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International audience; Cet article présente la discrétisation et la mise en oeuvre d'une méthode de reconstruction 3D à partir de projections coniques . Le théorème de la rétroprojection, établi dans un travail précédent, est la base théorique de la méthode. Il permet de ramener le problème de reconstruction à un problème de déconvolution 3D. L'algorithme proposé comporte essentiellement deux étapes, consistant tout d'abord à calculer une rétroprojection corrigée des projections coniques, puis à déconvoluer le résultat obtenu. Cet algorithme a été implanté sur le CYBER 205 de Control Data après avoir été complètement vectorisé . Un exemple simple de simulation et différents critères d'écarts sont proposés pour l'évaluer . Les premières simulations montrent que les résultats obtenus sont très satisfaisants si les sources sont réparties dans l'espace tout autour de l'objet (géométie 4 7t) . De plus, même dans des conditions d'acquisition assez défavorables, l'algorithme semble donner une première approximation de l'objet qui peut être suffisante pour étudier son aspect morphologique .

In der Werkstoffpruefung gehoert die hochaufloesende Durchstrahlung mit Mikrofokusroentgenanlagen zum Stand der Technik. Da flaechige Fehler in der Durchstrahlungspruefung aber nur dann erkannt werden, wenn sie sich in Durchstrahlungsrichtung erstrecken, soll in diesem Projekt ein hochaufloesendes roentgencomputertomographisches System zur Rekonstruktion von Fehlstellen mit einer Mikrofokusanlage als Quelle entwickelt werden. Der vorliegende Bericht beschreibt die I. Phase des Projektes, in der erste Querschnittsrekonstruktionen von Proben mit dem im IzfP vorhandenen System durchgefuehrt wurden. Das System besteht aus einer Mikrofokusanlage, einem rechnergesteuerten Drehtisch, einem Bildverstaerker, einer Videokamera, einem Compulog-Bildverarbeitungssystem mit angeschlossenem Rechner PDP 11/34 zur Aufnahme der Projektionen und Wiedergabe der rekonstruierten Querschnitte. Die Rekonstruktion erfolgt off-line auf der Vax 11/785. (IZFP)

La modélisation expérimentale permettant une observation facile en 3 dimensions apparaît comme étant l'outil idéal pouvant arder à la compréhension de la genèse, du fonctionnement et de la géométrie des zones décrochantes sur le terrain. L'application à la modélisation expérimentale de la tomographie aux Rayons X a permis de mettre en évidence que dans une couverture sédimentaire purement fragile les failles s'initialisent sur la faille de socle et se propagent vers le sommet. A l'opposé, en présence d'un niveau ductile, les failles s'initialisent à la surface de la pile sédimentaire et se propagent vers la base. Dans une étude sur le décrochement oblique, différentes co nfigurations i) de faille de socle (normale, verticale ou inverse), ii) de déplacement imposé sur le plan de faille et iii) composition rhéologique (couverture purement fragile ou fragileductile) ont été tèstées. Une étude sur la réactivation en contexte décrochant a ég alement été envisagée. Dans un premier stade de déformation, un champ de failles est créé au dessus d'une faille de socle inverse, verticale ou normale, pour différentes rhéologies. Puis ces champs de failles sont déformés en contexte purement décrochant. Les failles sont communément réactivées en profondeur. En surface, la réactivation est moins évidente, mais les structures antérieures controlent la localisation et la géométrie des décrochements. L'analyse des zones décrochantes compressives est ensuite abordée. Le travail de modélisation met en évidence la séparation des déplacemen familles de failles dans des systèmes fragile-ductiles. Une étude de terra été réalisée en Colombie, mettant en évidence le jeu décrochant et décrochevauchant d'une faille active (la faille de Bucaramanga). Enfin la formation et le fonctionnement simultanés de plis et de failles au dessùs d'un décrochement de socle sont envisagés, à la fois sur des exemples naturels dans le domaine Sud-Caraïbes, et par une approche expérimentale., No abstract

Les récentes applications des théories de l'inversion à la physique du Globe ont été adaptées à l'échelle du Génie-Civil. Des mesures de durées de propagation entre puits permettent d'obtenir la répartition des vitesses sismiques dans le plan contenant les deux forages. Le problème de l'inversion en facteur de quaiité peut se poser dans les mêmes termes que ceux de l'inversion en vitesse. Des mesures d'amplitude~ permettent d'obtenir la répartition des facteurs de qualité. La mise au point des programmes d'inversion a nécessité une élaboration préalable de programmes de simulation. Les données synthétiques obtenues ont permis de juger de l'influence des divers paramètres sur les résultats des inversions ainsi que de tester les critères de contrôle des résultats. Par la suite, un matériel spécifique a été mis au point afin d'obtenir des données réelles. Les géométries des premières Images calculées, en vitesse et en facteur de qualité sont identiques. Ceci apporte une crédibilité importante aux résultats de l'inversion en facteur de qualité. L'application particulière décrite ici est le contrôle des injections. Des mesures identiques avant et après injection ont permis de déterminer clairement les conséquences diverses de l'injection dans les sous-sols étudiés., pas de résumé

