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Until now, the assessment of soft tissues was done from the frontal, lateral photographs and lateral cephalograms. These two-dimensional images can not reflect the three-dimensional reality of the face. Progress in three-dimensional surface imaging provides more additional information in dentofacial orthopedics. Techniques such as surface laser scanner or stereo photogrammetry have become available to describe and compare 3D facial surfaces, to study growth, to plan diagnosis or virtual surgical treatment, and to evaluate treatment outcomes. The objective of this thesis is to make a point of the contributions of the 3D surface imaging in diagnosis and follow-up in orthodontics throughout a literature review., Jusqu’à présent, l’évaluation des tissus mous se réalisait à partir des photos de face, de profil et des téléradiographies de profil. Ce ne sont que des images bidimensionnelles qui ne peuvent refléter la réalité tridimensionnelle du visage. Les progrès en imagerie tridimensionnelle de surface apportent des informations complémentaires indispensables en ODF. Des techniques comme le scanner laser de surface ou la stéréophotogrammétrie sont devenues disponibles pour décrire et comparer les surfaces 3D du visage, étudier la croissance, planifier le diagnostic ou le traitement chirurgical virtuel ainsi qu’évaluer les résultats du traitement. L’objectif de cette thèse est de faire le point sur les apports de l’imagerie tridimensionnelle de surface dans le diagnostic et le suivi orthodontique à partir d’une revue de la littérature.

National audience

My research activities deal with seismic imaging, mainly in the context of oil and gas exploration. The objective is to derive quantitative images of the sub-surface such as the P-wave velocity model, from seismic measurements recorded at the surface. In that context, I endeavored to look at seismic data in a different manner. Seismic input gathers are function of the source and receiver positions and the recorded time. Individual traces are usually processed separately, for example in the case of Kirchhoff migration to derive the velocity contrasts at the correct position in the depth domain. For alternative methods, such as reverse-time migration, all traces within a single shot are simultaneously back-propagated from the surface. I propose to select a group of few adjacent traces localized around some time or depth values and to reconsider different imaging processing tasks from this angle. The local aspect is justified in the context of oil and gas exploration with the increasingly dense acquisition surveys, but also with the notion of Fresnel zone. The local coherency of seismic data is tackled through two approaches. Firstly, locally coherent events are simply described in 2D by the position of the central trace, a position within the trace and a slope indicating the local coherency. I demonstrate the feasibility to invert for the low frequency components of the velocity models by picking locally coherent events in the depth migrated section. I also show the equivalence between this approach and slope travel time tomography defined in the unmigrated time data. Secondly, I take into account the signature of the data, in particular the band-limited aspect, with the use of curvelets. More applications become then possible: migration, velocity analysis, sensitivity of the migrated section with respect to the velocity model, and other tasks related to the pre-processing steps such as denoising, multiple prediction, ... In each case, I analyze the advantages and limitations of the notion of locallly coherent events. It appears that the choice of the decomposition scheme, e.g. through curvelets, is crucial for subsequent processing. If for example one needs to compress seismic data, then curvelets are not useful. If on the contrary the objective is to derive how a given migrated section depends on the velocity model used for migration, then curvelets are powerful. More precisely, curvelets are useful to suppress coherent noise, with a flexible decomposition scheme. They almost diagonalize the demigration/migration operator providing the sensitivity of a migrated section with respect to the velocity model. Finally, curvelets are beneficial to exploit the multi-scale aspect of seismic data, e.g. to remove aliased data. I also show the possibility to develop new decomposition and reconstruction schemes such as ``circlets''. As research perspectives, my objective is to go beyond the high frequency approximation for which curvelets are naturally defined. I propose in particular a new formulation for the full waveform inversion, referred as the Differential Full WaveForm Inversion. This method aims at retrieving the sub-surface properties with a local optimization scheme, without the need to derive a precise initial velocity model closed to the solution. More work is needed. This method relies on the local coherency of data and supposes that the signal is well sampled in time and space. Potential applications deal with oil and gas exploration, geotechnics, global and regional seismology.; Mes travaux de recherche s'inscrivent dans l'imagerie sismique des premiers kilomètres du sous-sol, en particulier dans le domaine pétrolier. Il s'agit de reconstruire les propriétés de la sub-surface, par exemple la vitesse de propagation des ondes de compression, à partir d'enregistrements en surface de déplacements ou de variations de la pression liés au passage d'un train d'ondes acoustiques ou élastiques. Je me suis attaché, dans ce domaine, à regarder différemment les données sismiques. Les enregistrements sismiques dépendent de la position de source et d'un ensemble de récepteurs, ainsi que du temps d'enregistrement. Ils sont couramment analysés trace