Real-time imaging through fog over long distance

L'imagerie a travers les milieux turbides comme le brouillard, les tissus, les colloides, etc. repond a plusieurs besoins de la vie courante. L'imagerie a travers de tels milieux diffusants est un defi auquel peuvent repondre les nouveaux systemes d'imagerie, la theorie de l'information et l'etude des lois de transport de la lumiere dans les milieux aleatoires. La these est divisee en deux parties adressant deux modalites d'imagerie differentes, a savoir : l'imagerie de contraste polarimetrique et l'imagerie modulee en intensite. Dans les deux cas, des systemes d'imagerie en temps reel sont proposes et mis au point. Leurs performances sont evaluees a la fois theoriquement et experimentalement. Dans la premiere partie de la these, une camera polarimetrique a deux canaux instantanes concue autour d'un prisme de Wollaston est utilisee pour imager de maniere optimale une source de lumiere polarisee noyee dans un brouillard. Une experience en situation reelle a ete mise en place a proximite du campus de Beaulieu a Rennes. La source est placee sur une tour de telecommunication situee a plus d'un kilometre du systeme imageant. Les donnees acquises dans diverses conditions meteorologiques montrent que l'efficacite de cette camera polarimetrique depend de la correlation du bruit de fond dans les deux images initiales. Ceci a ete confirme grâce a une analyse fondee sur la theorie de l'information qui montre que le contraste polarimetriques maximal est obtenu par une combinaison lineaire des deux canaux polarimetriques dont la ponderation dependant de la correlation du bruit de fond dans les deux canaux. Un systeme de detection, integrant cette representation polarimetrique optimale, a ete developpe pour explorer de bout en bout les capacites offertes par l'imagerie polarimetrique a deux canaux a travers le brouillard. Ces etudes trouvent des applications directes dans le transport par temps degrade, y compris pour l'aide a l'atterrissage d'aeronefs. Dans la meme logique, la deuxieme partie de la these porte sur l'apport de la modulation d'intensite plein champ pour imager les photons balistiques dans les milieux diffusants. En utilisant de concert la theorie de la diffusion et la theorie de l'information, nous avons pu montrer que, pour un budget de photons donne, il existait une frequence de modulation minimale pour laquelle le filtrage de photons balistique devient efficace. Cette frequence depend des proprietes de diffusion du milieu intermediaire et se trouve etre dans la gamme du MHz en situation reelle. L'imagerie en temps reel a de telles frequences etant un vrai defi, nous avons propose un systeme de demodulation plein champ inedit base sur l'utilisation d'un cristal electro-optique. Ce systeme d'imagerie, dont nous avons brevete le principe, est en mesure de demoduler avec une camera standard une scene en temps reel et en plein champ a des frequences de plusieurs MHz (voire GHz) sans synchronisation de phase. Un prototype de ce systeme a ete developpe permettant de confirmer qu'il etait robuste, portable et rentable. Le travail presente dans cette these ouvre la voie a la mise en œuvre de systemes d'imagerie de pointe fonctionnant dans des situations reelles, allant de l'imagerie biomedicale, a la securite.