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The twenty-first century witnesses the digital revolution that allows digital media to become ubiquitous. They play a more and more important role in our everyday life. Similarly, sophisticated image editing software has been more accessible, resulting in the fact that falsified images are appearing with a growing frequency and sophistication. The credibility and trustworthiness of digital images have been eroded. To restore the trust to digital images, the field of digital image forensics was born. This thesis is part of the field of digital image forensics. Two important problems are addressed: image origin identification and hidden data detection. These problems are cast into the framework of hypothesis testing theory. The approach proposes to design a statistical test that allows us to guarantee a prescribed false alarm probability. In order to achieve a high detection performance, it is proposed to exploit statistical properties of natural images by modeling the main steps of image processing pipeline of a digital camera. The methodology throughout this manuscript consists of studying an optimal test given by the Likelihood Ratio Test in the ideal context where all model parameters are known in advance. When the model parameters are unknown, a method is proposed for parameter estimation in order to design a Generalized Likelihood Ratio Test whose statistical performances are analytically established. Numerical experiments on simulated and real images highlight the relevance of the proposed approach, Le XXIème siècle étant le siècle du passage au tout numérique, les médias digitaux jouent maintenant un rôle de plus en plus important dans la vie de tous les jours. De la même manière, les logiciels sophistiqués de retouche d’images se sont démocratisés et permettent aujourd’hui de diffuser facilement des images falsifiées. Ceci pose un problème sociétal puisqu’il s’agit de savoir si ce que l’on voit a été manipulé. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la criminalistique des images numériques. Deux problèmes importants sont abordés : l'identification de l'origine d'une image et la détection d'informations cachées dans une image. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre de la théorie de la décision statistique et proposent la construction de détecteurs permettant de respecter une contrainte sur la probabilité de fausse alarme. Afin d'atteindre une performance de détection élevée, il est proposé d'exploiter les propriétés des images naturelles en modélisant les principales étapes de la chaîne d'acquisition d'un appareil photographique. La méthodologie, tout au long de ce manuscrit, consiste à étudier le détecteur optimal donné par le test du rapport de vraisemblance dans le contexte idéal où tous les paramètres du modèle sont connus. Lorsque des paramètres du modèle sont inconnus, ces derniers sont estimés afin de construire le test du rapport de vraisemblance généralisé dont les performances statistiques sont analytiquement établies. De nombreuses expérimentations sur des images simulées et réelles permettent de souligner la pertinence de l'approche proposée

This thesis consists of two relatively independent parts, the first part focuses on methods of temperature measurement using Multi-Spectral (passive optical pyrometry) methods, and the second on the Thermal Characterization by integral transforms at high temperature of orthotropic materials. In each of these two parts, methods / models developed were treated from a theoretical point of view, numerical and experimental.In the multi-spectral part, a method of temperature measurement to take into account a spectral variation of the overall measurement chain (including the emissivity) was introduced. Moreover, a method of determining the optimal wavelengths in the sense of minimizing the standard deviation of temperature, has been developed. Finally, it has also been shown that the optimal wavelengths for mono-spectral and bi-spectral measurements could be determined with similar laws to Wien's displacement law. In the Thermal Characterization part, different methods and models have been developed. The proposed methods perform the estimation of longitudinal and transverse diffusivities on all harmonics simultaneously. Furthermore, they allow overcoming the thermal coupling due to the presence of a sample holder, and / or making pseudo-local measurements of diffusivities. Finally, the concepts of correlation between parameters and duration of harmonics exploitability were also discussed., Ce mémoire est constitué de deux parties relativement indépendantes, dont la première porte sur les méthodes de mesure de température par méthodes Multi-Spectrales (pyrométrie optique passive), et la seconde sur la Caractérisation Thermique à haute température par transformations intégrales de matériaux orthotropes. Dans chacune de ces deux parties, les méthodes/modèles développés ont été traités du point de vue théorique, numérique, et expérimental. Dans la partie multi-spectrale, une méthode de mesure de température permettant de prendre en compte les variations spectrales de la chaine de mesure globale (incluant l’émissivité) a été présentée. De plus, une méthode de détermination des longueurs d’ondes optimales au sens de la minimisation de l’écart-type sur la température, a été développée. Enfin, il a également été montré que les longueurs d’ondes optimales pour les mesures mono-spectrales et bi-spectrales pouvaient être déterminées à l’aide de lois analogues à la loi de déplacement de Wien. Dans la partie Caractérisation Thermique, différentes méthodes et modèles ont été développés. Les méthodes proposées effectuent l’estimation des diffusivités longitudinales et transversales sur l’ensemble des harmoniques simultanément. De plus, ces méthodes permettent de s’affranchir du couplage thermique dû à la présence d’un porte-échantillon, et/ou d’effectuer des mesures de diffusivités pseudo-locales, en injectant comme conditions aux limites les informations expérimentales obtenues par caméra infrarouge. Enfin, les notions de corrélation entre les paramètres et de durée d’exploitabilité des harmoniques ont également été abordées.

This thesis consists of two relatively independent parts, the first part focuses on methods of temperature measurement using Multi-Spectral (passive optical pyrometry) methods, and the second on the Thermal Characterization by integral transforms at high temperature of orthotropic materials. In each of these two parts, methods / models developed were treated from a theoretical point of view, numerical and experimental.In the multi-spectral part, a method of temperature measurement to take into account a spectral variation of the overall measurement chain (including the emissivity) was introduced. Moreover, a method of determining the optimal wavelengths in the sense of minimizing the standard deviation of temperature, has been developed. Finally, it has also been shown that the optimal wavelengths for mono-spectral and bi-spectral measurements could be determined with similar laws to Wien's displacement law. In the Thermal Characterization part, different methods and models have been developed. The proposed methods perform the estimation of longitudinal and transverse diffusivities on all harmonics simultaneously. Furthermore, they allow overcoming the thermal coupling due to the presence of a sample holder, and / or making pseudo-local measurements of diffusivities. Finally, the concepts of correlation between parameters and duration of harmonics exploitability were also discussed.; Ce mémoire est constitué de deux parties relativement indépendantes, dont la première porte sur les méthodes de mesure de température par méthodes Multi-Spectrales (pyrométrie optique passive), et la seconde sur la Caractérisation Thermique à haute température par transformations intégrales de matériaux orthotropes. Dans chacune de ces deux parties, les méthodes/modèles développés ont été traités du point de vue théorique, numérique, et expérimental. Dans la partie multi-spectrale, une méthode de mesure de température permettant de prendre en compte les variations spectrales de la chaine de mesure globale (incluant l’émissivité) a été présentée. De plus, une méthode de détermination des longueurs d’ondes optimales au sens de la minimisation de l’écart-type sur la température, a été développée. Enfin, il a également été montré que les longueurs d’ondes optimales pour les mesures mono-spectrales et bi-spectrales pouvaient être déterminées à l’aide de lois analogues à la loi de déplacement de Wien. Dans la partie Caractérisation Thermique, différentes méthodes et modèles ont été développés. Les méthodes proposées effectuent l’estimation des diffusivités longitudinales et transversales sur l’ensemble des harmoniques simultanément. De plus, ces méthodes permettent de s’affranchir du couplage thermique dû à la présence d’un porte-échantillon, et/ou d’effectuer des mesures de diffusivités pseudo-locales, en injectant comme conditions aux limites les informations expérimentales obtenues par caméra infrarouge. Enfin, les notions de corrélation entre les paramètres et de durée d’exploitabilité des harmoniques ont également été abordées.

Most of time a system is characterized by few operating modes, each of them could be describe by a model. In the case of the commutation between each operating mode is due to unknown process (fault, changing in condition) it could be difficult to operate with this system and used the appropriate commands. With a partially supervised system (knowing of number of operating mode and model structure that represent each mode), a method is developed to detect the active operating mode at each time. Indeed, the analyses of the residual gradient, that obtain by product each local model together, permit to characterize the operating mode. Application of this method is presented with simulated data and industrial data of continuous casting to detect a particular phenomenon : the sticker. Finally, a rejection mode method is used on industrial thermal data in the same aim (detection of stickers in continuous casting).; Un système est souvent caractérisé par plusieurs modes de fonctionnement, chacun pouvant alors être décrit par un modèle qui lui est propre. Dans le cas où la commutation entre les modes de fonctionnement résulte d’un processus inconnu (un défaut, un changement de condition,...), il est difficile de manipuler ces systèmes et d’appliquer les commandes appropriées. Cette thèse traite du problème de la détection du changement de mode d’un système. A partir d’un système partiellement supervisé (connaissance du nombre de mode de fonctionnement du système ainsi que de la structure du modèle représentant chaque mode), une méthode est développée pour détecter le mode de fonctionnement actif du système à chaque instant. Pour cela, l’analyse du gradient des résidus obtenu par la multiplication des modèles locaux entre-eux, permet de caractériser le mode de fonctionnement. Une application de cette méthode est réalisée sur des données simulées et réelles de coulée continue de l’acier, afin de détecter un phénomène particulier : le collage. Finalement, une méthode par rejet de mode est mise en place sur des données réelles thermiques dans le même but (la détection des collages en lingotière de coulée continue).

High-throughput technologies yield large amounts of data about the steady-state levels and the dynamical changes of gene expression in bacteria. An important challenge for the biological interpretation of these data consists in deducing the topology of the underlying regulatory network as well as quantitative gene regulation functions from such data. A large number of inference methods have been proposed in the literature and have been successful in a variety of applications, although several problems remain. We focus here on improving two aspects of the inference methods. First, transcriptome data reflect the abundance of mRNA, whereas the components that regulate are most often the proteins coded by the mRNAs. Although the concentrations of mRNA and protein correlate reasonably during steady-state growth, this correlation becomes much more tenuous in time-series data acquired during growth transitions in bacteria because of the very different half-lives of proteins and mRNA. Second, the dynamics of gene expression is not only controlled by transcription factors and other specific regulators, but also by global physiological effects that modify the activity of all genes. For example, the concentrations of (free) RNA polymerase and the concentration of ribosomes vary strongly with growth rate. We therefore have to take into account such effects when trying to reconstruct a regulatory network from gene expression data. We propose here a combined experimental and computational approach to address these two fundamental problems in the inference of quantitative models of the activity of bacterial promoters from time-series gene expression data. We focus on the case where the dynamics of gene expression is measured in vivo and in real time by means of fluorescent reporter genes. Our network reconstruction approach accounts for the differences between mRNA and protein half-lives and takes into account global physiological effects. When the half-lives of the proteins are available, the measurement models used for deriving the activities of genes from fluorescence data are integrated to yield estimates of protein concentrations. The global physiological state of the cell is estimated from the activity of a phage promoter, whose expression is not controlled by any transcription factor and depends only on the activity of the transcriptional and translational machinery. We apply the approach to a central module in the regulatory network controlling motility and the chemotaxis system in Escherichia coli. This module comprises the FliA, FlgM and tar genes. FliA is a sigma factor that directs RNA polymerase to operons coding for components of the flagellar assembly. The effect of FliA is counteracted by the antisigma factor FlgM, itself transcribed by FliA. The third component of the network, tar, codes for the aspartate chemoreceptor protein Tar and is directly transcribed by the FliA-containing RNA polymerase holoenzyme. The FliA-FlgM module is particularly well-suited for studying the inference problems considered here, since the network has been well-studied and protein half-lives play an important role in its functioning. We stimulated the FliA-FlgM module in a variety of wild-type and mutant strains and different growth media. The measured transcriptional response of the genes was used to systematically test the information required for the reliable inference of the regulatory interactions and quantitative predictive models of gene regulation. Our results show that for the reliable reconstruction of transcriptional regulatory networks in bacteria it is necessary to include global effects into the network model and explicitly deduce protein concentrations from the observed expression profiles. Our approach should be generally applicable to a large variety of network inference problems and we discuss limitations and possible extensions of the method.; Les technologies expérimentales à haut débit produisent de grandes quantités de données sur les niveaux d'expression des gènes dans les bactéries à l'état d'équilibre ou lors des transitions de croissance.Un défi important dans l'interprétation biologique de ces données consiste à en déduire la topologie du réseau de régulation ainsi que les fonctions de régulation quantitatives des gènes.Un grand nombre de méthodes d'inférence a été proposé dans la littérature. Ces méthodes ont été utilisées avec succès dans une variété d'applications, bien que plusieurs problèmes persistent.Nous nous intéressons ici à l'amélioration de deux aspects des méthodes d'inférence.Premièrement, les données transcriptomiques reflètent l'abondance de l'ARNm, tandis que, le plus souvent, les composants régulateurs sont les protéines codées par les ARNm.Bien que les concentrations de l'ARNm et de protéines soient raisonnablement corrélées à l'état stationnaire, cette corrélation devient beaucoup moins évidente dans les données temporelles acquises lors des transitions de croissance à cause des demi-vies très différentes des protéines et des ARNm.Deuxièmement, la dynamique de l'expression génique n'est pas uniquement contrôlée par des facteurs de transcription et d'autres régulateurs spécifiques, mais aussi par des effets physiologiques globaux qui modifient l'activité de tous les gènes. Par exemple, les concentrations de l'ARN polymérase (libre) et les concentrations des ribosomes (libres) varient fortement avec le taux de croissance. Nous devons donc tenir compte de ces effets lors de la reconstruction d'un réseau de régulation à partir de données d'expression génique.Nous proposons ici une approche expérimentale et computationnelle combinée pour répondre à ces deux problèmes fondamentaux dans l'inférence de modèles quantitatifs de promoteurs bactériens à partir des données temporelles d'expression génique.Nous nous intéressons au cas où la dynamique de l'expression génique est mesurée in vivo et en temps réel par l'intermédiaire de gènes rapporteurs fluorescents. Notre approche d'inférence de réseaux de régulation tient compte des différences de demi-vie entre l'ARNm et les protéines et prend en compte les effets physiologiques globaux.Lorsque les demi-vies des protéines sont connues, les modèles expérimentaux utilisés pour dériver les activités des gènes à partir de données de fluorescence sont intégrés pour estimer les concentrations des protéines.L'état physiologique global de la cellule est estimé à partir de l'activité d'un promoteur de phage, dont l'expression n'est contrôlée par aucun des facteurs de transcription et ne dépend que de l'activité de la machinerie d'expression génique.Nous appliquons l'approche à un module central dans le réseau de régulation contrôlant la motilité et le système de chimiotactisme chez Escherichia coli.Ce module est composé des gènes FliA, FlgM et tar.FliA est un facteur sigma qui dirige l'ARN polymérase vers les opérons codant pour des composants de l'assemblage des flagelles.Le troisième composant du réseau, tar, code pour la protéine récepteur chimiotactique de l'aspartate, Tar, et est directement transcrit par FliA associé à l' holoenzyme ARN polymérase. Le module FliA-FlgM est particulièrement bien adapté pour l'étude des problèmes d'inférence considérés ici, puisque le réseau a été bien étudié et les démivies des protéines jouent un rôle important dans son fonctionnement.Nos résultats montrent que, pour la reconstruction fiable de réseaux de régulation transcriptionelle chez les bactéries, il est nécessaire d'inclure les effets globaux dans le modèle de réseau et d'en déduire de manière explicite les concentrations des protéines à partir des profils d'expression observés, car la demi-vie de l'ARNm et des protéines sont très différentes. Notre approche reste généralement applicable à une grande variété de problèmes d'inférence de réseaux et nous discutons les limites et les extensions possibles de la méthode.