par trace, par exemple pour filtrer les données ou bien pour les migrer, c'est-à-dire retrouver en profondeur les perturbations du milieu, typiquement avec des migrations de type Kirchhoff. Dans le cas de la migration dite "reverse-time migration", les points de tir sont vus comme un ensemble : l'information de tous les récepteurs est rétro-propagée depuis la surface jusqu'en profondeur, également pour retrouver les propriétés du milieu. Je propose de considérer des groupes de traces adjacentes, autour d'une fenêtre en temps, et d'examiner différents algorithmes d'imagerie sous cet aspect. L'aspect cohérence locale est justifié dans le domaine pétrolier par les acquisitions actuelles qui sont de plus en plus denses, et aussi par la notion de zone de Fresnel. La cohérence latérale des signaux sismiques est traitée sous deux angles. Le premier donne une vision très épurée : les événements localement cohérents sont décrits en 2D par la position de la trace centrale, une position dans la trace, et une pente qui indique la cohérence. Je montre qu'à partir de ce type d'approche, il est possible de retrouver les grandes longueurs d'onde du modèle de vitesse par analyse de vitesse dans le domaine migré. J'ai pu aussi établir le lien entre cette méthode d'analyse de vitesse et la tomographie de pente. Le second angle d'attaque prend en compte la signature des données sismiques, et en particulier la bande passante limitée. Les applications sont alors beaucoup plus nombreuses : migration, analyse de vitesse, sensibilité de l'image migrée par rapport au modèle de vitesse, et d'autres tâches liées au pré-traitement comme le débruitage, la prédiction des multiples, ... Dans chacun des cas, j'analyse les avantages et limitations de l'utilisation de la cohérence locale. Il s'avère que le choix du code de décomposition en événements locaux (``curvelets'', ...) est étroitement lié à l'application qui en est faite : si l'objectif est de comprimer les données sismiques, alors les curvelets ne sont pas adaptées. S'il s'agit au contraire de savoir comment l'image migrée dépend du choix du modèle de vitesse pris pour la migration, alors les curvelets ont beaucoup d'avantages. Plus particulièrement, les curvelets offrent la flexibilité de la décomposition des données, très utile pour la suppression des bruits cohérents. De plus, elles diagonalisent presque l'opérateur de démigration/migration qui donne la sensibilité de l'image migrée par rapport au choix du modèle de vitesse. Enfin, elles permettent d'exploiter l'aspect multi-échelle des données, avec des applications sur la suppression de l'aliasing. Je montre aussi qu'il est possible de développer d'autres schémas de décomposition et de reconstruction, comme par exemple les ``circlets''. Dans les perspectives de recherche, je tiens à dépasser le cadre asymptotique hautes fréquences dans lequel les curvelets trouvent un cadre naturel. Je propose en particulier une nouvelle formulation du problème d'inversion des formes d'onde (DFWI, Differential Full WaveForm Inversion). Cette méthode se veut générale pour retrouver les propriétés du sous-sol et permettre une optimisation locale, tout en s'affranchissant de la détermination d'un modèle de départ très proche de la solution. Cette idée doit être approfondie. Elle exploite la cohérence locale des données sismiques et suppose que le signal est bien échantillonné en temps et en espace. Les applications sont très nombreuses et touchent le domaine pétrolier, la géotechnique, la sismologie globale et régionale.

The aim of the work presented in this dissertation is to develop an airborne ultrasonic system for the contactless measurement of vibrations on the human body surface. The vibration study of the skin surface opens several application fields. The visualization of the surface wave velocity on the skin from the propagation movie allows to characterize the superficial layer elasticity as well as its heterogeneities. From this analysis, objects hidden on or under the skin can be detected for a security purpose. A second application is the observation of the surface vibrations generated by the heartbeat, respiration and pulse wave.The implementation of a first single-channel device allowed the local measurement of vibrations about ten microns order. From this initial work, we developed a 2D airborne ultrasonic imager with high frame rate. It is composed by a 256 microphones square array and by 12 piezoelectric transducers. The main innovation of our approach is the specular surface imaging. Indeed, the skin roughness is negligible compared to the working wavelength, of the centimeter order to limit the air attenuation. To resolve this issue, the imaging process is carried out with an emission/reception beamforming using synthetic aperture and achieved by a sequential emission of spherical waves.After the system characterization, we imaged the surface wave propagation on a phantom mimicking the human body and the interference between this wave and a foreign object. A second version of the 2D imager, composed by 36 emitters, was applied to measure the deformation of the thorax during the heartbeat as well as the pulse wave propagation in the carotid artery.; L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est le développement d'un système d'imagerie ultrasonore fonctionnant dans l'air pour la mesure sans contact des mouvements vibratoires en surface du corps humain. L'étude des vibrations en surface de la peau ouvre plusieurs champs d'application. L'observation de la vitesse d'une onde de surface sur la peau à partir du film de propagation permet de caractériser l'élasticité de la couche superficielle ainsi que ses hétérogénéités. A partir de cette analyse, il est possible de détecter des objets cachés sur ou sous la peau, dans un objectif de sécurité. Une