In this thesis work, we extend digital holographic microscopy (DHM) capabilities and applications range by using from two to twenty different wavelength laser sources, either simultaneously or sequentially. As an overview, we present methods to increase the measurement range to more than three decades, from demonstrated sub-nanometer precision to several micro-meters, as well as an approach to access difficult high-roughness surface measurement with DHM. Finally a technique achieving multiple-wavelength volume tomography of cells, is exposed and backed by promising preliminary results on red blood cells (RBC). Indeed, a classical limitation of single-wavelength DHM is the restricted measurement range due to the so-called phase ambiguity for sample optical height above one multiple of the wavelength. Although software unwrapping algorithms can solve this issue up to a certain extend, they are sensitive to noise or roughness, time-consuming and cannot cope with high aspect-ratio structures. The presented solution relies on the well-known dual-wavelength optical unwrapping thanks to a generated micron-range beat-wavelength, but with a major real-time advantage by being able to acquire the two-wavelength information simultaneously in one single hologram acquisition, thus maintaining the DHM high-speed and robustness unique features. It is demonstrated that not only this single-shot measurement range extension does not compromise or degrade the nanometer-range axial resolution under reasonable noise and beat-wavelength magnitudes, but that true experimentally-demonstrated sub-nanometer accuracy can be achieved with the proposed configuration at the same time, achieving a DHM investigation range of more than three decades. v In addition to this, the problematic of rough samples investigation by DHM is addressed in this work, as the strong scattering, also known as speckle phenomenon, remains an obstacle for DHM even when working in a two-wavelength mode. A new auto-correlation dual-wavelength hologram reconstruction process is introduced, enabling to successfully measure in two dimensions metallic roughness surfaces with arithmetic rugosity of up to 1.6 µm. Despite losing the digital propagation DHM feature, as well as sensibly reducing the data quantity, the method is able to discard scattering contributions and permits to recover a correct two-dimensional phase map of the surface where previous phase-adjustment reconstruction algorithms would fail. The technique is assessed on a roughness test-target with different types of manufacturing machining processes. Finally, the last part of this work concerns multiple-wavelength DHM tomography in order to achieve a slice-by-slice volume reconstruction of a fixed biological specimen. As will be shown, superposition of about twenty DHM-reconstructed complex wavefronts at different wavelengths in the 485-670 nm range enables true tomography with a sub-micrometer resolution in the axial direction, realizing a slicing effect similar to confocal microscopy but with instantaneous full-field acquisitions. Although the basic principles of this approach are already established, we are presenting major improvements not only enhancing the image reconstruction quality, but more importantly permitting to adapt the method to single-cell investigation. Actually, we propose, for the first time to the extend of our knowledge, a configuration enabling direct on-cell DHM reflection phase measurement, noticeably detecting the ultra-low signal reflected by a cellular membrane. By this means, we present results obtained on fixed erythrocyte cells with enough precision to retrieve the membrane position in the three-dimensional space.

The present thesis develops some specific aspects of digital holographic microscopy (DHM), namely the effect of shot noise on the phase image accuracy, the use of DHM in micro-tomography and in aberrations evaluation of a microscope objective (MO). DHM is an imaging technique, allowing to measure quantitatively the wavefront transmitted through or reflected by a specimen seen through a MO. A hologram, composed by the interference of the wave coming from the object with a reference wave, is recorded with a camera and then numerically processed to extract both amplitude and phase information. Thanks to its interferometric nature, DHM provides phase images, corresponding to a nanometric accuracy along the optical axis of the microscope, revealing extremely detailed information about the specimen surface in reflection configuration or its internal structure in transmission configuration. DHM has proven its efficiency on numerous applications fields going from cells biology to MEMS-MOEMS devices. In a first part, the use of DHM as metrological tools in the field of micro-optics testing is demonstrated. DHM measurement principle is compared with techniques employed in Twyman-Green, Mach-Zehnder, and white-light interferometers. Refractive microlenses are characterized with reflection DHM and the data are confronted with data obtained with standard interferometers. Specific features of DHM such as digital focussing, measurement of shape differences with respect to a perfect model, surface roughness measurements, and evaluation of a lens optical performance are discussed. The capability to image nonspherical lenses without modification of the optical setup, a key advantage of DHM against conventional interferometers, is demonstrated on a cylindrical mircrolens and a square lenses array. A second part treats the effect of shot noise in DHM. DHM is a single shot imaging technique, and its short hologram acquisition time (down to microseconds) offers a reduced sensitivity to vibrations. Real time observation is achievable, thanks to present performances of personal computers and digital camera. Fast dynamic imaging at low-light level involves few photons, requiring proper settings of the system (integration time and gain of the camera; power of the light source) to minimize the influence of shot noise on the hologram when the highest phase accuracy is aimed. With simulated and experimental data, a systematic analysis of the fundamental shot noise influence on phase accuracy in DHM is presented. Different configurations of the reference wave and the object wave intensities are also discussed, illustrating the detection limit and the coherent amplification of the object wave. In a third part, DHM has for the first time been applied to perform optical diffraction tomography of biological specimens: a pollen grain and living amoebas. Quantitative 2D phase images are acquired for regularly-spaced angular positions of the specimen covering a total angle of π, allowing to build 3D quantitative refractive index distributions by an inverse Radon transform. A precision of 0.01 for the refractive index estimation and a spatial resolution in the micron range are shown. For the amoebas, morphometric measurements are extracted from the tomographic reconstructions. The fourth part presents a DHM technique to determine the integral refractive index and morphology of cells. As the refractive index is a function of the cell dry mass, depending on the intra-cellular concentration and the organelles arrangement, the optical phase shift induced by the specimen on the transmitted wave can be regarded as a powerful endogenous contrast agent. The dual-wavelengths technique proposed in this thesis exploits the dispersion of the perfusion medium to obtain a set of equations, allowing decoupling the contributions of the refractive index and the cellular thickness to the total phase signal. The two wavelengths are chosen in the vicinity of the absorption peak of a dye added to the perfusion medium, where the absorption is accompanied by a strong variation of the refractive index as a function of the wavelength. The technique is demonstrated on yeasts. The last part exposes two methods capable of measuring the complex 3D amplitude point spread function (APSF) of an optical imaging system. The first approach consists in evaluating in amplitude and phase the image of a single emitting point, a 60 nm diameter tip of a Scanning Near Field Optical Microscopy (SNOM) fiber, with an original digital holographic setup. A single hologram giving access to the transverse APSF, the 3D APSF is obtained by performing an axial scan of the SNOM fiber. The method is demonstrated on an 20x 0.4 NA MO. For a 100x 1.3 NA MO, measurements performed with the new setup are compared with the prediction of an analytical aberrations model. The second method allows measuring the APSF of a MO with a single holographic acquisition of its pupil wavefront. The aberration function is extracted from this pupil measurement and then inserted in a scalar model of diffraction allowing to calculate the distribution of the complex wavefront propagated around the focal point. The results are compared with a direct measurement of the APSF achieved with the first proposed approach.

