L’imagerie thermique est largement utiisée dans le domaine militaire pour ses capacités de vision diurne et nocturne et sa longue portée d’observation. Cette technologie est basée sur la détection passive dans l’infrarouge. En conditions météorologiques dégradées ou quand la cible est partiellement dissimulée par du feuillage ou des filets de camouflages militaires, elle devrait être à court terme de plus en plus complémentée par un système d’imagerie active. Cette technologie est essentielle pour l’imagerie à longue portée. La technique d’imagerie dite flash 2D est basée sur une source laser impulsionnel qui illumine la scène et sur une caméra rapide synchronisée qui constitue le système d’imagerie. Ces deux technologies sont b ien éprouvées en présence de conditions météorologiques claires. Les modèles TRM4 (imagerie thermique) et PERFIMA (imagerie active) sont capables de prédire correctement les performances de tels systèmes par beau temps. En revanche, en conditions dégradées telle que la pluie, le brouillard ou la neige, ces modèles deviennent non pertinents. Cette étude introduit de nouveaux modèles pour compléter les codes TRM4 et PERFIMA, et les rendre aptes à prévoir les performances dans ces conditions dégradées. Nous analysons ici plus particulièrement le temps de pluie pour l’imagerie active et l’imagerie thermique. Dans un premier temps, nous répertorions l’impact possible de la pluie sur des paramètres physiques connus (extinction, transmission, résolution spatiale, luminance de trajet, turbulence). Nous étudions ensuite les phénomènes physiques et les lois régissant les caractéristiques de la pluie. Nous avons développé des modèles physiques permettant de calculer l’impact de la pluie sur le système global d’imagerie. Enfin, nous avons simplifié et allégé ces modèles pour obtenir des modèles faciles à utiliser et à interfacer avec les codes TRM4 et PERFIMA qui sont couramment utilisés pour des applications industrielles. Ces modèles de prédiction de l’imagerie active et de l’imagerie thermique ont été confrontés à la réalité (expérience avec l’imageur MILPAT par exemple) pour être validé sur des données réelles, comme la portée des systèmes.

L‘objectif de la thèse consiste à caractériser expérimentalement sous vide les propriétés d’émission électronique de matériaux utilisés dans des applications spatiales tels que l’argent et l’aluminium dans leur état de contamination naturel, afin de fournir des données précises à la communauté du spatial tout en contribuant à comprendre et quantifier le rôle joué par la contamination naturelle sur leurs propriétés d’émission électronique. Afin de répondre à cet objectif, un moyen expérimental nommé CELESTE permettant de caractériser les différentes propriétés d’émission électronique de ces matériaux sous ultravide a été développé. Il permet d’effectuer des mesures de rendement d’émission électronique ainsi que des mesures de rendement de rétrodiffusion. Afin d’établir un lien entre la physique d’émission bien connue des matériaux purs et la physique d’émission des matériaux d’utilité pratique, un protocole expérimental spécifique a été mis en place. Il permet de caractériser l’évolution du rendement d’émission et de la distribution énergétique des électrons émis à partir d’un matériau exposé à l’air jusqu’à l’élimination par décapage ionique successifs de tous les contaminants déposés à la surface. Une corrélation a été établie entre évolution du rendement d’émission et évolution de la composition de la surface de l’argent et de l’aluminium. Ce travail a permis de mettre en évidence l’influence prépondérante des contaminants naturels sur leurs propriétés d’émission électronique. En effet, les propriétés d’émission de ces deux matériaux exposés à l’air dépendent d’avantage de la nature de la couche de contamination déposée à la surface que du matériau pur sous-jacent.