Fluid catalytic cracking (FCC) is one of the most important processes in a modern refinery and is of essential economic importance. The FCC operation presents difficulties related to its complexity. The study was related to its simulation, multivariable control and estimation of key parameters. After a litterature review of the FCC, the different approaches of modelling and cracking kinetics, a FCC model that takes into account the important dynamics was chosen for model predictive control purposes. The riser simulation was carried out for different cracking models and shows great differences between these models, which makes it difficult to define a general riser model for the FCC. Besides the number of lumps, differences deal with the global heat of reaction, the coke formation laws and its deactivation functions. Linear and nonlinear model predictive algorithms were used for FCC control taking into account its multivariable nature and the constraints imposed on the manipulated variables. The controlled outputs, temperature at the riser top and temperature in the regenerator were maintained close to their respective set points in regulation and tracking modes while respecting the constraints on the two manipulated variable, the flow rate of regenerated catalyst and the flow rate of air entering the regenerator. A control with three manipulated variables including the feed flow rate was also successfully tested. Linear predictive control with an observer gave better results than linear quadratic control. Nonlinear predictive control was tested but presents problems for real time implementation. The estimation of coke on the catalyst was carried out using extended Kalman filter, but the estimation errors are important, probably due to an insufficient choice of measurements. The overall study showed that advanced predictive control of the FCC is efficient and must be recommended, but it can still be improved upon particularly by its tuning and state estimation; Le craquage catalytique à lit fluidisé (FCC) est l'un des procédés les plus importants au sein d'une raffinerie moderne et joue un rôle économique primordial. Le fonctionnement du FCC pose des problèmes d'opération liés à sa complexité. L'étude a porté sur la simulation du FCC, sa commande prédictive multivariable et l'estimation de paramètres-clés. Après une revue de la littérature sur les FCC et les différentes approches de modélisation ainsi que des cinétiques de craquage, un modèle du FCC qui intègre les dynamiques importantes a été choisi pour les besoins de la commande prédictive. La simulation du riser a été effectuée pour différents modèles de craquage et a montré de grandes disparités entre modèles, créant une difficulté à définir un modèle général de riser pour les FCC. Outre le nombre de groupes considérés, les différences concernent la chaleur de réaction globale, les lois de formation de coke sur le catalyseur et la désactivation de ce dernier. Des algorithmes de commande prédictive linéaire et non linéaire basée sur le modèle ont été utilisés pour commander le FCC en tenant compte de sa nature multivariable et des contraintes imposées aux variables manipulées. Les sorties commandées, température en haut du riser et température du régénérateur ont été maintenues proches des consignes, tant en régulation qu'en poursuite, tout en respectant les contraintes portant sur les deux variables manipulées, le débit de catalyseur régénéré et le débit d'air entrant dans le régénérateur. Une commande à trois entrées manipulées, incluant le débit d'alimentation, a également été testée avec succès. La commande prédictive linéaire avec observateur a fourni des résultats encore meilleurs que la commande linéaire quadratique. La commande prédictive non linéaire a été testée mais présente des problèmes pour une implantation en temps réel. L'estimation du coke sur le catalyseur a été réalisée par le filtre de Kalman étendu, mais les erreurs d'estimation sont importantes, probablement à cause du choix insuffisant des mesures effectuées. L'ensemble de l'étude a montré que la commande avancée prédictive du FCC est performante et doit être recommandée, mais peut encore être améliorée en particulier par son réglage et l'estimation des états

Fluid catalytic cracking (FCC) is one of the most important processes in a modern refinery and is of essential economic importance. The FCC operation presents difficulties related to its complexity. The study was related to its simulation, multivariable control and estimation of key parameters. After a litterature review of the FCC, the different approaches of modelling and cracking kinetics, a FCC model that takes into account the important dynamics was chosen for model predictive control purposes. The riser simulation was carried out for different cracking models and shows great differences between these models, which makes it difficult to define a general riser model for the FCC. Besides the number of lumps, differences deal with the global heat of reaction, the coke formation laws and its deactivation functions. Linear and nonlinear model predictive algorithms were used for FCC control taking into account its multivariable nature and the constraints imposed on the manipulated variables. The controlled outputs, temperature at the riser top and temperature in the regenerator were maintained close to their respective set points in regulation and tracking modes while respecting the constraints on the two manipulated variable, the flow rate of regenerated catalyst and the flow rate of air entering the regenerator. A control with three manipulated variables including the feed flow rate was also successfully tested. Linear predictive control with an observer gave better results than linear quadratic control. Nonlinear predictive control was tested but presents problems for real time implementation. The estimation of coke on the catalyst was carried out using extended Kalman filter, but the estimation errors are important, probably due to an insufficient choice of measurements. The overall study showed that advanced predictive control of the FCC is efficient and must be recommended, but it can still be improved upon particularly by its tuning and state estimation, Le craquage catalytique à lit fluidisé (FCC) est l'un des procédés les plus importants au sein d'une raffinerie moderne et joue un rôle économique primordial. Le fonctionnement du FCC pose des problèmes d'opération liés à sa complexité. L'étude a porté sur la simulation du FCC, sa commande prédictive multivariable et l'estimation de paramètres-clés. Après une revue de la littérature sur les FCC et les différentes approches de modélisation ainsi que des cinétiques de craquage, un modèle du FCC qui intègre les dynamiques importantes a été choisi pour les besoins de la commande prédictive. La simulation du riser a été effectuée pour différents modèles de craquage et a montré de grandes disparités entre modèles, créant une difficulté à définir un modèle général de riser pour les FCC. Outre le nombre de groupes considérés, les différences concernent la chaleur de réaction globale, les lois de formation de coke sur le catalyseur et la désactivation de ce dernier. Des algorithmes de commande prédictive linéaire et non linéaire basée sur le modèle ont été utilisés pour commander le FCC en tenant compte de sa nature multivariable et des contraintes imposées aux variables manipulées. Les sorties commandées, température en haut du riser et température du régénérateur ont été maintenues proches des consignes, tant en régulation qu'en poursuite, tout en respectant les contraintes portant sur les deux variables manipulées, le débit de catalyseur régénéré et le débit d'air entrant dans le régénérateur. Une commande à trois entrées manipulées, incluant le débit d'alimentation, a également été testée avec succès. La commande prédictive linéaire avec observateur a fourni des résultats encore meilleurs que la commande linéaire quadratique. La commande prédictive non linéaire a été testée mais présente des problèmes pour une implantation en temps réel. L'estimation du coke sur le catalyseur a été réalisée par le filtre de Kalman étendu, mais les erreurs d'estimation sont importantes, probablement à cause du choix insuffisant des mesures effectuées. L'ensemble de l'étude a montré que la commande avancée prédictive du FCC est performante et doit être recommandée, mais peut encore être améliorée en particulier par son réglage et l'estimation des états

Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) process is generally used for assemblies that requireshigh quality weld joint. Weldment properties rely mainly on the thermal cycle due tothe welding operation and the complex flow of molten metal in the weld pool. Betterunderstanding of the physical phenomena involved in the welding operation, more exactlyin the weld pool, are the fundamental step for improving the GTAW operation. In thepresent research work, a 2D multiphysics model was established in order to predict theweld pool shape evolution in the frame of a static GTAW using a finite element numericalapproach. In order to validate the GTAW model, an experimental set up was definedfor synchronizing the acquisition of time dependent data such as temperature, weld poolradius and welding process parameters. Then an inverse approach (Levenberg-Marquardtmethod) is used to estimate the parameters in the heat flux formulation from the availableexperimental data such as temperature and weld pool radius. The estimated parametersare in good agreement with the literature. The evaluated error on the estimated parametersis less than 10%.; Le procédé de soudage à l’arc sous atmosphère inerte (TIG) est employé pour réaliser desassemblages soudés d’une grande qualité. Les propriétés de la soudure dépendent essentiellementdu cycle thermique imposé par l’opération de soudage et des mouvements dumétal fondu au sein du bain de fusion. Afin d’appréhender les phénomènes physiques misen jeu, un modèle multi-physique 2D axisymétrique a été établi. Un protocole expérimentala été développé dans le but de valider le modèle proposé. L’opération a été contrôléepar des mesures synchronisées de température, une observation du bain de fusion et lamesure des paramètres opératoires (intensité et tension). Le flux de chaleur a été modélisépar une fonction Gaussienne qui nécessite la connaissance du rendement du procédéTIG et sa distribution spatiale. Une méthode inverse a été mise en place afin d’estimerces paramètres. La méthode de Levenberg-Marquardt associée à une technique de régularisationitérative a été utilisée pour résoudre le problème inverse. Les paramètres ont étéestimés à partir des mesures expérimentales et les résultats sont en bon accord avec lesvaleurs trouvées dans la littérature.

Detection and evaluation of emotions are areas of great interest in many communities both in terms of human and exact sciences. In this thesis we focus on social anxiety recognition, which is an irrational fear felt by a person during any form of social relationship. Anxiety can be revealed by a set of physical and physiological traits such as tone of voice, facial expressions, increased heart rate, flushing ... etc. The interest to the physiological measures is motivated by them robustness to avoid the artifacts created by human social masking, they are a continuous source of data and each emotion is characterized by a particular physiological variation. In this work, we propose a measurement system based on the use of a single physiological signal "Blood volume pulse BVP". The use of a single sensor limits the subjects’ discomfort. From the BVP signal we selected three relevant features which best represents the close relationship between this signal and anxiety status. This features set is classified using support vector machine SVM. The work undertaken in the field of emotion recognition frequently use, for information support, unreliable data do not always correspond to the situations envisaged. This lack of reliability may be due to several parameters among them the subjectivity of the evaluation method used (self-evaluation questionnaire, subjects…etc.). We have developed an approach to objective assessment of data based on the dynamics of selected features. The used database was recorded in our laboratory under real conditions acquired in subjects with a level of anxiety during social situations and who are not under psychological treatment. The used stimulus is the exposition to virtual environments representing some feared social situations. After the evaluation stage, we obtained a reliable model for the recognition of two levels of anxiety. The latter was tested in a clinic specializing in cognitive behavioral therapy (CBT) on phobic subjects. The results highlight the reliability of the built model specifically for the recognition of anxiety levels in healthy subjects or of phobic subjects, what constitutes a solution to the lack of data affecting different areas of recognition, La détection et l’évaluation des émotions sont des domaines qui suscitent un grand intérêt par de nombreuses communautés tant au niveau des sciences humaines que des sciences exactes. Dans cette thèse nous nous intéressons à la reconnaissance de l’anxiété sociale qui est une peur irrationnelle ressentie par une personne lors de toute forme de relation sociale. L’anxiété peut être révélée par un ensemble de traits physiques et physiologiques tels que l’intonation de la voix, les mimiques faciales, l’augmentation du rythme cardiaque, le rougissement… etc. L’avantage de l’utilisation des mesures physiologiques est que les individus ne peuvent pas les manipuler, c’est une source continue de données et chaque émotion est caractérisée par une variation physiologique particulière. Dans ce travail, nous proposons un système de mesure d’anxiété basé sur l’utilisation d’un seul signal physiologique « signal de pression sanguine volumique (Blood volume pulse BVP)». Le choix d’un seul capteur limite la gêne des sujets due au nombre de capteurs. De ce signal nous avons sélectionné des paramètres pertinents représentant au mieux les relations étroites du signal BVP avec le processus émotionnel de l’anxiété. Cet ensemble de paramètres est classé en utilisant les séparateurs à vastes marges SVM. Les travaux engagés dans le domaine de la reconnaissance des émotions utilisent fréquemment, pour support d’information, des données peu fiables ne correspondant pas toujours aux situations envisagées. Ce manque de fiabilité peut être dû à plusieurs paramètres parmi eux la subjectivité de la méthode d’évaluation utilisée (questionnaire, auto-évaluation des sujets, …etc.). Nous avons développé une approche d’évaluation objective des données basée sur les dynamiques des paramètres sélectionnés. La base de données utilisée a été enregistrée dans notre laboratoire dans des conditions réelles acquises sur des sujets présentant un niveau d’anxiété face aux situations sociales et qui ne sont pas sous traitement psychologique. L’inducteur utilisé est l’exposition à des environnements virtuels représentant quelques situations sociales redoutées. L’étape d’évaluation, nous a permis d’obtenir un modèle de données fiable pour la reconnaissance de deux niveaux d’anxiété. Ce modèle a été testé dans une clinique spécialisée dans les thérapies cognitives comportementales (TCC) sur des sujets phobiques. Les résultats obtenus mettent en lumière la fiabilité du modèle construit notamment pour la reconnaissance des niveaux d’anxiété sur des sujets sains ou sur des sujets phobiques ce qui constitue une solution au manque de données dont souffrent les différents domaines de reconnaissances