Crée le 16/01/2006modifié le 30/01/2006 (pb typo); The water vapour plays a unique role in the climate and the meteorology of the earth. It is a key variable to understand the convection and the intense precipitations. Now the quantitative precipitation forecast does not improve since about twenty years partly because the measure of the water vapour variability is a lack of the current observing systems. The accuracy of integrated water vapour GPS measurements has been shown since about ten years. The GPS tomography allows nowadays to retrieve the 3D field of water vapour. This dissertation presents the theory (least square method and Kalman filtering), the validation and the applications of the GPS tropospheric tomography software LOFTT_K developed during this thesis. The tomography has been validated with simulations, meteorological modelling and independent measurements. The tomography has been then used to understand the small scale interactions between the local (the breezes) and mesoscale (the mistral) dynamics. The meteorological GPS has also allowed to characterize the humidity variations during rain events in the Cévennes (South France). Finally the GPS tomography at mesoscale has shown a mechanism of humidity « loading » of the atmosphere before a convection initiation case.; La vapeur d'eau joue un rôle majeur dans le fonctionnement climatique et météorologique de la Terre. C'est notamment une variable clé pour comprendre les phénomènes de convection à l'origine des précipitations intenses. Or les prévisions quantitatives des pluies ne s'améliorent pas depuis 20 ans parce que - entre autres - la mesure de la variabilité de la vapeur d'eau est une lacune des systèmes d'observations. La précision de la mesure du contenu intégrée en vapeur d'eau par le système GPS est démontrée depuis une dizaine d'années. La tomographie GPS permet aujourd'hui de restituer le champ 3D de vapeur d'eau. Ce mémoire présente la théorie (méthodes des moindres carrés et filtre de Kalman), la validation et les applications du logiciel LOFTT_K de tomographie troposphérique GPS développé pendant cette thèse. La tomographie a été validée grâce à des simulations, des modèles météorologiques et des mesures indépendantes. Elle a ensuite été utilisée pour comprendre les interactions petites échelles entre les dynamiques locales (les brises) et de mésoéchelle (le mistral). Le GPS météorologique a permis aussi de caractériser les variations d'humidité pendant les pluies cévenoles. Enfin la tomographie GPS régionale a mis en évidence un mécanisme de chargement en humidité de l'atmosphère avant l'initiation de la convection.A l'avenir, les données GPS seront assimilées dans les modèles opérationnels de prévision météorologique. Elles doivent aussi servir à approfondir la connaissance des relations entre les précipitations, la convection et la dynamique de la vapeur d'eau.

The aim of this work is to demonstrate the potential and capabilities of terahertz technology for parcels screening and inspection to detect threats such as weapons and explosives, without the need to open the parcel.In this study, we first present terahertz time-domain spectroscopy and spectral imaging for explosives detection. Two types of explosives as well as their binary mixture is analyzed. Due to the complexity of extracting information when facing such mixtures of samples, three chemometric tools are used: principal component analysis (PCA), partial least square analysis (PLS) and partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA). The analyses are applied to terahertz spectral data and to spectral-images in order to: (i) describe a set of unknown data and identify similarities between samples by PCA; (ii) create a classification model and predict the belonging of unknown samples to each of the classes, by PLS-DA; (iii) create a model able to quantify and predict the explosive concentrations in a pure state or in mixtures, by PLS.The second part of this work focuses on millimeter wave imaging for weapon detection in parcels. Three different imaging techniques are studied: passive imaging, continuous wave (CW) active imaging and frequency modulated continuous wave (FMCW) active imaging. The performances, the advantages and the limitations of each of the three techniques, for parcel inspection, are exhibited. Moreover, computed tomography is applied to each of the three techniques to visualize data in 3D and inspect parcels in volume. Thus, a special tomography algorithm is developed by taking in consideration the Gaussian propagation of the wave.; Le but de ce travail est de quantifier le potentiel et les capacités de la technologie térahertz à contrôler des colis afin de détecter les menaces telles que les armes et les explosifs, sans avoir besoin d'ouvrir le colis.Dans cette étude, nous présentons la spectroscopie térahertz résolue en temps et l'imagerie multi-spectrale pour la détection des explosifs. Deux types d’explosifs, ainsi que leurs mélanges binaires sont analysés. En raison de la complexité de l'extraction des informations face à tels échantillons, trois outils de chimiométrie sont utilisés: l’analyse en composantes principales (ACP), l'analyse des moindres carrés partiels (PLS) et l'analyse des moindres carrés partiels discriminante (PLS-DA). Les méthodes sont appliquées sur des données spectrales térahertz et sur des images spectrales pour : (i) décrire un ensemble de données inconnues et identifier des similitudes entre les échantillons par l'ACP ; (ii) créer des classes, ensuite classer les échantillons inconnus par PLS-DA ; (iii) créer un modèle capable de prédire les concentrations d’un explosif, à l'état pur ou dans des mélanges, par PLS.Dans la deuxième partie de ce travail, nous présentons l'imagerie par les ondes millimétriques pour la détection d'armes dans les colis. Trois techniques d'imagerie différentes sont étudiées : l'imagerie passive, l’imagerie active par des ondes continues (CW) et l’imagerie active par modulation de fréquence (FMCW). Les performances, les avantages et les limitations de chacune de ces techniques, pour l’inspection de colis, sont présentés. En outre, la technique de reconstruction tomographique est appliquée à chacune de ces trois techniques, pour visualiser en 3D et inspecter les colis en volume. Dans cet ordre, un algorithme de tomographie spécial est développé en prenant en considération la propagation gaussienne de l'onde.

