Dans le contexte des systèmes de télécommunication, la technologie photonique est apparue pour répondre à la demande de bande passante. Elle a depuis fait l'objet de recherches croissantes et a été incorporée dans des systèmes destinés au spatial. Grâce à cette technologie, il est possible d'ajouter de nouvelles fonctionnalités aux équipements traditionnels de communication par radiofréquence ou de les utiliser dans des terminaux laser pour la communication optique en espace libre. Ce travail de recherche porte sur l'utilisation de la technologie photonique dans le sous-système de communication par satellite. Il se concentre donc sur un sous-système utilisant les communications par radiofréquence (RF) et un autre utilisant les communications optiques en espace libre (FSO) pour un satellite fonctionnant sur une orbite terrestre basse (LEO). Le modulateur vectoriel micro-ondes basé sur la technologie photonique a été présenté et discuté pour le sous-système utilisant les communications RF afin de remplacer l'étage de modulation traditionnel d'une charge utile de transmission. Ce modulateur photonique utilise un arrangement de modulateur électro-optique Mach-Zehnder (MZM) pour mettre en œuvre la modulation numérique de la porteuse micro-onde. La dérive dans le temps de la polarisation en tension continue du MZM, entraînant une dégradation de la qualité du signal modulé, une solution innovante pour un contrôle automatique de la polarisation (ABC) a été proposée. Contrairement aux méthodes rapportées jusqu'à présent dans la littérature, ce contrôle automatique de la polarisation est basé sur l'analyse des signaux I/Q afin de générer des étapes de tension pour la polarisation du modulateur photonique. En tenant compte du fait que la liaison satellite fonctionne généralement dans les bandes S et X pour la transmission (TT&C) et la transmission d'images avec des schémas de modulation QPSK, 8PSK et 16QAM, l'ABC a été évalué par une technique de co-simulation. En conséquence, l'ABC a corrigé les trois schémas en quelques étapes. Pour le système FSO, une boucle à verrouillage de phase optique (OPLL) a été étudiée pour récupérer les données d'un signal optique modulé numériquement dans un récepteur à détection cohérente. Contrairement aux OPLL analogiques traditionnelles, une OPLL entièrement numérique a été mise en œuvre et soutenue par une technique de co-simulation. La motivation première était la possibilité d'utiliser un détecteur de phase numérique à la place du détecteur analogique pour fournir une erreur de phase. De plus, la caractéristique de gain du détecteur de phase numérique, indépendante du niveau du signal d'entrée, lui permet d'être utilisé dans des régimes d'évanouissement. L'OPLL numérique a été évaluée à l'aide de taux d'échantillonnage doubles sous un bruit gaussien additif et trois scénarios de turbulence atmosphérique qui induit un évanouissement de puissance sur le signal optique transmis. De plus, la propagation d'un signal optique modulé numériquement dans une trajectoire oblique de satellite LEO a été considérée avec un débit binaire de 20 Gbits/s et un schéma de modulation QPSK. Il a été démontré que les détecteurs de phase analogiques traditionnels ne sont pas adaptés aux systèmes en régime d'évanouissement. Par conséquent, le détecteur de phase numérique s'est avéré être une alternative à la mise en œuvre d'OPLL pour le récepteur de systèmes FSO utilisant la détection cohérente. Ansi, la technologie photonique a été analysée pour améliorer les charges utiles de satellites et augmenter la bande passante de futurs liens optiques de communications.

