L'imagerie hyperspectrale, grâce à un nombre élevé de bandes spectrales très fines et contigües, est capable d'associer à chaque pixel d'une image une signature spectrale caractéristique du comportement réflectif du matériau ou du mélange de matériaux présents dans ce pixel. La plupart des algorithmes de classification tirent profit de cette grande profusion d'information spectrale mais exploitent très peu l'information contextuelle existant entre les pixels appartenant à un même voisinage. L'objectif de cette thèse est de réaliser de nouveaux algorithmes utilisant simultanément les informations spectrale et spatiale à des fins de classification et d'étudier la complémentarité de ces deux types d'information dans divers contextes. Dans cette optique nous avons développé trois scénarios de classification sensiblement différents, chacun étant adapté à un type d'application particulier. Nous avons tout d'abord développé un procédé d'extraction puis de classification vectorielle d'un ensemble de caractéristiques spectrales et spatiales. Les caractéristiques spectrales sont extraites au moyen de méthodes visant à réduire la dimension des images hyperspectrales tout en conservant une majorité de l'information utile. Les caractéristiques spatiales sont quant à elles produites par l'intermédiaire d'outils de caractérisation de la texture (matrices de co-occurrence et spectres de texture) ou de la forme (profils morphologiques). Nous nous sommes ensuite intéressés à la modélisation markovienne et avons entrepris d'adapter un algorithme de classification de type Conditional Random Field à un contexte hyperspectral. Notre troisième et dernière approche s'appuie sur une segmentation préalable de l'image afin de réaliser une classification par zones et non plus par pixels. L'information spectrale pure permet de regrouper efficacement des pixels présentant des signatures spectrales similaires et suffit généralement dans le cadre de problèmes de classification ne faisant intervenir que des classes sémantiquement très précises, liées à un unique type de matériau. Les classes plus générales (utilisées par exemple pour des applications d'aménagement des sols) se composent en revanche de plusieurs matériaux parfois communs à plusieurs classes et agencés selon des motifs qui se répètent. Caractérisables à la fois spatialement et spectralement, ces classes sont susceptibles d'être plus complètement décrites par une utilisation simultanée de ces deux types d'information. Pour conclure cette étude, nous avons effectué une comparaison des trois méthodes d'intégration de l'information spatiale au processus de classification selon les trois critères sont la précision de classification, la complexité algorithmique et la robustesse.

L'environnement spatial est constitué de particules énergétiques comme les protons ou les électrons qui produisent dans le matériau des déplacements atomiques responsables de la dégradation des propriétés électriques des composants embarqués. Habituellement, pour prédire les dégradations subit d’un composant en fin de mission, et dire si il vérifie les spécifications en vigueur, on utilise la « dose équivalente de dommage» qui est déduite du pouvoir d'arrêt nucléaire (NIEL : Non Ionizing Energy Loss). Dans certains cas, ces méthodes de prédictions qui dépendent de la précision sur les NIEL, montrent leurs limites, notamment pour les électrons. Nous proposons dans ce travail, un nouveau modèle de NIEL qui intègre aux hypothèses de calculs classiques de nouveaux phénomènes physiques. Ce modèle a été validé par comparaison à des dégradations mesurées sur des composants irradiés (concentration de défauts, courants parasites).

L'utilisation des capteurs d'images CCD et CMOS dans le domaine spatial requiert des performances électro-optiques élevées, mais aussi une capacité à pouvoir les prédire en amont de leurs conceptions. La Fonction de Transfert de Modulation (FTM) et l'efficacité de collection ou Rendement Quantique lnterne (IQE) sont deux critères de qualité qui permettent de quantifier leurs performances en termes de sensibilité et de qualité d'images respectivement. Le but de cette thèse est de proposer un modèle de FTM et d'lQE permettant la prédiction des performances des capteurs. Pour cela un premier travail a consisté à réaliser une analyse des modèles existants et leur domaine de validité. Les études menées sur la FTM et l'lQE ont montré l'importance de pouvoir modéliser la Fonction de Réponse du Pixel (PRF). Celle-ci contient à la fois les informations de crosstalk (CTK), de FTM et d‘lQE. Un nouveau modèle d'analyse de la collection de charges sous éclairement ponctuel a été proposé permettant de dériver des formulations analytiques de FTM, d'lQE et de CTK. Les résultats des modèles de FTM et d‘lQE ont été comparés avec des résultats expérimentaux et montrent une bonne corrélation avec les mesures notamment aux longueurs d'ondes du proche lnfrarouge. Afin de comparer le modèle de CTK avec des résultats expérimentaux, des structures de test et un banc de mesure de CTK ont été conçus. Le modèle de CTK a été comparé avec des simulations et avec des mesures et sont en bonne corrélation. Cette thèse apporte un nouvel élément dans l'élaboration d'un modèle de prédiction de la FTM et du QE des capteurs d'images qui permettra de dégager des voies d‘amélioration de ces paramètres.