Poussée par une forte demande et un marché très compétitif, la technologie PPD CIS est en évolution permanente. Du fait de leurs très bonnes performances en terme de bruit, les capteurs d’image CMOS à base de Photodiode Pincée (PPD CIS) peuvent désormais atteindre une sensibilité de l’ordre de quelques photons, ce qui rend cette technologie particulièrement intéressante pour les applications d’imagerie à haute résolution temporelle. Aujourd’hui, la physique des photodiodes pincées n’est pas encore comprise dans sont intégralité et il y a un manque important d’uniformisation des méthodes de caractérisation de ces détecteurs. Ces travaux s’intéressent à la définition, à la modélisation analytique, à la simulation et à l’estimation de paramètres clés des PPD CIS, tels que le temps de transfert, la tension de pincement et la full well capacity (FWC). Comme il a été mis en évidence par cette thèse, il est de première importance de comprendre l’effet des conditions expérimentales sur les performances de ces capteurs. Ceci aussi bien pour l’optimisation de ces paramètres lors de la conception du capteur, que lors de la phase de caractérisions de celui-ci, et enfin pour choisir correctement les conditions de mesures lors de la mise en œuvre du dispositif.

Une nouvelle architecture d’Imagerie Flash Laser, appelée imagerie flash laser mosaïque (IFLM) consistant à visualiser une scène par acquisition rapide de petites zones ou imagettes a été développée à l’ONERA. Par rapport à l’imagerie Flash laser traditionnelle qui acquiert en une seule fois toute la scène, cette technique permet d’augmenter le niveau de l’éclairement sur chaque imagette mais nécessite de couvrir l’ensemble de la scène d’étude avec une haute cadence d’échantillonnage spatiale. Cette thèse a pour but d’évaluer les performances de ce nouveau concept puis de les comparer à l’imagerie flash laser classique. Dans une première étape, un simulateur complet d’IFLM (Modèle de formation d’image incluant les algorithmes de reconstruction de la scène) a été développé afin de synthétiser tous les phénomènes intervenant dans la formation des images acquises par la caméra puis de réaliser les traitements de restauration nécessaires afin de s’affranchir des artefacts introduits par cette technique. La simulation des images en entrée instrument prend en compte la forme du faisceau de la source, le type de balayage, le canal de propagation (transmission atmosphérique et turbulence) et enfin des bruits instrumentaux. Afin de reconstituer une image complète de la scène à partir des imagettes, trois méthodes de restauration ont été comparées montrant l’apport de notre méthode d’optimisation avec contrainte RL1L2. Dans une seconde étape, ce simulateur bout-en-bout a été utilisé afin de sélectionner le balayage optimal du faisceau laser pour obtenir la meilleure qualité d’image. Nous avons montré qu’un balayage en quinconce était préférable à un balayage en ligne. Dans une troisième étape, les performances en termes de rapport signal-à-bruit et de contraste ont été évaluées et comparées à des images acquises par imagerie flash laser classique. Les résultats obtenus sur des images synthétiques ont montré que les performances entre ces deux techniques étaient comparables. Enfin, une analyse est menée sur l’étude des performances d’un tel système en tenant compte des technologies disponibles. Compte tenu des caractéristiques actuelles des sources laser et détecteurs, l’imagerie flash laser mosaïque montre son intérêt lorsqu’il faut couvrir un large champ de la scène présentant de faibles évolutions temporelles.

Ce travail de thèse étudie les moyens d’étendre les zones de charge d’espace des photodiodes PN d’un imageur CMOS afin d’améliorer la collection des charges photogénérées dans le silicium, en particulier dans le proche infra-rouge. Deux possibilités sont abordées : l’augmentation de la tension de polarisation des photodiodes et la diminution du dopage du silicium. Dans un premier temps, une étude théorique articulée autour de modèles analytiques et de simulations TCAD montre les difficultés technologiques pour parvenir à une augmentation de polarisation des photodiodes, ainsi que les conséquences de l’utilisation de substrats résistifs sur les éléments de l’imageur et sur ses performances. Ces simulations permettent de définir les éléments influençant l’extension de la charge d’espace d’un pixel. Sur la base de cette étude, un imageur CMOS à pixel 3T a été développé et fabriqué sur substrat float-zone très fortement résistif afin de valider les observations théoriques. La caractérisation de ce composant confirme la dépendance de la zone dépeuplée à la conception du pixel. Elle démontre également la corrélation entre l’extension des zones dépeuplées et les performances électro-optiques. Des règles de conception sont définies permettant d’optimiser les performances tout en limitant les courants de fuite entre pixels.