seconde application est l'observation des vibrations de surface engendrées par le battement cardiaque, la respiration et l'onde de pouls. La réalisation d'un premier dispositif monovoie a permis la mesure locale de vibrations de l'ordre de la dizaine de microns. A partir de ces premiers travaux, nous avons construit un imageur ultrasonore 2D dans l'air à haute cadence d'imagerie. Il est constitué d'un réseau carré de 256 microphones et de 12 émetteurs. La principale nouveauté de notre approche repose sur l'imagerie d'une surface spéculaire. En effet, la rugosité de la peau est négligeable comparée aux longueurs d'onde de travail, de l'ordre du centimètre pour limiter l'atténuation dans l'air. Pour répondre à cette contrainte, l'imagerie est réalisée à partir de la formation de voies émission/réception par synthèse d'ouverture en utilisant une émission séquentielle d'ondes sphériques. Après caractérisation du système, nous avons imagé la propagation d'une onde de surface sur un fantôme mimant le corps humain et l'interférence de cette onde avec un objet étranger. Une seconde version de l'imageur 2D, constituée de 36 émetteurs, a permis la mesure de la déformation du thorax lors du battement cardiaque ainsi que la propagation de l'onde de pouls au niveau de la carotide.

Gliomas are primitive brain tumors, which represent the second most frequent cancer among children and the third cause of death among young adult. It has been shown that resection surgery improves patient outcomes, leading to its cure for some cases. Intraoperative detection of residual tumor allows the surgeon to check the quality of its resection gesture. A new intraoperative imaging modality has been proposed as a solution to detect residual tumors. It relies on a nuclear probe associated with an optical localization system. This new modality, called positron surface imaging (PSI), generates images of the activity surface distribution of a 18 F based radiotracer of a scanned area of interest. Not used in clinical context yet, we proposed for the first time a feasibility study of its usage to optimize brain tumor surgery. We show limitations of the potential usage of PSI in neurosurgery through experimental studies, considering intraoperatives factors which may influence quality of generated images. Contributions in this study are presented on three axes. First, we want to generate PSI functional images with a low computational time. Acquisition models applied to measurements improve image quality at the cost of high computational time. We suggest a new acquisition model dedicated to intraoperative usage, allowing enhancement of spatial resolution and contrast of images for a low computational time. The second axis is dedicated to the study of the intraoperative acquisition impact on system performance. We propose to estimate the intrinsic parameters of nuclear probe and the study of scanning process on their values. Finally, we present the validation of acquisition models dedicated to intraoperative context. We show a comparative study of acquisition models performance considering potential impact of scanning speed process during acquisition. This work has contributed to the feasibility study of using an ISP system in the intraoperative context, proposed for the first time in neurosurgery., Les gliomes sont des tumeurs cérébrales primitives représentant le deuxième cancer le plus fréquent chez l’enfant et la troisième cause de mortalité chez l’adulte jeune. Il a été démontré qu’une chirurgie d’exérèse tumorale permet d’augmenter la qualité et la durée de vie du patient, voir même dans certains cas, d’obtenir sa guérison. L’identification intraopératoire des résidus tumoraux permettrait au chirurgien de vérifier, in situ, la qualité de son geste d’exérèse. Une nouvelle modalité d’imagerie intraopératoire a été proposée comme solution pour détecter les tumeurs résiduelles. Elle se base sur l’utilisation d’une sonde nucléaire combinée à un système de localisation optique. Cette nouvelle modalité, appelée imagerie surfacique de positons (ISP), permet la génération d’images de la distribution surfacique d’un radiotraceur comme le 18 F − F DG d’une zone d’intérêt scannée. L’ISP n’étant actuellement pas utilisée en clinique, nous proposons pour la première fois une étude de faisabilité de son utilisation pour l’optimisation de la chirurgie des tumeurs cérébrales. Nous montrons les limites de l’utilisation potentielle de l’ISP dans un contexte neurochirurgical par des études expérimentales en considérant des facteurs intraopératoires pouvant influencer la qualité des images générées par le système. Les contributions présentées se concentrent sur trois axes. Dans un premier temps, nous souhaitons obtenir des images fonctionnelles d’ISP avec un temps de calcul faible. L’application de modèles d’acquisition aux mesures permettent d’améliorer la qualité des images, au détriment d’un temps de calcul élevé. Nous suggérons un nouveau modèle d’acquisition dédié au contexte intraopératoire, permettant l’amélioration de la résolution et du contraste des images pour un temps de calcul réduit. Un deuxième axe est dédié à l’étude de l’impact d’une acquisition intraopératoire sur les performances du système. Nous proposons l’estimation des paramètres intrinsèques de la sonde nucléaire utilisée et de l’influence de la hauteur du processus de scan sur leurs valeurs. Le dernier axe est consacré à la validation de modèles d’acquisition dans le contexte intraopératoire. Nous présentons une étude comparative des performances de modèles d’acquisition en considérant l’impact potentiel de la vitesse de scan durant l’acquisition. L’ensemble de ces travaux a contribué à l’étude de faisabilité de l’utilisation d’un système d’ISP en intraopératoire, proposée pour la première fois en neurochirurgie.