National audience; En tomographie, les méthodes de reconstruction itératives nécessitent une modélisation discrète du processus d'obtention des mesures. La représentation de l'objet d'intérêt est le point de départ à l'élaboration d'un modèle de projection tomographique sur le détecteur, précis et rapide. Les modèles conventionnels ray driven et distance driven, construits à partir d'indicatrices de voxels, ont l'inconvénient d'être fortement anisotropes. Nous proposons un modèle utilisant des fonctions de bases B-splines de degré adéquat, nous fournissant un projecteur quasiment isotrope. Une approximation de la projection par une B-spline séparable sur le détecteur conduit à un modèle efficace en géométrie parallèle et conique, de qualité supérieure aux modèles conventionnels. Nous montrons notamment que l'erreur de modélisation est améliorée d'un facteur 10 par rapport au modèle distance driven. Nous illustrons l'amélioration de la qualité de reconstruction apportée par notre modèle sur des simulations du fantôme de Shepp-Logan, en utilisant une méthode itérative de reconstruction régularisée.

National audience; La tomographie dynamique est la reconstruction, à partir de projections, d'objets induits d'un mouvement, le plus souvent périodique (e.g. le cycle respiratoire chez un patient). Le problème de reconstruction devient alors 4-D (3-D spatiale + temps), à données parcimonieuses puisqu'une projection ne correspondra qu'à un instant spécifique de la séquence 4-D d'un cycle (ou période). Nous traitons la reconstruction dynamique comme un problème inverse global avec un terme d'attache aux données utilisant la totalité des projections. Les paramètres estimés sont l'image 4-D d'un cycle dynamique de l'objet. Le modèle de reprojection est calé temporellement sur le cycle d'acquisition des projections grâce à un signal temporel 1-D décrivant l'évolution dynamique de l'objet, et sa périodicité. Une étape d'interpolation temporelle de la séquence 4-D sur les dates d'acquisition précède alors la projection standard à un instant donné. Nous injectons également une régularisation spatio-temporelle de l'objet sous forme d'une variation totale 4-D. La régularisation apporte alors la corrélation temporelle entre les différentes tranches reconstruites, et permet ainsi d'extraire au mieux l'information fournie par les données, sans aucune estimation ni compensation de mouvement. Nous faisons la démonstration de notre approche sur des reconstructions 2-D+t d'un fantôme mécanique acquises sur un scanner Cone-Beam. La régularisation spatio-temporelle apporte un gain sans équivoque sur la qualité des reconstructions dynamiques. Des premiers résultats 4-D (3-D+t) encourageants sont obtenus sur données cliniques d'un patient en respiration.