Detection and evaluation of emotions are areas of great interest in many communities both in terms of human and exact sciences. In this thesis we focus on social anxiety recognition, which is an irrational fear felt by a person during any form of social relationship. Anxiety can be revealed by a set of physical and physiological traits such as tone of voice, facial expressions, increased heart rate, flushing ... etc. The interest to the physiological measures is motivated by them robustness to avoid the artifacts created by human social masking, they are a continuous source of data and each emotion is characterized by a particular physiological variation. In this work, we propose a measurement system based on the use of a single physiological signal "Blood volume pulse BVP". The use of a single sensor limits the subjects’ discomfort. From the BVP signal we selected three relevant features which best represents the close relationship between this signal and anxiety status. This features set is classified using support vector machine SVM. The work undertaken in the field of emotion recognition frequently use, for information support, unreliable data do not always correspond to the situations envisaged. This lack of reliability may be due to several parameters among them the subjectivity of the evaluation method used (self-evaluation questionnaire, subjects…etc.). We have developed an approach to objective assessment of data based on the dynamics of selected features. The used database was recorded in our laboratory under real conditions acquired in subjects with a level of anxiety during social situations and who are not under psychological treatment. The used stimulus is the exposition to virtual environments representing some feared social situations. After the evaluation stage, we obtained a reliable model for the recognition of two levels of anxiety. The latter was tested in a clinic specializing in cognitive behavioral therapy (CBT) on phobic subjects. The results highlight the reliability of the built model specifically for the recognition of anxiety levels in healthy subjects or of phobic subjects, what constitutes a solution to the lack of data affecting different areas of recognition, La détection et l’évaluation des émotions sont des domaines qui suscitent un grand intérêt par de nombreuses communautés tant au niveau des sciences humaines que des sciences exactes. Dans cette thèse nous nous intéressons à la reconnaissance de l’anxiété sociale qui est une peur irrationnelle ressentie par une personne lors de toute forme de relation sociale. L’anxiété peut être révélée par un ensemble de traits physiques et physiologiques tels que l’intonation de la voix, les mimiques faciales, l’augmentation du rythme cardiaque, le rougissement… etc. L’avantage de l’utilisation des mesures physiologiques est que les individus ne peuvent pas les manipuler, c’est une source continue de données et chaque émotion est caractérisée par une variation physiologique particulière. Dans ce travail, nous proposons un système de mesure d’anxiété basé sur l’utilisation d’un seul signal physiologique « signal de pression sanguine volumique (Blood volume pulse BVP)». Le choix d’un seul capteur limite la gêne des sujets due au nombre de capteurs. De ce signal nous avons sélectionné des paramètres pertinents représentant au mieux les relations étroites du signal BVP avec le processus émotionnel de l’anxiété. Cet ensemble de paramètres est classé en utilisant les séparateurs à vastes marges SVM. Les travaux engagés dans le domaine de la reconnaissance des émotions utilisent fréquemment, pour support d’information, des données peu fiables ne correspondant pas toujours aux situations envisagées. Ce manque de fiabilité peut être dû à plusieurs paramètres parmi eux la subjectivité de la méthode d’évaluation utilisée (questionnaire, auto-évaluation des sujets, …etc.). Nous avons développé une approche d’évaluation objective des données basée sur les dynamiques des paramètres sélectionnés. La base de données utilisée a été enregistrée dans notre laboratoire dans des conditions réelles acquises sur des sujets présentant un niveau d’anxiété face aux situations sociales et qui ne sont pas sous traitement psychologique. L’inducteur utilisé est l’exposition à des environnements virtuels représentant quelques situations sociales redoutées. L’étape d’évaluation, nous a permis d’obtenir un modèle de données fiable pour la reconnaissance de deux niveaux d’anxiété. Ce modèle a été testé dans une clinique spécialisée dans les thérapies cognitives comportementales (TCC) sur des sujets phobiques. Les résultats obtenus mettent en lumière la fiabilité du modèle construit notamment pour la reconnaissance des niveaux d’anxiété sur des sujets sains ou sur des sujets phobiques ce qui constitue une solution au manque de données dont souffrent les différents domaines de reconnaissances

A large variety of natural, industrial, and environmental systems involves phenomena that are continuous functions not only of time, but also of other independent variables, such as space coordinates. Typical examples are transportation phenomena of mass or energy, such as heat transmission and/or exchange, humidity diffusion or concentration distributions. These systems are intrinsically distributed parameter systems whose description usually requires the introduction of partial differential equations. There is a significant number of phenomena that can be simulated and explained by partial differential equations. Unfortunately all phenomena are not likely to be represented by a single equation. Also, it is necessary to model the largest possible number of behaviors to consider several classes of partial differential equations. The most common are linear equations, but the most representative are non-linear equations. The nonlinear equations can be formulated in many different ways, the interest in nonlinear equations with linear parameters varying is studied. The aim of the thesis is to develop new estimators to identify the systems described by these partial differential equations. These estimators must be adapted with the actual data obtained in experiments. It is therefore necessary to develop estimators that provide convergent estimates when one is in the presence of missing data and are robust to measurement noise. In this thesis, identification methods are proposed for partial differential equation parameter estimation. These methods involve the introduction of estimators based on the instrumental variable technique, Les systèmes décrits par les équations aux dérivées partielles, appartiennent à la classe des systèmes dynamiques impliquant des fonctions dépendantes de plusieurs variables, comme le temps et l'espace. Déjà fortement répandus pour la modélisation mathématique de phénomènes physiques et environnementaux, ces systèmes ont un rôle croissant dans les domaines de l'automatique. Cette expansion, provoquée par les avancées technologiques au niveau des capteurs facilitant l'acquisition de données et par les nouveaux enjeux environnementaux, incite au développement de nouvelles thématiques de recherche. L'une de ces thématiques, est l'étude des problèmes inverses et plus particulièrement l'identification paramétrique des équations aux dérivées partielles. Tout abord, une description détaillée des différentes classes de systèmes décrits par ces équations est présentée puis les problèmes d'identification qui leur sont associés sont soulevés. L'accent est mis sur l'estimation paramétrique des équations linéaires, homogènes ou non, et sur les équations linéaires à paramètres variant. Un point commun à ces problèmes d'identification réside dans le caractère bruité et échantillonné des mesures de la sortie. Pour ce faire, deux types d'outils principaux ont été élaborés. Certaines techniques de discrétisation spatio-temporelle ont été utilisées pour faire face au caractère échantillonné des données; les méthodes de variable instrumentale, pour traiter le problème lié à la présence de bruit de mesure. Les performances de ces méthodes ont été évaluées selon des protocoles de simulation numérique reproduisant des situations réalistes de phénomènes physique et environnementaux, comme la diffusion de polluant dans une rivière

I report in this thesis a detailed study of the periodic oscillations detected during neutron star X-ray bursts, in low mass X-ray binaries. The properties of the interiors of neutron stars can be probed by constraining the equation of state, by determining their masses and radii. I present methods to detect and process these oscillating trains, their time properties and energy dependence. Using data from three bursting neutrons stars observed with the Rossi X-ray Timing Explorer/Proportional Counter Array, I analyzed all the detected oscillations during type 1 X-ray bursts and one superburst.I then selected the time intervals of the light curves with the most significant oscillation detection, in order to build a catalog of mean pulse profiles. Oscillation waveforms usually differ from one burst to another, because many parameters can affect them. I then elaborated a model of a rotating hotspot on the rapidly spinning surface of the neutron star. It includes the whole star, spot and geometry parameters affecting the shape of the oscillations, in an adequate relativistic pattern describing the altered space-time around the compact object. The energy dependence of the oscillation profiles confirmed that harder profiles arrive on average before softer ones for a sample of observations, as expected from the hotspot model. Finally, I fitted the waveforms and used the Monte Carlo Markov chains to derive measurements on the mass and the radius of the star. The uncertainties were too large to provide interesting constraints with current instrument capabilities, but by simulating larger collecting area, as proposed for future observatories, showed very promising results.; Cette thèse est consacrée à l'étude des oscillations périodiques détectées lors des sursauts X des étoiles à neutrons, dans des binaires X de faible masse. Ces oscillations offrent un moyen de sonder l'intérieur de ces objets, en mesurant notamment leur masse et leur rayon, pour ainsi contraindre l'équation d'état de la matière dense. J'ai développé des méthodes de détection et d'analyse de ces signaux, de leurs propriétés temporelles et leur dépendance en énergie. J'ai analysé les oscillations détectées dans tous les sursauts X de type 1 (ainsi qu'un super-sursaut) de 3 étoiles à neutrons observées avec l'instrument Rossi X-ray Timing Explorer/Proportional Counter Array . Sur les courbes de lumière des sursauts, j'ai sélectionné les segments donnant la meilleure signification statistique, pour construire un catalogue de profils moyens d'oscillations. La forme des profils varie grandement d'un sursaut à un autre, pour une même source. Un grand nombre de paramètres peuvent affecter les oscillations. J'ai élaboré un modèle de tache chaude à la surface de l'étoile en rotation rapide pour caractériser l'émission du sursaut X, dans un espace-temps relativiste. En utilisant les chaînes de Markov Monte Carlo pour explorer efficacement un espace des paramètres conséquent, les ajustements sur un échantillon de sursauts ont démontré l'applicabilité du modèle. Par contre, les contraintes obtenues sur la masse et le rayon de l'étoile sont limitées par la qualité des données de l'instrument utilisé. Enfin, des simulations révèlent que des mesures précises sur les paramètres sont possibles en augmentant la surface collectrice des détecteurs, comme le proposent les observatoires X du futur.

I report in this thesis a detailed study of the periodic oscillations detected during neutron star X-ray bursts, in low mass X-ray binaries. The properties of the interiors of neutron stars can be probed by constraining the equation of state, by determining their masses and radii. I present methods to detect and process these oscillating trains, their time properties and energy dependence. Using data from three bursting neutrons stars observed with the Rossi X-ray Timing Explorer/Proportional Counter Array, I analyzed all the detected oscillations during type 1 X-ray bursts and one superburst.I then selected the time intervals of the light curves with the most significant oscillation detection, in order to build a catalog of mean pulse profiles. Oscillation waveforms usually differ from one burst to another, because many parameters can affect them. I then elaborated a model of a rotating hotspot on the rapidly spinning surface of the neutron star. It includes the whole star, spot and geometry parameters affecting the shape of the oscillations, in an adequate relativistic pattern describing the altered space-time around the compact object. The energy dependence of the oscillation profiles confirmed that harder profiles arrive on average before softer ones for a sample of observations, as expected from the hotspot model. Finally, I fitted the waveforms and used the Monte Carlo Markov chains to derive measurements on the mass and the radius of the star. The uncertainties were too large to provide interesting constraints with current instrument capabilities, but by simulating larger collecting area, as proposed for future observatories, showed very promising results.; Cette thèse est consacrée à l'étude des oscillations périodiques détectées lors des sursauts X des étoiles à neutrons, dans des binaires X de faible masse. Ces oscillations offrent un moyen de sonder l'intérieur de ces objets, en mesurant notamment leur masse et leur rayon, pour ainsi contraindre l'équation d'état de la matière dense. J'ai développé des méthodes de détection et d'analyse de ces signaux, de leurs propriétés temporelles et leur dépendance en énergie. J'ai analysé les oscillations détectées dans tous les sursauts X de type 1 (ainsi qu'un super-sursaut) de 3 étoiles à neutrons observées avec l'instrument Rossi X-ray Timing Explorer/Proportional Counter Array . Sur les courbes de lumière des sursauts, j'ai sélectionné les segments donnant la meilleure signification statistique, pour construire un catalogue de profils moyens d'oscillations. La forme des profils varie grandement d'un sursaut à un autre, pour une même source. Un grand nombre de paramètres peuvent affecter les oscillations. J'ai élaboré un modèle de tache chaude à la surface de l'étoile en rotation rapide pour caractériser l'émission du sursaut X, dans un espace-temps relativiste. En utilisant les chaînes de Markov Monte Carlo pour explorer efficacement un espace des paramètres conséquent, les ajustements sur un échantillon de sursauts ont démontré l'applicabilité du modèle. Par contre, les contraintes obtenues sur la masse et le rayon de l'étoile sont limitées par la qualité des données de l'instrument utilisé. Enfin, des simulations révèlent que des mesures précises sur les paramètres sont possibles en augmentant la surface collectrice des détecteurs, comme le proposent les observatoires X du futur.

