Tesi sul tema "Imagerie interférométrique de partiules"

L’imagerie interférométrique de particules (IIP) en défaut de mise au point est une technique de granulométrie optique permettant de déterminer la forme et la taille de particules micrométriques : 20 µm − 2 000 µm. Elles peuvent être de nature différentes, par exemple, des cristaux de glace en suspension dans l’atmosphère, des cendres volcaniques, des nuages de grains de sable ou encore des particules de charbon disséminées autour de centrales thermiques. Les exemples précédents ont tous un point commun, ce sont des particules rugueuses, de formes irrégulières et les résultats de ces travaux de thèse s’appuient sur ces caractéristiques. L’acquisition d’images avec cette technique repose sur un principe de fonctionnement simple. Une particule rugueuse est illuminée avec un laser ; celle-ci diffuse une partie du rayonnement incident dans toutes les directions due aux aspérités à sa surface. Ces aspérités créent des sources secondaires du rayonnement incident. Un système d’imagerie en défaut de mise au point, enregistre les images des interférences issues de ces sources secondaires. Le développement et l’amélioration des programmes permettant de reconstruire la forme de la particule à partir de son image interférométrique est réalisé avec un banc expérimental équipé d’une matrice de micro-miroirs (DMD). La particule est "programmée" sur le DMD. Les micro-miroirs qui simulent les sources secondaires de la particule réfléchissent une partie du faisceau incident en direction du système d’imagerie. Ces travaux de thèse se concentrent d’une part sur la création d’un réseau de neurones permettant de classer la forme d’une particule à partir de son image interférométrique. Ce réseau de neurones a montré une reconnaissance dans 100% des cas. D’autre part, l’élaboration d’un autre réseau de neurones permettant de reconstruire l’enveloppe de particules irrégulières à partir de leurs images expérimentales a montré une très bonne qualité de reconstruction entre les formes programmées et les formes reconstruites. Dans les deux cas, des bases de données constituées de plusieurs milliers d’images expérimentales ont été acquises avec un montage expérimental équipé d’une matrice de micro-miroirs pour "simuler" les particules rugueuses. De plus, dans le cadre de cette technique, deux travaux supplémentaires ont été effectués : (i) d’abord une première méthode de correction de l’aberration sphérique, par passage de la base cartésienne à la base polaire, et une seconde de simulation de l’aberration sphérique en IIP, par décomposition du terme de phase en fonction gaussiènnes ; et (ii) la réalisation d’un système d’imagerie interférométrique adaptatif à base de lentille liquide a été mis au point permettant de réduire le recouvrement des interférogrammes par réglage instantané de la défocalisation du système d’imagerie
Out-of-focus interferometric particle imaging (IPI) is an optical particle sizing technique used to determine the shape and size of micrometric particles: 20 µm − 2,000 µm. They can be of different natures, for example, ice crystals suspended in the atmosphere, volcanic ash, clouds of sand grains or coal particles scattered around thermal power plants. The previous examples all have one thing in common, they are rough particles, with irregular shapes and the results of this thesis work are based on these characteristics. Image acquisition with this technique is based on a simple operating principle. A rough particle is illuminated with a laser; it diffuses part of the incident radiation in all directions due to the asperities on its surface. These asperities create secondary sources of the incident radiation. An out-of-focus imaging system records interference images from these secondary sources. The development and improvement of programs to reconstruct the shape of the particle from its interferometric image is carried out with an experimental bench equipped with a micro-mirror matrix (DMD). The particle is "programmed" on the DMD. The micro-mirrors that simulate the secondary sources of the particle reflect part of the incident beam towards the imaging system. This thesis work focuses on the one hand on the creation of a neural network to classify the shape of a particle from its interferometric image. This neural network has shown recognition in 100% of cases. On the other hand, the development of another neural network to reconstruct the envelope of irregular particles from their experimental images has shown very good reconstruction quality between the programmed shapes and the reconstructed shapes. In both cases, databases consisting of several thousand experimental images were acquired with an experimental setup equipped with a micro-mirror matrix to "simulate" rough particles. In addition, within the framework of this technique, two additional works were carried out: (i) first a first method of correction of spherical aberration, by passage from the Cartesian basis to the polar basis, and a second of simulation of spherical aberration in IPI, by decomposition of the phase term into Gaussian functions; and (ii) the realization of an adaptive interferometric imaging system based on a liquid lens was developed to reduce the overlap of interferograms by instantaneous adjustment of the defocus of the imaging system

Je présente dans cette thèse la combinaison de travaux expérimentaux, observationnels, et d'analyse de données achevés en partie à l 'Observatoire de Haute Provence (France) et en partie à Smithsonian Astrophysics Observatory (USA). J'ai développé un algorithme de mise en phase adapté aux interféromètres. Il implique une hiérarchie de triplets d'ouvertures. Des simulations numériques appliquées au cas d'objets résolus et non-résolus montrent qu'une seule itération est généralement suffisante pour obtenir le co-phasage. J'ai réalisé les premières images obtenues sur le ciel avec un interféromètre à pupille densifiée miniature. La formation de telles images viole la règle d' or des interféromètres imageurs qui semble interdire l'usage d'assemblages interférométriques différents d'un interféromètre de Fizeau. J'ai développé pour IOTA de nouveaux contrôleurs pour la caméra proche infra-rouge PICNIC ainsi qu'un suiveur d étoiles. Le bruit de lecture de la caméra est maintenant réduit à 12. 4 électrons par double échantillon corrélé. J'ai conçu un suiveur de franges maintenant régulièrement utilisé pour égaliser les chemins optiques entre les trois bases d'IOTA. Ceci est achevé au moyen d un nouvel algorithme basé sur l'interférométrie double Fourier, et sur un algorithme de suivi de retard de groupe pour déterminer la position du paquet de franges. Une partie de mon travail a impliqué la réduction de données d'observations d étoiles Mira. Nous avons obtenu les premières mesures simultanées des diamètres dans les bandes J, H et K par interférométrie longue base et détecté les variations des diamètres entre les différentes bandes spectrales
I have investigated imaging techniques in optical/infrared long-baseline interferometry. I have developed a phasing algorithmsuited for interferometers involving a hierarchy of aperturetriplets. Numerical simulations on unresolved and resolved objects show that a single iteration is generally sufficient to achieveco-phasing. Experimenting with direct imaging, I show the first images on the sky obtained with a scaled-down densified-pupil interferometer. The formation of such images violates a "golden rule of imaging interferometers" which appeared to forbid the use of interferometric arrangements differing from a Fizeau interferometer. Indirect imaging through closure-phase measurement can now be obtained at the IOTA interferometer. I developed for IOTA new controllers for the PICNIC near-infrared camera and the visible star tracker. I also devised a novel fringe packet tracking system now routinely used to equalise the optical path length for the three baselines of IOTA. Part of my work involved data reduction of single-baseline observations of Mira stars. We have obtained the first simultaneous measurements of J, H, and K band diameters by a long-baseline interferometer and detected statistical variations of the diameter ratios between different bands

Le centre de la Galaxie abrite un trou noir supermassif nommé Sgr A*. Grâce à l'instrument GRAVITY, les capacités de haute résolution angulaire du VLTI permettront pour la première fois l'observation directe de l'environnement immédiat d'un tel trou noir. Pour atteindre ce but astrophysique, il est nécessaire d'obtenir des observables interférométriques de grande précision et d'appliquer des techniques de reconstruction d'images. Dans ce contexte, j'ai pu dans une première partie de ma thèse, employer différentes méthodes d'imagerie interférométrique en infrarouge suite à l'observation de la supergéante rouge Alpha Orionis (Bételgeuse) avec l'interféromètre à trois télescopes IOTA. Ces travaux ont pu notamment conduire à la mise en évidence de structures asymétriques brillantes à la surface de l'étoile qui sont très probablement de nature convective.