Gliomas are primitive brain tumors, which represent the second most frequent cancer among children and the third cause of death among young adult. It has been shown that resection surgery improves patient outcomes, leading to its cure for some cases. Intraoperative detection of residual tumor allows the surgeon to check the quality of its resection gesture. A new intraoperative imaging modality has been proposed as a solution to detect residual tumors. It relies on a nuclear probe associated with an optical localization system. This new modality, called positron surface imaging (PSI), generates images of the activity surface distribution of a 18 F based radiotracer of a scanned area of interest. Not used in clinical context yet, we proposed for the first time a feasibility study of its usage to optimize brain tumor surgery. We show limitations of the potential usage of PSI in neurosurgery through experimental studies, considering intraoperatives factors which may influence quality of generated images. Contributions in this study are presented on three axes. First, we want to generate PSI functional images with a low computational time. Acquisition models applied to measurements improve image quality at the cost of high computational time. We suggest a new acquisition model dedicated to intraoperative usage, allowing enhancement of spatial resolution and contrast of images for a low computational time. The second axis is dedicated to the study of the intraoperative acquisition impact on system performance. We propose to estimate the intrinsic parameters of nuclear probe and the study of scanning process on their values. Finally, we present the validation of acquisition models dedicated to intraoperative context. We show a comparative study of acquisition models performance considering potential impact of scanning speed process during acquisition. This work has contributed to the feasibility study of using an ISP system in the intraoperative context, proposed for the first time in neurosurgery., Les gliomes sont des tumeurs cérébrales primitives représentant le deuxième cancer le plus fréquent chez l’enfant et la troisième cause de mortalité chez l’adulte jeune. Il a été démontré qu’une chirurgie d’exérèse tumorale permet d’augmenter la qualité et la durée de vie du patient, voir même dans certains cas, d’obtenir sa guérison. L’identification intraopératoire des résidus tumoraux permettrait au chirurgien de vérifier, in situ, la qualité de son geste d’exérèse. Une nouvelle modalité d’imagerie intraopératoire a été proposée comme solution pour détecter les tumeurs résiduelles. Elle se base sur l’utilisation d’une sonde nucléaire combinée à un système de localisation optique. Cette nouvelle modalité, appelée imagerie surfacique de positons (ISP), permet la génération d’images de la distribution surfacique d’un radiotraceur comme le 18 F − F DG d’une zone d’intérêt scannée. L’ISP n’étant actuellement pas utilisée en clinique, nous proposons pour la première fois une étude de faisabilité de son utilisation pour l’optimisation de la chirurgie des tumeurs cérébrales. Nous montrons les limites de l’utilisation potentielle de l’ISP dans un contexte neurochirurgical par des études expérimentales en considérant des facteurs intraopératoires pouvant influencer la qualité des images générées par le système. Les contributions présentées se concentrent sur trois axes. Dans un premier temps, nous souhaitons obtenir des images fonctionnelles d’ISP avec un temps de calcul faible. L’application de modèles d’acquisition aux mesures permettent d’améliorer la qualité des images, au détriment d’un temps de calcul élevé. Nous suggérons un nouveau modèle d’acquisition dédié au contexte intraopératoire, permettant l’amélioration de la résolution et du contraste des images pour un temps de calcul réduit. Un deuxième axe est dédié à l’étude de l’impact d’une acquisition intraopératoire sur les performances du système. Nous proposons l’estimation des paramètres intrinsèques de la sonde nucléaire utilisée et de l’influence de la hauteur du processus de scan sur leurs valeurs. Le dernier axe est consacré à la validation de modèles d’acquisition dans le contexte intraopératoire. Nous présentons une étude comparative des performances de modèles d’acquisition en considérant l’impact potentiel de la vitesse de scan durant l’acquisition. L’ensemble de ces travaux a contribué à l’étude de faisabilité de l’utilisation d’un système d’ISP en intraopératoire, proposée pour la première fois en neurochirurgie.