Ice sheet evolution is both driven by a complex flow dynamics and by physical mechanisms such as basal sliding, ice temperature or surface mass balance. In addition to those, many feedback loops are observed between the different implicated phenomena. That explains how complex is to model this evolution. However several models have been developed in that purpose. These models depend on influential parameters, which often are unfortunately poorly known. So they need to be correctly specified. Data assimilation can give a better estimation of these parameters thanks to observations which are quite rare in glaciology. In this thesis, we work on the setup of efficient data assimilation systems for two inverses problems involving ice sheet evolution. We work with a simplified ice sheet evolution model called Winnie in order to focus on the setup. Nevertheless Winnie takes into account the major complex processes of ice dynamics and can be used for studies with different time scales. The first part of the thesis focuses on developing a 4D-Var approach in order to retrieve the evolution of a climatic parameter for a typical time scale of 20 000 years. This approach require the implementation the adjoint code of the evolution model. In a second part, we focus on the spin-up problem. This calibration problem for short term (maximum 100 years) simulations involve retrieving jointly the initial state, the bedrock topography and basal sliding parameters. In order to solve this problem we develop an Ensemble Kalman Filter approach.; L'évolution des calottes polaires est régie à la fois par une dynamique d'écoulement complexe et par des mécanismes tel le glissement à la base, la température de la glace ou le bilan de masse en surface. De plus, de nombreuses boucles de rétroactions sont constatées entre les différents phénomènes impliquées. Tout ceci rend la modélisation de cette évolution complexe. Malgré tout, un certain nombre de modèles ont été développés dans cette optique. Ceux-ci font tous intervenir des paramètres influents qui dans certains cas sont peu ou pas connus. Ils nécessitent donc d'être correctement spécifiés. L'assimilation de données peut permettre une meilleure estimation de ces paramètres grâce à l'utilisation d'observations qui sont peu nombreuses en glaciologie. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la mise en place de systèmes d'assimilation performants pour deux problèmes inverses concernant l'évolution des calottes polaires. Pour mieux nous concentrer sur ce point, nous avons travaillé avec un modèle d'évolution de calotte simplifié (appelé Winnie) qui, cependant, représente bien la plupart des processus complexes de la dynamique de la glace, et permet de travailler à différentes échelles de temps. Dans un premier temps, nous mettons en place une approche 4D-Var pour la reconstruction de l'évolution d'un paramètre climatique influant sur l'évolution d'une calotte sur une échelle de temps typique de 20 000 ans. Elle nécessite notamment l'écriture du code adjoint du modèle. Dans un second temps, nous nous intéressons au problème du spin-up. Ce problème de calibration du modèle pour des simulations à échelle de temps courtes (pas plus de 100 ans) consiste plus particulièrement en la reconstruction conjointe de l'état initial, de la topographie du socle rocheux et des paramètres de glissement basal. Nous développons ici une approche filtre de Kalman d'ensemble pour résoudre ce problème.

Les micro-drones sont des aéronefs sans pilotes de dimensions inférieures à un mètre et de poids inférieur à deux kilogrammes. Ils se distinguent des aéronefs classiques pour plusieurs raisons : un cycle de développement plus court, un coût plus faible, leur facilité d'opération et des configurations de véhicules spécifiques. L'ensemble de ces points attendent une réponse spécifique dans le développement des lois de commandes. Cette thèse s'y intéresse à travers deux problématiques : la commande d'une famille de drones quadrirotors et celle d'un drone hybride. Une famille de drones représente un même concept de véhicule décliné en plusieurs tailles dont on peut faire varier la charge utile ou son emplacement. Les lois de commandes doivent assurer un même niveau de performances malgré ses modifications. Un drone hybride se caractérise par sa capacité à réaliser du vol stationnaire et du vol d'avancement. Ces deux modes de vol ont chacun une dynamique de vol spécifique à laquelle les lois de commandes doivent s'adapter. Cette thèse présente la modélisation de quadrirotors et d'un drone hybride puis détaille une approche de commande adaptative indirecte qui répond aux problèmes introduits. La commande adaptative permet de garantir à l'aide d'un correcteur unique les performances de commande pour de multiples systèmes. Les méthodes d'estimation de paramètres et de synthèse linéaire à paramètres variants du schéma de commande sont décrites, puis, finalement, des résultats d'essais en vol montrent l'apport et les limites de cette approche. Micro Air Vehicle are pilotless aircrafts with dimensions not exceeding one meter and a maximum weight of two kilograms. They are different from classical aircrafts for multiple reasons: a shorter development cycle, a cheaper development, their ease of operation and specific vehicle configurations. All these points expect a specific answer in the development of the control laws of the vehicles. This thesis considers this topic through two particular issues: the control of a family of quadrotors and the control of hybrid micro air vehicle. A family of quadrotor represents a single concept of vehicle but with various sizes, payloads and payload configurations. Control laws must guarantee the same level of performance despite all these modifications. A hybrid micro air vehicle is able to both hover like a helicopter and fly forward like a plane. These two flight modes have specific flight dynamics that the control laws must adapt to. This thesis first presents a model of quadrotors and hybrid micro air vehicle and then details an indirect adaptive control method to tackle both issues. Adaptive control should guarantee performance of multiple controlled systems with a single controller. The parameter estimation and linear parameter varying synthesis method of the adaptive control scheme are described and finally flight test results show the contributions and limits of the approach.

The main objective of the present thesis focuses on the integration of the in-wheel electric motors into the conception and control of road vehicles. The present thesis is the subject of the grant 186-654 (2010-2013) between the Laboratory of Signals and Systems (L2S-CNRS) and the French Institute of Petrol and New Energies (IFPEN). The thesis work has originally started from a vehicular electrification project, equipped with in-wheel electric motors at the rear axle, to obtain a full electric urban use and a standard extra-urban use with energy recovery at the rear axle in braking phases. The standard internal combustion engines have the disadvantage that complex estimation techniques are necessary to compute the instantaneous engine torque. At the same time, the actuators that control the braking system have some delays due to the hydraulic and mechanical circuits. These aspects represent the primary motivation for the introduction and study of the integration of the electric motor as unique propelling source for the vehicle. The advantages brought by the use of the electric motor are revealed and new techniques of control are set up to maximize its novelty. Control laws are constructed starting from the key feature of the electric motor, which is the fact that the torque transmitted at the wheel can be measured, depending on the current that passes through the motor. Another important feature of the electric motor is its response time, the independent control, as well as the fact that it can produce negative torques, in generator mode, to help decelerate the vehicle and store energy at the same time. Therefore, the novelty of the present work is that the in-wheel electric motor is considered to be the only control actuator signal in acceleration and deceleration phases, simplifying the architecture of the design of the vehicle and of the control laws. The control laws are focused on simplicity and rapidity in order to generate the torques which are transmitted at the wheels. To compute the adequate torques, estimation strategies are set up to produce reliable maximum friction estimation. Function of this maximum adherence available at the contact between the road and the tires, an adequate torque will be computed in order to achieve a stable wheel behavior in acceleration as well as in deceleration phases. The critical issue that was studied in this work was the non-linearity of the tire-road interaction characteristics and its complexity to estimate when it varies. The estimation strategy will have to detect all changes in the road-surface adherence and the computed control law should maintain the stability of the wheel even when the maximum friction changes. Perturbations and noise are also treated in order to test the robustness of the proposed estimation and control approaches.; L'objectif principal de cette thèse est l'étude de l'exploitation de systèmes moteurs-roues (machines électriques intégrées à la roue) pour le contrôle de la dynamique véhicule. Cette thèse est issue d'un co-financement (numéro 186-654, 2010-2013) entre le Laboratoire des Signaux et Systèmes (CNRS) et l'Institut Français du Pétrole et Énergies Nouvelles (IFPEN). Les avantages apportés par l'utilisation du moteur électrique sont avérés et de nouvelles techniques de contrôle sont développées pour optimiser son utilisation. Les lois de contrôle basent généralement sur la grandeur principale du moteur électrique: le couple transmis, qui peut être mesuré via le courant consommé. Une autre caractéristique importante du moteur électrique est son temps de réponse, avec le fait qu'il peut produire des couples négatifs, pour ralentir le véhicule, tout en stockant l'énergie. La nouveauté du présent travail est de considérer le moteur-roue électrique comme seul signal de contrôle dans des phases d'accélération et des phases de ralentissement, simplifiant l'architecture de la conception du véhicule et des lois de contrôle. Pour répondre à la demande conducteur tout en préservant un comportement sain du véhicule, des stratégies d'estimation de la limite d'adhérence seront présentées. En fonction de cette adhérence maximale disponible entre la route et les pneus, un couple adéquat sera calculé pour assurer un comportement stable dans des phases d'accélération aussi bien que de freinage. L'aspect critique étudié dans ce travail est la non-linéarité des caractéristiques d'interaction entre la route et le pneu et la complexité de son estimation dans des conditions variables. La stratégie d'estimation devra détecter tous les changements d'adhérence de route et la loi de contrôle calculée devra maintenir la stabilité véhicule même lorsque la friction maximale change. Certaines formes de perturbation et de bruit seront également prises en compte afin de tester la robustesse des approches d'estimation et de contrôle proposés. Parmi les systèmes de sécurité active les plus importants en phase d'accélération, le système de contrôle de traction (TCS) rétablit la traction si les roues commencent à patiner et le programme de stabilité électronique (ESP) intervient pour prévenir une perte menaçante du contrôle latéral du véhicule. Dans le cas du freinage, le système décisif est le système d'antiblocage (ou ABS), qui empêche le blocage des roues. On peut trouver d'autres systèmes embarqués, comme le système de distribution de force de freinage électronique (EBD), qui assure une distribution optimale de la force de freinage transmise aux roues, pour éviter de déraper et assure un ralentissement stable du véhicule. Les systèmes embarqués qui fournissent les estimations doivent être robustes aux bruits de mesure et aux perturbations. A fortiori, ces calculs doivent être faits en temps réel, donc une complexité réduite et une réponse rapide de la loi de contrôle sont nécessaires. Enfin, l'environnement dans lequel le véhicule fonctionne est dynamique, les caractéristiques d'adhérence peuvent varier en fonction de l'état de la route et de la météo. Ainsi, on ne peut prévoir les réactions du conducteur pouvant influencer la réponse globale du véhicule dans des situations d'urgence. Le contrôleur devrait prendre en compte tous ces aspects pour préserver un comportement stable du véhicule. Bien que le contrôle latéral du véhicule présente une importance majeure dans la stabilité globale du véhicule, le présent travail est concentré sur le contrôle longitudinal du véhicule, puisqu'il représente le point de départ de la dynamique véhicule.

The main objective of the present thesis focuses on the integration of the in-wheel electric motors into the conception and control of road vehicles. The present thesis is the subject of the grant 186-654 (2010-2013) between the Laboratory of Signals and Systems (L2S-CNRS) and the French Institute of Petrol and New Energies (IFPEN). The thesis work has originally started from a vehicular electrification project, equipped with in-wheel electric motors at the rear axle, to obtain a full electric urban use and a standard extra-urban use with energy recovery at the rear axle in braking phases. The standard internal combustion engines have the disadvantage that complex estimation techniques are necessary to compute the instantaneous engine torque. At the same time, the actuators that control the braking system have some delays due to the hydraulic and mechanical circuits. These aspects represent the primary motivation for the introduction and study of the integration of the electric motor as unique propelling source for the vehicle. The advantages brought by the use of the electric motor are revealed and new techniques of control are set up to maximize its novelty. Control laws are constructed starting from the key feature of the electric motor, which is the fact that the torque transmitted at the wheel can be measured, depending on the current that passes through the motor. Another important feature of the electric motor is its response time, the independent control, as well as the fact that it can produce negative torques, in generator mode, to help decelerate the vehicle and store energy at the same time. Therefore, the novelty of the present work is that the in-wheel electric motor is considered to be the only control actuator signal in acceleration and deceleration phases, simplifying the architecture of the design of the vehicle and of the control laws. The control laws are focused on simplicity and rapidity in order to generate the torques which are transmitted at the wheels. To compute the adequate torques, estimation strategies are set up to produce reliable maximum friction estimation. Function of this maximum adherence available at the contact between the road and the tires, an adequate torque will be computed in order to achieve a stable wheel behavior in acceleration as well as in deceleration phases. The critical issue that was studied in this work was the non-linearity of the tire-road interaction characteristics and its complexity to estimate when it varies. The estimation strategy will have to detect all changes in the road-surface adherence and the computed control law should maintain the stability of the wheel even when the maximum friction changes. Perturbations and noise are also treated in order to test the robustness of the proposed estimation and control approaches.; L'objectif principal de cette thèse est l'étude de l'exploitation de systèmes moteurs-roues (machines électriques intégrées à la roue) pour le contrôle de la dynamique véhicule. Cette thèse est issue d'un co-financement (numéro 186-654, 2010-2013) entre le Laboratoire des Signaux et Systèmes (CNRS) et l'Institut Français du Pétrole et Énergies Nouvelles (IFPEN). Les avantages apportés par l'utilisation du moteur électrique sont avérés et de nouvelles techniques de contrôle sont développées pour optimiser son utilisation. Les lois de contrôle basent généralement sur la grandeur principale du moteur électrique: le couple transmis, qui peut être mesuré via le courant consommé. Une autre caractéristique importante du moteur électrique est son temps de réponse, avec le fait qu'il peut produire des couples négatifs, pour ralentir le véhicule, tout en stockant l'énergie. La nouveauté du présent travail est de considérer le moteur-roue électrique comme seul signal de contrôle dans des phases d'accélération et des phases de ralentissement, simplifiant l'architecture de la conception du véhicule et des lois de contrôle. Pour répondre à la demande conducteur tout en préservant un comportement sain du véhicule, des stratégies d'estimation de la limite d'adhérence seront présentées. En fonction de cette adhérence maximale disponible entre la route et les pneus, un couple adéquat sera calculé pour assurer un comportement stable dans des phases d'accélération aussi bien que de freinage. L'aspect critique étudié dans ce travail est la non-linéarité des caractéristiques d'interaction entre la route et le pneu et la complexité de son estimation dans des conditions variables. La stratégie d'estimation devra détecter tous les changements d'adhérence de route et la loi de contrôle calculée devra maintenir la stabilité véhicule même lorsque la friction maximale change. Certaines formes de perturbation et de bruit seront également prises en compte afin de tester la robustesse des approches d'estimation et de contrôle proposés. Parmi les systèmes de sécurité active les plus importants en phase d'accélération, le système de contrôle de traction (TCS) rétablit la traction si les roues commencent à patiner et le programme de stabilité électronique (ESP) intervient pour prévenir une perte menaçante du contrôle latéral du véhicule. Dans le cas du freinage, le système décisif est le système d'antiblocage (ou ABS), qui empêche le blocage des roues. On peut trouver d'autres systèmes embarqués, comme le système de distribution de force de freinage électronique (EBD), qui assure une distribution optimale de la force de freinage transmise aux roues, pour éviter de déraper et assure un ralentissement stable du véhicule. Les systèmes embarqués qui fournissent les estimations doivent être robustes aux bruits de mesure et aux perturbations. A fortiori, ces calculs doivent être faits en temps réel, donc une complexité réduite et une réponse rapide de la loi de contrôle sont nécessaires. Enfin, l'environnement dans lequel le véhicule fonctionne est dynamique, les caractéristiques d'adhérence peuvent varier en fonction de l'état de la route et de la météo. Ainsi, on ne peut prévoir les réactions du conducteur pouvant influencer la réponse globale du véhicule dans des situations d'urgence. Le contrôleur devrait prendre en compte tous ces aspects pour préserver un comportement stable du véhicule. Bien que le contrôle latéral du véhicule présente une importance majeure dans la stabilité globale du véhicule, le présent travail est concentré sur le contrôle longitudinal du véhicule, puisqu'il représente le point de départ de la dynamique véhicule.