L'humidité des sols nus (en anglais Soil Moisture Content, noté SMC) constitue une variable fondamentale dans plusieurs sciences de l'environnement. Pour mesurer le SMC, les données de télédétection, qui présentent de grandes couvertures spatiale et temporelle ainsi que des résolutions spatiales élevées, offrent de multiples avantages par rapport aux méthodes in situ. Parmi les données de télédétection, l'imagerie hyperspectrale aéroportée procure une information très détaillée d'une scène, puisque chaque pixel du paysage observé possède une signature spectrale caractéristique. L'objectif de ce travail de thèse est donc d'estimer le SMC à partir de l’imagerie hyperspectrale aéroportée à haute résolution spatiale dans le domaine optique 0,4 – 14 μm. Dans un premier temps, à partir de propriétés optiques de référence mesurées en laboratoire plusieurs critères d'estimation du SMC ont été établis, évalués et comparés sur le domaine optique. De plus, un modèle empirique de réflectance de sol a été développé afin de simuler la signature spectrale d'un sol pour un SMC donné. Ce modèle est inversé pour estimer le contenu en eau à partir des réflectances spectrales. Ensuite, une chaîne de traitement a été développée afin d'estimer le contenu en eau des sols à partir d'acquisitions hyperspectrales aéroportées. Une analyse de sensibilité et des performances de la chaîne de traitement, prenant en compte des défauts d'étalonnage instrumentaux, de la connaissance des conditions atmosphériques, de la méthode de correction atmosphérique et des approches d'estimation du SMC à partir de la réflectance de surface, a été réalisée. Finalement, les critères d'estimation du SMC établis pour le domaine 0,4 – 2,5 μm, ont été validés en exploitant une campagne avec information terrain réalisée sur le site de Garons (France) avec l'instrument aéroporté HyMap. Les résultats montrent que le SMC est estimé avec une précision équivalente à celle des méthodes existantes dans la littérature.

La région du spectre électromagnétique comprise entre 300 GHz et 10 THz a longtemps été surnommée « gap Térahertz ». En effet, les sources et détecteurs dans cette gamme de fréquences étaient éparses, peu performants, coûteux et/ou encombrants jusqu'à l’invention du laser à cascade quantique (QCL pour Quantum Cascade laser). De nombreuses équipes de recherche se concentrent sur l’amélioration des performances des QCLs, notamment l'augmentation de la température de fonctionnement maximale car cette source ouvre la voie vers de nouvelles applications comme les oscillateurs locaux à très haute fréquence, l’imagerie médicale, sécuritaire ou encore les télécommunications sans fil à haut débit. Toutes ces applications requièrent une connaissance poussée des performances des QCLs modélisés et caractérisés au sein de cette thèse. Le premier chapitre expose les propriétés et les applications des ondes Térahertz évoquées précédemment ainsi qu'un état de l’art des QCLs. Le second chapitre porte sur la modélisation des QCLs. Un premier modèle est exploité afin de dégager les caractéristiques statiques et dynamiques des QCLs. Un autre modèle prenant en compte la structure en cascade des QCL est ensuite introduit, menant à une nouvelle fonction de transfert, un calcul du délai à l’allumage et une étude du bruit d’intensité relatif. Le troisième et dernier chapitre traite de la partie expérimentale de cette thèse avec la particularité et les difficultés de mesures dans le domaine Térahertz, la caractérisation statique et les moyens de caractérisation dynamique des QCLs, accompagnée de la présentation d’un testeur sous pointe cryogénique opto-micro-onde conçu dans le cadre de cette thèse.