The photogrammetry, used in virtopsy, create a 3D computer model from photos. Our study consists to determine photos acquisition condition to create a 3D quality model from two photogrammetry software: Autodesk 123DCatch and Agisoft Photoscan. For this to happen, differents things were modeled in differents conditions. Each model was categorized according to their reconsruction’s quality, this has allowed us to evidence the best shooting condition (natural light, marks, significant number of shoots). This technical is more accessible than other surface imaging by its price and ease of use, and is to be employ increasingly in legal odontology., La photogrammétrie, utilisée en virtopsy, permet de créer un modèle 3D informatique à partir de photos. Notre étude consiste à déterminer les conditions d’acquisition des photos conduisant à l’obtention d’un modèle 3D de qualité à partir de deux logiciels de photogrammétrie : 123DCatch et Agisoft Photoscan. Divers objets ont été modélisés suivant différents paramètres. Chaque modèle a été classé en fonction de sa qualité de reconstruction, ce qui a permis de mettre en évidence les meilleures conditions de prises de vues (lumière naturelle, marqueurs, nombre de clichés important).Cette technique est plus accessible que les autres imageries surfaciques par son prix et sa facilité d’utilisation, et est amenée à être de plus en plus employée en odontologie légale.

This study aims to model lifetime of thermal barrier coating (TBC) used on aircraft turbine blades. Experimental characterization of the coating adherence combines the lifetime identification – described by macroscopic spallation of the ceramic – with damage estimation trough the analysis of the influence of the microstructure of the coating and evolutions of interfaces ceramic / oxide / metal.Adherence of the ceramic is assessed using uniaxial mechanical compressive tests on AM1 specimen coated with NiAlPt bond coat and EB-PVD yttria stabilized zirconia varying the thermal and thermo-mechanical fatigue ageing conditions. Those tests are completed with analysis of interfacial crack propagation. A pioneering in situ compressive test using X-ray laminography has also been developed to analyze spallation and further delamination. The use of in-situ surface imaging by CCD cameras has enabled measurement of delaminated or spalled areas as function of measured local strain.The influence of thermal or thermo mechanical ageing on damage evolution of TBCs is studied through a microstructural analysis. Oxidation, diffusion and phase transformation mechanisms in the alumina and the bond coat are main parts of this analysis. Moreover the oxide rumpling and its consequences have been detailed, particularly through the measurement of global interfacial damage and adherence evolution. The link between interfacial damage at the scale of local defects (few microns) and the propagation of an interfacial crack (from tens to hundreds of microns) is numerically analyzed with a cohesive zone model.Those two spatial length of analysis were used to build a phenomenological lifetime model to spallation. This model was based on the assessment of the elastic strain energy stored in the ceramic layer and it comparison to fracture energy. A damage model is used to model the fracture strain energy evolution as a function of oxidation and thermo mechanical loading. This model is implemented in post processor of a FEM analysis, making its industrial use easier.; Cette étude porte sur la modélisation de la durée de vie à l'écaillage des barrières thermiques pour aubes de turbines aéronautiques. La caractérisation expérimentale de l'adhérence du revêtement combine l'identification de la durée de vie - qualifiée par l'écaillage macroscopique de la céramique - à une caractérisation de l'endommagement à l'échelle de la microstructure du revêtement et en particulier à la dégradation des interfaces céramique / oxyde / métal. Des essais de compression uniaxiale sur des éprouvettes en AM1 revêtues NiAlPt et YSZ par EB-PVD, vieillies en fatigue thermique et mécano-thermique permettent d'estimer l'adhérence du revêtement. Ces essais sont complétés par des essais de propagation du délaminage interfacial par compression. Un essai original de compression in situ en laminographie aux rayons X a également permis d'analyser l'écaillage et la propagation du front de délaminage. Tous ces essais sont instrumentés et équipés de moyens d'observation permettant de réaliser des mesures de surfaces délaminées ou écaillées et de déterminer leur évolution en fonction des déformations locales mesurées.Une analyse microstructurale complète l'étude afin de comprendre l'influence du vieillissement thermique ou mécano-thermique sur l'évolution de l'endommagement du système. Cette analyse porte sur les mécanismes d'oxydation, de diffusion, de changement de phase principalement dans l'oxyde et la sous-couche. Elle est complétée par l'étude de l'ondulation de surface au cours du cyclage thermique, phénomène de « rumpling », et de ses conséquences, notamment au niveau de l'endommagement global de l'interface et de son adhérence. Le lien entre endommagement de l'interface à l'échelle d'imperfections de rugosité (quelques microns) et de la propagation d'une fissure d'interface (quelques dizaines à quelques centaines de microns) est analysé numériquement par la méthode des zones cohésives.Ces deux études complémentaires ont permis d'établir un modèle phénoménologique de durée de vie à l'écaillage. Celui-ci se base sur une estimation de l'énergie contenue dans la couche de céramique comparée à la valeur théorique d'énergie critique à rupture obtenue par un modèle d'endommagement, fonction de l'oxydation et des paramètres de chargement mécano-thermique. Ce modèle est implémenté en post-processeur d'un calcul par éléments finis facilitant son utilisation industrielle.