Les émissions atmosphériques constitue un enjeu majeur pour la société, à la fois pour les problématiques santé – qualité de l’air (maladies respiratoires, allergies,. . . ) et pour les problématiques liées au réchauffement climatique et aux gaz à effet de serre. Les sources anthropiques, industrielles en particulier, émettent dans l’atmosphère gaz et aérosols qui jouent un rôle important dans les échanges atmosphériques. Néanmoins leur suivi à haute résolution spatiale reste peu précis, en raison des résolutions rencontrées pour les senseurs spatiaux. Les développements techniques récents des capteurs hyperspectraux aéroportés permettent d’améliorer la caractérisation des panaches. Lors de nos travaux nous avons développé un nouvel outil pour la détection et la caractérisation des panaches de gaz. Ainsi, une cartographie 3D des différentes concentrations est obtenue. Cet outil est ensuite validé sur des images synthétiques et sur des acquisitions aéroportés de scènes industrielles.

L’environnement radiatif naturel est connu pour être sévère sur les composants électroniques de puissance. Il est caractérisé par des particules chargées électriquement, notamment des ions lourds et des protons. Dans le contexte avionique, c’est maintenant essentiel d’estimer les effets de dites particules : les MOSFETs de puissance sont en fait largement utilisés pour les caractéristiques électriques et le coût. Cette étude s’occupe de la prédiction du Single Event Effect (SEB) dans les MOSFETs de puissance : sur la base d’une analyse physique à travers des simulations TCAD, le modèle de prédiction DELPHY est construit pour calculer les taux d’occurrence du SEB généré par ions lourds et protons. Le SEB provient de la génération d’une charge dans le composant, qui évolue via un courant élevé et auto-alimenté, ayant comme conséquence la destruction thermique du composant. Le SEB a été étudié dans ses différents aspects : c’est admit qu’il dépend de plusieurs facteurs, notamment la géométrie du composant, son dopage et sa polarisation ; la nature et le LET (Linear Energy Transfer) de la particule, le lieu et l’angle d’impact. Tous ces paramètres ne peuvent pas être contrôlés, et le compromis entre le coût et la fonctionnalité limite la mise en place des solutions de durcissement. Pour cette raison, un modèle de prédiction de l’occurrence SEB est nécessaire, ce qui fait l’objet de cette étude. Le modèle DELPHY est basé sur l’analyse physique du Single Event Burnout, à travers la simulation composant 2D TCAD, afin de maîtriser les paramètres cités auparavant qui sont pertinents pour le phénomène. Deux différentes topologies de composant on été étudiées (HEXFET et STRIPFET). A partir de cette analyse, une loi empirique de déclenchement a été calculée et un critère SEB basé sur le champ électrique et la charge déposée dans la couche epitaxiée a été défini. Les sections efficaces SEB ont été calculées pour des injections d’ions lourds. En prenant en compte la probabilité différentielle de génération des particules secondaires sous impact proton, les taux SEB ont été prédis aussi pour le cas du SEB généré par les protons. Toutes les sections efficaces calculées ont été comparées avec succès aux données expérimentales : d’abord avec les caractérisations composant publiées par le CNES ; en suite dans le cadre d’une étude spécifique commune ONERA-CERN afin de caractériser la prochaine génération des convertisseurs de puissance dans le Large Hadron Collider. DELPHY propose donc d’avoir un rôle essentiel comme instrument de prédiction SEB, et trace la route pour une amélioration de l’estimation des taux SEB.