Nous étudions l'estimation du spectre d'émissivité et de la température de surfaces au sol à partir d'images hyperspectrales infrarouges de résolution spatiale métrique. Nous considérons les luminances acquises à 8 km d'altitude en visée au nadir entre 4 et 12 µm par un radiomètre dont la résolution spectrale est de 10 cm-1 au-dessus de 8 µm et 15 en dessous. Notre approche utilise une nouvelle méthode de sondage atmosphérique de la bande d'absorption du CO2 à 4,3 µm et de celle de la vapeur d'eau entre 5 et 8 µm couplée à un algorithme de séparation émissivité/température. Le sondage atmosphérique est réalisé par deux jeux de réseaux de neurones paramétrés pour estimer les trois premiers coefficients de l'analyse en composante principale des profils atmosphériques de température et le contenu total en vapeur d'eau. Le choix de ces variables de sortie s'est appuyé sur une analyse de sensibilité conduite par un plan d'expériences. Le résultat du sondage atmosphérique permet ensuite de calculer les paramètres radiatifs entre 8 et 12 µm nécessaires pour estimer les spectres d'émissivité et les températures des surfaces au sol. Nous étendons l'algorithme SpSm afin d'améliorer les résultats obtenus avec des profils en vapeur d'eau de forme atypique. Cette nouvelle méthode baptisée SpSm2D introduit en tant qu'inconnue la forme des profils de vapeur d'eau lors de l'estimation des températures de surface et spectres d'émissivité. La méthode est développée puis évaluée à partir d'un grand nombre de simulations effectuées pour les différents types de masse d'air de la base de profils atmosphériques TIGR2000, différents angles solaires, les spectres d'émissivité de la base ASTER et des températures des surfaces au sol choisies aléatoirement. On étudie également l'influence de différents bruits de mesure et l'on présente une méthode adaptée au traitement d'images infrarouges exploitant l'homogénéité spatiale de l'atmosphère. Les résultats montrent que l'on parvient à estimer les températures de surface et les spectres d'émissivité à 1.5 K et 3% près respectivement. La méthode en général et l'algorithme de sondage en particulier se révèlent également robustes aux différents bruits testés. En outre, la prise en compte de l'homogénéité spatiale de l'atmosphère améliore sensiblement les résultats du sondage et donc du processus d'estimation en général. La méthode est finalement testée sur les données du capteur S-HIS acquises lors de la campagne de mesure EAQUATE.

Ce travail porte sur la dynamique des capteurs d’image CMOS à réponse linéaire dédiés aux applications spécifiques afin d’explorer les voies d’amélioration amenant à l’obtention de dynamiques importantes. La définition détaillée de la dynamique des capteurs d’image CMOS a permis de mettre en évidence deux voies d’amélioration : l’extension de l’excursion en tension en sortie de la chaîne de lecture et la minimisation du bruit du capteur. L’extension de l’excursion en tension en sortie de la chaîne de lecture nous a amené à travailler, en collaboration avec le fondeur, sur le procédé de la technologie UMC CIS 0,35μm ce qui a conduit à la modification des implantations ioniques de contrôle des tensions de seuil des transistors intra-pixel. Cela a permis d’augmenter l’excursion en tension en sortie de l’imageur. L’utilisation d’une technologie profondément submicronique permettant l’utilisation de plusieurs types de tension de seuil des transistors (standard, faible ou nulle) a également été analysée. Là encore, l’augmentation de l’excursion en tension en sortie de l’imageur amène une augmentation de la dynamique. La seconde voie d’amélioration a montré les différentes techniques de réduction existantes des contributeurs majoritaires de bruit dans les pixels de type photodiode 3T et 4T. La réduction de ces sources de bruit a mis en évidence le bruit basse fréquence de type RTS (Random Telegraph Signal). L’impact de ce bruit se traduit par une augmentation conséquente du nombre de pixels bruyants de l’imageur dégradant ainsi la performance globale en dynamique du capteur d’image. L’origine et des techniques de réduction originales de ce type de bruit ont été explorées.

La réalisation de nouveaux instruments de télédétection à très haute résolution spatiale offre la possibilité d’étudier plus précisément les villes. Pour ces études, la connaissance de l’atmosphère et plus particulièrement des aérosols peut s’avérer essentielle. Le but de cette thèse est donc de développer une méthode de caractérisation des aérosols adaptée aux images de télédétection des milieux urbains à l’échelle métrique dans les domaines visible et proche-infrarouge. Dans un premier temps, les propriétés optiques de ces particules ont été étudiées en utilisant les données fournies par 68 stations urbaines du réseau AERONET. Ensuite, afin de pouvoir évaluer l’impact des aérosols présents dans les villes sur le signal, un code de transfert radiatif 3D a été réalisé : AMARTIS v2. L’utilisation de cet outil pour une scène urbaine typique a permis de quantifier l’impact des particules sur le signal, à l’ombre et au soleil, en fonction de leurs propriétés optiques. Enfin, une méthode de télédétection des aérosols a été définie, basée sur l’observation de transitions ombre/soleil. Afin de mettre en oeuvre cette méthode, un code d’inversion a été développé : OSIS. Une étude de sensibilité d’OSIS a alors été menée à partir d’images synthétiques générées avec AMARTIS v2 et une utilisation expérimentale a été effectuée sur des acquisitions PELICAN obtenues lors de la campagne aéroportée MUSARDE sur la ville de Toulouse. Ces études ont notamment permis de quantifier la précision intrinsèque d’OSIS comparable aux précisions obtenues avec les produits satellitaires pour l’inversion des épaisseurs optiques, et de montrer que cette procédure est applicable à tout instrument à très haute résolution spatiale, multispectral ou hyperspectral, aéroporté ou satellitaire.