L’électronique est aujourd’hui un outil central et essentiel dans notre société. Il a investi les objets du quotidien, et nous l’utilisons directement ou indirectement des dizaines de fois chaque jour sans même nous en rendre compte. Depuis l'introduction du transistor tel qu’on le connaît à la fin des années 40, l'électronique n'a cessé de s'améliorer et de se spécialiser pour devenir plus efficaces dans chaque application. Aujourd’hui, leurs formes la plus rependue est sans conteste la technologie MOS.C’est donc tout naturellement que l’on retrouve des circuits électroniques MOS dans les applications spatiales et nucléaires, où ils remplissent une multitude de fonctions essentielles. Ces environnements ont cependant une particularité importante : ils sont chargés en radiations, ce qui a pour effet de dégrader les composants électroniques. Ces dégradations sont d'autant plus problématiques que les circuits exposés à de tels environnements sont généralement censés fournir d’excellentes performances et garantir une haute fiabilité. Pour assurer un bon fonctionnement de ces circuits, il est donc nécessaire d’étudier les effets de ces milieux radiatifs sur les performances de l’électronique MOS.De plus, et c’est la motivation de cette thèse, ces applications en milieux radiatifs sont en plein essor. Non seulement la demande pour ce genre de circuits augmente, mais la dose maximale de radiations reçue par l’électronique sur sa durée de vie devrait dépasser des niveaux inédits. Ces nouvelles doses et leurs effets sur l’électronique sont encore peu investigués, et l’étude de ces effets est donc primordiale pour permettre l’utilisation future de l’électronique dans ces milieux, que ce soit dans le nucléaire, le spatial ou ailleurs.En particulier, cette thèse étudie les effets des hautes doses de radiation ionisante sur des transistors MOS (MOSFETs) à destination de circuits analogiques, circuits qui s’avèrent être souvent plus exposés que les autres. Tout cela dans le but de, d’un côté, être capable de mieux anticiper ces effets et, d’un autre, pouvoir les contrecarrer quand cela est possible.La thèse traite d’abord de la dégradation durant des irradiations des paramètres des MOSFETs tel que le courant maximum, la tension de seuil ou le courant de fuite. Les effets de la tension, de l’épaisseur des oxydes, du design et de la taille du transistor y sont en particulier approfondis. Les résultats mettent en avant le fort rôle des tensions pendant les irradiations sur le type de défaut créés, en particulier dans la grille, ainsi que l'apparition d’un effet de canal court (RISCE) dans un nœud technologique plus gros que dans ceux où il avait été observé auparavant. En plus, cette étude des paramètres des MOSFETs met en avant une importante augmentation du courant de génération après de hautes doses ionisantes dans les jonctions pn du transistor. S’en suit une étude approfondie de ce courant.Dans un second temps, la thèse étudie le phénomène de RTS (Random Telegraph Signal) dans ce courant de fuite de jonction des transistors. Pour cela, une structure de test capable de mesurer en parallèle des dizaines de milliers de courants de fuite est introduite. Grâce à celle-ci, le RTS est étudié de manière statistique avant et après irradiations. Les résultats, en accord avec des simulations à l’échelle atomique, soutiennent l’hypothèse de défauts métastables comme origine du phénomène RTS dans les fuites de jonctions.

Des véhicules aériens sans pilote (UAV) et des nanosatellites sont déployés à grande échelle dans le but de servir pour des applications industrielles et de recherche. Dans la pratique, ces petites plateformes demandent l'intégration de plusieurs antennes compactes pour différents besoins en communication, navigation, ou encore surveillance. L'intégration de ces antennes sur de telles plateformes est donc plus difficile en raison de ses petits plans de masse. L’une des solutions originales permettant de fournir des propriétés de rayonnement directives sans utiliser des grands plans de masse, repose sur la conception des sources d'Huygens. Un diagramme de rayonnement cardioïde peut, de ce fait, être réalisé en combinant deux dipôles orthogonaux électriques et magnétiques rayonnant le même champ, respectivement dans leurs plans E et H.Dans ce travail, plusieurs antennes à résonateur diélectrique (DRA) avec propriétés d’une source d'Huygens sont étudiées. Afin de générer des dipôles électriques et magnétiques