Seismic exploration is a continuous innovation domain since more than one century. A significant part of the studies consists in separating the various waves propagating in the medium, especially surface waves. In the near-surface, surface waves are useful for tomography. Near-surface imaging becomes possible if they are well modelised. When exploration is dedicated to depth – meaning more than 95% of the seismic exploration business – the surface waves mainly hide body waves, which contains the informations related to the depth. Body and surface wave separation then becomes a fundamental task. In these situations, the surface waves can nevertheless be used to better know the near surface. It allows computing parameters usable to better the depth imaging. Research knew recent developments in this domain due to the recent impulsion given by the passive seismic imaging from ambient noise and the study of new acquisition designs with high spatial density. In parallel, the oil fields study for better exploitation is growing as a new industrial development axis. 4D (i.e. 3 spatial dilensions + time) imaging mastering becomes a key research activity, in which sub-surface parameters are estimated and monitored. This PhD thesis comes from the following remarks: - Despite rich works, surface waves are still an important research issue in seismic exploration. - Laboratory scale experiments know relatively few investigations, especially for high density acquisition design. The first step has been dedicated to the set up and the validation of a complete acquisition environment in the laboratory, adapted to surface wave study and high spatial density. Using Agar-agar phantoms, a mix of S body waves and Rayleigh surface waves comparable to the on-field P body waves and Rayleigh wave mix has been highlighted. Then, using array processing, wave separation has benne successfully demonstrated. After waves separation, it becomes possible to follow their arrival time variation in presence of surface and/or depth variation in the medium, as in reservoir monitoring conditions. A complete 4D study has been performed, allowing not only the arrival time monitoring but also amplitude and arrival and launch directions. A method has been proposed to compensate the near-surface spurious variations. An adaptation of the method on a field data set is then performed. Generally, velocity profiles on the field show weak velocities in the sub-surface. As a consequence, the various waves coming from the depth have weak and comparable incidences angles. Classical separation method using array processing are usually insufficient to work with such incidence angles set. For this reason, a complete part of this work has been dedicated to the study of high resolution algorithms in the frame of seismic exploration and their adaptation. At the end, taking advantage of the high spatial density allowed by the laboratory environment, a comparative study of two designs – the first one theoretically ideal but somewhat unrealistic and the second one more viable economically but less efficient – has been performed to address the scattered waves filtering issue. For the second design, a new filtering method has been proposed to enhance the scattered waves filtering., La sismique pétrolière est un domaine d'innovation continue depuis plus d'un siècle. Une part non négligeable des études concerne la séparation des différentes ondes se propageant dans le milieu exploré, en particulier les ondes de surface. A petite profondeur, les ondes de surfaces servent à la tomographie. Bien les connaître et les modéliser permet d'imager la proche surface. Quand la prospection est tournée vers les grandes profondeurs – soit 95% de l'industrie géophysique - ces ondes masquent les ondes de volume qui contiennent les informations sur les couches profondes. Il est donc fondamental de pouvoir s'en affranchir et l'étape de séparation est des plus importantes. Les ondes de surface peuvent cependant être utilisées pour une meilleure connaissance de la proche surface, ce qui permet d'en déduire après coup des paramètres utilisables pour améliorer l'imagerie en profondeur. La recherche s'est renouvelée dans ce domaine du fait de l'impulsion récente donnée par l'imagerie sismique passive à partir du bruit sismique ambiant ou la mise en place de nouvelles géométries d'acquisition. En parallèle, l'étude des champs pétroliers existants pour une meilleure exploitation tend à se développer dans l'industrie. La maîtrise de l'imagerie 4D (3 dimensions d'espace + le temps, appliqués à la surveillance de réservoir) devient dès lors une activité clé pour la recherche dans laquelle les variations des paramètres du sous-sol sont estimées. Le travail de thèse réalisé est issu des constatations suivantes : - En dépit de travaux très riches, les ondes de surface représentent encore un sujet d'investigation important en exploration géophysique. - Les expérimentations à l'échelle du laboratoire restent relativement peu usitées en géophysiques, en particuliers pour des études impliquant un grand nombre de points de mesure. La première partie de la thèse a permis de valider un environnement de laboratoire adapté à l'étude des ondes de surfaces, en particulier la mise en évidence d'un mélange « ondes de surface – ondes de volume » analogue à celui rencontré lors d' acquisitions terrestres. Ceci a pu