This thesis is dedicated towards the creation of a new direction-sensitive tool for muon flux measurement based on a thin time projection chamber with a Micromegas readout, to achieve a compact detector with an angular resolution compatible with civil engineering and geophysics imagery and monitoring applications. The main motivation is to develop a detector capable to fill the technological gap for applications with compactness and transportability constraints. The dissertation provides a review of the different existing muon detection technologies and their diverse fields of application. Two muon imaging techniques are introduced: transmission and scattering muography. Transmission muography, more suitable for big targets, is based on the attenuation of the natural-occurring cosmic-muon flux due to the opacity of the material they traverse. This non-destructive, passive technique provides original information that can be used for imaging purposes. The work covers the methodology used towards the characterization of the incidental muon flux both on the surface and in underground conditions. A detailed description of the physical processes triggered by the passage of a muon through the detector is provided. Results of the simulations of the signal formation processes are presented and discussed to justify the design choices of the key components so as to meet performance requirements in term of temporal, spatial and angular resolution. The influence of operational or external parameters such as the gain, temperature or presence of contaminants is covered as well. The thesis describes in detail the principal phases of design and assembly of the MUST2 detector, including: (i) the design of the Micromegas readout layout, (ii) the choice of gas, (iii) the conception of an electric field homogenizer, (iv) the choice of the electronics instrumentation and its trigger signal, and (v) the creation of an auxiliary system to manage the gas. The versatility of MUST2 has been proved with the successful use of different trigger options and electronics. The data is acquired by means of software developed for the CERN’s Scalable Readout System electronics and subsequently analyzed with a muon trajectory reconstruction algorithm, which retrieves the: time of passage, 2D position, zenith and azimuth angles of the muons traversing the detector. The characteristics, performance and limitations of the data acquisition chain are presented and evaluated, a series of guidelines towards the improvement of its efficiency of are provided. A series of characterization tests has been carried out in different environments: controlled muon beam, open sky, at the bottom of a valley and in underground conditions. These tests have enabled a better understanding of the performance of the detector and allowed to tune up its operational parameters. Despite the weak statistics of the test runs, the measured muon flux has shown a good correlation with the surrounding target volumes. A campaign of measurements in real field conditions has been carried out at the Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse, France) dam. The experimental results obtained are in consonance with the values anticipated by the digital model, the field transportability and the capability to perform long-term out-of-lab measurements have been demonstrated. On the downside, the impact of the external temperature on the data acquisition should be balanced out to get a steady acquisition and monitor the temporal evolution of the muon flux. In conclusion, the successful proof-of-concept trial allows to validate the MUST2 camera for transmission muography purposes.; Cette thèse est dédiée à la création d'un nouvel outil pour la mesure directionnelle du flux muonique basé sur une chambre de projection temporelle fine avec un plan de lecture Micromegas, afin d’obtenir un détecteur compact avec une résolution angulaire compatible avec les applications d’imagerie ou de monitoring en génie civil et géophysique. La principale motivation est de développer un détecteur capable de combler le vide technologique pour les applications ayant des contraintes d’encombrement et de transportabilité. Cette thèse fournit une revue des différentes technologies de détection de muons existantes et de leurs divers domaines d’application. Deux techniques de mesure de muons sont présentées : la muographie par transmission ou par diffusion. La muographie par transmission, mieux adaptée aux grandes cibles, est basée sur l'atténuation du flux naturel de muons cosmiques due à l'opacité des matériaux traversés. Cette technique passive et non-destructive fournit des informations originales qui pourront être intégrées dans une démarche d’imagerie. Le manuscrit présente la méthodologie utilisée pour la caractérisation du flux incident de muons à la fois en surface et dans des conditions souterraines. Une description détaillée des processus physiques déclenchés par le passage d'un muon à travers le détecteur est fournie. Les résultats des simulations des processus de formation du signal sont présentés et commentés pour justifier les choix du design des composants clés afin de répondre aux exigences de performance quant à résolutions temporelle, spatiale et angulaire. L'influence des paramètres opérationnels ou externes tels que le gain, la température ou la présence de contaminants est également traitée. La thèse étudie en détail les principales phases de conception et d'assemblage du détecteur MUST2, incluant (i) le design du plan de lecture Micromegas, (ii) le choix du gaz, (iii) le design d'un élément homogénéisateur de champ électrique (iv) le choix de l'instrumentation électronique et du signal de déclenchement associé au passage du muon, et (v) la création d'un système auxiliaire de gestion du gaz. La polyvalence du détecteur MUST2 a été prouvée avec l'utilisation réussie de différentes options de déclenchement et d’acquisition. Les données sont obtenues au travers d’un logiciel développé pour le système d’acquisition modulaire du CERN SRS, puis analysées avec un algorithme de reconstruction de la trajectoire, qui récupère le temps de passage, la position 2D, les angles zénith et azimut des muons qui traversent le détecteur. Les caractéristiques, les performances et les limites de la chaîne d'acquisition de données sont présentées et évaluées. Une série de directives visant à améliorer l’efficacité de la chaîne d'acquisition est proposée. Une série de tests de caractérisation a été effectuée dans différents environnements : faisceau contrôlé de muons, ciel ouvert, au fond d'une vallée et dans des conditions souterraines. Ces tests ont contribué à une meilleure compréhension des performances du détecteur et ont permis de régler ses paramètres opérationnels. Malgré les faibles statistiques des tests, les flux mesurés montrent une bonne corrélation avec les environnements ciblés. Une campagne de mesures en conditions réelles a été menée sur le barrage de Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse). Les résultats expérimentaux obtenus, sont conformes aux valeurs anticipées par le modèle numérique, la transportabilité sur le terrain et la capacité à effectuer des mesures hors laboratoire à long terme ont été démontrées. En revanche, l’impact de la température externe sur l’acquisition des données devra être compensée pour obtenir une acquisition stable permettant de surveiller l’évolution temporelle du flux de muons. En conclusion, les bons résultats obtenus lors de ces tests permettent de valider la caméra MUST2 à des fins de muographie en transmission.

En radiologie forensique, les projectiles provoquent des artéfacts sur les images de tomodensitométrie. Les deux principaux artéfacts qui nous intéressent pour cette étude sont l’artéfact métallique et l’artéfact de durcissement de faisceau. Ces derniers empêchent une lecture de clichés aisée dans la mesure où la visualisation du projectile ainsi que des tissus mous est parasitée. Ce travail vise à déterminer quels paramètres d’acquisition et de post-traitement d’image permettent d’optimiser la lecture de clichés. Il compare en particulier deux protocoles contenant des méthodes de reconstructions différentes, à savoir, la rétroprojection filtrée et l’algorithme itératif ASIR. Des images ont été acquises avec le scanner du centre universitaire romand de médecine légale à Lausanne (CURML). Le centre de physique et balistique forensique de l’institut de médecine légale de l’université de Berne nous a fournis quatre blocs de savon balistique contenant différents projectiles : l’Action 4, le Winchester 308, le GP11 et le GP90. Après différents traitements d’images, les clichés obtenus ont été évalués via un questionnaire par le personnel de médecine légale du CURML et un inspecteur de police. Les résultats ont montré que le protocole avec une méthode de reconstruction par rétroprojection filtrée favorise la visualisation des contours des différents projectiles ainsi que celle des tissus mous. L’échantillon était restreint, mais spécifique. Ainsi, bien que les résultats ne puissent pas être significatifs, nous pouvons donner une orientation plus précise quant aux paramètres techniques à utiliser pour optimiser la visualisation d’un projectile en médecine légale lors de cas réels.

