Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire visent à répondre aux enjeux rencontrés lors des opérations d'assainissement et de démantèlement (A&D) des sites nucléaires en fin de vie. L'objectif principal de la thèse consiste à développer un instrument compact et de haute sensibilité pour la caractérisation du champ neutronique. Le prototype de mesure servira à localiser les sources neutroniques en utilisant la méthode d'imagerie par encodage spatial, et à identifier les sources neutroniques à partir de la mesure de leur distribution en énergie en utilisant la méthode de déconvolution des spectres. Le prototype envisagé est formé d'un scintillateur plastique pixellisé, relié optiquement à une matrice de photomultiplicateurs en silicium (SiPM), et ces deux composants sont associés à un masque codé. Afin d'atteindre l'objectif énoncé, trois axes ont été étudiés. Le premier axe concerne le test et la comparaison des trois codes de déconvolution MAXED, GRAVEL et MLEM sur des données simulées. Le deuxième axe a pour objectif de déterminer la fonction de réponse aux neutrons du scintillateur plastique monobloc et, à l'issue de cette mesure, la spectrométrie neutronique a été appliquée sur des données réelles mesurées à l'aide de ce scintillateur. Le troisième axe concerne la caractérisation du spectro-imageur neutronique formé d'un scintillateur pixellisé en évaluant sa performance en imagerie expérimentalement et en spectro-imagerie par simulation.