La précision des observables interférométriques conditionne la qualité de la reconstruction d'image. Dans une deuxième partie, j'ai pu pratiquer une étude des performances interférométriques simulées de GRAVITY afin d'estimer la précision sur les phases et visibilités qu'il délivrera. Afin d'optimiser les futures observations de GRAVITY, il est essentiel d'avoir une idée des caractéristiques spatiales et temporelles de son objectif scientifique majeur qu'est Sgr A*. Pour cela, j'ai pu finalement participer à une campagne d'observation multi-longueurs d'onde de l'environnement de ce trou noir. A cette occasion, j'ai utilisé le mode BURST du spectro-imageur VISIR pour obtenir une haute résolution angulaire et une grande sensibilité au rayonnement de Sgr A*. Ceci m'a conduit à obtenir une limite supérieure la plus basse jamais enregistrée à 8,6 microns. Autre fait marquant, ces observations ont révélé la présence d'un sursaut d'intensité lumineuse en proche infrarouge. Si le processus de rayonnement n'est pas encore parfaitement modélisé, ces observations tendent à confirmer que les sursauts tirent leur origine d'un mouvement orbital de matière à quelques rayons de Schwarzschild de Sgr A*.

Grâce à sa précision astrométrique de 10 micro-secondes d'angle, correspondant à un rayon de Schwarzschild à la distance du Centre Galactique, GRAVITY sera en mesure de résoudre le mouvement orbital de ces spots de matière et de comprendre la nature d'un tel rayonnement. De plus, il permettra la mesure directe de la métrique d'espace-temps et l'étude de la relativité générale en champ fort.

Le centre de la Galaxie abrite un trou noir supermassif nommé Sgr A*. Grâce à l'instrument GRAVITY, les capacités de haute résolution angulaire du VLTI permettront pour la première fois l'observation directe de l'environnement immédiat d'un tel trou noir. Pour atteindre ces buts astrophysiques, il est nécessaire d'obtenir des observables interférométriques de grande précision et d'appliquer des techniques de reconstruction d'images. Dans ce contexte, j'ai pu dans une première partie de ma thèse, employer différentes méthodes d'imagerie interférométrique en infrarouge suite à l'observation de la supergéante rouge Orionis (Bételgeuse) avec l'interféromètre à trois télescopes IOTA. Ces travaux ont pu notamment conduire à la mise en évidence de structures asymétriques brillantes à la surface de l'étoile qui sont très probablement de nature convective. La précision des observables interférométriques conditionne la qualité de la reconstruction d'image. Dans une deuxième partie, j'ai pu pratiquer une étude des performances interférométriques simulées de GRAVITY afin d'estimer la précision sur les phases et visibilités qu'il fournira. Afin d'optimiser les futures observations de GRAVITY, il est essentiel d'avoir une idée des caractéristiques spatiales et temporelles de son objectif scientique majeur qu'est Sgr A*. Pour cela, j'ai pu finalement participer à une campagne d'observation multi-longueurs d'onde de l'environnement de ce trou noir. A cette occasion, j'ai utilisé le mode BURST du spectro-imageur VISIR pour obtenir une haute résolution angulaire et une grande sensibilité au rayonnement de Sgr A*. Ceci m'a conduit à obtenir une limite supérieure la plus basse jamais enregistrée à 8,6 microns. Autre fait marquant, ces observations ont révélé la présence d'un sursaut en proche infrarouge. Si le processus de rayonnement n'est pas encore parfaitement modélisé, ces observations tendent à confirmer que les sursauts tirent leur origine d'un mouvement orbital de matière à quelques rayons de Schwarzschild de Sgr A*. Grâce à sa précision astrométrique de 10 micro-secondes d'angle, correspondant à un rayon de Schwarzschild à la distance du Centre Galactique, GRAVITY sera en mesure de résoudre le mouvement orbital de ces spots de matière et de comprendre la nature d'un tel rayonnement. De plus, il permettra également la mesure directe de la métrique d'espace-temps et l'étude de la relativité générale en champ fort
The Galactic Center hosts a supermassive black hole called Sgr A*. Thanks to the GRAVITY instrument, the high angular resolution that the VLTI delivers will allow the direct observation of the immediate vicinity of such a black hole. To reach these astrophysical goals, it is mandatory to get very accurate interferometric observables to sucessfully apply imaging reconstruction methods. In that framework and as the first part of my thesis, I could use different infrared interferometric imaging techniques applied to the data obtained on the red supergiant Orionis (Betelgeuse) with the three telescope interferometer IOTA. These works have unveiled the presence of bright asymmetric structures on the stellar surface whose origin is likely to be convective. The quality of image reconstruction depends on the accuracy of the interferometric observables. In a second part of my thesis, I could study the simulated interferometric performances of GRAVITY to estimate the accuracy on phases and visibilities and checked that they met the requirements. Finally, in order to optimize the GRAVITY future observations, it is important to get an estimation of the spatial and temporal behaviour of its primary scientific goal : Sgr A*. To that aim, I could participate to a large multi-wavelength observation campaign of Sgr A*. I could use the BURST mode of the VISIR spectro-imager to get a high resolution on images and a high sensitivity to Sgr A* radiations. This allowed me to derive an unprecedented upper limit on Sgr A* flux at 8. 6 microns. These observations also showed a flare in L' band exhibiting a quasi-periodicity that is twice longer than the ones previously observed. If the radiating process is still not fully understood, these observations confirm that the flares are due to the orbital motion of matter at a few Schwarzschild radii of Sgr A*. Thanks to an astrometric accuracy of 10 μas, which represents 1 Schwarzschild radius at the distance of the Galactic Center, GRAVITY will be able to resolve the orbital motion of these hot spots and to understand the nature of these radiations. Moreover, it will also allow to directly measure the space-time metric and test general relativity in strong field regime due the presence of a supermassive black hole located at the center of a galaxy