La disponibilité de nouveaux moyens d’acquisition en télédétection, satellitaire (PLEIADES, HYPXIM), aéroportée ou par drone (UAV) à très haute résolution spatiale ouvre la voie à leur utilisation pour l’étude de milieux complexes telles que les villes. En particulier, la connaissance de la ville pour l’étude des îlots de chaleur, la planification urbaine, l’estimation de la biodiversité de la végétation et son état de santé nécessite au préalable une étape de classification des matériaux qui repose sur l’utilisation de l’information spectrale accessible en télédétection hyperspectrale 0,4-2,5μm. Une des principales limitations des méthodes de classification réside dans le non traitement des zones à l’ombre. Des premiers travaux ont montré qu’il était possible d’exploiter l’information radiative dans les ombres des bâtiments. En revanche, les méthodes actuelles ne fonctionnent pas dans les ombres des arbres du fait de la porosité de leur couronne. L’objectif de cette thèse vise à caractériser les propriétés optiques de surface à l’ombre de la végétation arborée urbaine au moyen d’outils de transfert radiatif et de correction atmosphérique. L’originalité de ce travail est d’étudier la porosité d’un arbre via la grandeur de transmittance de la couronne. La problématique a donc été abordée en deux temps. Premièrement, la caractérisation de la transmittance d’un arbre isolé a été menée avec l’utilisation de l’outil DART à travers la mise en œuvre d’un plan d’expériences et d’études de sensibilité qui ont permis de la relier à des paramètres biophysiques et externes. Une campagne de mesures terrain a ensuite été réalisée afin d’évaluer son estimation à partir de différents niveaux de modélisation de l’arbre, dont un modèle réel acquis par mesures lidar terrestre. Deuxièmement, une nouvelle méthode de correction atmosphérique 3D adaptée à la végétation urbaine, ICARE-VEG, a été développée à partir des résultats précédents. Une campagne aéroportée et de mesures terrain UMBRA a été dédiée à sa validation. Ses performances comparées à d’autres outils existants ouvrent de larges perspectives pour l’interprétation globale d’une image par télédétection et pour souligner la complexité de modéliser des processus physiques naturels à une échelle spatiale très fine.

Les Lasers à Cascade Quantique (QCL) sont de "nouvelles" sources THz dont les progrès en termes de puissance, température de fonctionnement et qualité de faisceau sont remarquables. Les QCL sont utilisés dans des dispositifs d'imagerie THz continue pour le Contrôle Non Destructif de matériaux. Une première application de CND sur des matériaux composites permet de mettre en évidence de manière qualitative les défauts d'imprégnation des fibres par la résine ou les dommages causés par un impact. Des images à 3,8 THz, en transmission et ré flexion, ont pu être comparées avec une technique de CND par ultrasons. Une seconde application quantitative porte sur la concentration d'eau dans deux matériaux polymères à tendance hydrophobe : le polystyrène et le polypropylène. L'établissement d'une relation entre la transmittance de l'échantillon et sa prise de masse d'eau permet d'établir une cartographie quantifiée de la concentration d'eau. Ces cartographies sont nécessaires à la connaissance du processus de diffusion de l'eau dans les matériaux polymères.

Nous proposons dans cette thèse d’étudier une méthode d’imagerie qui s’adapte à la scène étudiée en utilisant des états polarimétriques choisis sur critères physiques pour optimiser le contraste polarimétrique en 2 zones aux propriétés polarimétriques différentes. En prenant en compte le bruit de Grenaille du détecteur, cette nouvelle technique d’imagerie à 2 canaux nommée APSCI montre un gain en contraste quantifié par la distance de Bhattacharyya pouvant atteindre un facteur 10 par rapport à l’imagerie de Mueller. D’autre part, elle utilise la totalité de l’information polarimétrique de la scène pour générer une seule image au contraste optimum ce qui la rend particulièrement performante pour distinguer deux zones aux propriétés polarimétriques légèrement différentes. La solution analytique complète de ce problème est proposée au chapitre suivant avec des illustrations associées. Le modèle proposé permet, en plus d’une interprétation physique, de quantifier les performances limites de la méthode APSCI en fonction des matrices de Mueller des 2 objets à discerner. Le chapitre suivant est consacré à l’étude des performances de cette méthode soumise au bruit optique de tavelure de cible. Les simulations numériques montrent que les performances de cette méthode en terme de contraste polarimétrique restent relativement robustes et souvent très supérieures à celles obtenues par l’imagerie de Mueller classique. Le dernier chapitre consiste à décrire l’implémentation expérimentale nécessaire à l’adaptation d’un imageur de Mueller en imageur APSCI en vue d’obtenir un imageur hybride Mueller/APSCI. La méthode APSCI nécessite de pouvoir utiliser en émission et en projection lors de la détection.