Université de la Méditerranée - Aix-Marseille II; Cette étude est consacrée à la caractérisation d'objets enfouis dans des sédiments marins à partir du champ acoustique diffusé par ces objets. Nous nous proposons de classifier les cibles par imagerie acoustique en nous inspirant des techniques de tomographie ultrasonore. Ce travail s'inscrit dans le cadre de l'étude des problèmes inverses d'ondes, c'est à dire l'interrogation d'un milieu par une onde qui dans notre cas est une onde acoustique. La méthode d'inversion étudiée ici fait appel à une représentation intégrale de domaine du champ diffusé par la cible et à une linéarisation par l'intermédiaire de l'approximation de Born au premier ordre. Les équations ainsi obtenues sont ensuite discrétisées par une technique de collocation. La résolution du problème inverse se ramène alors à l'inversion d'un système linéaire, en général non carré et mal conditionné. Une solution stable a été obtenue à l'aide d'une décomposition en valeurs singulières associée à une régularisation de Tikhonov. Les performances de l'algorithme d'inversion ont d'abord été testées sur les données numériques. Une étude expérimentale a également été menée au laboratoire avec des cibles en silicone. Ces objets ont d'abord été plongés dans l'eau afin de comparer les reconstructions obtenues avec des images tomographiques classiques. Les cibles ont ensuite été enfouies dans du sédiment réel (sable). Nous avons ainsi pu obtenir des reconstructions satisfaisantes (forme et dimensions) à partir de données réelles, pour un objet enfoui.

Soot and its characterization are of interest to researchers from various domains such as combustion diagnostics, numerical combustion, atmospheric optics, environmental and health applications. In this study, the main interest is on the radiative properties of soot aggregates issued directly from combustion flames in order to determine the effect of the presence of soot on the radiative heat transfer in the simulation of high temperature industrial applications involving gas combustion. Current studies modeling the radiative heat transfer through sooty gaseous media consider only the absorption as the main phenomenon of material-radiation interaction. Generalized correlations are used to determine the radiative properties of soot: these radiative properties are either computed over numerically generated aggregate morphologies or simply as a function of the soot average size, the fractal dimension and the volume fraction. However, the material-radiation interaction is susceptible to be more complex and morphology dependent at the aggregate level because of multiple scattering when the size of the object reaches the order of magnitude of the incident radiation wavelengths.In our work, we investigate the possibility to establish a computational methodology and workflow, starting from the definition of a realistic soot morphology up to the computation of the radiative heat transfer. To that end, observations of soot issued from propane/air, methane/air and methane/oxygen flames are performed using Scanning Electron Microscopy (SEM). SEM tomography is applied for the first time on soot issued from a propane/air flame, combined with Transmission Electron Microscopy (TEM) observations. 2D and 3D fractal analysis techniques are used to investigate the fractal properties of virtual (numerically generated) soot clusters and also of the tomography reconstructed objects. The radiative properties of soot are then computed using our in-house developed DDA (Discrete Dipole Approximation) code. Special attention is paid to the DDA modeling of soot because of the high complex extinction index of the material, and to the directional integration numerical methods because direction-averaged radiative properties are required for the subsequent radiative heat transfer simulations. The morphology and the radiative properties of the realistic morphology are compared to the ones of representative soot aggregates numerically generated by a DLCCA (Diffusion Limited Cluster-Cluster Aggregation) algorithm. The similarities and discrepancies on the radiative properties are investigated, and the differences between representative virtual aggregates on the one hand and the tomography reconstructed object on the other hand in terms of radiative properties are highlighted. Finally the effect of the presence and of the morphology of soot on the radiative heat transfer within a sooty gaseous mixture in a 1D isothermal parallel plate configuration is investigated by the resolution of the radiative transfer equation using DOM (Discrete Ordinates Method).; Les suies et leur caractérisation constituent des sujets de recherche très actuels dans divers domaines tels que le diagnostic de la combustion, la combustion numérique, l’optique atmosphérique, l'environnement et les applications de santé. Notre étude se concentre sur les propriétés radiatives des agrégats de suie issus de flammes de combustion ; notre objectif est de déterminer l’effet de la présence de suies sur le transfert de chaleur par rayonnement pour la simulation d'applications industrielles à haute température impliquant la combustion de gaz. Les études actuelles de modélisation du transfert de chaleur par rayonnement à travers les mélanges gazeux chargés de suies ne considèrent que l'absorption comme phénomène d'interaction rayonnement-matière. Des corrélations généralisées sont utilisées pour déterminer les propriétés radiatives des suies, soit sur la base de morphologies générées numériquement, soit plus simplement à partir de la taille moyenne des suies, de leur dimension fractale et de leur fraction volumique. Cependant, lorsque la taille de l'objet atteint l'ordre de grandeur des longueurs d'onde du rayonnement incident, l'interaction matière-rayonnement est susceptible d’être plus complexe du fait du phénomène de diffusion au niveau de l’agrégation qui ne peut plus être ignoré.Dans notre travail, nous établissons une méthodologie complète assortie d’une chaîne de calcul allant de la définition d'une morphologie de suie réaliste jusqu'au calcul du transfert de chaleur par rayonnement. À cette fin, des observations de suies émises par des flammes propane / air, méthane / air et méthane / oxygène sont effectuées par Microscopie Electronique à Balayage (MEB). La tomographie MEB est appliquée pour la première fois sur une suie issue d’une flamme propane / air, en combinaison avec la Microscopie Electronique en Transmission (MET) pour les observations. Des techniques d'analyse fractale 2D et 3D sont utilisées pour étudier les propriétés fractales d’agrégats de suie virtuels (générés numériquement) et de l'objet obtenu par la tomographie. Les propriétés radiatives des suies sont ensuite calculées en utilisant notre propre code d’Approximation Dipolaire Discrète (ADD – Discrete Dipole Approximation, ou DDA, en anglais). Une attention particulière est accordée à la modélisation ADD des suies en raison de l’indice optique complexe élevé de leur matériau constitutif, et aux méthodes numériques d’intégration directionnelle car les moyennes directionnelles des propriétés radiatives sont nécessaires pour les simulations ultérieures de transfert radiatif. La morphologie et les propriétés radiatives de l’agrégat de suie réaliste (tomographié) sont comparées à celles d'agrégats de suie numériques représentatifs, générés par un algorithme d’agrégation amas-amas limitée par la diffusion (Diffusion Limited Cluster-Cluster Aggregation, ou DLCCA, en anglais). Les compatibilités et les écarts entre les propriétés radiatives sont examinés, et les différences entre agrégats numériques représentatifs d’une part et agrégat réaliste d’autre part en termes de propriétés radiatives sont soulignées. Enfin, l'effet de la présence et de la morphologie des suies sur le transfert de chaleur par rayonnement est étudié par la résolution de l'équation du transfert radiatif en utilisant la méthode des ordonnées discrètes (Discrete Ordinates Method, ou DOM, en anglais) dans un mélange gazeux chargé de suies et dans une configuration académique 1D de plaques parallèles isothermes.