La microscopie a saut de phase et la microscopie a glissement de frange sont des nouvelles methodes non destructives de caracterisation de surface des semiconducteurs. L'outil informatique a enormement facilite l'usage de ces techniques de mesure de relief. Autour de lui, les methodes nouvelles de vision permettent l'expertise de qualification de materiaux en surface. Un logiciel specialise nanoprof a ete developpe, a base de menu deroulant et qui permet de mesurer le relief de surface en appliquant ces nouvelles methodes de vision et en creant des images de synthese. Ces images fournissent les renseignements necessaires sur la constitution et la forme des surfaces. L'utilisation de la psm et pfsm a permis de caracteriser le relief de surface des transistors mesfet ainsi que les defauts apres attaque chimique d'echantillons de gaas. Ces caracterisations ont illustre l'utilisation d'un logiciel complet de traitement d'image applique a la mesure de surface

Pour de nombreuses applications industrielles ou environnementales, il est important de mesurer la taille et le volume de particules de formes irrégulières. C'est par exemple le cas dans le cadre du givrage des aéronefs qui se produit durant les vols, où il est nécessaire de mesurer in-situ la teneur en eau et la teneur en glace dans la troposphère afin de détecter et d’éviter les zones à risques. Notre intérêt s’est porté sur l’imagerie interférométrique en défaut de mise au point, une technique optique offrant de nombreux avantages (large champ de mesure, gamme de tailles étudiée étendue [50 μm : quelques millimètres], distance particule/appareil de mesure de plusieurs dizaines de centimètres…). Au cours de ces travaux de thèse, nous avons montré que la reconstruction 3D d'une particule peut se faire à partir d'un ensemble de trois images interférométriques de cette particule (sous trois angles de vue perpendiculaires). Cela peut être fait en utilisant l'algorithme de réduction d'erreur (ER) qui permet d'obtenir la fonction f(x,y) à partir des mesures du module de sa transformée de Fourier 2D |F(u,v)|, en reconstruisant la phase de sa transformée de Fourier 2D. La mise en œuvre de cet algorithme nous a permis de reconstruire la forme de particules irrégulières à partir de leurs images interférométriques. Des démonstrations expérimentales ont été réalisées à l'aide d'un montage spécifique basé sur l'utilisation d’une matrice de micro-miroirs (DMD) qui génère les images interférométriques de particules rugueuses programmables. Les résultats obtenus sont très encourageants. Les volumes obtenus restent assez proches du volume réel de la particule et les formes 3D reconstruites nous donnent une bonne idée de la forme générale de la particule étudiée même dans les cas les plus extrêmes où l'orientation de la particule est quelconque. Enfin, nous avons montré qu'une reconstruction 3D précise d'une particule rugueuse "programmée" peut être effectuée à partir d'un ensemble de 120 images interférométriques
For many industrial or environmental applications, it is important to measure the size and volume of irregularly shaped particles. This is for example the case in the context of aircraft icing which occurs during flights, where it is necessary to measure in situ the water content and the ice content in the troposphere in order to detect and avoid risk areas. Our interest has been on interferometric out-of-focus imaging, an optical technique offering many advantages (wide measurement field, extended range of sizes studied [50 μm: a few millimeters], distance particle / measuring device several tens of centimeters ...). During this thesis, we showed that the 3D reconstruction of a particle can be done from a set of three interferometric images of this particle (under three perpendicular viewing angles). This can be done using the error reduction (ER) algorithm which allows to obtain the function f(x,y) from the measurements of the modulus of its 2D Fourier transform |F(u,v)| , by reconstructing the phase of its 2D Fourier transform. The implementation of this algorithm allowed us to reconstruct the shape of irregular particles from their interferometric images. Experimental demonstrations were carried out using a specific assembly based on the use of a micro-mirror array (DMD) which generates the interferometric images of programmable rough particles. The results obtained are very encouraging. The volumes obtained remain quite close to the real volume of the particle and the reconstructed 3D shapes give us a good idea of the general shape of the particle studied even in the most extreme cases where the orientation of the particle is arbitrary. Finally, we showed that an accurate 3D reconstruction of a "programmed" rough particle can be performed from a set of 120 interferometric images

La première partie méthodologique de ce mémoire est dédiée au filtrage du speckle des données POL-InSAR multivariées et son impact sur l'estimation de paramètres. Trois directions principales ont été étudiées pour gagner en stationnarité/ergodicité : des voisinages adaptatifs vis-à-vis du signal, un estimateur adaptatif ou non et la compensation de la composante déterministe du signal de phase interférométrique. Ce mémoire propose une nouvelle stratégie pour filtrer des images SAR multivariées : l'utilisation de voisinages adaptatifs obtenus par une technique de croissance de région multivariée. Cette méthode appelée IDAN combine toutes les informations d'intensité disponibles dans un processus de croissance de région pour assurer la validité des hypothèses de stationnarité/ergodicité. Conjointement à IDAN, une nouvelle méthode est proposée pour estimer les fréquences locales dans des interférogrammes SAR. Ces méthodes ont été testées à la fois sur des images satellitaires basse résolution provenant d'acquisitions tandem ERS et sur plusieurs jeux de données aéroportées haute résolution dans différentes bandes de fréquences et configurations polarimétriques. La seconde partie de ce mémoire est dédiée à l'observation des glaciers alpins par télédétection SAR. Cette partie aborde le problème du traitement des données SAR multivariées sur le site test Chamonix Mont-Blanc. L'analyse de plusieurs interférogrammes ERS tandem acquis entre juillet 1995 et avril 1996 a permis d'obtenir les premiers champs de vitesse D-InSAR sur des glaciers des Alpes françaises et de montrer qu'il est possible de mesurer leur vitesse de surface entre octobre et avril avec un échantillonnage spatial de l'ordre de 20 m dans des interférogrammes à 1 jour en bande C. La seconde application présente une analyse POL/POL-InSAR des données SAR multibandes haute résolution acquises par le système aéroporté E-SAR en octobre 2006
In this PhD thesis, two main axes have been investigated. The first methodological part of this thesis proposes a particular focus on speckle filtering of POL-InSAR multivariate data and its implication on parameter estimation. The objective of speckle filtering is to retrieve the radiometric and spatial scene information from the observed speckled SAR measurement. Three main directions for gaining in stationarity/ergodicity have been investigated : signal adaptive neighbourhoods, non-adaptive/adaptive estimators and compensation of deterministic components in the interferometric phase signal. This thesis proposes a novel strategy for filtering multivariate SAR images, namely the use of adaptive neighbourhoods obtained by multivariate region growing techniques. According to this algorithm, named IDAN, all the available intensity images of the polarimetric or/and interferometric components are fused in the region growing process to ensure the validity of the stationarity/ergodicity assumptions. A novel method for estimating local frequencies in SAR interferograms is proposed. These algorithms have been tested both on several high resolution airborne data sets, and on low resolution spaceborne tandem ERS SAR images. The second part of this thesis is dedicated to Alpine glacier monitoring by SAR remote sensing. This part tackles the problem of processing multivariate SAR data over the Chamonix Mont-Blanc test site. The first application presented consists in measuring the 3D displacement field of an Alpine glacier by D-InSAR. The analysis of several tandem ERS interferograms between July 1995 and April 1996 shows that it is possible to measure temperate glacier surface velocity fields from October to April in 1-day C-band interferograms with approximately 20-meter ground sampling. The second application is represented by the first POL-InSAR analysis of multiband high resolution airborne SAR data acquired by the ESAR system in October 2006