être réalisé grâce à des gels d'Agar-agar de forte densité et la mise en place d'une chaine d'acquisition automatisée impliquant des réseaux de sources et de récepteurs denses. Une deuxième partie a permis de séparer les ondes de surface et les ondes de volume à l'aide de traitement d'antennes. Après séparation des ondes, il devient possible de suivre leurs variations de temps d'arrivées en présence de modification du milieu en surface et/ou en profondeur comme dans le cas d'une surveillance de réservoir en sismique pétrolière (4D). Une étude 4D complète a donc été réalisée, permettant de suivre non seulement les variations de temps d'arrivées mais également d'amplitude et de directions de départ et d'arrivées des ondes. Une méthode pour compenser les variations de vitesses parasites de la proche surface à été développée. Cette étude a été complétée par une étude issue de données terrains. Les profils de vitesse rencontrés sur le terrain font état de vitesses relativement faibles en surface. La conséquence en est que les différentes ondes de volume issues de la profondeur arrivent avec des angles d'incidences faibles et voisins les uns des autres. Les méthodes classiques de séparation d'ondes étant souvent inefficaces à ces angles, un chapitre a été consacré à l'étude des algorithmes de haute résolution dans le cadre de l'exploration sismique. Enfin, en tirant partie de la haute densité spatiale de points d'acquisitions rendue possible par l'environnement mise en place, une étude comparée de deux dispositifs - l'un théoriquement idéal mais peu réaliste et l'autre économiquement viable sur le terrain mais moins efficace - a permis de s'attaquer au problème des ondes réfléchies sur des diffractants en surface qui perturbent beaucoup les acquisitions actuelles. Une nouvelle solution de filtrage a été proposée pour le deuxième cas.

Near surface imaging is essential for geotechnics purpose. Characterization and identification of the first layers - between 0 and 10m - of the ground is necessary for many applications of national and regional development. Classical methods of imagery arouse a great interest as they are easy to use. In general, these numerical tools used in civil engineering have been first developped by seismic petroleum companies. The issue we are tackling comes to identifying the geometry of the foundations of very high voltage electric pylons using seismic imagery methods for french electricity transport and network. In particular, we assess the performances of the full waveform inversion and the reverse time migration. First, we explain the principle of these methods and then we implement them with a tool based on 2D modelisation which involves a reasonable computing time, contrary to 3D inversion carried out with today's means. Next, we show imagery results on synthetic and real data. Concerning, synthetic data, inversion makes it possible to identify the dimensions of the foundation as long as the velocity ratio between the foundation and the bedrock does not exceed 3. As to migration, it has good results with even much higher contrasts. Concerning real data, these two methods don't succeed in identifying the geometry of the foundation ; we inverted 3D synthetical data with our tool and show that the 3D property of data is prohibitive to 2D-inversion of real data with such an important 3D signature as the one we get on the foundation data., L'imagerie de la proche surface est essentielle en géotechnique car la caractérisation et l'identification des premiers mètres du sol interviennent dans de nombreuses applications de l'aménagement du territoire. Les méthodes classiques d'imagerie sismique sont appréciées car elles sont simples de mise en oeuvre et d'interprétation. Utilisés en génie civil, ces outils ont généralement été développés initialement en prospection pétrolière. La problématique que nous abordons dans ce travail intéresse réseau de transport d'électricité (RTE) ; il s'agit d'identifier la géométrie des fondations de pylônes électriques très haute tension en utilisant des méthodes d'imagerie sismique qui ont fait leurs preuves dans le contexte de la géophysique de gisement. En particulier, nous évaluons les performances de l'inversion de la forme d'onde (FWI) et de la migration par retournement temporel. Nous présentons le principe de ces méthodes que nous mettons ensuite en oeuvre avec un outil basé sur une modélisation de la propagation d'ondes en milieu élastique 2D ; dans ce cadre, le temps de calcul de l'inversion est aujourd'hui raisonnable, ce qui est loin d'être le cas lorsqu'on considère un milieu élastique 3D. Ensuite, nous présentons les résultats d'imagerie sur données synthétiques puis réelles. Concernant les données synthétiques 2D, l'inversion permet d'identifier les dimensions de la fondation à condition que le rapport de vitesse entre la fondation et l'encaissant ne dépasse pas 3. La migration permet quant à elle d'imager de façon satisfaisante des contrastes beaucoup plus élevés. Sur données réelles, les tests que nous avons faits ne permettent pas d'identifier la géométrie de la fondation avec ces méthodes ; en réalisant l'inversion de données synthétiques 3D avec notre outil 2D, nous montrons que le caractère 3D des données est un obstacle important à l'utilisation de notre outil sur des données réelles contenant une forte signature 3D de la structure à imager.