This thesis studies the phenomenon of jamming in granular media, such as when a salt shaker gets clogged. We use modern instrumentation, like X-ray synchrotron tomography, to look inside real jamming experiments. High performance computers allow simulating mathematical models of jamming, but we are also able to treat some of them just using paper and pencil. One main part of this thesis consists of an experimental validation of the distinct-element-method (DEM). In this model, grains are modeled separately, their trajectories obey Newton's laws of motion and a model of the contacts between grains is given. Real experiments of jamming of glass beads flowing out of a container were carried out. 3D snapshots of the interior of the media were taken using X-ray synchrotron tomography. These snapshots were computer processed using state of the art image analysis. It was found that 3D DEM is capable of predicting quite well the final positions of the grains of the real experiments. Indeed, in cases of instant jamming (jamming without a substantial previous flow of beads) the simulations agree well with the real experiments. However, in cases of non instant jamming, because of chaotic behavior of the model and the system, the results do not agree. Furthermore, a sensitivity analysis to grain location and size perturbations was carried out. In a second part, we describe results on 2D DEM simulations of jamming in a hopper. We focus on the jamming probability J, the average time T before jamming and the average number ψ of beads falling through the hole when jamming occurs. These quantities were related to global parameters such as the number of grains, the hole size, the friction coefficient, grain length or the angle of the hopper (in opposition to fine-scale parameters that are the positions and radii of the grains). In agreement with intuition, a monotonic behavior of J and ψ as a function of the number of grains, the hole size, the friction coefficient was found. However, surprising results were also found such as the non-monotonicity of the average number of beads falling through the hole when jamming occurs as a function of the grain length and the hopper angle. In the third part, we study simple probabilistic 2D models called SPM, in which non-interacting particles move with constant speed towards the center of a circular sector. Formulas giving the jamming probability or the average time before jamming when jamming occurs as a function of global parameters were found. SPM and 2D DEM were compared and a locally good correspondence between the global parameters of the two was established. SPM led us to study some combinatorial problems, in particular two bi-indexed recurrence sequences. One gives the number of ways of placing identical balls in fixed-size numbered urns and the other the number of subsets of a given ordered set without a certain number of consecutive elements. Several different ways of computing the sequences, each advantageous in certain cases, were found.

In the field of non-destructive testing of materials, computed tomography became a good way to check defects in industrial piece production. TomoAdour is a private compagny specialized in 3D digitization and x-ray computed tomography, it uses medical and industrial imaging techniques to analyze materials provided by his customers. However, tomographic analysis is difficult to achieve due to the presence of high density objects (such that metal) in most produced pieces, leading to the well-known metal artifacts in reconstructed data. In X-Ray tomography, metal artifact is characterized by a local and straight hyper-signal. This observed phenomenon is due to high attenuations of the rays in the high density materials. Many different approaches have been proposed for metal artifact reduction during the last decade. However, these methods have been developed for medical application and does not take into account physical limitations specific to industrial materials. Moreover, state-of-the-art approaches start their process from the original projection data, that is to say directly from the acquired data. In our context, only reconstructed image is available due to clinical scanner usage, and there is currently no metal artifact reduction method only based on these data. The goal of this work is first to propose a tool which permit identifying and measuring metal artifact in the reconstructed data in order to correct them. Then, our work take in interest in presenting methods developed for an industrial context[1; 2]., Dans le cadre du contrôle non destructif de matériaux, les scanners à rayons X sont devenus un moyen d’assurer la validité et la qualité de pièces de productions industrielles. TomoAdour, un prestataire de services privé en digitalisation 3D et tomographie industrielle à rayons X, utilise des technologies d’acquisition basées sur ce rayonnement telles qu’un scanner médical ou tomographe industriel, de manière à observer et à analyser des produits de ses clients. La nature des objets acquis (principalement de forte densité et de grandes dimensions) fait apparaître des défauts sur les images issues de ces scanners X. Il devient dès lors difficile, voire impossible, d’analyser les images produites. On notera en particulier la présence d’artefact métallique. Ce dernier est dû à la présence de matériaux très denses dans l’objet acquis et est la conséquence de la forte atténuation des rayons dans le métal et/ou de leur distorsion dans toutes les directions. Les données reconstruites sont donc souvent difficiles à interpréter directement, car ces artefacts peuvent masquer des informations importantes. De nombreuses méthodes ont été développées durant ces dernières années et la problématique de la réduction de l’artefact métallique a largement pu être étudiée, apportant bon nombre de solutions. Pourtant, les algorithmes proposés ne s’intéressent qu’aux applications médicales et ne tiennent donc pas compte des limitations physiques propres aux échantillons industriels. De plus, les méthodes proposées basent, toutes, leur traitement sur des données brutes, c’est-à-dire des données issues du scanner avant la phase de reconstruction (ensemble de radiographies ou de projections). Dans notre cas, seules les données reconstruites (tomogrammes, i.e. volume représentant l’objet) sont disponibles et il n’existe, à l’heure actuelle, aucune approche de réduction de l’artefact métallique basée sur ces reconstructions. Le but de ces travaux de recherche est donc de proposer, dans un premier temps, un outil permettant d’identifier et de quantifier l’artefact métallique dans les données reconstruites pour la correction de ces dernières. Dans un second temps, notre travail propose un ensemble d’approches adaptées à l’analyse de matériaux dans un contexte industriel [1; 2].