Le phénomène de givrage qui se produit durant les vols d’aéronefs, lors de leurs traversées de la troposphère (zone dans laquelle la température peut descendre jusqu’à -60°C) se manifeste par une accrétion de glace sur différentes parties de l’appareil (voilures, réacteurs, sondes de mesure…) mettant en péril la sécurité de celui-ci. Ce phénomène constitue alors une problématique majeure pour la sécurité de l’aviation civile, c’est pourquoi il est nécessaire de développer de nouvelles techniques de mesure afin de détecter et d’éviter les zones à risques. Notre intérêt s’est porté sur l’imagerie interférométrique en défaut de mise au point, une technique optique offrant de nombreux avantages (large champ de mesure, gamme de tailles étudiée étendue [50 μm : quelques millimètres], distance particule/appareil de mesure de plusieurs dizaines de centimètres…). Au cours de ces travaux de thèse, nous avons développé un dispositif d’Imagerie Interférométrique de Particules (IIP) multi-vues permettant de caractériser les cristaux de glace en suspension dans latroposphère. En effet, par comparaison avec des mesures obtenues sur des images nettesenregistrées simultanément, nous avons validé l’utilisation de l’IIP multi-vues pour l’estimation dedimensions de particules de glace avec un taux d’erreur inférieur à 20%. Nous avons égalementproposé différentes approches permettant d’estimer les volumes des particules de glace et mis enévidence la « signature » typique d’une gouttelette en cours de givrage à partir d’images d’IIP.Dans une seconde partie, nous avons validé l’utilisation de l’IIP multi-vues pour le cas complexe oùles interférogrammes d’une paire de particules de glace proches l’une de l’autre se recouvrent etdiscuté des phénomènes de Moiré qui peuvent apparaître et perturber nos mesures. En outre, nousavons étendu le domaine d’utilisation de l’IIP à des milieux moins dilués. Enfin, dans une dernière partie, nous avons développé un dispositif expérimental innovant nous permettant d’effectuer des mesures d’IIP expérimentales à partir de particules « programmées » sur une matrice de micro-miroirs (DMD)
The icing phenomenon that occurs during aircraft flights during their troposphere crossings (an area where the temperature can drop to -60 ° C) is manifested by an accretion of ice on different parts of the apparatus (wings, reactors, measurement probes ...) endangering the safety of this latter. This phenomenon is therefore a major problem for the safety of civil aviation, that's why it is necessary to develop new measurement techniques to detect and avoid risk's areas. Our interest has been on interferometric out-of-focus imaging, an optical technique offering many advantages (wide measurement field, range of studied sizes extended [50 μm: a few millimeters], distance particle / measuring device several tens of centimeters ...). During this thesis, we have developed a multi-view Interferometric Particle Imaging (IPI) device to characterize suspended ice crystals in the troposphere. Indeed, by comparison with measurements obtained on in-focus images recorded simultaneously, we have validated the use of multi-view IIP for the estimation of ice particle dimensions with an error rate lower than 20%. We also proposed different approaches to estimate ice particle volumes and highlighted the typical "signature" of a droplet during icing from IIP images.In a second part, we validated the use of multi-view IIP for the complex case where the interferograms of a pair of ice particles close to each other overlap and discuss about Moiré phenomena that may appear and disrupt our measurements. In addition, we have extended the field of use of IIP to less diluted media. Finally, in the last part, we have developed an innovative experimental device allowing us to perform experimental IIP measurements from particles "programmed" on a matrix of micro-mirrors (DMD : Digital Micromirror Device)

Le givrage des aéronefs constitue une des problématiques majeures dans le domaine de la sécurité aérienne. L’accrétion de glace sur les différentes parties externes de l’appareil (ailes, sondes, moteurs) peut causer de graves dégâts conduisant au crash de l’aéronef. Dans le but d’éviter ce type d’accident, les réglementations imposent aux avionneurs d’être capables de caractériser en temps réel les conditions givrantes pendant le vol, par exemple grâce à une sonde aéroportée. Il s’agit de mesurer les tailles des gouttes d’eau surfondues et des cristaux de glace présents au passage de l’aéronef puis d’en déterminer leur concentration (en g. M−3). Ce travail de thèse a pour but de valider et d’améliorer l’utilisation de la technique optique imagerie interférométrique en défaut de mise au point (ou IPI pour Interferometric Particle Imaging) utilisée par la sonde de détection développée ici. La technique IPI est déjà largement utilisée dans le cas de la mesure de taille de gouttes d’eau, notre objectif est de l’étendre à la mesure de taille de particules irrégulières, tels que les cristaux de glace. La construction d’une colonne réfrigérante a permis de générer des cristaux de glace en laboratoire facilitant ainsi la réalisation d’expériences de validation de l’IPI appliquée à la mesure de ce type de particules. La première expérience a conduit à l’observation simultanée de gouttes d’eau et de cristaux de glace par IPI et holographie numérique en ligne. La seconde consistait en l’observation simultanée de cristaux de glace par IPI et par microscopie. L’analyse des différents résultats obtenus a validé la mesure de taille de cristaux de glace par IPI et a également pu mettre en évidence le fait qu’il était possible de retrouver des informations sur la morphologie des particules irrégulières grâce à cette technique. Lors de vols d’essais en janvier 2016, la sonde AIIS (Airborne Interferometric Ice Sensor) a détecté et mesuré les tailles de gouttes d’eau et de cristaux de glace directement dans les nuages
The aircraft icing is one of the most important problem in the field of aviation safety. The ice accretion on the external parts of the aircraft (wings, probes, engines) can be at the origin of great damages which can lead to the crash. In order to avoid such accidents, the Ferderal Aviation Agency requires that aircraft manufacturers have to be able to characterize the icing conditions in real-time during flight by using a dedicated airborne probe. It means size measurement of supercooled water droplets and ice crystals around the aircraft and the calculation of their concentration (in g. M−3). This thesis’s goal is to validate and improve the use of the optical technique Interferometric Particle Imaging (IPI) set up in the airborne probe developed here. The IPI technique is already widely used for droplets sizing, we extend it to the size measurement of irregular rough particles like ice crystals. The build of an icing column allowed to generate ice crystals in-lab which facilitated the set up of different validation experiments for the size measurement of irregular rough particles by IPI technique. The first experiment was the simultaneous recording of IPI images and digital holograms of water droplets and ice crystals. The second one was the simultaneous recording of IPI and in-focus images (microscopy) of ice crystals. The analysis of the final results validated the size measurement of ice crystals with an IPI system and also highlighted that it was possible to retrieve some morphological informations about these irregular particles. During flight test sessions in January 2016, the AIIS probe (Airborne Interferometric Ice Sensor) has detected and has measured sizes of water droplets and ice crystals inside clouds