équivalents, plusieurs TE modes peuvent être excités dans un résonateur diélectrique rectangulaire. De ce fait, en utilisant les nombreux degrés de liberté de leur conception, il est possible de concevoir des DRAs de tailles réduites avec des propriétés d'efficacité de rayonnement élevées et de larges bandes passantes. En d’autres termes, la fabrication additive, ou l'impression 3D, a ici été utilisée pour fabriquer les DRAs proposés. L'impression 3D ouvre la voie à de nouvelles antennes utilisant des formes complexes et des matériaux hétérogènes/anisotropes afin de contrôler, par exemple, sa bande passante et ses caractéristiques de rayonnement.Au cours de cette thèse, deux sources d'Huygens en polarisation linéaire et circulaire, et utilisant des résonateurs diélectriques empilés, ont d'abord été étudiées. La configuration empilée est ici formée par deux résonateurs avec des permittivités diélectriques isotropes différentes afin de générer une paire de dipôles électriques et magnétiques équivalents, nécessaires à l’obtention d’un rayonnement dans un demi-espace. Il est par la suite démontré qu’utiliser un diélectrique anisotrope uniaxial est une solution originale permettant de réduire le volume de ces sources d'Huygens empilées.Le diélectrique anisotrope a ainsi été conçu en structurant le matériau 3D imprimé en plusieurs cellules unitaires de sous-longueur d'onde pour obtenir un matériau dont la permittivité diélectrique effective est contrôlée par le taux de remplissage de volume de ses cellules unitaires. Afin de démontrer les possibilités offertes par l'impression 3D de céramiques anisotropes, une antenne DRA à alimentation unique et à polarisation circulaire dans la bande ISM 2.45 GHz a d'abord été conçue, imprimée et mesurée. L'anisotropie a ici été utilisée pour exciter deux modes orthogonaux avec certaines conditions de amplitude et phase, afin d'obtenir une polarisation circulaire. Enfin, une source d'Huygens compacte est conçu, utilisant un diélectrique céramique anisotrope dans la bande ISM 2.45 GHz.

L’essor des satellites artificiels couvrant des applications de télécommunication et d’observation scientifique, ainsi que des besoins miliaires, requiert le développement de puissants systèmes d’alimentation électrique en milieu spatial.Ces systèmes reposent très majoritairement sur la conversion photovoltaïque et la technologie des cellules solaires à multi-jonction (MJSC).La structure standard de MJSC utilisée pour les applications spatiales est la tri-jonction GaInP/(In)GaAs/Ge. Afin d’augmenter le rendement de cette MJSC, il est nécessaire de mieux exploiter le proche infrarouge en remplaçant la souscellule de germanium ou en introduisant une 4e sous-cellule dont l’énergie de bande interdite est égale à 1 eV. Cette cellule doit avoir le même paramètre de maille que Ge ou GaAs et doit être capable de générer environ 15 mA/cm2 en condition d’intégration. De plus, il est indispensable que cette cellule soit résistante aux radiations spatiales afin de garantir une longue durée de vie de la structureMJSC.Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié le quaternaire InGaAsN pour répondre à ces exigences d’intégration MJSC et de tenue en milieu spatial. Nous avons commencé par faire croître des couches cellules solaires et des couches bulk d’InGaAsN par épitaxie par jets moléculaires (EJM). De nombreuses caractérisations matériaux nous ont permis de comprendre l’impact des conditions de croissance épitaxiale sur les propriétés opto-électroniques de l’InGaAsN et ainsid’optimiser notre procédé de fabrication.Des cellules solaires ont par ailleurs été fabriquées en salle blanche (lithographie, métallisation, gravure) avant d’être caractérisées par mesure courant tension et réponse spectrale. En conditions d’intégration MJSC, nos cellules pourraient générer des densités de courant environ égales à 8 mA/cm2. L’intégration de ces cellules au sein d’une structure tandem GaAs/InGaAsN a par ailleurs étédémontrée. Des cellules solaires InGaAsN ainsi que des échantillons pour la photoluminescence (PL) et la spectroscopie de défauts profonds (DLTS) ont par la suite été irradiés sous électrons et protons 1 MeV. La comparaison des caractéristiques matériaux et cellules avant et après irradiation nous a permis d’analyser les mécanismes de dégradation ayant lieu dans l’InGaAsN. Globalement, les cellules solaires d’InGaAsN apparaissent plus résistantes aux irradiations électroniques et protoniques que les cellules de GaAs.

