Dans le domaine de la surveillance maritime, les systèmes coopératifs d’identification et de positionnements tels que l’AIS (Automatic Identification System) sont souvent couplés à des systèmes d’observation de navires non coopératifs comme les Radars à Synthèse d’Ouverture (RSO). Dans ce contexte, la fusion des données AIS et Radar peut améliorer la détection de certains navires et d’identifier éventuels scénarii de surveillance. Le premier chapitre introduit les systèmes et détaille la structure des données AIS et Radar ainsi que le traitement du signal utilisé. Le deuxième chapitre présente l’apport potentiel de l’utilisation conjointe des données brutes Radar et AIS pour la détection de navires à l’aide d’un test basé sur le rapport des vraisemblances maximales (test GLRT). Bien que les performances soient encourageantes, la mise en pratique du détecteur en temps-réel semble compliquée. Le troisième chapitre présente une alternative sous-optimale qui explore les données brutes Radar et une carte des positions de bateaux provenant de l’AIS. Contrairement au chapitre deux, en plus de la détection simultanée par l’AIS et radar, les cas où seul l’un des systèmes détecte un objet peuvent maintenant être distinguées. Le problème est formalisé par deux tests d’hypothèses binaires successifs. Le test proposé est moins sensible à la proximité et à la densité des navires qu’un détecteur radar classique. Le quatrième chapitre présente le simulateur développé pour tester les algorithmes sur différents scénarii de surveillance, à savoir un scénario de piraterie sur un navire civil, un transbordement illégal et une navigation dans un environnement dense.

Le domaine de l’imagerie a toujours fait l’objet de curiosité, que ce soit pour enregistrer une scène, ou voir au-delà des limites de l’oeil humain grâce aux détecteurs infrarouges. Ces deux types d’imagerie sont réalisés avec différents matériaux. Dans le domaine du visible, c’est le silicium qui domine, car son absorbance spectrale correspond bien au spectre visible et que ce matériau a été très étudié dans les dernières décennies. Dans le domaine de l’infrarouge, plus particulièrement le MWIR (Middle Wave InfraRed), l’InSb est un bon candidat car il s’agit d’un matériau très stable. Cependant, certaines contraintes telles qu’une bande interdite étroite peuvent être limitantes et cela nécessite une température d’opération cryogénique. Dans ces travaux, un signal parasite commun à ces deux matériaux est étudié : il s’agit du signal des télégraphistes (RTS : Random telegraph Signal) du courant d’obscurité. Ce phénomène provient d’un courant de fuite de l’élément photosensible du pixel (photodiode). En effet, même dans le noir, certains pixels des imageurs vont avoir une réponse temporelle qui va varier de façon discrète et aléatoire. Cela peut causer des problèmes de calibration, ou de la mauvaise détection d’étoiles par exemple. Dans cette étude, deux axes principaux sont étudiés : la caractérisation du signal pour pouvoir mieux l’appréhender, et la localisation des sources à l’origine du RTS dans la photodiode afin d’essayer de l’atténuer.

Les travaux menés lors de cette thèse s’inscrivent dans le cadre général de la détection de cibles en utilisant une forme d’onde non-conventionnelle large bande. L’utilisation d’une forme d’onde large bande à faible PRF a été proposée par le passé une alternative aux traitements multi-PRF qui limitent le temps d’illumination de la scène. En effet, l’augmentation de la bande instantanée permet d’obtenir une meilleure résolution distance ; les cibles rapides sont alors susceptibles de migrer lors du temps de traitement, mais ce phénomène de couplage distance-vitesse peut être mis à profit pour lever les ambiguïtés. L’objectif de la thèse est alors de développer, pour une forme d’onde large bande avec faible PRF, des traitements prenant en compte la migration des cibles et capables de lever les ambiguïtés vitesse dans des scénarios réalistes. Les travaux se basent sur un algorithme de représentation parcimonieuse non-ambigüe de cibles migrantes, dans un cadre algorithmique Bayésien. Cet algorithme est en revanche développé sous certaines hypothèses, et des travaux de robustification sont alors entrepris afin de l’utiliser sur des scénarios plus réalistes. Dans un premier temps, l’algorithme est robustifié au désalignement des cibles par rapport à la grille d’analyse, puis modifié pour prendre également en compte une possible composante diffuse de bruit. Il est également remanié pour estimer correctement une scène comportant une forte diversité de puissance, où des cibles fortes masquent potentiellement des cibles faibles. Les différents algorithmes sont validés à la fois sur des données synthétiques et expérimentales.