Dans ce mémoire, je propose une nouvelle technique optique de mesure de positions relatives 3D, tailles et indices de réfraction d'un ensemble de particules, éclairées par un faisceau laser plan pulsé : l'imagerie interférométrique de Fourier (FII). Dans le cadre de ce travail, les particules sont sphériques, homogènes transparentes et isotropes. Lorsque ces particules sont éclairées, elles se comportent comme des sources d'ondes lumineuses sphériques qui interférent entre elles. L'enregistrement des franges d'interférences et leur analyse par transformation de Fourier peut permettre d'accéder aux caractéristiques des particules. Dans ce mémoire, je décris l'influence des caractéristiques de particules sur les représentations spectrales des franges d'interférences crées par les couples de particules éclairées dans l'espace de Fourier 2D. Les franges d'interférences sont simulées numériquement en utilisant la théorie de Lorenz-Mie. Puis j'aborde le problème inverse en montrant comment il est possible de retrouver les caractéristiques des particules, en me servant de l'optique géométrique et du filtrage spatial par transformation de Fourier.

Dans ce mémoire, je propose une nouvelle technique optique de mesure de positions relatives 3D, tailles et indices de réfraction d’un ensemble de particules, éclairées par un faisceau laser plan pulsé : l’imagerie interférométrique de Fourier (FII). Dans le cadre de ce travail, les particules sont sphériques, homogènes transparentes et isotropes. Lorsque ces particules sont éclairées, elles se comportent comme des sources d’ondes lumineuses sphériques qui interférent entre elles. L’enregistrement des franges d’interférences et leur analyse par transformation de Fourier peut permettre d’accéder aux caractéristiques des particules. Dans ce mémoire, je décris l’influence des caractéristiques de particules sur les représentations spectrales des franges d’interférences crées par les couples de particules éclairées dans l’espace de Fourier 2D. Les franges d’interférences sont simulées numériquement en utilisant la théorie de Lorenz-Mie. Puis j’aborde le problème inverse en montrant comment il est possible de retrouver les caractéristiques des particules, en me servant de l’optique géométrique et du filtrage spatial par transformation de Fourier
In this thesis, I propose a new optical technique for measuring 3D relative positions, sizes and refractive indices of a set of particles, which are illuminated by a plane and pulsed laser beam. In this work, the particles are spherical, transparent, homogeneous and isotropic. When these particles are illuminated, they have the behavior of sources of spherical light waves which interfere. The recording of interference fringes and analysisby Fourier transform can measure the characteristics of the particles. I describe the influence of particle characteristics on spectral representations of the interference fringes created by the pairs of particles illuminated in 2D Fourier space. The interference fringes are simulated numerically using the Lorenz-Mietheory. The inverse problem is approached by showing how it is possible to measure the characteristics of particles with geometrical optics and spatial filtering by Fourier transformation

Le développement de micro-système à grande échelle nécessite des moyens de test et de caractérisation rapides et performants. Ce travail de recherche consiste à proposer et à implémenter des algorithmes de caractérisation de surface dans un système de mesure temps réel dans lequel la prise en compte des contraintes temporelles est tout aussi importante que la qualité des résultats métrologiques. Dans ces travaux, nous nous sommes particulièrement intéressés au développement des techniques de mesures basées sur l’interférométrie en lumière blanche telles que la PFSM « Peak Fringe Scanning Microscopy » et la FSA « Five Sample Adaptative non linear Algorithm ». Dans une première étape, un environnement de simulation des algorithmes de démodulation utilisés en interférométrie (PFSM, FSA) a été développé au niveau fonctionnel sous MATLAB puis au niveau comportemental sous VHDL dans le but de les valider. Dans une seconde étape, ces deux algorithmes ont été implantés sur une carte d’acquisition et de traitement munie d’un FPGA. Une cadence 3D en ligne de 18 i/s a été obtenue sur une profondeur d’analyse de 7 µm avec une résolution axiale de 15 nm
The development of micro-systems in large scale production requires fast and successful means of test and characterization. This research work consists of proposing and implementing surface characterization algorithms in a real time measurement system in which the taking into account the time constraints is just as important as the quality of the metrological measurements. In this work, we are particularly interested in the development of techniques based on white light scanning interferometry such as PFSM "Peak Fringe Scanning Microscopy" and FSA "Five Sample non-linear Adaptive Algorithm". The aims of this work are twofold. Firstly we present the results of the modeling and simulation of two algorithms that correspond to our requirements, namely PFSM and FSA at a functional level under MATLAB and at a behavioral level under VHDL in order to validate them. Secondly we present some results of high speed image acquisition using post processing in order to demonstrate the potential of the technique, in which a 3D measurement rate of 18 i/s has been achieved for a depth of 7 μm, with an axial sensitivity of 15 nm

Les approches markoviennes en imagerie et vision par ordinateur offrent un cadre mathématique élégant pour résoudre certains problèmes complexes. Le plus souvent, la fonction d'énergie globale modélisant le problème demeure difficile à minimiser. La première contribution de cette thèse consiste alors à proposer des algorithmes d'optimisation efficace de la classe d'énergies markoviennes multi-étiquettes de premier ordre ayant une attache aux données quelconque et un a priori convexe. Les algorithmes proposés reposent sur la technique de coupe-minimum sur graphe et des stratégies d'optimisation itérative par des nouveaux mouvements de partitions larges et multi-étiquettes, qui permettent d'avoir un compromis entre la qualité de l'optimum atteint et la complexité algorithmique. Le cadre applicatif principal de cette thèse est la reconstruction du relief par interférométrie radar à synthèse d'ouverture. Cette méthode de calcul de modèles numériques de terrain est confrontée le plus souvent à la nature très bruitée des données radar et aussi à la complexité des scènes naturelles et urbaines à reconstruire et à leur grande dimension. Ainsi, la seconde contribution de ces travaux de thèse consiste à proposer des modèles markoviens robustes face à la diversité des scènes à reconstruire dans le cas général et des algorithmes d'optimisation qui leur sont appropriés. L'approche générale est testée et validée sur un jeu de données radar synthétiques et réelles (ERS et ESAR)
The MRF in computer vision and image analysis is a powerful framework for solving complex problems using the MAP estimation. However, some image processing problems deal with high dimensional data and require non-convex MRF energy functions. Thus, optimization process becomes a hard task. The first contribution of this thesis is developing new efficient optimization algorithms for the class of the first order multi-label MRF energies with any likelihood terms and convex prior. The proposed algorithms rely on the graph-cut technique, and iterative strategies based on large and multi-label partition moves. These algorithms offer a trade-off between optimum quality and algorithm complexity. The main application of this work is the digital elevation model (DEM) estimation using interferometric synthetic aperture radar (InSAR) data. This problem is usually considered as a complex and an ill-posed one, because of the high noise rate affecting interferograms and the complex structures qualifying real natural and urban area. So, the second contribution of this work is developing new MRF models relying on the multichannel interferometric likelihood density function and the total variation regularization. Appropriate optimization algorithms are then proposed. The new approach is applied to synthetic and real InSAR data showing better performances than the state of the art techniques

