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L'Hour, Charles-Antoine. Modélisation de la propagation électromagnétique en milieux inhomogènes basée sur les faisceaux gaussiens - application à la propagation en atmosphère réaliste et à la radio-occultation entre satellites

L'Hour, Charles-Antoine (2017). Modélisation de la propagation électromagnétique en milieux inhomogènes basée sur les faisceaux gaussiens - application à la propagation en atmosphère réaliste et à la radio-occultation entre satellites.

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Résumé en francais

La thèse, dont le sujet est "Modélisation de la propagation électromagnétique en milieux à gradient d'indice basée sur les faisceaux gaussiens - Application à la propagation en atmosphère réaliste et à la radio-occultation entre satellites" a été commencée le 2 décembre 2013, au Département ÉlectroMagnétisme et Radar (DEMR) de l'Onera de Toulouse et avec le laboratoire LAPLACE de l'Université Paul Sabatier. Elle est co-financée par l'ONERA et par la Région Midi-Pyrénées. L'encadrement a été assuré par Jérôme Sokoloff (Laplace/UPS, directeur de thèse), Alexandre Chabory (ENAC, co-directeur) et Vincent Fabbro (ONERA). L'École Doctorale est l' "École Doctorale Génie Électrique, Électronique, Télécommunications : du système au nanosystème". Le faisceau gaussien a été principalement utilisé dans la recherche scientifique afin d'étudier les systèmes optiques tels que les lasers. Des études plus rares et plus récentes ont proposé de l'utiliser pour modéliser la propagation des ondes sismiques. Ses propriétés spatiales et spectrales ont amené certains auteurs à étudier son utilisation dans des modèles de propagation atmosphériques. Cette thèse a consisté à développer un modèle, appelé GBAR (Gaussian Beam for Atmospheric Refraction), de propagation troposphérique réaliste et déterministe en utilisant le formalisme des faisceaux gaussiens. La démarche adoptée a consisté à reprendre les équations fondamentales introduites par Cerveny et Popov décrivant de façon itérative la propagation d'un faisceau gaussien en milieu inhomogène, sous hypothèse de haute fréquence (modèle asymptotique). De nouvelles équations ont été développées à partir d'elles pour obtenir une description analytique de la propagation d'un faisceau gaussien dans un milieu troposphérique décrit par les variations spatiales de l'indice de réfraction. L'hypothèse de base pour l'obtention de la formulation analytique est que le gradient de l'indice de réfraction peut être considéré vertical et constant au voisinage du faisceau. Les équations analytiques pour la description de la propagation d'un seul faisceau ont ensuite été étendues à la modélisation d'un champ quelconque dans un milieu troposphérique pouvant contenir de fortes variations du gradient d'indice, y compris des inversions de gradient. Ceci a été réalisé en couplant les équations analytiques avec la procédure de décomposition multi-faisceaux développée dans sa thèse pas Alexandre Chabory. Le modèle GBAR a été validé dans des milieux troposphériques réalistes issus de simulations du modèle météo méso-échelle WRF (Weather Research and Forecasting). Dans un troisième temps, le modèle a été utilisé pour simuler des inversions de données de radio-occultation. Des outils existent pour fournir un modèle d'interprétation de ces données pour estimer les propriétés physiques de l'atmosphère à partir des mesures en phase, amplitude, Doppler et délai des signaux GNSS transmis entre satellites en orbite autour de la Terre. Ces modèles d'inversion supposent que la Terre et l'atmosphère sont à symétrie sphérique. Le modèle GBAR a permis de simuler les effets troposphériques sur la propagation des signaux GNSS entre satellites et d'inverser l'amplitude du champ pour estimer des profils atmosphériques d'indice de réfraction. L'impact de l'hypothèse de symétrie sphérique sur l'inversion des données a ensuite été quantifié en utilisant le modèle GBAR. Les travaux de recherche ont été présentés à deux conférences : une conférence nationale française - Journées Nationales Microondes - du 2 juin 2015 au 5 juin 2015 à Bordeaux, et une conférence internationale - The 10th European Conference on Antennas and Propagation - du 10 avril 2016 au 15 avril 2016 à Davos, Suisse. Également, deux articles de revue scientifique sont en cours de relecture et de finalisation et sont prévus pour soumission au printemps 2017 à destination de la revue "IEEE Antennas and Propagation". D'autre part, les résultats obtenus ont permis d'engager des discussions afin d'envisager l'approfondissement des recherches scientifiques dans les voies concernées par la présente thèse, par exemple avec le CNES (Centre National d'Études Spatiales).

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Sokoloff, Jérôme
Chabory, Alexandre
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire PLAsma et Conversion d'Energie (LAPLACE), UMR 5213 ; Office national d'études et recherches aérospatiales (ONERA)
Mots-clés libres :Modélisation - Propagation des ondes électromagnétiques - Milieu inhomogène - Faisceaux gaussiens - Equation parabolique - Optique géométrique - Propagation troposphérique - Radio occultation
Sujets :Physique
Déposé le :26 Sep 2017 11:24