La réfraction troposphérique anormale entraîne une déviation des performances des systèmes radar marine par rapport à la normale. L'objectif principal de la thèse est de développer une technique d'inversion de la réfractivité pour prédire les anomalies de la couverture du radar avec précision et en temps réel. Dans cette étude, la réfractivité est supposée ne dépendre que de l'altitude et elle est prédite à partir de mesures d'ondes radio sans phase prises en configuration bistatique. Nous sommes intéressés par l'exploration des techniques d'inversion qui sont efficaces dans des scénarios réalistes à haute dimension pendant les opérations maritimes et qui peuvent maintenir la précision avec un minimum de besoin de connaissance a priori spécifiques au cas par cas. L'objectif à long terme est de transférer les techniques et les connaissances développées pour progresser vers un système de 'Refractivity-From-Clutter', qui est la technique d'inversion autosuffisant idéale pour améliorer l'autodéfense des navires, mais plus complexe à analyser et à développer correctement. Le problème inverse est formulé comme un problème d'optimisation non linéaire basé sur la simulation, qui est abordé à l'aide de méthodes Quasi-Newton. Les simulations sont modélisées par l'équation d'onde parabolique grand angle de Thomson et Chapman. Le gradient du problème d'optimisation est obtenu à l'aide de l'approche variationnelle adjointe et il est estimé de manière peu coûteuse au coût de deux simulations du modèle direct, quelle que soit la dimension des paramètres. Les dérivations sont validées numériquement en utilisant des mesures générées synthétiquement. Les tests numériques ont révélé la gravité de la non-linéarité et du caractère mal posé du problème inverse qui conduit souvent à des résultats d'inversion inexacts, même dans des conditions idéales lorsqu'il n'existe aucune erreur de modélisation ou de mesure. Des stratégies multi-échelles sont utilisées pour atténuer la non-linéarité du problème. Des résultats d'inversion précis sont obtenus en réduisant les espaces de paramètre et de mesures. Les avantages et les limites de la technique sont discutés dans des scénarios réalistes à haute dimension. Mots clés: propagation des ondes radio, optimisation numérique, problèmes inverses, inversion de la réfractivité, équation parabolique grand angle, modèle adjoint.

L’essor de la télédétection optique a permis des avancées majeures dans notre compréhension du fonctionnement de notre Terre, avec des applications terrestres, maritimes et météorologiques. Reposant sur l’exploitation d’un rayonnement électromagnétique, les capteurs enregistrent le signal de la scène en trois dimensions : deux dimensions spatiales et une dimension spectrale. On obtient ainsi une signature spectrale en chaque point de l’image. Parmi les capteurs optiques, les capteurs hyperspectraux sensibles dans le domaine du visible à l’infrarouge courte longueur d’onde (0.4-2.5 µm) permettent d’acquérir le signal incident dans un grand nombre de bandes spectrales, étroites et contiguës. Le signal enregistré est composé de plusieurs contributions radiatives issues de la surface, mais également de l’atmosphère. Une étape de correction atmosphérique est alors nécessaire afin de s’affranchir des effets de l’atmosphère et de remonter aux propriétés intrinsèques de la surface : la réflectance de surface. Cette étape est aujourd’hui très bien maîtrisée en condition de ciel clair. Or les nuages recouvrent environ les deux-tiers de la surface terrestre, modifiant les effets radiatifs sur la scène par rapport au ciel clair et rendant la correction atmosphérique plus complexe.L’objectif de cette thèse est de proposer une méthode de correction atmosphérique en présence de nuages à partir d’une unique image hyperspectrale.Deux méthodes de correction atmosphériques sont étudiées selon le type de nuages : Les nuages semi-transparents de type cirrus fins, dont une partie du signal issu de la surface est accessible. Les nuages opaques, caractérisés par une transmission nulle. En revanche, leur présence provoque des ombres portées, dans lesquels une information de la surface est toujours présente. Une correction est alors envisageable à l’ombre de ces nuages.Cette thèse est divisée en deux parties : une première partie consacrée aux cirrus, et une seconde aux ombres des nuages