Les approches markoviennes en imagerie et vision par ordinateur offrent un cadre mathématique élégant pour résoudre certains problèmes complexes. Le plus souvent, la fonction d'énergie globale modélisant le problème demeure difficile à minimiser. La première contribution de cette thèse consiste alors à proposer des algorithmes d'optimisation efficace de la classe d'énergies markoviennes multi-étiquettes de premier ordre ayant une attache aux données quelconque et un a priori convexe. Les algorithmes proposés reposent sur la technique de coupe-minimum sur graphe et des stratégies d'optimisation itérative par des nouveaux mouvements de partitions larges et multi-étiquettes, qui permettent d'avoir un compromis entre la qualité de l'optimum atteint et la complexité algorithmique. Le cadre applicatif principal de cette thèse est la reconstruction du relief par interférométrie radar à synthèse d'ouverture. Cette méthode de calcul de modèles numériques de terrain est confrontée le plus souvent à la nature très bruitée des données radar et aussi à la complexité des scènes naturelles et urbaines à reconstruire et à leur grande dimension. Ainsi, la seconde contribution de ces travaux de thèse consiste à proposer des modèles markoviens robustes face à la diversité des scènes à reconstruire dans le cas général et des algorithmes d'optimisation qui leur sont appropriés. L'approche générale est testée et validée sur un jeu de données radar synthétiques et réelles (ERS et ESAR).

Le travail présenté dans cette thèse concerne la réalisation d’un instrument dédié à la sismologie des planètes géantes : le SYMPA, Sismomètre Interférentiel Imageur Monobloc à Prismes Accolés. Il s’agit d’employer les outils de l’héliosismologie pour l’étude de l’intérieur des planètes géantes. Les caractéristiques de l’instrument comportent une grande diminution du niveau de bruit, une résolution angulaire suffisante pour l’exploration de modes allant jusqu’à 1 = 25, et un concept compact, fiable, conditions idéales par rapport aux exigences de mise en place d’un réseau d’observation. Deux instruments ont été développés pour des observations à San Pedro Martir au Mexique, et à l’Observatoire d’Izana aux Iles Canaries. Les simulations, tests et observations concernant SYMPA depuis la création de l’instrument jusqu’à sa réalisation sont ici présentés. Ce document relate essentiellement l’analyse et le traitement des images obtenues, incluant la correction de distorsion géométrique différentielle entre les images. Grâce à l’amélioration à la fois du traitement des données et des réglages, il a été possible d’obtenir des franges interférométriques très bien contrastées. Les dernières observations ont été un réel succès, avec six nuits exploitables dans chacun des deux sites. Les perspectives observationnelles au Dôme C en Antarctique ouvrent un nouveau champ de possibilités à la sismologie des planètes géantes, sur la base du travail accompli avec SYMPA ces dernières années
The work presented in this thesis relates to the realization of an instrument dedicated to jovian seismology, the SYMPA, « Sismomètre Interférentiel Imageur Monobloc à Prismes accolés ». It consists in using helioseismology tools for giant planets interior study. The specifications of the instrument include a drastic reduction of the noise level, a sufficient angular resolution allowing exploration of modes up to 1 = 25, and a compact, reliable design, for compatibility with the requirements of network observations. Two instruments have been developed for observations in Mexican observatory of San Pedro Martir as well as in Canarian observatory of Izana. Simulations, tests and observations concerning SYMPA from the creation of the instrument to its realization, are presented. It relates essentially to the analysis and the treatment of images we obtained, including the correction of geometric differential distortions between images. Thanks to the improvement of both the data treatments and the manipulation of SYMPA, it has been possible to obtain very-well designed interferometric fringes. Last observations have been a real success : six exploitable nights for the two sites. Observational perspectives zt Dome C in Antarctica are opening a new field of possibilities for the giant planets seismology, on the basis of the work with SYMPA since last years

Les structures immergées telles que des hydroliennes génèrent des écoulements turbulents pouvant fortement perturber les fonds marins. La compréhension de l’impact de la présence de ces structures nécessite de comprendre la dynamique tridimensionnelle des tourbillons qu’elles génèrent. Les méthodes optiques, par leur aspect non intrusif, permettent d’analyser de telles dynamiques. L’imagerie interférométrique en défaut de mise au point est une technique développée à l’originepour la mesure de taille de particules sphériques transparentes telles que des gouttes ou des bulles. Nous proposons ici l’extension de cette technique à la mesure simultanée de particules irrégulières et sphériques. Un premier montage expérimental a permis de valider la méthode pour la mesure de taille et de position tridimensionnelle de grains de sable et de bulles d’air dans l’eau. Un second dispositif a été réalisé sur un canal à houle de plus grandes dimensions, permettant d’introduire les notions de suivi tridimensionnel de particules irrégulières et d’analyse de variation de leur orientation. Un troisième montage composé de deux dispositifs d’imagerie interférométrique selon deux angles d’observations est utilisé pour la reconnaissance de forme de différentes familles de particules irrégulières. Grâce à des comparaisons avec des simulations, les dimensions et l’orientation de ces particules sont déterminées. Ce type de montage devrait être adapté à la caractérisation de cristaux de glace dont divers types de formes sont connus. Ces travaux ouvrent des perspectives pour l’extension de la technique aux mesures de vitesses de particules dans des écoulements hostiles, combinées avec la reconnaissance de forme et la détermination de la rotation de particules
Submerged structures such as tidal turbines generate turbulent flows that can strongly disrupt the seabed. Understanding the impact of the presence of these structures requires understanding the three-dimensional dynamics of the vortices they generate. Optical methods, by their non-intrusive aspect, make it possible to analyze these dynamics. Interferometric Particle Imaging is a technique originally developed for the measurement of transparent spherical particles such as droplets orbubbles. We offer here an extension of this technique for the simultaneous characterization of irregular and spherical particles in a flow. A first experimental set-up has confirmed the validity of the method for the size and three-dimensional position measurement of grains of sand and air bubbles in water. A second device was used on a wave flume of bigger dimensions, introducing the notions of three-dimensional tracking of irregular particles and the analysis of the variation of their orientation.A third device made of two Interferometric Particle Imaging set-ups at two angles of observation is described for the shape recognition of different families of irregular particles. Through comparisons with simulations, dimensions and orientations of these particles are determined. This kind of device should be suitable for the characterization of ice crystals for which various shapes are known. The prospects that such results provide include the extension of the technique to the particle velocitymeasurement in hostile conditions, combined with the shape recognition and the determination of rotation of particles