4 p.; National audience; Cette étude s'inscrit dans le cadre du programme de Recherche et Développement initié par le Plan Cavité et a pour objectif le développement et l'amélioration de méthodes géophysiques non destructives pour la détection, la caractérisation et la surveillance des cavités souterraines et des désordres associés. La méthode géophysique concernée par cette étude est la tomographie sismique 3D en ondes de surface. Pour mieux comprendre les réponses sismiques provenant de cavités différentes, un code de modélisation élastique 3D en différences finies est utilisé. La méthode de différences finies a été choisie pour sa capacité de prendre en compte des modèles 3D hétérogènes pour pouvoir introduire des configurations géologiques complexes notamment la présence d'une cavité et simuler correctement la propagation des ondes de surface. Les sismogrammes synthétiques ainsi générées ont été utilisées pour tester l'efficacité du code d'inversion tomographique 3D des ondes de surface. Les résultats de l'inversion des temps d'arrivées montrent que les anomalies de perturbations de vitesse sont relativement cohérentes avec la profondeur et la forme réelles des cavités des modèles synthétiques. Si ces méthodologies fonctionnent dans un cadre théorique idéalisé, tel un milieu homogène en l'absence de bruit de mesure, l'ajout de bruit haute fréquence dans les données dégrade fortement les inversions, rendant leurs résultats incertains. Dans ce cas le couplage avec d'autres méthodes géophysiques, serait particulièrement intéressant.

The aim of this work is to position terahertz imaging as a new tool dedicated to metrology and non-destructive testing. Its astonishing properties of both high penetration in dielectric materials and wavelength millimeter or even submillimetric make it a very exciting tool for applications such as non-destructive testing (NDT).First, we presented two imaging techniques: one to move the object, point by point, in a focused terahertz beam to reconstruct, pixel by pixel, a two-dimensional image. The other technique is based on the use of a lens and a matrix sensor in the state of the art operating at room temperature. Thus we have imaged objects of interest, without mechanical displacement. Although this last technique is much faster than point-by-point imaging, the quality of the images obtained is not comparable and this because of two drawbacks. Thus, part of the work consists in the study of lighting strategies to limit the interferential optical effects induced by the coherence of the source. In addition, by deploying simulations of the entire optical chain with Zemax software, numerous quality images make it possible to consider applications in 2D (metrology, NDT) and 3D imaging. Thus, two complementary tomographic reconstruction techniques are tested on images obtained in real time; a technique inspired by X-ray imaging and a technique used in 3D optical microscopy that exploits the reduced depth of field of the lens. Finally, several spectroscopic and metrological studies are carried out in order to evaluate the behavior of the materials and the dimension of the objects starting from their THz images in 2D or with their 3D tomographic reconstruction. The work done is the foundation for deploying terahertz imagery to the application domain with unmatched image quality and real-time acquisition., L’objectif de ce travail est de positionner l’imagerie terahertz comme un nouvel outil dédié à la métrologie et au contrôle non destructif. Ses propriétés étonnantes à la fois de forte pénétration dans les matériaux diélectriques et de longueur d’onde de dimension millimétrique voire submillimétrique en font un outil très enthousiasmant pour des applications comme le contrôle non destructif (CND).En premier lieu, nous avons présenté deux techniques d’imagerie : une consistant à déplacer l’objet, point par point, dans un faisceau terahertz focalisé pour reconstruire, pixel par pixel, une image en deux dimensions. L’autre technique repose sur l’utilisation d’un objectif et d’un capteur matriciel à l’état de l’art fonctionnant à température ambiante. Ainsi nous avons imagé des objets d’intérêts, sans déplacement mécanique. Bien que cette dernière technique soit beaucoup plus rapide que l’imagerie point par point, la qualité des images obtenues n’est pas comparable et ceci à cause de deux verrous. Ainsi, une partie du travail a consisté en l’étude des stratégies d’éclairage pour limiter les effets optiques interférentiels induits par la cohérence de la source. De plus, en déployant des simulations de toute la chaine optique avec le logiciel Zemax, de nombreuses images de qualité permettent d’envisager des applications en imagerie 2D (métrologie, CND) et en imagerie 3D. Ainsi, deux techniques complémentaires de reconstruction tomographique sont expérimentées sur des images obtenues en temps réel ; une technique inspirée de l’imagerie par rayon X et une technique utilisée en microscopie optique 3D qui exploite la profondeur de champ réduite de l’objectif. Enfin, plusieurs études spectroscopiques et métrologiques sont menées afin d’évaluer le comportement des matériaux et la dimension des objets à partir de leurs images THz en 2D ou avec leur reconstruction tomographique 3D. Les travaux effectués constituent les briques de base au déploiement de l’imagerie terahertz vers le domaine applicatif grâce à une qualité d’image incomparable et des acquisitions en temps réels.