Depuis que CHANG et BRIDGES ont émis une raie laser submillimétrique avec le fluor de méthylène excité par un laser infrarouge, le pompage optique de molécules gazeuses a prouvé son efficacité pour la génération cohérente de radiation, lointain infrarouge. D'importants travaux sont réalisés pour améliorer les performances d'un tel laser qui portent sur l'augmentation de la puissance du laser de pompage, l'utilisation de cavité guide d'onde, le développement de coupleurs d'entrée et de sortie et l'identification de molécules rendant le processus de pompage plus efficace. Un miroir d'entrée multi-grilles est étudié théoriquement permettant un fonctionnement optimal autour de trois cents microns. Une autre grille assure l'extraction du faisceau lointain infrarouge grâce à un montage en MICHELSON. Des améliorations sont aussi proposées sur le réseau du laser de pompe et son asservissement. Lorsque l'on cherche à caractériser un système physique dans ce domaine de longueur d'onde, une solution couramment employée consiste à étudier le battement entre la fréquence issue d'un émetteur submillimétrique de référence et celle d'un autre émetteur submillimétrique contenant des informations du système étudié. Un des gros problèmes d'un tel montage, outre son encombrement important, est sa faible stabilité en amplitude et en fréquence. Nous proposons une approche différente qui vise à étudier un laser bifréquence ainsi que les conditions nécessaires à remplir pour une plus grande stabilité. Pour cela, nous développons un modèle de laser submillimétrique bifréquence basé sur l'approche théorique de TUCKER en considérant le pompage dans un ou deux gaz. La faisabilité expérimentale a été entreprise à partir d'un banc laser à caractériser pour définir les caractéristiques du futur laser bifréquence.

Les codes de transfert radiatif dans le système Terre-atmosphère sont déterminants pour comprendre et interpréter le signal mesuré par des instruments d'observation satellitaires. Actuellement, la problématique du transfert radiatif n'est bien maîtrisée que dans des cas simples, de scènes homogènes et planes. L'objectif des travaux menés dans cette thèse est de développer une méthode efficace de simulation d'observation de scènes hétérogènes avec relief. Pour cela, une première méthode basée sur une résolution statistique Monte Carlo a été développée, dans le but de réaliser un code de référence introduisant peu d'hypothèses simplificatrices dans le calcul. Cette méthode, consistant à simuler le trajet des photons dans l'atmosphère, est validée à l'aide d'un code de transfert établi, et de mesures de temps en calcul, et ne peut être utilisée de façon usuelle. Un modèle physique du transfert radiatif prenant en compte l'hétérogénéité et le relief du sol est développé dans une seconde partie. Ce modèle est basé sur l'amélioration de méthodes performantes, utilisées pour des sols plats, et prend en compte les nouvelles composantes dues à la topographie. Des hypothèses simplificatrices sont nécessairement introduites pour permettre ou optimiser le calcul du signal en entrée du capteur. La méthode de référence Monte Carlo est alors utilisée pour les valider. Enfin, dans une dernière partie, ce nouvel outil est utilisé pour évaluer les luminances observées dans une zone d'ombre. L'analyse porte essentiellement sur les variations spectrales des phénomènes de diffusion et de réflexions sur le relief avoisinant, afin d'estimer l'éventuel intérêt d'élargir la bande panchromatique classique vers les courtes longueurs d'onde pour améliorer la qualité du signal issu d'une zone d'ombre.

Disposer d'un outil universel d'évaluation automatique de la qualité des images est très utile lorsque le nombre d'images à traiter est important. C'est le cas quand il s'agit d'optimiser les paramètres caractéristiques d'un sytème imageur. La plupart des méthodes d'évaluation de la qualité des images sont des méthodes bivariantes, c'est-à-dire reposant sur une comparaison entre une image dégradée et la même image parfaite. Très souvent, cependant, la référence n'existe pas. Quelques méthodes univariantes, c'est-à-dire sans image de référence, ont été développées mais les résultats sont encore peu probants. Cette thèse propose une nouvelle approche pour évaluer de façon univariante la qualité d'une image. Cette approche repose sur l'utilisation de réseaux de neurones. La démarche proposée peut être appliquée à tout type de dégradation. Elle comporte trois étapes. Il faut d'abord trouver sur l'image dégradée les caractéristiques qui permettent d'évaluer sa qualité. Il faut ensuite étalonner un modèle permettant d'associer ces caractéristiques et la note de qualité attendue. Enfin, il faut vérifier la stabilité du modèle sur un grand nombre d'images. Les caractéristiques de dégradation dépendent non seulement de son importance, mais aussi du type d'image. Ces informations sont extraites de l'image par des traitements et calculs systématiques. Elles sont regroupées sous la forme d'un vecteur caractéristique. Ce vecteur sert d'entrée au modèle univariant. Le modèle choisi est un réseau de neurones (RN). L'étalonnage des paramètres du RN se fait sur un grand nombre d'exemples connus que l'on appelle base d'apprentissage. Ils sont choisis de manière à obtenir un échantillon représentatif de tous les types d'images que l'on peut rencontrer dans l'application désirée. La méthode est appliquée à différents contextes. Entre autres, elle permet d'estimer la qualité visuelle d'images comprimées JPEG, d'estimer en vol le défaut de mise au point d'un instrument satellitaire ou de modéliser la détection visuelle de défauts ponctuels sur une image. La précision des résultats est comparée à celle obtenue dans le même contexte avec des critères de qualité bivariants.