En 1969, il a été suggéré que des lacunes atomiques pourraient former un condensat de Bose dans l'hélium-4 solide, ce qui lui conférerait des propriétés de superfluidité. Ce scénario n'a toujours pas pu être observé, car il semblerait que l'énergie d'activation des lacunes soit trop importante. Toutefois, cette énergie diminue lorsque le volume molaire du solide augmente, mais cette diminution est limitée par la fusion du solide. Le travail présenté dans cette thèse, vise à produire un état d'hélium solide métastable par rapport à la fusion, pour prolonger la diminution de l'énergie d'activation et tendre vers la réalisation du scénario. Pour cela nous avons développé une technique permettant de focaliser une onde ultrasonore dans un monocristal d'hélium pourtant anisotrope. Les oscillations de pression provoquées par l'onde portent transitoirement l'hélium sous sa pression de fusion, qui est d'environ 25 bar. Une mesure interférométrique du champ acoustique émis, faite à travers les accès optiques du cryostat, nous permet de déterminer la pression de l'échantillon métastable produit. Les résultats obtenus montrent qu'il est possible d'obtenir des états métastables décomprimés jusqu'à 21 bar, soit 4,5 bar sous la pression de fusion. Au-delà de cette limite, le cristal subit une instabilité inattendue, bien avant la limite spinodale prédite théoriquement. L'analyse de cette instabilité montre que le phénomène pourrait correspondre à la nucléation de la phase liquide, bien que sa pression d'apparition soit incompatible avec le modèle actuel.

Ces travaux de thèse proposent une amélioration du Scanning Microdeformation Microscope (SMM),un microscope à sonde locale, pour la caractérisation mécanique élastique des matériaux à l’échellelocale. Il est montré qu’en utilisant n > 2 modes de résonance du SMM, il est possible de découplerles mesures du module de Young et du coefficient de Poisson d’un matériau isotrope.Une étude des modes du résonateur a permis d’enrichir son modèle afin qu’il puisse modélisern > 2 modes. Des procédures ont été développées pour identifier les paramètres de ce modèle etles constantes élastiques des matériaux à partir de n > 2 fréquences de résonance. Enfin, ces procéduresont été appliquées à des exemples de caractérisation à l’échelle locale afin de valider laméthode et d’en exhiber les possibilités et les limites.Pour gagner en robustesse et se diriger vers la caractérisation des matériaux anisotropes, un systèmed’imagerie interférométrique en lumière polarisée, permettant la mesure du champ de rotationde surfaces réfléchissantes dans une direction particulière, a été développé pour être intégré auSMM. Son prisme biréfringent à gradient uniaxial d’indice lui confère sa sensibilité à la rotation. Cesystème est capable de mesurer un champ de rotation localisé comme c’est le cas au voisinage dela pointe du SMM. Il a aussi montré son intérêt dans les cas où l’effet d’échelle rend particulièrementintéressante la mesure de la rotation
This work proposes an improvement of the Scanning Microdeformation Microscope (SMM), a scanningprobe microscope, for the mechanical elastic characterization of materials at local scale. It demonstratesthat using n > 2 SMM resonance frequencies allows to decouple Young’s modulus andPoisson’s ratio values for an isotropic material.The mechanical description of the resonator has been enriched in order to allow for an accuratemodeling over a wide frequency range. Procedures have been developed to identify the modellingparameters and the elastic constants of the materials from n > 2 resonant frequencies. Finally, theseprocedures have been applied to the characterization of various materials at local scale in order tovalidate the method and to present possibilities and limits.To improve robustness and move towards the characterization of anisotropic materials, a polarizedlightimaging interferometer was developed to measure the rotation field of reflecting surfaces in aparticular direction. The sensitivity to the rotation originates from a homemade birefringent prism withuniaxial gradient of refractive index. This system is able to measure a localized rotation field as it isinduced in the vicinity of the tip of the SMM. Its interest is also demonstrated in cases in which scaleeffects make the rotation measurement preferable to the out-of-plane displacement measurement

La microscopie par cohérence optique (OCM) est une technique d'imagerie tomographique basée sur l'interférométrie en lumière blanche permettant d'imager les milieux biologiques à l'échelle microscopique. L'OCM est une méthode particulièrement adaptée à l'imagerie dermatologique, en particulier pour le diagnostic du cancer de la peau, car elle permet d'obtenir des images similaires aux images histologiques sans nécessiter d'effectuer de biopsie.Ces travaux de thèse portent sur le développement de la microscopie par cohérence optique pour l'imagerie de la peau, dans le but de fournir au dermatologue un outil d'imagerie compact, adapté à l'imagerie dermatologique in vivo, et permettant d'obtenir des images à la fois structurelles et fonctionnelles.Un dispositif de microscopie par cohérence optique plein champ (FF-OCM) compact, à éclairage par LED blanche, a tout d'abord été développé, permettant d'obtenir des images tomographiques à très haute résolution (0.7 μm × 1.8 μm) jusqu’à ∼200 μm de profondeur dans la peau. En utilisant une LED de haute puissance, des images de peau in vivo ont pu être obtenues.A partir de ce dispositif de FF-OCM, des méthodes d'imagerie fonctionnelle permettant de cartographier les écoulements sanguins (angiographie) ont été mises en oeuvre. Quatre méthodes, basées sur une analyse du signal interférométrique (temporelle ou fréquentielle), d'images de phase ou d'images d'amplitude ont permis d'imager de l'intralipide s'écoulant dans un modèle de capillaire sanguin.L'imagerie fonctionnelle polarimétrique a aussi été explorée en FF-OCM. Une optimisation du contraste des images polarimétriques a été obtenue en modifiant les composants polarisants d'un montage conventionnel de FF-OCM polarimétrique en fonction de l'échantillon imagé. Cette méthode a été testée sur un échantillon polarisant simple.Finalement, une nouvelle méthode d'OCM, la microscopie par cohérence optique confocale à éclairage « ligne » (LC-OCM) a été étudiée, dans le but de développer un système permettant d'imager la peau in vivo, avec une plus grande profondeur de pénétration dans les tissus que la FF-OCM. Ce système, combinant un filtrage interférométrique et un filtrage confocal, a permis d'obtenir des images de peau in vivo en coupe verticale et en coupe en face, avec une résolution spatiale similaire à celle de la FF-OCM, mais à une profondeur supérieure atteignant 300 μm
Optical coherence microscopy (OCM) is a technique for tomographic imaging based on white light interferometry, making it possible to image biological media with micrometer-scale spatial resolution. OCM is particularly well-suited to dermatological imaging, especially skin cancer diagnosis, since it provides images that are similar to histological images without the need for biopsy.This PhD thesis focuses on the development of OCM for skin imaging, with the aim of providing a compact, in vivo imaging tool for the dermatologist, capable of acquiring structural and functional images of the skin.A compact, full-field OCM (FF-OCM) system illuminated by a white LED was first developed, making it possible to obtain tomographic images at an ultra-high resolution (0.7 μm × 1.8 μm), up to ∼200 μm in depth within the skin. Using a high power LED, in vivo skin images could be obtained.Using this FF-OCM setup, functional imaging methods for blood flow mapping (angiography) were implemented. Four methods, based on temporal or frequency analysis of the interferometric signal, phase images or amplitude images, have been shown to be able to image intralipid flow within a model blood capillary.Functional polarimetric imaging has also been explored in FF-OCM. Contrast optimization in polarimetric images has been obtained by modifying the polarizing components of the conventional polarization sensitive FF-OCM setup depending on the sample to be imaged. This method has been tested on a simple polarizing sample.Finally, a new OCM method, line-field confocal OCM (LC-OCM), has been studied. The goal here was to develop a system capable of imaging the skin in vivo, with a tissue penetration depth greater than what is possible for FF-OCM. This system, which combines interferometric filtering and confocal filtering, makes it possible to obtain in vivo skin images in vertical and en face slices, with a spatial resolution similar to that of FF-OCM, but with a greater penetration depth of 300 μm