Les microscopies en champ proche, ont fait la preuve à la fin des années 80 et au débutdes années 90 qu’elles étaient, plus que des techniques d’imagerie des surfaces, de vraisinstruments de mesures physiques. Elles sont naturellement devenues des outils privilégiésde mesure et de manipulation de la matière à l’échelle du nanomètre.Au sein de notre laboratoire, quelques “pionniers” du champ proche en France ont tou-jours eu cette vision de ces instruments, et ont su la communiquer à la génération dont jefais partie.C’est ainsi que sous l’impulsion du Pr Frank Salvan (directeur du GPEC à cette époque),nous avons commencé à nous intéresser à la question de l’observation d’un objet unique :– comment la réaliser expériementalement à température ambiante ?– quelles sont les propriétés de cet objet en comparaison d’une assemblée des mêmesobjets ?Telles sont les questions sur lesquelles j’ai travaillé au cours de ces dix années. Durantcette période, j’ai eu l’heur de participer à l’encadrement de trois thèses de doctorat sur cessujets, sous la direction bienveillante de Philippe Dumas., Since the late eighties, Scanning probe microscopies have proven to be, more than a surface imaging tool, real physical instruments. They have became a tool of choice for the study and manipulation of the matter at the nanometric scale.Within our lab, some pionneers always had this vision of the tool, and communicated it to young scientists, including myself.At that time we started to study nanometric individual objects :-how to realize such an observation at room temperature ?-what are the properties of this individual object, to be compared to an assembly ?I worked on these questions and directed 3 PhD thesis during the last ten years

This document presents a report on research work carried out in the frame work of a large program entitled « Geophysical detection of underground cavities ». The principal objective is to develop tools and procedures to enhance the performance and the resolution of the geophysical imaging. The step that consists in developing technical tools and to improve scientific knowledge in the field of underground sounding applied to the cavities detection and diagnostic is upstream process of risk management. To achieve these goals, the program was elaborated on the basis of partnership research implying scientists and industrial able to associate knowledge, experience, the know-how and the expertise. A large aspect of the work carried out concerns the design and development of acquisition tools to increase the performance of the high-resolution seismic reflection, in particular, to optimise the resolution of the sub-surface imaging. Vibratory sources in P and S waves, a procedure of generation and optimisation of Sweep were developed and validated. Powerful and operational seismic acquisition package is, from now on, available for underground auscultation applied to cavities detection. In addition to SHR (Seismic High Resolution), the geophysical techniques based on the microgravity and electrical resistance measurements were investigated in salt context of Lorraine region (East France) and the marl-pits of Haute-Normandie (North France). It arises from the experiments on pilot sites a satisfactory detection of cavities in the studied contexts thanks to the new developments of HRS acquisition System. In addition, the investigation of the three selected geophysical techniques raised the interest of joint measurements of the high-resolution seismic and the microgravity in particular in the context of the marl-pits. The following report presents the works on the SHR developments, the evidential results of the field experiments carried out in the salt basin of Lorraine and marl-pits of Haute-Normandie as well as an experience feedback of the undertaken research.; Les recherches scientifiques portant sur les techniques géophysiques visant à détecter, localiser et caractériser les cavités souterraines situées à des profondeurs comprises entre une dizaine de mètres et quelques centaines de mètres (~ 300 m) demeurent plus que jamais d’actualité. En effet, pour cette gamme de profondeur, la plupart de ces techniques présentent des limites de résolution et demandent à être adaptées au domaine d’application visé, à savoir la délinéation et la caractérisation des ouvrages souterrains abandonnés et leur recouvrement. En outre, des compromis entre la résolution de l’imagerie géophysique et les profondeurs d’investigation et de détection doivent être judicieusement établis selon la technique choisie et la cible recherchée. Par ailleurs, les techniques les plus utilisées pour la détection des cavités, telles que la microgravimétrie, la sismique et la résistivité électrique rencontrent souvent des limitations liées à l’environnement des mesures, en particulier dans les secteurs urbains où l’activité humaine et les conditions de couplage avec le sol diminuent l’efficacité de ces techniques (faible rapport signal/bruit). Néanmoins, certaines de ces techniques se révèlent prometteuses à condition d’en développer et d’en affiner les outils d’investigation et d’interprétation mis en œuvre aujourd’hui. Focalisé sur cet objectif, ce programme de recherche a consisté à élaborer des outils d’acquisition et de traitement permettant d’augmenter l’efficience et la résolution de l’imagerie de la technique Sismique Haute Résolution (SHR). Des mesures in situ, basées sur trois techniques (microgravimétrie, SHR et résistivité électrique), ont été réalisées afin d’expérimenter ces outils et d’en comparer les performances dans deux contextes distincts (marnières, cavités de dissolution dans le sel).