The purpose of this thesis is on the one hand to study stability of equilibria of some epidemic models and secondly to construct an observer to estimate the non-measured states and a key parameter in a within host model. We propose extensions of classical models SIR, SIRS and SIS and we study the global stability of their equilibria. In presence of multiple pathogen strains, we proved that competitive exclusion principle holds: the strain having the largest threshold wins the competition by eliminating the others. It turns out that the winning strain is the one for which the equilibrium gives the minimum of the susceptible host population. This can be interpreted as pessimization principle. By considering the same model with two strains and a frequency-dependent type of the contact law, we prove that dynamics changes and a coexistence equilibrium exists and it is globally asymptotically stable under some conditions. The asymptotic behavior of the two other boundary equilibria is also established. The stability study of equilibrium states is mainly done by construction of Lyapunov functions combined with LaSalle's invariance principle. We consider an age-structured within-host model of the \textit{Plasmodium falciuparum} parasite with a general infection force. We develop a method to estimate the total parasite burden that cannot be measured by the current methods. To this end, we use some tools from control theory, more precisely observers with unknown inputs, to estimate the non measured states from the measured ones (data). From this, we deduce a method to estimate an unknown parameter that represents infection rate of healthy reed blood cells by the parasites.; L'objectif de cette thèse est d'une part l'étude de la stabilité des équilibres de certains modèles épidémiologiques et d'autre part la construction d'un observateur pour l'estimation des états non mesurés et d'un paramètre clé pour un modèle intra-hôte. Nous proposons des extensions des modèles du type SIR, SIRS et SIS et nous étudions la stabilité globales de leur équilibres. En présence de plusieurs souches de pathogène d'un modèle SIS, on montre que le principe de compétition exclusive est vérifié: la souche qui maximise un seuil remporte la compétition en éliminant les autres souches. Il se trouve aussi que la souche gagnante est celle qui donne à l'équilibre le minimum de population hôte susceptible. Ceci peut-être interprété comme étant un principe de pessimisation. En considérant ce modèle avec cette fois une loi de contact de type fréquence-dépendante, on montre que la dynamique change et qu'un équilibre de coexistence existe et qui est globalement asymptotiquement stable sous certaines conditions. Le comportement asymptotique des deux équilibres frontières est aussi prouvée. L'étude de la stabilité des états d'équilibres est essentiellement faite par la construction des fonctions de Lyapunov combiné avec le principe d'invariance de LaSalle. On considère un modèle intra-hôte structuré en classe d'âge du parasite Plasmodium falciparum avec une force d'infection général. Nous développons une méthode d'estimation de la charge parasitaire totale dont on ne sait mesurée par les méthodes actuellement connues. Pour cela nous utilisons les outils de la théorie du contrôle, plus particulièrement les observateurs à entrées inconnues, pour estimer les états non mesurés à partir des états mesurés (données). De cela nous déduisons une méthode d'estimation d'un paramètre inconnu qui représente le taux d'infection des globules rouges saines par les parasites.

The purpose of this thesis is on the one hand to study stability of equilibria of some epidemic models and secondly to construct an observer to estimate the non-measured states and a key parameter in a within host model. We propose extensions of classical models SIR, SIRS and SIS and we study the global stability of their equilibria. In presence of multiple pathogen strains, we proved that competitive exclusion principle holds: the strain having the largest threshold wins the competition by eliminating the others. It turns out that the winning strain is the one for which the equilibrium gives the minimum of the susceptible host population. This can be interpreted as pessimization principle. By considering the same model with two strains and a frequency-dependent type of the contact law, we prove that dynamics changes and a coexistence equilibrium exists and it is globally asymptotically stable under some conditions. The asymptotic behavior of the two other boundary equilibria is also established. The stability study of equilibrium states is mainly done by construction of Lyapunov functions combined with LaSalle's invariance principle. We consider an age-structured within-host model of the \textit{Plasmodium falciuparum} parasite with a general infection force. We develop a method to estimate the total parasite burden that cannot be measured by the current methods. To this end, we use some tools from control theory, more precisely observers with unknown inputs, to estimate the non measured states from the measured ones (data). From this, we deduce a method to estimate an unknown parameter that represents infection rate of healthy reed blood cells by the parasites.; L'objectif de cette thèse est d'une part l'étude de la stabilité des équilibres de certains modèles épidémiologiques et d'autre part la construction d'un observateur pour l'estimation des états non mesurés et d'un paramètre clé pour un modèle intra-hôte. Nous proposons des extensions des modèles du type SIR, SIRS et SIS et nous étudions la stabilité globales de leur équilibres. En présence de plusieurs souches de pathogène d'un modèle SIS, on montre que le principe de compétition exclusive est vérifié: la souche qui maximise un seuil remporte la compétition en éliminant les autres souches. Il se trouve aussi que la souche gagnante est celle qui donne à l'équilibre le minimum de population hôte susceptible. Ceci peut-être interprété comme étant un principe de pessimisation. En considérant ce modèle avec cette fois une loi de contact de type fréquence-dépendante, on montre que la dynamique change et qu'un équilibre de coexistence existe et qui est globalement asymptotiquement stable sous certaines conditions. Le comportement asymptotique des deux équilibres frontières est aussi prouvée. L'étude de la stabilité des états d'équilibres est essentiellement faite par la construction des fonctions de Lyapunov combiné avec le principe d'invariance de LaSalle. On considère un modèle intra-hôte structuré en classe d'âge du parasite Plasmodium falciparum avec une force d'infection général. Nous développons une méthode d'estimation de la charge parasitaire totale dont on ne sait mesurée par les méthodes actuellement connues. Pour cela nous utilisons les outils de la théorie du contrôle, plus particulièrement les observateurs à entrées inconnues, pour estimer les états non mesurés à partir des états mesurés (données). De cela nous déduisons une méthode d'estimation d'un paramètre inconnu qui représente le taux d'infection des globules rouges saines par les parasites.

International audience; Functional statistics are commonly used to characterize spatial patterns in general and spatial genetic structures in population genetics in particular. Such functional statistics also enable the estimation of parameters of spatially explicit (and genetic) models. Recently, Approximate Bayesian Computation (ABC) has been proposed to estimate model parameters from functional statistics. However, applying ABC with functional statistics may be cumbersome because of the high dimension of the set of statistics and the dependences among them. To tackle this difficulty, we propose an ABC procedure which relies on an optimized weighted distance between observed and simulated functional statistics. We applied this procedure to a simple step model, a spatial point process characterized by its pair correlation function and a pollen dispersal model characterized by genetic differentiation as a function of distance. These applications showed how the optimized weighted distance improved estimation accuracy. In the discussion, we consider the application of the proposed ABC procedure to functional statistics characterizing non-spatial processes.

National audience; Cet article présente l'utilisation d'un tissu biologique végétal comme support pédagogique auprès d'élèves dans une formation EEA de niveau L3 pour les sensibiliser aux interactions entre le champ électrique et le vivant, et les initier à l'électrophysiologie . Il permet de montrer aux élèves le rôle que peut avoir l'E.E.A. et la physique appliquée. dans des disciplines scientifiques très variées, et ici en particulier dans le domaine de la biologie. La partie expérimentale de cet enseignement, inclue une phase d'instrumentation pour la mesure, puis d'extraction des paramètres pour la détermination d'un modèle électrique du tissu biologique et enfin une phase d'étude d'effets induits par un choc électrique sur ce tissu. En s'appuyant sur la mesure d'une bio-impédance dans la gamme [100Hz - 5MHz] les élèves établissent le modèle équivalent électrique du tissu végétal (ici un simple morceau de pomme de terre). Ils mettent en évidence le comportement en fréquence du tissu biologique et sa nature: assemblage de cellules au sein d'un milieu extracellulaire conducteur (conduction ionique). Deux modèles électriques sont confrontés aux mesures expérimentales (modèle de Fricke et de Cole-Cole) par une extraction des paramètres en utilisant la méthode des moindres carrés et comparés pour en voir les limites. Enfin, une fois ces modèles assimilés, les élèves étudient l'évolution de la valeur des paramètres trouvés lors de l'application d'un choc électrique sur le tissu biologique et tente d'analyser ce qui se passe au sein du tissu. Au final, les élèves de L3 y ont vu un regard qu'ils n'imaginaient pas de l'EEA, très appliqué et original à l'aide d'un support étonnant que constitue une pomme de terre.

Nowadays, the use of rotary-wing MAV for observation missions in hostile environments is constantly growing. These aircrafts, through their ability to perform both translation fl ights and hover, are indeed well appropriate for these missions. The study presented in this thesis deals with a new MAV concept called GLMAV (for Gun Launched Micro Aerial Vehicle), which consists in getting very quickly up and running a projectile - MAV hybrid vehicle. The di fficulty in controlling such vehicles is to ensure good trajectory tracking performances while guaranteeing robustness towards aerodynamic disturbances. After a modelling stage, the heart of the thesis introduces various control strategies, both linear and nonlinear, for the autonomous navigation of the MAV. Several approaches allowing the estimation and the consideration into the control of the parasitic eff orts caused by aerodynamic phenomena are also detailed. The eff ectiveness of the control algorithms is then shown through many numerical simulations. From a practical point of view, having a control law is not enough. Indeed, special filtering techniques or specifi c equipments have to be used to reconstruct the system state. The performances of the overall control loop are fi rstly tested in simulation before its implementation on the GLMAV prototype developed by the French-German research Institute of Saint-Louis., De nos jours, l'utilisation des drones miniatures à voilure tournante pour des missions d'observation dans des environnements hostiles est en pleine expansion. Ces appareils, grâce à leurs capacités à combiner le vol de translation avec le vol stationnaire, sont en eff et bien adaptés aux besoins de ces missions. L'étude présentée dans cette thèse concerne un nouveau concept de drone appelé GLMAV (pour Gun Launched Micro Aerial Vehicle), qui consiste à rendre très rapidement opérationnel un véhicule hybride projectile - drone. La di fficulté dans le pilotage de ce type de véhicules est d'assurer de bonnes performances de suivi de trajectoires tout en garantissant une résistance aux perturbations aérodynamiques. Après une étape de modélisation, le cœur de la thèse présente plusieurs stratégies de commande, aussi bien linéaires que non linéaires, permettant la navigation autonome du drone. Plusieurs approches permettant l'estimation et la prise en compte dans la commande des eff orts parasites liés aux phénomènes aérodynamiques sont également détaillées. L'e fficacité de tous les algorithmes de commande est ensuite illustrée par de nombreuses simulations numériques. Du point de vue pratique, une simple loi de commande ne suffi t pas. En eff et, des techniques de filtrage particulières ou des aménagements spécifi ques doivent être utilisés pour reconstruire l'état du drone. Les performances de l'ensemble de la boucle de commande sont d'abord testées en simulation avant l'implantation sur le prototype du GLMAV développé par l'Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis.

This thesis interested on developing a stand-alone photovoltaic system with self-diagnosis possibility. A specific structure has been proposed consisting in a DC hybridization of photovoltaic sources, a Lithium-based battery and supercapacitors. Dynamics models of the boost converter and the current-fed dual-bridge DC-DC converter are proposed and an efficient state observer is proposed to estimate the models equivalent losses' parameters online. It is shown that the estimated parameters can be used in the energy management scheme, with in particular optimisation of the efficiency of paralleled structures. The photovoltaic source optimization is also studied with special attention on shading phenomenon and design of MPPT technique especially on the case of distributed series architecture. Through a specific hybridization structure, State-Of-Health estimation is tested on Li-ion and LiFePO4 batteries. It is shown that the isolated coupled-inductors Cuk converter is very efficient for battery estimation through current injection. Finally, a global energy management scheme is proposed, and the developed stand-alone photovoltaic system is validated to operate as supposed, Cette thèse a pour but le développement d'une source photovoltaïque autonome ayant des capacités d'auto-diagnostic. Un structure d'hybridation spécifique est proposée consistant en une hybridation DC de sources photovoltaïques, d'une batterie au lithium et de supercondensateurs. Des modèles dynamiques des convertisseurs boost conventionnels et de leur variante avec isolation galvanique sont proposés. Un observateur d'état est ensuite présenté pour estimer en ligne les différents paramètres représentant les pertes des convertisseurs. On montre qu'il est possible d'utiliser ces paramètres estimés pour la gestion de l'énergie dans le système, avec en particulier l'optimisation du rendement de structures parallèles. L'optimisation des sources photovoltaïques est aussi étudiée avec une attention particulière accordée aux phénomènes d'ombrage partiel et le design d'un algorithme de maximisation de la puissance produite (MPPT) dans le cas d'une architecture distribuée série. De part une architecture de puissance spécifique, on propose aussi une méthode d'estimation de l'état de santé (SOH) de la batterie qui est validée sur des cellules de batterie Li - ion et LiFePO4. On montre que le convertisseur Cuk isolé avec inductances couplées est parfaitement adapté pour faire du diagnostic en ligne sur les batteries par injection de courant. Enfin, un schéma de gestion de l'énergie global est proposé, et on vérifie le bon fonctionnement de l'ensemble de la source hybride proposée

