériences ont été réalisées, par exemple, la propagation de deux faisceaux parallèles dans les conditions de l'optique géométrique pour l'étude des paramètres de turbulence optiques. La même configuration optique a été utilisé pour étudier la meilleure fréquence d'échantillonnage pour la turbulence optique. En outre, nous avons indirectement mesuré l'évapotranspiration de couverts végétaux, pour laquelle nous tenons compte des fluctuations de l'indice de réfraction de la turbulence à travers les variations d’intensités du faisceau laser. Enfin, certaines expériences qui considèrent de nouvelles formes spatiale ou spectrale du faisceau ont également été développées, telles que le saut de mode et un super continuum spectral respectivement, montrant une réduction expérimentale des fluctuations de l'irradiance induite par la turbulence. Ces faisceaux ont une meilleure performance comme émetteur d'informations pour la communication optique en espace libre. / Atmospheric turbulence, generated by a differential temperature between the Earth's surface and the atmosphere, causes effects on optical waves that have been of great interest to scientists for many years. Wave front distortions in the optical wave induced by atmospheric turbulence result in a spreading of the beam beyond that due to pure diffraction, random variations of the position of the beam centroid, and a random redistribution of the beam energy within a cross section of the beam leading to irradiance fluctuations. Those effects have far-reaching consequences on astronomical imaging, free space optics (FSO) communications, remote sensing, laser satellite communication, astronomical imaging, adaptive optics, target designation, hyperspectral LiDAR, and other applications that require the transmission of optical waves through the atmosphere. Throughout this thesis, we introduce a globally concept of turbulence, focusing in atmospheric turbulence.Diverse experiments have been carried out, for instance, the propagation of two parallel thin beams under geometrical optics condition for studying the parameters of optical turbulence, and besides, the same optical configuration was used to investigate the best sampling rate for optical turbulence. Furthermore, we have measured evapotranspiration by remote sensing, in which we have heeded the fluctuations of the refractive index through the intensities of the turbulence. Finally, experiments which involve a new beam are also developed, such as phase-flipped Gaussian beam. This beam shows an experimental reduction on its irradiance fluctuations induced by the turbulence, which means that it has a high performance in optical communications. The experimental reduction aforementioned is proved through the comparison with the theory developed.

Avec l’avènement de la prochaine génération de télescope de plus de 30m de diamètre, il devient primordial de réduire le coût des observations et d’améliorer leur rendement scientifique. De plus il est essentiel de construire ces instruments sur des sites disposant d’une qualité optique maximale. J’ai donc essayé, au cours de ma thèse, de développer un outil fiable, facile d’utilisation et économique permettant de satisfaire ces exigences. J’ai donc utilisé le modèle de prévision météorologique Weather Research and Forecasting et le modèle de calcul de la turbulence optique Trinquet-Vernin pour prédire, plusieurs heures à l’avance, les conditions optiques du ciel tout au long de la nuit. Cette information permettrait d’améliorer la gestion du programme d’observation, appelée "flexible scheduling", et ainsi de réduire les pertes dues à la variation des conditions atmosphériques. Les résultats obtenus et les améliorations apportées au modèle WRF-TV lui permettent de présenter un bon accord entre les mesures et les prévisions ce qui est prometteur pour une utilisation réelle. Au delà de cette gestion, nous avons voulu créer un moyen d’améliorer la recherche et le test de sites astronomiquement intéressants. Nous avons donc définit un paramètre de qualité qui prend en compte les conditions météorologiques et optiques. Ce paramètre a été testé au-dessus de l’île de La Palma aux Canaries et a montré que l’Observatorio del Roque de los Muchachos est situé au meilleur emplacement de l’île. Enfin nous avons créé une routine d’automatisation du modèle WRF-TV afin d’avoir un outil opérationnel fonctionnant de manière autonome. / With the next generation of extremely large telescope having mirror with a diameter larger than 30m, it becomes essential to reduce the cost of observations and to improve their scientific efficiency. Moreover it is fundamental to build these huge infrastructures in location having the best possible optical quality. The purpose of my thesis is to bring a solution easier and more economical than before. I used the Weather Research and Forecasting (WRF) model and the Trinquet-Vernin parametrization, which computes the values of the optical turbulence, to forecast a couple of hours in advance the evolution of the sky optical quality along the coming night. This information would improve the management of observation program, called "flexible scheduling", and thereby reduce losses due to the atmospheric variations. Our results and improvements allow the model us WRF-TV to have a good agreement between previsions and in-situ measurements in different sites, which is promising for a real use in an observatory. Beyond the flexible scheduling, we wanted to create a tool to improve the search for new sites or site testing for already existing sites. Therefore we defined a quality parameter which takes into account meteorological conditions (wind, humidity, precipitable water vapor) and optical conditions (seeing, coherence time, isoplanatic angle). This parameter has been tested above La Palma in Canary island showing that the Observatorio del Roque de los Muchachos is located close to the best possible location of the island. Finally we created an automated program to use WRF-TV model in order to have an operational tool working routinely.