La connaissance de la résolution d’un instrument permet de comparer les caractéristiques de plusieurs imageurs, coopératifs ou non et d’améliorer en terme de qualité les images issues de ces instruments. Mais, le terme de résolution reste assez vague et a été l'objet de nombreuses définitions. La résolution est ce qui caractérise la capacité d’un système imageur à fournir une image dans laquelle on pourra distinguer des détails plus ou moins petits. Nous définissons comme résolution le triplet {échantillonnage, bruit, Fonction de Transfert de Modulation} Nous proposons, dans ce travail, d’évaluer la Fonction de transfert de modulation (FTM) et le bruit pour un pas d’échantillonnage donné à partir d’une image quelconque sans utiliser d’image de référence. Il faut remarquer que deux images quelconques auront a priori deux résolutions différentes, donc deux triplets différents, mais aussi deux paysages différents. C’est un des problèmes majeurs de cette étude, problème qui nécessite de modéliser un paysage quelconque. Les phénomènes à modéliser sont complexes et noué-linéaires ; pour ces raisons, nous avons choisi d’utiliser des réseaux de neurones artificiels (RNA). En effet, les RNA sont des modèles non linéaires simples, comportant peu de paramètres. Ils sont en plus d’excellents interpolateurs. En pratique, il s’agit dans un premier temps de trier les images selon leur type de paysage. Des paysages très structurés (urbains) sont utiles pour estimer la FTM et des paysages peu structurés (ruraux) sont utiles pour estimer le bruit. Ensuite, il est essentiel de caractériser chacune des composantes du triplet. Le RNA apprend à associer, grâce à des images connues, la caractérisation de chacune des composantes du triplet à la résolution de l’image considérée. Cette caractérisation est une étape essentielle au bon fonctionnement de la méthode. Il s’agit de trouver des paramètres pertinents pour l’estimation du triplet résolution. Pour cela, nous utilisons une caractérisation du paysage, certaines propriétés fréquentielles des images ainsi que des propriétés issues de l'analyse des images en paquets d’ondelettes. Enfin, le RNA peut être utilisé de manière autonome sur des images inconnues pour estimer leur triplet résolution. Le résultat est une estimation de la FTM avec des erreurs moyennes de 5% et une estimation de bruit avec des erreurs de l’ordre du 1/4 de pas de quantification (sur l'écart type du bruit) pour des images codées sur 8 bits.

L'imagerie hyperspectrale est une technique en plein essor, qui permet d’acquérir des images étalonnées en luminance, sur un grand nombre de bandes spectrales étroites et contigües. La luminance mesurée est le résultat d’une interaction entre l'éclairement solaire, l'atmosphère, et la surface du sol. Pour appliquer une méthode de détection ou de classification du sol, il est nécessaire d’isoler au préalable les propriétés optiques de la surface, en s'affranchissant des phénomènes d’absorption et de diffusion du rayonnement. Sur une zone montagneuse, une correction supplémentaire est nécessaire pour prendre en compte les variations du rayonnement montant inhérentes au relief. Cette thèse propose une nouvelle méthode de correction atmosphérique et topographique des images hyperspectrales dans le domaine réflectif (0,4 um à 2,5 pm). Cette méthode permet de remonter en quatre étapes successives, à une carte de réflectances indépendantes des conditions de mesures de l'image de luminances. De nouveaux modèles ont notamment été développés pour modéliser l'éclairement incident sur la scène, et la luminance diffuse montante. Une première validation effectuée par inversion d’images synthétiques, montre une bonne adéquation entre la réflectance restituée et la réflectance initiale. L'étude de sensibilité aux données d’entrée a montré que la source principale d’erreurs sur l'inversion est le Modèle Numérique de Terrain. Des imprécisions en altitude, ou sur l'ortho-rectification de l'image, engendrent des erreurs sur la réflectance supérieures à celles obtenues en supposant le sol plat. La campagne de mesures réalisée au cours de cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet HYPERGEMME, dont l’un des objectifs est d’évaluer l’apport de l'imagerie hyperspectrale en géologie. Aussi, le massif montagneux de Maqsad (Oman), dont la cartographie géologique est parfaitement maîtrisée, est survolé par l'imageur hyperspectral HYMAP. Les mesures acquises au sol par l’ONERA ont pour but de valider le code SIERRA. Comparée à la réflectance de surface mesurée sur le site, la réflectance restituée par inversion des images HYMAP est estimée avec une précision de 5%. Malgré de nombreuses imprécisions sur le MNT, cette campagne a également permis de mettre en évidence l'apport de la correction topographique réalisée dans SIERRA par rapport aux codes supposant le sol plat.