Ice sheet evolution is both driven by a complex flow dynamics and by physical mechanisms such as basal sliding, ice temperature or surface mass balance. In addition to those, many feedback loops are observed between the different implicated phenomena. That explains how complex is to model this evolution. However several models have been developed in that purpose. These models depend on influential parameters, which often are unfortunately poorly known. So they need to be correctly specified. Data assimilation can give a better estimation of these parameters thanks to observations which are quite rare in glaciology. In this thesis, we work on the setup of efficient data assimilation systems for two inverses problems involving ice sheet evolution. We work with a simplified ice sheet evolution model called Winnie in order to focus on the setup. Nevertheless Winnie takes into account the major complex processes of ice dynamics and can be used for studies with different time scales. The first part of the thesis focuses on developing a 4D-Var approach in order to retrieve the evolution of a climatic parameter for a typical time scale of 20 000 years. This approach require the implementation the adjoint code of the evolution model. In a second part, we focus on the spin-up problem. This calibration problem for short term (maximum 100 years) simulations involve retrieving jointly the initial state, the bedrock topography and basal sliding parameters. In order to solve this problem we develop an Ensemble Kalman Filter approach., L'évolution des calottes polaires est régie à la fois par une dynamique d'écoulement complexe et par des mécanismes tel le glissement à la base, la température de la glace ou le bilan de masse en surface. De plus, de nombreuses boucles de rétroactions sont constatées entre les différents phénomènes impliquées. Tout ceci rend la modélisation de cette évolution complexe. Malgré tout, un certain nombre de modèles ont été développés dans cette optique. Ceux-ci font tous intervenir des paramètres influents qui dans certains cas sont peu ou pas connus. Ils nécessitent donc d'être correctement spécifiés. L'assimilation de données peut permettre une meilleure estimation de ces paramètres grâce à l'utilisation d'observations qui sont peu nombreuses en glaciologie. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la mise en place de systèmes d'assimilation performants pour deux problèmes inverses concernant l'évolution des calottes polaires. Pour mieux nous concentrer sur ce point, nous avons travaillé avec un modèle d'évolution de calotte simplifié (appelé Winnie) qui, cependant, représente bien la plupart des processus complexes de la dynamique de la glace, et permet de travailler à différentes échelles de temps. Dans un premier temps, nous mettons en place une approche 4D-Var pour la reconstruction de l'évolution d'un paramètre climatique influant sur l'évolution d'une calotte sur une échelle de temps typique de 20 000 ans. Elle nécessite notamment l'écriture du code adjoint du modèle. Dans un second temps, nous nous intéressons au problème du spin-up. Ce problème de calibration du modèle pour des simulations à échelle de temps courtes (pas plus de 100 ans) consiste plus particulièrement en la reconstruction conjointe de l'état initial, de la topographie du socle rocheux et des paramètres de glissement basal. Nous développons ici une approche filtre de Kalman d'ensemble pour résoudre ce problème.

Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches est organisé en deux tomes. Le Tome I a pour but de présenter les travaux de recherche effectués durant ma carrière d'enseignant-chercheur (quatorze articles publiés dans des revues internationales avec comité de lecture). Les textes intégraux de ces articles sont réunis dans le Tome II.

Cancer is one of the leading causes of death in Europe. The mechanisms involved in tumour growth are qualitatively known, but we are still unable to precisely predict how a given tumour will evolve, nor estimate with certainty the optimal therapeutic protocol for each patient.It is well understood that mathematical modelling could give part of the answer to these questions. That is why during this thesis we considered the building of mathematical formalisms to describe tumour growth and the action of anti-cancer treatments. In particular, we investigated the molecular to tissular mechanisms of cancer development and angiogenesis through the building of a continuous multi-scale model. We were able to reproduce the effect of anti- angiogenesis treatments on tumour growth, and qualitatively study an optimal therapeutic protocol of anti-angiogenic combined with cytotoxic drugs. This multi-scale model integrates a mathematical representation of the signalling pathways of VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor). We detail the development of this model which is based solely on information available in the literature and dedicated databases. In another approach, we considered a discrete, cell-based model to reproduce the development of spheroid structures of mammary epithelial cells. This model considers the behaviour of these cells when observed while grown in vitro in an appropriate medium. We were able to highlight the different mechanisms involved in the morphogenesis of wild and mutated cells structures.This work shows the importance of the multi-scale formalism we used to integrate the knowledge and data related to the study of cancer treatment.; Les cancers sont l’une des causes majeures de mortalité dans le monde. Les mécanismes en jeu dans la croissance tumorale sont qualitativement connus, mais on se sait pas à l’heure actuelle prédire précisément quel sera le développement d’une tumeur donnée, ni estimer de façon certaine le protocole thérapeutique optimal pour chaque patient. Il est entendu que la modélisation mathématique pourrait apporter des éléments de réponse à ces questions. Durant cette thèse on s'est alors intéressé à la construction de formalismes mathématiques pour décrire la croissance tumorale et l’action de traitement anti-cancéreux. En particulier, on s'est intéressé à la prise en compte des mécanismes aussi bien moléculaires que cellulaires et tissulaires, par la construction d’un modèle continu, multi-échelles, de croissance de tumeur solide et d’angiogenèse. A partir de ce modèle, nous a pu envisager de façon qualitative un protocole optimal de combinaison entre un anti-angiogénique et une chimiothérapie.Le modèle multi-échelles inclut une représentation mathématique des voies de signalisation du VEGF dont on détaille la construction.Dans une autre approche, on a considéré un modèle discret, cellule-centré, reproduisant le développement de sphéroïdes de cellules épithéliales mammaires telles qu’observées lorsque ces cellules sont cultivées in vitro. On a pu mettre en évidence les différents mécanismes cellulaires impliqués dans la morphogenèse de structures composées de cellules saines, et celles composées de cellules mutées.Ces contributions montrent l’intérêt du formalisme multi-échelles adopté pour intégrer les connaissances et données sous-jacentes à l’étude du traitement des tumeurs.

Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging is a well-known technique in the domain of remote sensing, aerospace surveillance, geography and mapping. To obtain images of high resolution under noise, taking into account of the characteristics of targets in the observed scene, the different uncertainties of measure and the modeling errors becomes very important.Conventional imaging methods are based on i) over-simplified scene models, ii) a simplified linear forward modeling (mathematical relations between the transmitted signals, the received signals and the targets) and iii) using a very simplified Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) to do the inversion, resulting in low resolution and noisy images with unsuppressed speckles and high side lobe artifacts.In this thesis, we propose to use a Bayesian approach to SAR imaging, which overcomes many drawbacks of classical methods and brings high resolution, more stable images and more accurate parameter estimation for target recognition.The proposed unifying approach is used for inverse problems in Mono-, Bi- and Multi-static SAR imaging, as well as for micromotion target imaging. Appropriate priors for modeling different target scenes in terms of target features enhancement during imaging are proposed. Fast and effective estimation methods with simple and hierarchical priors are developed. The problem of hyperparameter estimation is also handled in this Bayesian approach framework. Results on synthetic, experimental and real data demonstrate the effectiveness of the proposed approach.; L'imagerie Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO) est une technique bien connue dans les domaines de télédétection, de surveillance aérienne, de géologie et de cartographie. Obtenir des images de haute résolution malgré la présence de bruit, tout en prenant en compte les caractéristiques des cibles dans la scène observée, les différents incertitudes de mesure et les erreurs resultantes de la modélisation, devient un axe de recherche très important.Les méthodes classiques, souvent fondées sur i) la modélisation simplifiée de la scène ; ii) la linéarisation de la modélisation directe (relations mathématiques liant les signaux reçus, les signaux transmis et les cibles) simplifiée ; et iii) l'utilisation de méthodes d'inversion simplifiées comme la Transformée de Fourier Inverse (TFI) rapide, produisent des images avec une résolution spatiale faible, peu robustes au bruit et peu quantifiables (effets des lobes secondaires et bruit du speckle).Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser une approche bayésienne pour l'inversion. Elle permettrais de surmonter les inconvénients mentionnés des méthodes classiques, afin d'obtenir des images stables de haute résolution ainsi qu'une estimation plus précise des paramètres liés à la reconnaissance de cibles se trouvant dans la scène observée.L'approche proposée est destinée aux problèmes inverses de l'imagerie RSO mono-, bi-, et multi- statique ainsi que l'imagerie des cibles à micromouvement. Les a priori appropriés de modélisation permettant d'améliorer les caractéristiques des cibles pour des scènes de diverses natures seront présentées. Des méthodes d'estimation rapides et efficaces utilistant des a priori simples ou hiérarchiques seront développées. Le problème de l'estimation des hyperparameters sera galement traité dans le cadre bayésin. Les résultats relatifs aux données synthétiques, expérimentales et réelles démontrent l'efficacité de l'approche proposée.

Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging is a well-known technique in the domain of remote sensing, aerospace surveillance, geography and mapping. To obtain images of high resolution under noise, taking into account of the characteristics of targets in the observed scene, the different uncertainties of measure and the modeling errors becomes very important.Conventional imaging methods are based on i) over-simplified scene models, ii) a simplified linear forward modeling (mathematical relations between the transmitted signals, the received signals and the targets) and iii) using a very simplified Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) to do the inversion, resulting in low resolution and noisy images with unsuppressed speckles and high side lobe artifacts.In this thesis, we propose to use a Bayesian approach to SAR imaging, which overcomes many drawbacks of classical methods and brings high resolution, more stable images and more accurate parameter estimation for target recognition.The proposed unifying approach is used for inverse problems in Mono-, Bi- and Multi-static SAR imaging, as well as for micromotion target imaging. Appropriate priors for modeling different target scenes in terms of target features enhancement during imaging are proposed. Fast and effective estimation methods with simple and hierarchical priors are developed. The problem of hyperparameter estimation is also handled in this Bayesian approach framework. Results on synthetic, experimental and real data demonstrate the effectiveness of the proposed approach.; L'imagerie Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO) est une technique bien connue dans les domaines de télédétection, de surveillance aérienne, de géologie et de cartographie. Obtenir des images de haute résolution malgré la présence de bruit, tout en prenant en compte les caractéristiques des cibles dans la scène observée, les différents incertitudes de mesure et les erreurs resultantes de la modélisation, devient un axe de recherche très important.Les méthodes classiques, souvent fondées sur i) la modélisation simplifiée de la scène ; ii) la linéarisation de la modélisation directe (relations mathématiques liant les signaux reçus, les signaux transmis et les cibles) simplifiée ; et iii) l'utilisation de méthodes d'inversion simplifiées comme la Transformée de Fourier Inverse (TFI) rapide, produisent des images avec une résolution spatiale faible, peu robustes au bruit et peu quantifiables (effets des lobes secondaires et bruit du speckle).Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser une approche bayésienne pour l'inversion. Elle permettrais de surmonter les inconvénients mentionnés des méthodes classiques, afin d'obtenir des images stables de haute résolution ainsi qu'une estimation plus précise des paramètres liés à la reconnaissance de cibles se trouvant dans la scène observée.L'approche proposée est destinée aux problèmes inverses de l'imagerie RSO mono-, bi-, et multi- statique ainsi que l'imagerie des cibles à micromouvement. Les a priori appropriés de modélisation permettant d'améliorer les caractéristiques des cibles pour des scènes de diverses natures seront présentées. Des méthodes d'estimation rapides et efficaces utilistant des a priori simples ou hiérarchiques seront développées. Le problème de l'estimation des hyperparameters sera galement traité dans le cadre bayésin. Les résultats relatifs aux données synthétiques, expérimentales et réelles démontrent l'efficacité de l'approche proposée.

International audience; BiiPS : un logiciel pour l'inférence bayésienne dans les modèles graphiques utilisant des méthodes de Monte Carlo séquentielles

Bacteria manage to constantly adapt their molecular composition to respond to environmentalchanges. We focus on systems of both metabolic and gene regulation that enablesuch type of adaptation, notably in the context of diauxic growth of Escherichia coli, when itshifts from glucose to acetate as a carbon source. To model a metabolic network, we use anapproximate kinetic formalism called linlog and address methodological issues encounteredwhen performing parameter estimation. We propose a maximum-likelihood method basedon Expectation Maximization for parameter estimation from incomplete datasets. We then apply it to the linlog model of central carbon metabolism. We also propose a method foridentifiability analysis and reduction of nonidentifiable models that we then apply to bothsimulated and experimental datasets. Moreover, we monitored gene expression patterns for agene network involved in the control of diauxie and highlight, by means of kinetic models developedin this study, the role of the global physiological state of the cell in regulation of geneexpression. By addressing methodological challenges encountered with models of metabolicand gene networks, this thesis contributes to future efforts integrating both types of networksinto quantitative models, Les bactéries ajustent constamment leur composition moléculaire pour répondre à deschangements environnementaux. Nous nous intéressons aux systèmes de régulation métabolique et génique permettant une telle adaptation, notamment dans le contexte de la diauxie chez Escherichia coli lors de la transition de croissance sur une source de carbone riche, le glucose, à une source plus pauvre, l’acétate. Afin de modéliser de tels réseaux métaboliques, nous utilisons un formalisme cinétique approché appelé linlog et abordons les problèmes ren- contrés lors de l’estimation de paramètres. Ainsi, nous proposons une méthode d’estimationde paramètres à partir de jeux de données incomplets basée sur l’algorithme EM (“Expec- tation Maximization”) et l’appliquons au modèle linlog du métabolisme central du carbone. Nous proposons également une méthode d’analyse d’identifiabilité et de réduction de modèles non identifiables que nous appliquons ensuite sur des jeux de données simulés ou obtenus expérimentalement. Par ailleurs, nous mesurons des profils temporels d’expression de gènes impliqués dans le contrôle de la diauxie et mettons en évidence, à l’aide de modèles cinétiques développés dans ces travaux, l’importance de la contribution de l’état physiologique de la cellule dans la régulation génique. En se confrontant aux défis méthodologiques rencontrés lors du développement de modèles de réseaux métabolique et génique, cette thèse contribue aux efforts futurs portant sur l’intégration de ces deux types de réseaux dans des modèles quantitatifs.

