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La caractérisation électromagnétique du proche sous-sol par GPR (Ground Penetrating Radar) souffre d'un très faible couplage entre les antennes du GPR et l'interface air-sol. Pour un mode bistatique la majeure partie de l'onde rayonnée par l'antenne émettrice est immédiatement réfléchie par l'interface et donc n'apportera aucune information sur la constitution du sous-sol. Cette interface est également la cause d'une forte diminution de l'onde diffractée par ces hétérogénéités, et qui est détectée par l'antenne réceptrice. Ceci est d'autant plus vrai lorsque nous envisageons de tester la technologie GPR sur des sols agricoles ou karstiques pour lesquels le coefficient de réflexion de Fresnel atteint des valeurs très importantes, notamment lors d'une forte présence en eau. Pour réduire la réflexion du sol et espérer atteindre des rapports signal sur bruit importants au niveau de l'antenne réceptrice, des travaux dans la littérature encore peu nombreux ont émergé ces dix dernières années autour de l'étude des métamatériaux bidimensionnels communément appelés métasurfaces, qui viennent se positionner entre les antennes du GPR et l'interface air-sol pour atteindre pour l'ensemble un coefficient de réflexion plus faible à une fréquence donnée du signal électromagnétique. Néanmoins, les métasurfaces qui sont actuellement proposées présentent des difficultés pour traiter un signal électromagnétique à plusieurs fréquences, comme c'est le cas dans un GPR. Le travail de cette thèse consiste à proposer un algorithme d'optimisation innovant pour guider la conception d'une nouvelle génération de métasurfaces, capables d'augmenter les capacités d'un système GPR. Il nécessite une modélisation rigoureuse par éléments-finis de l'interaction entre l'onde électromagnétique et la métasurface posée sur l'interface air-sol, ainsi qu'une optimisation par des algorithmes itératifs sous contraintes et fonctionnant sur base de dérivées de Fréchet calculées pour les paramètres géométriques et magnéto-diélectriques. Une étude préliminaire par analyse de sensibilité sera également mise en oeuvre pour identifier des espaces de recherche des paramètres qui soient les plus pertinents. En fonction de l'avancée des travaux, il pourra être envisagé une phase de fabrication de ces métasurfaces par impression 3D, et de tests électromagnétiques en environnements contrôlés (espace laboratoire, chambre anéchoïque) et non contrôlés (parcelle INRAE, galerie du LSBB).