La modélisation de la diffusion par des matériaux hétérogènes rugueux est un sujet complexe tant au niveau théorique que numérique. Dans notre travail, les dimensions des différents éléments constitutifs du milieu sont dans le domaine résonant et leurs propriétés sont caractéristiques du domaine optique ou infrarouge. Nous chercherons à calculer numériquement la Fonction de Distribution de la Réflectance Bidirectionnelle pour une géométrie 2D. Nous développons une approche de Monte Carlo basée sur la combinaison d'une méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) pour le calcul électromagnétique et de méthodes de génération de milieux hétérogènes rugueux (Metropolis). Nous appliquons cette approche pour étudier la diffusion par des surfaces rugueuses de fonctions d'auto-corrélation gaussienne ou exponentielle. Les résultats des calculs sont comparés avec ceux donnés par la Méthode des Moments. Ensuite, nous proposons une méthode originale de détermination d'un indice effectif relié à la propagation de l'énergie cohérente. Nous l'utilisons pour déterminer les domaines de validité de modèles approchés : Maxwell-Garnett, Bruggeman, Foldy-Twersky et Keller. Nous utilisons ces résultats pour étudier la diffusion en champ lointain par un ensemble bidisperse de particules, et notamment la possibilité de remplacer l'influence des petites particules par le milieu homogénéisé décrit précédemment. Enfin nous étudions le probléme du couplage surface/ volume. Nous vérifions une hypothèse de découplage basée sur l'utilisation de l'indice effectif défini précédemment pour la diffusion surfacique notamment dans le cas ou la rugosité est directement corrélée à la position des particules.

La télédétection aéroportée en infrarouge est couramment utilisée pour l'étude des surfaces terrestres (applications militaires, climatologie, météorologie, environnement). Dans ce cadre, les modèles actuels en luminance restent insuffisants pour une description fine. L'objectif de cette thèse est donc de mieux comprendre le signal mesuré par télédétection infrarouge sous différentes conditions de visée (modèle de transfert radiatif), et de modéliser la relation entre les signaux issus d’une surface à différentes résolutions spatiales (modèle d'agrégation). La première partie présente le modèle physique de transfert radiatif développé. Ce modèle décrit finement les couplages radiatifs issus d’une surface rugueuse et hétérogène atteignant un capteur aéroporté sur le domaine 3-14µm, et prend en compte les effets d'environnement et directionnels de surface. La validation expérimentale couplée à une analyse phénoménologique montre que le modèle restitue le niveau des mesures en température capteur, les comportements directionnels observés et l'importance de la prise en compte de l'hétérogénéité et du relief. Le bilan d'incertitudes réalisé montre l'importance de la maîtrise des données d’entrée. La deuxième partie présente le modèle d'agrégation développé. Ce modèle décrit finement les relations entre les paramètres de surface définis à différentes résolutions spatiales tels l'émissivité, la réflectance et la température pour le même type de surface et les mêmes conditions que le modèle de transfert radiatif. L'application du modèle à des cas simples de la littérature montre la cohérence des paramètres équivalents prédits. Ces propriétés équivalentes sont alors utilisées pour calculer la luminance capteur pour plusieurs types de surfaces. La comparaison avec celle fournie par le modèle de transfert radiatif montre que l’allure des courbes de luminance est retrouvée, avec un écart raisonnable (<3,5% au pire cas étudié) variable spéctralement, inhérent au principe d'agrégation. La comparaison avec une agrégation sous hypothèse « sol plat » montre que le modèle permet de diminuer au minimum par deux l’erreur commise sous hypothèse sol plat.