National audience; Cet article concerne des travaux effectués dans le cadre du 7ème atelier de traduction automatique statistique et du projet ANR COSMAT 1. Ces travaux se focalisent sur l'estimation de paramètres contenus dans une table de traduction. L'approche classique consiste à estimer ces paramètres à partir de fréquences relatives d'éléments de traduction. Dans notre approche, nous proposons d'utiliser le concept de masses de croyance afin d'estimer ces paramètres. La théorie des fonctions de croyances est une théorie très adaptée à la gestion des incertitudes dans de nombreux domaines. Les expériences basées sur notre approche s'appliquent sur la traduction de la paire de langue français-anglais dans les deux sens de traduction. ABSTRACT Feature calculation for Statistical Machine Translation by using belief functions In this paper, we consider the translation of texts within the framework of the 7th Workshop of Machine Translation evaluation task and the COSMAT corpus using a statistical machine translation approach. This work is focused on the translation features calculation of the phrase contained in a phrase table. The classical way to estimate these features are based on the direct computation counts or frequencies. In our approach, we propose to use the concept of belief masses to estimate the phrase probabilities. The Belief Function theory has proven to be suitable and adapted for the management of uncertainties in many domains. The experiments based on our approach are focused on the language pair English-French. MOTS-CLÉS : Traduction automatique statistique, fonctions de croyance, apprentissage automa-tique, estimation de paramètres.

National audience; Les modèles de culture représentent des systèmes vivants très complexes et, donc, ont des niveaux d’erreur élevés. Par conséquent, un point essentiel est de bien connaître le niveau de fiabilité des prédictions de ces modèles car les utilisateurs des modèles ont besoin de connaître le niveau de précision des modèles afin de prendre en considération cette information dans l’analyse des résultats. Nous présentons ici une démarche pour quantifier l’incertitude des sorties du de culture du tournesol (SUNFLO V1) utilisé pour simuler la réponse des variétés de tournesol à l’environnement et à la conduite de culture. Nous illustrons la mise en pratique concrète de cette démarche sur ce modèle encodé sous la plateforme RECORD-VLE au moyen de la librairie R-VLE sous le logiciel de statistique R., ainsi que les difficultés rencontrées. Les principales hypothèses que nous faisons sont de considérer comme source d’incertitude les paramètres des modèles et la variance résiduelle. Pour quantifier les sources d’incertitude, une première méthode mobilisée est l’estimation des paramètres par approche bayésienne avec l’algorithme Metropolis-Hastings within Gibbs codé sous R qui permet d’obtenir la distribution de certains paramètres des modèles et d’estimer la variance résiduelle. Enfin, nous pouvons combiner ces différentes sources d’incertitude dans un plan d’expérience afin de quantifier l’incertitude sur les sorties du modèle sur nos variables d’intérêt. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du projet «Associer un niveau d’erreur aux prédictions des modèles mathématiques pour l’agronomie et l’élevage » (www.modelia.org) mené par l’ACTA et ses partenaires (2010-2012) et financé par le « Compte d'affectation spécial pour le développement agricole et rural » du Ministère de l’Agriculture et de la Pêche.

The miniature rotary wing UAVs are now tending to become the new tools of the soldier, with the versatility of missions they can be used. Their main advantage concerns their ability to combine the hovering and translational fast flight in narrow and congested environments. We propose the study of a new and atypical UAV concept called GLMAV (Gun Launched Micro Air Vehicle), which must bring a hybrid projectile/UAV very quickly on a site of interest, using the energy delivered by a portable weapon. The first task concerns the modelling of the aerodynamic GLMAV model. The parametric identification of the aerodynamic model is then realized from experimental load data, that can be a priori quantified by a persistent-excitability-algebraic-criterion. We then propose two filtering techniques to estimate the unknown aerodynamic parameters but needful to determine the aerodynamic environment in which the vehicle operates. In addition, to compensate the failure of embedded sensors that can affect the linear speed information after the shooting, we propose a reduced-order estimator to conserve a good linear speed information. In both estimation problems we prove the stability of the proposed observers. Finally, we propose a control scheme for the stabilization of the aircraft in the quasistationary flight mode from a linearized GLMAV model. The efficiencies of the proposed methods are illustrated through numerical results and experimental tests, Les drones miniatures à voilures tournantes tendent aujourd'hui à devenir les nouveaux outils du fantassin, grâce à la polyvalence des missions auxquelles ils peuvent être employés. Leur principal atout concerne leur capacité à combiner le vol stationnaire et le vol de translation rapide, dans des environnements étroits et encombrés. Nous proposons ici l'étude d'un nouveau concept de drone atypique appelé GLMAV (Gun Launched Micro Air Vehicle), qui consiste à amener un véhicule hybride projectile/drone très rapidement sur un site d'intérêt éloigné, en utilisant l'énergie fournie par une arme portable. La première tâche concerne la modélisation aérodynamique du GLMAV. L'identification paramétrique du modèle aérodynamique est alors réalisée à partir de données expérimentales d'efforts, que nous pouvons a priori quantifier par un critère algébrique d'excitabilité persistante. Nous proposons ensuite des techniques de filtrage, afin d'estimer les paramètres anémométriques inconnus mais nécessaires pour connaître l'environnement aérodynamique dans lequel l'engin évolue. De plus, pour palier à la défaillance de capteurs embarqués et qui peuvent affecter l'information de vitesse linéaire après le tir, nous proposons un estimateur d'ordre réduit de la vitesse linéaire. Dans ces deux problèmes d'estimation, nous prouvons la stabilité des observateurs proposés. Enfin, nous proposons une structure de commande pour la stabilisation de l'engin en vol quasi-stationnaire à partir d'un modèle de synthèse linéaire. Les efficacités des méthodes proposées sont illustrées par des résultats de simulations numériques et des essais expérimentaux

The miniature rotary wing UAVs are now tending to become the new tools of the soldier, with the versatility of missions they can be used. Their main advantage concerns their ability to combine the hovering and translational fast flight in narrow and congested environments. We propose the study of a new and atypical UAV concept called GLMAV (Gun Launched Micro Air Vehicle), which must bring a hybrid projectile/UAV very quickly on a site of interest, using the energy delivered by a portable weapon. The first task concerns the modelling of the aerodynamic GLMAV model. The parametric identification of the aerodynamic model is then realized from experimental load data, that can be a priori quantified by a persistent-excitability-algebraic-criterion. We then propose two filtering techniques to estimate the unknown aerodynamic parameters but needful to determine the aerodynamic environment in which the vehicle operates. In addition, to compensate the failure of embedded sensors that can affect the linear speed information after the shooting, we propose a reduced-order estimator to conserve a good linear speed information. In both estimation problems we prove the stability of the proposed observers. Finally, we propose a control scheme for the stabilization of the aircraft in the quasistationary flight mode from a linearized GLMAV model. The efficiencies of the proposed methods are illustrated through numerical results and experimental tests; Les drones miniatures à voilures tournantes tendent aujourd'hui à devenir les nouveaux outils du fantassin, grâce à la polyvalence des missions auxquelles ils peuvent être employés. Leur principal atout concerne leur capacité à combiner le vol stationnaire et le vol de translation rapide, dans des environnements étroits et encombrés. Nous proposons ici l'étude d'un nouveau concept de drone atypique appelé GLMAV (Gun Launched Micro Air Vehicle), qui consiste à amener un véhicule hybride projectile/drone très rapidement sur un site d'intérêt éloigné, en utilisant l'énergie fournie par une arme portable. La première tâche concerne la modélisation aérodynamique du GLMAV. L'identification paramétrique du modèle aérodynamique est alors réalisée à partir de données expérimentales d'efforts, que nous pouvons a priori quantifier par un critère algébrique d'excitabilité persistante. Nous proposons ensuite des techniques de filtrage, afin d'estimer les paramètres anémométriques inconnus mais nécessaires pour connaître l'environnement aérodynamique dans lequel l'engin évolue. De plus, pour palier à la défaillance de capteurs embarqués et qui peuvent affecter l'information de vitesse linéaire après le tir, nous proposons un estimateur d'ordre réduit de la vitesse linéaire. Dans ces deux problèmes d'estimation, nous prouvons la stabilité des observateurs proposés. Enfin, nous proposons une structure de commande pour la stabilisation de l'engin en vol quasi-stationnaire à partir d'un modèle de synthèse linéaire. Les efficacités des méthodes proposées sont illustrées par des résultats de simulations numériques et des essais expérimentaux

Microfluidics is a recent technology which one of the main advantages is the miniaturization of the studied phenomena, in any domain (energy, chemistry, biology...). However, measurement techniques (velocity, temperature...) inside microfluidic systems are often difficult to implement. This is why it is important to design a new and efficient measurement tool, adapted to those micro-scales. InfraRed Thermography (IRT) is a powerful mean to measure temperature fields, which can be utilized to estimate thermo-physical properties. The first objective of this work is to develop a set of experimental and numerical methods coupling IRT and microfluidics in order to estimate thermal and fluid flow parameters. Original experimental procedures as well as one parameter inverse methods have been developed. All the developed methods were tested and validated from simulated temperature fields. Experimental measurements permitted to map and quantitatively estimate parameters like velocity, thermal diffusivity and source terms. The second objective is to test the developed methods on real microfluidics applications. Those tests led to excellent results such as chemical reaction enthalpy measurement in micro-reactor, and also the study of water crystallization in micro-channels.; La microfluidique est une technologie récente dont le principal avantage est de pouvoir miniaturiser le phénomène étudié, quelque soit le domaine (énergétique, chimie, biologie...). Cependant les techniques de mesures (vitesses, températures...) au sein des systèmes microfluidiques sont souvent complexes à mettre en oeuvre. C'est pourquoi il est important de mettre en place un nouvel outil de mesure efficace et fournissant des informations à l'échelle de ces microsystèmes. La Thermographie InfraRouge (TIR) est un moyen puissant de mesurer des champs de températures, qui peuvent ensuite être utilisés pour estimer des propriétés thermo-physiques. Le premier objectif de ce travail de thèse est donc de développer un corps de méthodes expérimentales et numériques couplant la TIR et la microfluidique dans le but d'estimer des paramètres fluidiques et thermiques. Une procédure expérimentale originale ainsi que des méthodes inverses à un paramètre ont été développées. Toutes les méthodes développées ont été testées et validées sur des champs de températures simulés numériquement. Les mesures expérimentales ont permis de cartographier et d'estimer quantitativement des paramètres tels que la vitesse, la diffusivité thermique et des sources de chaleur. Le deuxième objectif est de tester les méthodes développées sur des applications microfluidiques concrètes. Ces tests ont aboutis à d'excellents résultats tels que la mesure d'enthalpie de réaction chimique en microréacteurs, ainsi que l'étude de la cristallisation de l'eau en microcanal.