opaques.En préliminaire, une étude phénoménologique du comportement radiatif de ces deux types de nuage a été menée. Les modèles actuels ne considérant que des nuages homogènes infinis, une modélisation spécifique à des nuages épars a été développée afin de simuler de nouvelles situations nuageuses : nuage sur le trajet soleil-surface, nuage sur le trajet surface-capteur. Ces simulations nous ont permis d’analyser leurs comportements radiatifs et d’extraire, en particulier pour les cirrus, des relations permettant de remonter à certaines de leurs propriétés telles que l’épaisseur optique et la transmission.Ces différentes configurations adaptées aux cirrus ont permis d’évaluer les performances du modèle de correction atmosphérique en présence de cirrus proposé par Gao et Li (2017), d’identifier leurs limitations et de proposer des améliorations. Notre évaluation a été réalisée sur plusieurs couples d’images satellites (nuageuse et ciel clair de référence) et montrent des améliorations significatives de 50 % lorsqu’un cirrus est présent sur le trajet soleil-sol.Quant aux ombres des nuages opaques, il a, dans un premier temps, été effectué une analyse phénoménologique sur diverses images afin d’avoir une meilleure compréhension du signal reçu au niveau du capteur. Dans un second temps, comme pour le cirrus, un modèle de correction des ombres présent dans la littérature a été validé sur un couple d’images et diverses surfaces, permettant également d’établir des limites au modèle.Des perspectives de travaux futurs sont ensuite évoquées.

Dans un contexte très concurrentiel et riche d’innovations, il est crucial de pouvoir évaluer les performances des capteurs de manières précises. Pour ce faire deux supports de caractérisation sont envisageables : le capteur complet ou les structures de test. Sur le capteur complet sont extraits des paramètres dans un environnement et des conditions proches de l’application. Les structures de test, elles, permettent de ne s’intéresser qu’à une zone spécifique d’un pixel et de pouvoir étudier les phénomènes physiques en jeu et dissocier les différentes contributions possibles à un paramètre pixel étudié. Une meilleure compréhension de ce même paramètre extrait sur capteur complet est alors possible. De plus elles facilitent l’étude de différents essais de procédés en début de développement. Les travaux de cette thèse proposent de nouvelles méthodologies de mesure et de caractérisation de paramètres sur structures de test complémentaires à ce qui se fait sur un capteur complet. Dans ce manuscrit sont développées notamment de nouvelles structures de test afin d’étudier la contribution de l’interface arrière de pixels BSI au courant d’obscurité. Une nouvelle méthode d’extraction de potentiels est également présentée et permet l’extraction d’une multitude de potentiels d’intérêts présents dans les pixels. Enfin une nouvelle méthode d’extraction de la charge à saturation sur structures de test est proposée.

L'avènement des Système de Positionnement par Satellites, également désigné sous le sigle GNSS, a révolutionné le monde d'aujourd'hui avec des applications diverses, de la localisation à la télédétection. Le principe du GNSS est basé sur la trilatération, qui dépend de l'estimation du retard de propagation et de l'effet Doppler. En effet, la synchronisation retard-Doppler est un sujet de recherche important pour de nombreux domaines, avec des applications pratiques telles que le radar, le sonar, l'ultrason, la télécommunication et la navigation. Or, pour la conception et l'évaluation des techniques d'estimation, il est important de connaître la meilleure performance accessible au sens de l'erreur quadratique moyenne (EQM), ce qui est fourni par le calcul des bornes inférieures (BI) sur l'EQM. Par rapport aux autres BI, les bornes de Cramér-Rao (BCR) sont plus simples à calculer et fournissent une estimation précise de l'EQM de l'estimateur au sens du Maximum de Vraisemblance (EMV) dans la région d'opération asymptotique, sous certaines conditions. Aussi, les architectures des récepteurs GNSS reposent sur des approches d'acquisition et de suivi, effectuée de manière scalaire, qui peuvent être considérées comme des instances particulières de l'EMV. Cependant, malgré une littérature fournie sur les BCR relatives à l'estimation retard-Doppler, la plupart de ces expressions