Le signal reçu par un système optique de télédétection observant des milieux urbains est particulièrement complexe, en raison des particularités de ces derniers : occultations, ombres, éclairements réfléchis par les façades ou encore effets directionnels des matériaux urbains. Ces phénomènes rendent difficile la détermination automatique des matériaux directement à partir des luminances mesurées en entrée du capteur. L’objectif de cette thèse est de développer une méthode de transfert radiatif inverse, ICARE, permettant de déterminer la réflectance spectrale des matériaux urbains à partir d'images aéroportées très hautes résolutions spatiale et spectrale dans le domaine réflectif (0,4 µm ‒ 2,5 µm) en prenant simultanément en compte le relief en trois dimensions de la scène, sa forte hétérogénéité spatiale ainsi que les effets atmosphériques mis en jeu. La première partie de cette étude a été consacrée à une étude phénoménologique du signal sur un profil de rue typique de façon à analyser en détail les différents contributeurs radiatifs d’une telle scène. Cette étude nous a permis de mettre à jour les difficultés de la modélisation inverse notamment dans les zones d’ombre où les effets d'environnement sont prépondérants. Dans un second temps, des solutions physiques sont proposées pour modéliser chacun des termes intervenant dans l'équation de transfert radiatif et une approche itérative est mise en place pour résoudre le problème inverse. Dans un troisième temps, l'étude aborde la validation numérique et expérimentale du modèle. La validation numérique a été effectuée sur une image simulée par le code de transfert radiatif direct Amartis sur différents types de reliefs urbains, afin de vérifier la robustesse du modèle. La validation expérimentale a été effectuée avec succès à partir des données et images acquises pendant la campagne Capitoul qui s'est déroulée à Toulouse en avril 2004.

L'objectif de cette thèse est de développer un ensemble de modèles pour comprendre la physique des sources lasers à fibres de grande luminance spectrale. En les utilisant, des sources laser impulsionnelles à fibres dopées Erbium-Ytterbium ont été réalisées pour les applications lidar à détection cohérente. La dynamique des sources impulsionnelles générant des impulsions nanosecondes à microsecondes a été analysée dans la première partie de cette étude. L'influence des réflexions parasites aux faibles taux de répétition (quelques kilohertz) a notamment été mise en évidence. Les effets thermiques dans les lasers Erbium-Ytterbium à forte puissance de pompe ont également été étudiés. Lorsque l'intensité transportée devient suffisamment importante, l'effet non-linéaire dominant, la Diffusion Brillouin Stimulée (DBS) limite la puissance extractible des amplificateurs. Nous avons donc développé dans un deuxième temps un modèle original qui rend compte de la dynamique de la DBS dans les amplificateurs dopés. Le caractère guidé des ondes acoustiques qui interviennent a été pris en compte. Un modèle satisfaisant des modes longitudinaux acoustiques a été introduit. Afin d’élever le seuil de la DBS, des fibres amplificatrices faiblement multimodes peuvent être utilisées. Un compromis entre qualité spatiale et puissance crête transportable doit alors être trouvé. Grâce à nos modèles, nous avons conçu une source impulsionnelle multi-étages qui a permis d’atteindre 650 µJ pour des impulsions de l'ordre de la microseconde avec une qualité de faisceau caractérisée par un M²~2.

Le speckle est un phénomène interférentiel issu de l'interaction d'une onde cohérente avec une surface rugueuse. Dans un plan d'observation, il se présente comme un ensemble de tavelures. Devenu incontournable depuis l'invention du laser dans les années 1960 mais souvent considéré comme un bruit pour l'imagerie ou la métrologie en lumière cohérente, le speckle optique est néanmoins à l'origine de plusieurs techniques de mesure de déplacements ou de déformations par exemple. Le speckle peut être caractérisé par un ensemble de paramètres statistiques, le plus utilisé étant le contraste. Ces paramètres sont correctement modélisés dans le cas où les rugosités, supérieures à la longueur d'onde qui les éclaire, entraînent des déphasages complètement aléatoires et lorsqu'elles sont présentes en grand nombre de façon à permettre l'application du théorème de limite centrale. Le modèle de Goodman est alors applicable et le champ complexe est décrit comme une variable aléatoire circulaire et gaussienne. En-dehors de ce cas limite, les paramètres généralement utilisés pour décrire le speckle sont mal connus. Il existe en particulier des lacunes en ce qui concerne la transition vers les statistiques non gaussiennes dans le cas de rugosités moyennes à l'échelle de la longueur d'onde. La connaissance complète de ces données pourrait notamment permettre de prévoir l'impact du speckle dans les différentes configurations rencontrées expérimentalement. Cette thèse propose le calcul des paramètres statistiques du speckle par simulation numérique, en s'appuyant sur la génération de surfaces aléatoires et la propagation de Fresnel, sans hypothèse a priori si ce n'est la condition paraxiale. Le travail a abouti à la description complète des transitions circulaire et gaussienne et à l'étude du couplage de ces deux transitions. D'une part, les résultats permettent d'affiner la compréhension des propriétés du champ diffusé et de sa dépendance à la rugosité et à la configuration d'éclairage, d'un point de vue purement géométrique, à partir d'une surface modélisée à l'aide de deux paramètres: l'écart-type des hauteurs et la longueur de corrélation. D'autre part, ils complètent les données disponibles sur les statistiques du speckle et permettent d'envisager une méthode de caractérisation statistique des surfaces rugueuses. Ce travail pourrait également ouvrir des perspectives d'optimisation de l'imagerie active par laser.