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

Cette thèse est divisée en six chapitres. Les trois premiers sont une partie introductive. Chapitre 1, nous rappelons brièvement la théorie des matrices aléatoires et les résultats généraux d'analyse spectrale, ainsi que les modèles à variances isolées. Le chapitre 2 présente le modèle à facteurs et la théorie du maximum de vraisemblance le concernant. Nous rappelons chapitre 3 plusieurs méthodes d'estimation du nombre de facteurs. Les chapitres suivant concernent les contributions originales. Les chapitres 4 et 5 décrivent une méthode d'estimation du nombre de facteurs/spikes en grande dimension. L'estimateur considéré s'appuie sur le comportement des valeurs propres de la matrice de covariance empirique qui est différent selon que l'on considère celles correspondant aux spikes ou non. Il correspond à la différence de deux valeurs propres consécutives ordonnées. Le chapitre 4 établit la convergence de l'estimateur dans le cas où toutes les spikes sont distinctes, et le compare à deux méthodes existantes à travers des simulations. L'estimateur dépend d'un certain seuil qui doit remplir certaines conditions. Chapitre 5, nous étendons le résultat de consistance au cas d'égalité et améliorons l'estimateur en changeant de seuil. Chapitre 6, nous considérons les estimateurs du maximum de vraisemblance dans un modèle à facteurs strict à variance homoscédastique. Nous corrigeons l'estimateur de la variance commune en grande dimension en donnant l'expression de son biais et en établissant sa loi limite. Nous présentons ensuite une version corrigée du test du rapport de vraisemblance d'adéquation à un modèle à facteurs. Nous construisons enfin un test d'égalité de deux spikes
The broad topic of the presented Ph. D. Thesis consists in the research on novel methods in the field of microwave imaging, in particular the so-called passive microwave / millimeter-wave imaging, which is also referred to as radiometric imaging. This study focuses on proximity range applications such as concealed objects detection, human body screening, etc. These works has been carried out during a partnership with two teams in IETR : the department of "Antennas & Microwave Devices" and the department of "Propagation - Tracking & Remote Sensing". The aim is to design a low cost and compact fully electronic passive imaging system suitable for short range 2D imaging applications, and study the necessary devices for the implementation of a complete demonstrator. The inoffensive character of the device is ensured by the lack of active emitter devices. Imaging is done by the interferometric synthetic aperture technique. The hard work is therefore concerned the definition of the system architecture and its optimization. In this study, to improve the cost-performance of the imaging systems, a new approach based on the use of a switch sub-matrix strategy for a passive imaging system is presented and discussed. The synthesis of planar arrays that is able to yield optimal sparse arrays with a low-redundancy and an optimized switching process is then proposed. This approach has been adapted into a complete antenna system at X band and millimeter-wave band. The objectives of these prototypes are to validate at first this approach experimentally, and then validate the principle of system calibration to process real data for image reconstruction

L'imagerie radar à synthèse d'ouverture (SAR) est une source importante d'information pour le suivi d'objets géophysiques terrestres par télédétection.
Nous présentons une première partie méthodologique dédiée au filtrage du speckle des données POL/In/POL-InSAR multivariées et son impact sur l'estimation de paramètres.

L'objectif du filtrage de speckle est de restaurer l'information spatiale et radiométrique de la scène.
Trois directions principales sont étudiées pour gagner en stationnarité/ergodicité : des voisinages adaptatifs vis-à-vis du signal, un estimateur adaptatif ou non (moyenne complexe multi-vue, LLMMSE) et la compensation de la composante déterministe du signal de phase interférométrique.
Une nouvelle stratégie pour filtrer des images SAR multivariées est proposée: l'utilisation de voisinages adaptatifs obtenus par une technique de croissance de région multivariée.
Cette méthode appelée IDAN combine toutes les informations d'intensité disponibles dans un processus de croissance de région pour assurer la validité des hypothèses de stationnarité/ergodicité.
Conjointement à IDAN, une nouvelle méthode est proposée pour estimer les fréquences locales dans des interférogrammes SAR.
Ces méthodes ont été testées à la fois sur des images satellitaires basse résolution provenant d'acquisitions tandem ERS et sur plusieurs jeux de données aéroportées haute résolution dans différentes bandes de fréquences et configurations polarimétriques.

La seconde partie est dédiée à l'observation des glaciers alpins par télédétection SAR.
Cette partie aborde le problème du traitement des données SAR multivariées sur le site test « Chamonix Mont-Blanc ».
L'analyse de plusieurs interférogrammes ERS tandem acquis entre juillet 1995 et avril 1996 a permis d'obtenir les premiers champs de vitesse D-InSAR sur des glaciers des Alpes françaises et de montrer qu'il est possible de mesurer leur vitesse de surface entre octobre et avril avec un échantillonnage spatial de l'ordre de 20 m dans des interférogrammes à 1 jour en bande C.
La seconde application présente une analyse POL/POL-InSAR des données SAR multi-bandes haute résolution acquises par le système aéroporté E-SAR en octobre 2006, sur les glaciers d'Argentière, du Tacul et de la Mer-de-glace.
Ces premiers résultats illustrent plusieurs applications possibles de la télédétection radar polarimétrique/interférométrique pour l'observation des glaciers, telle que l'analyse des bandes de Forbes.