de la BCR sont trop restrictives et ne concernent que le modèle de signal à bande étroite, sans tenir compte de l'impact de l'effet du Doppler sur le signal en bande de base. En effet, une expression analytique de BCR, suffisamment générale et facile à utiliser, pour n'importe quel signal à bande limitée, n'était pas disponible au début de cette thèse. L'objectif principal de la présente thèse porte sur la caractérisation des performances asymptotiques de l'estimation du retard et du Doppler par un EMV cohérent. La première contribution est l'obtention d'une nouvelle expression analytique de la BCR pour l'estimation du retard, en considérant un signal générique à bande limitée et un retard de propagation constant, cette expression offrant de nouvelles possibilités pour la conception d'un signal optimal. Cette expression de la BCR est ensuite utilisée pour caractériser l'estimation conjointe du retard et de la phase du signal. Cette approche est pertinente pour la localisation précise, exploitant la phase de la porteuse, telles que PPP et RTK. Par ailleurs, ces travaux de recherche ont permis de mettre en évidence l'absence d'une analyse complète des performances des signaux GNSS dans la littérature scientifique, d'un point de vue de l'estimation optimale. L'analyse présentée ici vise à combler cette lacune et fournit également les limites de performance du positionnement standard. Pour franchir cette limite, il devient alors nécessaire de recourir aux techniques de positionnement basées sur la phase de la porteuse. Enfin, nous étendons la formulation analytique de la BCR générique pour inclure l'estimation conjointe du retard et du Doppler, d'abord pour les signaux à bande étroite, puis pour leurs homologues à large bande, incluant également l'amplitude et la phase.

L’imagerie à haute-vitesse sans distorsions spatiales est devenue cruciale pour une large gamme d’applications comme la vision industrielle, la reconnaissance du mouvement et l’imagerie de la Terre depuis l’espace. La technologie d’imagerie CMOS a donc évolué vers une modalité de prise de vue appelée « snapshot », grâce au développement des Capteurs d’Image à Obturation Globale. Néanmoins, ce type d’imageurs présente une dégradation des performances due à une sensibilité à la lumière parasite non-négligeable du Nœud de Stockage, qui en limite l’exploitation. Bien que beaucoup de travaux aient été consacrés à la réduction de la Sensibilité à la Lumière Parasite, il existe des interrogations et des manquements relatifs à la caractérisation et la modélisation de cette figure de mérite.Ces travaux s’intéressent au développement d’un cadre pour la modélisation, la caractérisation et l’atténuation de la Sensibilité à la Lumière Parasite dans les imageurs CMOS à Obturation Globale.Le cadre se base sur le développement d’une métrique pour la caractérisation, d’une méthode de simulation et de différentes méthodes de correction en post-traitement dans le but de faire émerger des recommandations pour la conception et d'augmenter les performances des imageurs de manière efficace et peu coûteuse.

À travers ces travaux de thèse, on s’intéresse à l’utilisation d’une forme d’onde unique pour remplir simultanément une double fonction radar/communication. En plus de répondre à la problématique grandissante de congestion du spectre, cette approche faciliterait en outre l’intégration des systèmes radiofréquences au sein de plateformes mobiles.La volonté de garantir une efficacité spectrale élevée et un coût calculatoire acceptable au système de transmission, combinée au caractère doublement sélectif des canaux de propagation rencontrés, nous amènent à nous focaliser sur l’étude des modulations multiporteuses à filtres courts (WCP-OFDM). Cependant, l’information portée par le signal émis génère un phénomène d’interférence dans les récepteurs radar usuels basés sur la corrélation, qui se manifeste par une élévation du plancher de bruit dans les cartes distance-Doppler. Dans un premier temps,nous modélisons cette interférence et comparons son impact sur les performances en détection de ces différents filtres de réception. Les atouts du symbol-based sont notamment mis en exergue. Dans un second temps, ce récepteur est alors enrichi de techniques visant à traiter l’interférence. À chaque fois, les effets de l’opération de mise en forme du signal sont examinés.