La compréhension de notre environnement nécessite l’étude de phénomènes radiatifs à l’interface surface atmosphère. Ces échanges d’énergie sont analysés à différents niveaux d’échelle suivant la résolution spatiale du capteur. Cette thèse traite du domaine spectral infrarouge (3-14μm) et s’intéresse aux milieux urbains caractérisés par une forte variabilité spatiale. L’objectif est de caractériser les propriétés optiques (réflectance et émissivité) et les températures de surface à partir de mesures directionnelles et spectrales. Pour cela, une première étape a consisté à modéliser le signal en décrivant chacune de ses composantes radiatives. Un modèle de transfert radiatif, TITAN, a donc été développé. Ce modèle permet également de quantifier les effets directionnels de chacune des composantes du signal. Il a été validé par intercomparaison avec d’autres codes de transfert radiatifs. La suite des travaux s’est portée sur l’analyse de l’agrégation lors d’un changement d’échelle spatiale afin de relier les paramètres de surface définis localement aux valeurs équivalentes déduites des mesures capteurs. Une analyse phénoménologique du modèle d’agrégation a été réalisée à l’aide de plans d’expérience afin d’étudier l’influence de chaque facteur d’entrée du modèle sur les paramètres équivalents. Enfin, la dernière étape s’est attachée à inverser le modèle d’agrégation, i.e. à désagréger, dans le but de retrouver les paramètres intrinsèques des surfaces à partir de données hyperspectrales multi-angulaires. Du fait de la non linéarité de nos équations d’agrégation, notre méthode de désagrégation est basée sur la méthode des moindres carrés optimisée par l’algorithme de Gauss-Newton. Une analyse de sensibilité a permis de fixer les contraintes et les conditions d’applications de notre méthode, comme par exemple la nécessité de connaître la répartition des surfaces avec une précision de 1m. Ainsi, les résultats de ces travaux pourront être utilisés dans les études des îlots de chaleur urbains pour une meilleure estimation des températures de surface.

Durant la dernière décennie, le marché des capteurs d’images électroniques a connu un essor considérable, appuyé par la démocratisation des applications nomades. Si le domaine a longtemps été dominé par les dispositifs CCD, les capteurs APS (Active Pixel Sensors) se sont depuis largement imposés, aidés par la pénétration des technologies CMOS. Une miniaturisation soutenue de la taille des pixels a conduit à des résolutions d’images élevées, mais a fait émerger des limitations sur les performances électro-optiques. Si celles-ci ont pu être partiellement compensées par des adaptations de la technologie, la perspective de pixels sub-microniques nécessite en revanche l’introduction d’architectures innovantes. Un pixel tridimensionnel est ici étudié, permettant de dissocier verticalement les fonctions de photo-détection et de lecture sur deux niveaux actifs. En plus de tirer les bénéfices d’une illumination par la face arrière, cette configuration permet une large augmentation de la surface photosensible et de la charge à saturation. Malgré l’engouement rencontré ces dernières années pour les technologies tridimensionnelles, la réalisation d’un pixel CMOS fortement miniaturisé (<2 µm) en 3D révèle une difficulté majeure, liée au micro-dimensionnement des interconnexions 3D entre les deux niveaux de circuit, incompatible avec les performances d’alignement lors du collage de circuits. Une construction séquentielle est ici proposée pour contrecarrer cette limitation. Les briques technologiques associées dans cette approche sont étudiées à partir de pixels de 1.4 µm : transfert de couche SOI sur circuit par collage moléculaire, fabrication de transistors FDSOI à faible budget thermique (<700°C), gravure de contacts à fort facteur de forme. Les performances en bruit basse fréquence sont comparées à celles de technologies planaires sur la base de mesures de transistors élémentaires. Plusieurs solutions technologiques alternatives sont finalement investiguées.