Cette thèse se penche sur la propagation d’ondes au sein du système couplé Terre-océan-atmosphère. La compréhension de ces phénomènes a une importance majeure pour l’étude de perturbations sismiques et d’explosions atmosphériques notamment dans le cadre de missions spatiales planétaires. Les formes d’ondes issues du couplage fluide-solide permettent d’obtenir de précieuses informations sur la source du signal ou les propriétés des milieux de propagation. On développe donc deux outils numériques d’ordre élevé pour la propagation d’ondes acoustiques et de gravité. L'u en différences finies et se concentre sur le milieu atmosphérique et la propagation d’ondes linéaires dans un milieu stratifié visqueux et avec du vent. Cette méthode linéaire est validée par des solutions quasi-analytiques reposant sur les équations de dispersion dans une atmosphère stratifiée. Elle est aussi appliquée à deux cas d’études : la propagation d’ondes liée à l’impact d’une météorite à la surface de Mars (mission NASA INSIGHT), et la propagation d’ondes atmosphériques liées au tsunami de Sumatra en 2004. La seconde méthode résout la propagation non-linéaire d’ondes gravito-acoustiques dans une atmosphère couplée, avec topographie, à la propagation d’ondes élastiques dans un solide visco-élastique. Cette méthode repose sur sur le couplage d’une formulation en éléments finis discontinus, pour résoudre les équations de Navier-Stokes la partie fluide, par éléments finis continus pour résoudre les équations de l’élastodynamique dans la partie solide. Elle a été validée grâce à des solutions analytiques ainsi que par des comparaisons avec les résultats de la méthode par différences finies.

Les imageurs CMOS représentent un outil d’avenir pour de nombreuses applications scientifiques de haut vol, telles que l’observation spatiale ou les expériences nucléaires. En effet, ces imageurs ont vu leurs performances démultipliées ces dernières années grâce aux avancées incessantes de la microélectronique, et présentent aussi des avantages indéniables qui les destinent à remplacer les CCDs dans les futurs instruments spatiaux. Toutefois, en environnement spatial ou nucléaire, ces imageurs doivent faire face aux attaques répétées de particules pouvant rapidement dégrader leurs performances électro-optiques. En particulier, les protons, électrons et ions présents dans l’espace ou les neutrons de fusion nucléaire peuvent déplacer des atomes de silicium dans le volume du pixel et en rompre la structure cristalline. Ces effets de déplacement peuvent former des défauts stables introduisant des états d’énergie dans la bande interdite du silicium, et ainsi conduire à la génération thermique de paires électron-trou. Par conséquent, ces radiations non-ionisantes produisent une augmentation permanente du courant d’obscurité des pixels de l’imageur et donc à une diminution de leur sensibilité et de leur dynamique. L’objectif des présents travaux est d’étendre la compréhension des effets de déplacement sur l’augmentation du courant d’obscurité dans les imageurs CMOS. En particulier, ces travaux se concentrent sur l’étude de la forme de la distribution de courant d’obscurité en fonction du type, de l’énergie et du nombre de particules ayant traversé l’imageur, mais aussi en fonction des caractéristiques de l’imageur. Ces nombreux résultats permettent de valider physiquement et expérimentalement un modèle empirique de prédiction de la distribution du courant d’obscurité pour une utilisation dans les domaines spatial et nucléaire. Une autre partie majeure de ces travaux consiste à utiliser pour la première fois la technique de spectroscopie de courant d’obscurité pour détecter et caractériser individuellement les défauts générés par les radiations non-ionisantes dans les imageurs CMOS. De nombreux types de défauts sont détectés et deux sont identifiés, prouvant l’applicabilité de cette technique pour étudier la nature des défauts cristallins générés par les effets de déplacement dans le silicium. Ces travaux avancent la compréhension des défauts responsables de l’augmentation du courant d’obscurité en environnement radiatif, et ouvrent la voie au développement de modèles de prédiction plus précis, voire de techniques permettant d’éviter la formation de ces défauts ou de les faire disparaître.

Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de lentilles planaires nano-structurées dédiées aux capteurs d’images CMOS dans le proche-infrarouge. L’étude des applications et des systèmes d’imagerie optronique mis en jeu ont mis en évidence l’intérêt de l’utilisation des capteurs d’images CMOS dans la bande 800-1100 nm. Les inconvénients liés au silicium et à la structure du pixel justifient l’intégration de lentilles planaires nano-structurées compatibles avec le procédé de fabrication CMOS : une lentille plasmonique, une lentille diffractive métallique dite de Huygens, une lentille diélectrique dite de phase de Fresnel et une lentille à gradient d’indice effectif. Les simulations électromagnétiques 2D d’un pixel CMOS complet avec chaque lentille planaire ont démontré l’intérêt de la lentille métallique dans un pixel à faible facteur de remplissage et de la lentille de phase de Fresnel pour un pixel standard. Les simulations électromagnétiques 3D ont permis la conception de ces deux dernières lentilles pour leur fabrication tandis que la lentille à gradient d’indice effectif, susceptible d’approcher le profil de phase idéal, a montré son potentiel pour les pixels CMOS. La caractérisation électro-optique a mis en évidence la performance expérimentale de la lentille de phase de Fresnel fabriquée en "post-process" au LPN-CNRS et de la lentille de Huygens fabriquée "in-process" en fonderie CMOS. Les nombreuses perspectives de ce travail liés à la fabrication et à la marge de progression des lentilles ont été explorées.

Ce travail a montré que l’apport de la technologie d’intégration 3D, permet de surmonter les limites imposées par la technologie monolithique sur les performances électriques (« coupling » et consommation) et sur l’implémentation physique (aire du pixel) des imageurs. Grâce à l’analyse approfondie sur la technologie d’intégration 3D, nous avons pu voir que les technologies d’intégration 3D les plus adaptées pour l’intégration des circuits dans le pixel sont : 3D wafer level et 3D construction séquentielle. La technologie choisie pour cette étude, est la technologie d'intégration 3D wafer level. Cela nous a permis de connecter 2 wafers par thermocompression et d’avoir une interconnexion par pixel entre wafers. L’étude de l’architecture CAN dans le pixel a montré qu’il existe deux limites dans le pixel : l’espace de construction et le couplage entre la partie analogique et numérique « digital coupling ». Son implémentation dans la technologie 3D autorise l’augmentation de 100% l’aire de construction et la réduction du « digital coupling » de 70%. Il a été implémenté un outil de calcul des éléments parasites des structures 3D. L’étude des imageurs rapides, a permis d’étendre l’utilisation de cette technologie. L’imageur rapide type « burst » a été étudié principalement. Cet imageur permet de dissocier la partie d’acquisition des images de la sortie. La limite principale, dans la technologie monolithique, est la taille des colonnes (pixels vers mémoires). Pour une haute cadence d’acquisition des images, il faut une grande consommation de courant. Son implémentation dans la technologie 3D a autorisé à mettre les mémoires au-dessous des pixels. Les études effectuées pour ce changement (réduction de la colonne à une interconnexion entre wafers), ont réduit la consommation totale de 90% et augmenté le temps d’acquisition des images de 184%, en comparaison à son pair monolithique.

Les oscillateurs sont présents dans tous les systèmes de communications que nous utilisons. Ils nous permettent de faire la synchronisation entre l’émetteur et le récepteur d’un message. La qualité de cette synchronisation dépend de la stabilité de l’oscillateur. Afin de caractériser cette stabilité dans le domaine fréquentiel, le bruit de phase est utilisé comme paramètre de référence. Un oscillateur qui délivre un signal avec une faible valeur de bruit de phase est un oscillateur de grande pureté spectrale. Les oscillateurs électroniques ont une bonne performance à basse fréquence. En mesure de la demande des systèmes de très haut débit, les oscillateurs électroniques ne sont pas capables de produire signaux qu’avec l’utilisation de multiplicateurs de fréquence qui ajoutent plusieurs éléments à la chaine de communication. Les systèmes hybrides permettent de prendre d’avantage la bonne performance de composants optiques en haute fréquence afin de les intégrer dans les systèmes électroniques et surmonter de cette façon-là les limitations fréquentielles des systèmes électroniques. Ce travail vise l’utilisation de la technique de verrouillage optique par injection du faisceau d’un laser maître vers la cavité d’un VCSEL sous modulation directe dans la boucle d’oscillation. La technique du verrouillage optique du VCSEL permets d’élargir la bande passante de modulation directe du VCSEL et réduire son bruit d’intensité (Relative Intensity Noise - RIN). La réduction du RIN a comme effet secondaire la réduction de la contribution du bruit additif dans l’oscillateur et, en conséquence, la réduction du bruit de phase de l’oscillateur.

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.

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.