Thèse en co-tutelle : école nationale supérieure des mines de Paris, France et Technische Universität Kaiserlautern, Deutschland; The various uses of fiber-reinforced composites, for example in the enclosures of planes, boats and cars, generates the demand for a detailed analysis of these materials. The final goal is to optimize fibrous materials by the means of "virtual material design''. New fibrous materials are virtually created as realizations of a stochastic model and evaluated with physical simulations. In that way, materials can be optimized for specific use cases, without constructing expensive prototypes or performing mechanical experiments. In order to design a practically fabricable material, the stochastic model is first adapted to an existing material and then slightly modified. The virtual reconstruction of the existing material requires a precise knowledge of the geometry of its microstructure. The first part of this thesis describes a fiber quantification method by the means of local measurements of the fiber radius and orientation. The combination of a sparse chord length transform and inertia moments leads to an efficient and precise new algorithm. It outperforms existing approaches with the possibility to treat different fiber radii within one sample, with high precision in continuous space and comparably fast computing time. This local quantification method can be directly applied on gray value images by adapting the directional distance transforms on gray values. In this work, several approaches of this kind are developed and evaluated. Further characterization of the fiber system requires a segmentation of each single fiber. This task is treated in the second part of this thesis. Using basic morphological operators with specific structuring elements, it is possible to derive a probability for each pixel describing if the pixel belongs to a fiber core in a region without overlapping fibers. Tracking high probabilities leads to a partly reconstruction of the fiber cores in non crossing regions. These core parts are then reconnected over critical regions, if they fulfill certain conditions ensuring the affiliation to the same fiber. In the third part of this work, we develop a new stochastic model for dense systems of non overlapping fibers with a controllable level of bending. Existing approaches in the literature have at least one weakness in either achieving high volume fractions, producing non overlapping fibers, or controlling the bending or the orientation distribution. This gap can be bridged by our stochastic model, which operates in two steps. Firstly, a random walk with the multivariate von Mises-Fisher orientation distribution defines bent fibers. Secondly, a force-biased packing approach arranges them in a non overlapping configuration. Furthermore, we provide the estimation of all parameters needed for the fitting of this model to a real microstructure. Finally, we simulate the macroscopic behavior of different microstructures to derive their mechanical and thermal properties. This part is mostly supported by existing software and serves as a summary of physical simulation applied to random fiber systems. The application on a glass fiber reinforced polymer proves the quality of the reconstruction by our stochastic model, as the effective properties match for both the real microstructure and the realizations of the fitted model. This thesis includes all steps to successfully perform virtual material design on various data sets. With novel and efficient algorithms it contributes to the science of analysis and modeling of fiber reinforced materials.; L'utilisation diversifiée des composites renforcés par des fibres, par exemple dans le corps des avions, des bateaux ou des voitures, génère une demande croissante d'analyse de ces matériaux. Le but final de notre étude réside dans l'optimisation de ces matériaux fibreux à l'aide d'un " schème de conception de matériaux virtuels ". De nouveaux matériaux fibreux sont créés virtuellement en tant que réalisations d'un modèle stochastique, puis évalués par rapport à leurs propriétés physiques. De cette manière, les matériaux peuvent être optimisés pour des cas d'utilisation spécifique, sans réellement construire de coûteux prototypes ou faire des tests mécaniques. La reconstruction virtuelle du matériau réel demande une connaissance précise de la géométrie de sa microstructure. La première partie de cette thèse décrit une méthode de quantification de fibres à l'aide de mesures locales de leurs rayons et de leurs orientations. La combinaison de la transformée " chord length " et des moments d'inertie locaux apporte une méthode efficace et précise pour déterminer ces propriétés. Cette approche surpasse les méthodes existantes par rapport à la possibilité de traiter des fibres de rayons variés, possède une précision accrue, et un temps de calcul rapide. Cette méthode de quantification locale peut être appliquée directement sur des images à niveaux de gris en adaptant la transformée en distances directionnelles dans le cadre des images à niveau de gris. Dans ce travail, plusieurs approches de ce type sont développées et évaluées. Une caractérisation supplémentaire des systèmes de fibres requiert la segmentation de chaque fibres. Ce sujet est traité dans la deuxième partie de cette thèse. Grâce à l'utilisation d'opérateurs morphologiques avec des formes explicites d'élément structurant, il est possible de dériver une probabilité pour chaque pixel, de faire partie du cœur de la fibre dans une région où les fibres ne se croisent pas. En traçant des chemins de probabilité élevée, il est possible de reconstruire des parties non connexes du cœur des fibres. Dans un second temps, ces parties sont reconnectées à travers des zones critiques, sous des contraintes assurant que celles ci font effectivement partie de la même fibre. Dans la troisième partie de ce travail, nous développons un nouveau modèle stochastique de système dense de fibres sans intersection avec un niveau de courbure contrôlable. Les approches existantes de la littérature possèdent au moins une des faiblesses suivantes : la fraction volumique produite n'est pas assez élevée, les fibres peuvent se croiser, la distribution d'orientation ainsi que la courbure des fibres n'est pas contrôlable. Ce manque peut effectivement être comblé avec notre modèle, qui fonctionne en deux étapes. Une première étape utilise une marche aléatoire pour définir des fibres dont la courbure est liée à une distribution de von Mises-fisher. Une deuxième étape utilise un algorithme d'empilement pour produire une configuration sans imbrication. En outre, on propose des estimateurs pour tout les paramètres de notre modèle, afin de l'adapter à une microstructure réelle. Dans la dernière partie du manuscrit, on simule numériquement le comportement macroscopique des différentes microstructures étudiées pour obtenir leurs propriétés mécaniques et thermiques. Cette partie est basée sur des logiciels existants et consiste essentiellement à résumer l'état de l'art de la simulation physique de systèmes de fibres aléatoires. L'application à un polymère renforcé par des fibres de verre démontre la qualité des reconstructions de la microstructure réelle obtenues par notre modèle. Cette thèse inclus toutes les étapes nécessaires pour effectuer la conception de matériaux virtuels. Des algorithmes nouveaux et efficaces ont été développés afin d'enrichir les connaissances et les possibilités d'analyse et de modélisation des matériaux composites renforcés par des fibres.

This thesis deals with mathematical modeling of tumor growth. Firstly, we present a parameter estimation method. More precisely, it consists in recovering the position of the tumor blood vessel, starting from imaging. The first step is to design a particular vascularization, then we compute the tumor growth with this blood-vessel network by using a model based on partial differential equations and hence we try to recover the initial vascularization solving the inverse problem. We show that the estimated vasculature could be used to efficiently predict the future tumor growth. In the second part of this thesis, we introduce a class of models dedicated to glioma, adapted both to low grade and multiform glioblastoma. In order to take into account their specificities, we include mainly two effects in the model : on the one hand, the infiltrate behaviors of gliomas, and on the other hand, the impact of brain heterogeneity, of brain anisotropy and of brain geometry on the tumor growth. Our models allow us to evaluate the efficiency of anti-angiogenic drugs and to compare it with the effect of drugs inhibiting the invasion ability of glioma. The models have been implemented in 2D and 3D in actual geometry provided by an atlas.; Les travaux présentés dans le cadre de cette thèse traitent de la modélisation mathématique de la croissance tumorale. La première partie de cette thèse traite de l'estimation des paramètres. Plus précisément, il s'agit de déterminer la vascularisation d'une tumeur à partir de sa dynamique. Pour cela, nous générons à partir d'un modèle d'équations aux dérivées partielles l'évolution en temps de la densité de cellules tumorales. Ensuite, nous résolvons des problèmes inverses afin de retrouver la densité de vascularisation correspondante. Nous montrons que la vascularisation estimée permet de prédire efficacement la croissance future de la tumeur. Dans un second temps, nous introduisons une classe de modèles pour la croissance de gliomes qui sont adaptés à la fois aux gliomes de bas grades et aux glioblastomes multiformes. Afin de tenir compte des spécificités des gliomes, le modèle prend en considération le caractère infiltrant de ce type de tumeur ainsi que l'hétérogénéité, l'anisotropie et la géométrie du cerveau. Nos modèles permettent d'étudier l'efficacité des traitements anti-angiogéniques et de la comparer à celle d'un traitement qui inhiberait la capacité d'invasion de gliomes. Les modèles ont été implémentés en 2D et en 3D dans des géométries réalistes obtenues grâce à un atlas.

Les changements de contexte économique, réglementaire et environnementaux auxquels la production agricole doit faire face nécessitent d'évaluer de nouvelles stratégies de gestion conjointe de l'irrigation et de la fertilisation pour blé dur. Le travail de thèse a suivi un double objectif : i) adapter le modèle de culture STICS à différents cultivars de blé dur, et ii) concevoir un modèle de décision des pratiques de fertilisation azotée et d'irrigation. Une base de données comportant 373 traitements expérimentaux issus de douze années climatiques a été constituée à partir d'expérimentations réalisées avant la thèse à l'INRA et ARVALIS puis mobilisée pour conduire le travail d'adaptation et d'évaluation du modèle de culture. L'adaptation du modèle de culture a consisté dans un premier temps en un travail d'estimation de paramètres par optimisation mathématique pour sept cultivars de blé dur. Une analyse comparative de trois démarches a permis de sélectionner la démarche pertinente pour obtenir un modèle précis et robuste pour la simulation du rendement, de la teneur en azote des grains et des variables intermédiaires (Biomasse aérienne, surface foliaire, quantité d'azote absorbée) dans différents contextes pédo-climatiques (large gamme de niveaux de nutrition hydrique et azotée). Cette étude fournit un cadre méthodologique pour l'estimation des paramètres des modèles de culture. Les résultats de ce travail ont de plus démontré que le modèle de culture, avec son formalisme initial, n'était pas sensible à l'effet du fractionnement de la fertilisation sur la quantité d'azote et la teneur en azote des grains. L'adaptation est appréhendée dans un deuxième temps par la modification du formalisme d'accumulation de l'azote dans les grains par l'introduction d'un formalisme inspiré du modèle AZODYN. La modification n'a pas amélioré suffisamment la sensibilité du modèle à l'effet du fractionnement sur la teneur en azote des grains. Le manque de données expérimentales en phase post-floraison et notamment la dynamique de la sénescence foliaire n'a pas permis d'améliorer la capacité du modèle de culture à simuler les processus d'absorption d'azote du sol après la floraison. A partir d'une enquête auprès de 29 irrigants de blé dur, les pratiques et les stratégies de fertilisation azotée et d'irrigation, ainsi que les décisions stratégiques et tactiques ont été identifiées et formalisées dans un modèle de décision. Une évaluation de stratégies conçues sur la base des résultats d'enquêtes est proposée comme illustration de l'utilisation du modèle STICS adapté au blé dur et du modèle de décision formalisé. Le couplage informatique du modèle de culture STICS au modèle de décision permettra de disposer d'un modèle bio-décisionnel et ainsi pourra être utilisé pour concevoir et évaluer des stratégies de gestion conjointe de l'irrigation et de la fertilisation azotée du blé dur adaptées au contexte des exploitations agricoles. ABSTRACT : Changes in economic, regulatory and environmental context of agricultural production raise the need for research to evaluate and propose new strategies for joint management of irrigation and fertilization for durum wheat. The thesis had two objectives: i) adapting the simulation crop model STICS to different durum wheat cultivars, and ii) designing a decision model for nitrogen fertilization and irrigation practices. A database containing 373 experimental treatments carried out by INRA and ARVALIS before this PhD work was established and mobilized to conduct the adaptation and the evaluation of crop model. The adaptation of the crop model was first conducted through durum wheat parameter estimation by mathematical optimization. A comparative analysis of three approaches was conducted to select an appropriate approach to obtain an accurate and robust crop model for the simulation of grain yield, grain nitrogen content and intermediate variables (biomass, leaf area, amount of nitrogen absorbed) in different soil and climatic conditions. This study provided a methodological framework for crop models parameters estimation. The results of this study showed that the crop model, with its original formalism, was not sensitive to the effect of splitting of fertilization on the grain nitrogen content and protein concentration. The adaptation was then conducted through the modification of the formalism of nitrogen accumulation in grains by introducing a formalism inspired the AZODYN crop model. The modification did not significantly improve the model's sensitivity to the effect of N splitting on the nitrogen content of grain. The results of this study call into question the ability of crop model to simulate the absorption process of nitrogen after flowering. Unfortunately the lack of data concerning post-flowering leaf area dynmaics did not allow improving the model. From a survey of 29 irrigators, practices and strategies of nitrogen fertilization and irrigation, as well as strategic and tactical decisions have been identified and formalized in a decision model. An evaluation of strategies based on survey results is given as an illustration of the potential use of the STICS soil-crop model and the decision rules identified and formalised. The coupling of the crop model to the model decision will allow proposing and evaluating strategies adapted to the farm context for joint management of irrigation and nitrogen fertilization of durum wheat.

The study of paleofluids by using fluid inclusions analysis is an important challenge in geochemistry. The LA-ICPMS technique allows enlarging the field of possibilities by determining the cationic content in fluid inclusions. Three aims, with LA-ICPMS as the thesis centre, are developed here: (i) the calibration of LA-ICPMS associated with a work on chimiometry give the possibility of this analytical technique and experimental protocol adapted; (ii) The development of a calculation method based on Pitzer’s themodynamic model. The quantification of cationic content (trace and major elements) is improved. In parallel, a software is developed to facilitate the processing of raw signal, (iii) the study of different targets is made. The Cl/Br concentration ratios are used to get information of the fluids origin. Then, a analysis on four different natural targets linked with silver deposits is realized. The last point is the feasabilty of the determination of rare earth element in fluid inclusion of Mac Arthur River (Uranium deposit, Canada), L’étude des inclusions fluides individuelles, témoin des paléofluides, pose des défis analytiques majeurs aux géochimistes. La mise au point de la technique LA-ICPMS ouvre des perspectives prometteuses. Un triple objectif autour de l’utilisation de LA-ICPMS pour l’analyse d’inclusions fluides définit cette thèse. Tout d’abord, un travail basé sur la chimiométrie permettant de définir un protocole expérimental adaptable a été couplé à la réalisation de courbes de calibrage sur 3 à 4 ordres de grandeur pour tous les éléments analysés. Le développement d’une démarche rigoureuse basée sur un traitement du signal et un modèle thermodynamique a permis la quantification du contenu ionique (éléments majeurs et traces) des inclusions fluides. Le développement d’un logiciel de traitement des données est venu finaliser cet objectif. Enfin, l’étude de différentes cibles naturelles a été divisée en trois parties. Les halogénures Cl, Br et I sont des informations utiles dans l’étude de l’origine des fluides. Une approche originale basée sur la courbe de calibration de Br a permis d’analyser dans trois types de fluides différents les rapports Cl/Br. La seconde étude a porté sur l’analyse de l’argent et d’autres éléments des paragénèses contenus dans les fluides de différents gisements argentifères. La dernière partie est basée sur la faisabilité d’obtenir les concentrations des terres rares dans des inclusions fluides favorables

How do neurons dynamically encode and treat information? Each neuron communicates with its distinctive language made of long silences intermitted by occasional spikes. The spikes are prompted by the pooled effect of a population of pre-synaptic neurons. To understand the operation made by single neurons is to create a quantitative description of their dynamics. The results presented in this thesis describe the necessary elements for a quantitative description of single neurons. Almost all chapters can be unified under the theme of adaptation. Neuronal adaptation plays an important role in the transduction of a given stimulation into a spike train. The work described here shows how adaptation is brought by every spike in a stereotypical fashion. The spike-triggered adaptation is then measured in three main types of cortical neurons. I analyze in detail how the different adaptation profiles can reproduce the diversity of firing patterns observed in real neurons. I also summarize the most recent results concerning the spike-time prediction in real neurons, resulting in a well-founded single-neuron model. This model is then analyzed to understand how populations can encode time-dependent signals and how time-dependent signals can be decoded from the activity of populations. Finally, two lines of investigation in progress are described, the first expands the study of spike-triggered adaptation on longer time scales and the second extends the quantitative neuron models to models with active dendrites.

Cette thèse porte sur la segmentation d'images OCT cutanées. Cette modalité d'imagerie permet de visualiser les structures superficielles avec une profondeur de l'ordre du millimètre. En dermatologie, elle permet d'explorer l'épiderme et sa jonction avec le derme. Cependant, les images OCT sont sévèrement affectées par le bruit speckle. Ce phénomène conjugué à la complexité inhérente aux structures de la peau rend l'interprétation des images difficile même pour des experts. L'approche classique consiste à filtrer le speckle avant de faire des traitements de segmentation. A l'inverse, dans cette thèse nous exploitons exclusivement le bruit comme information pour segmenter. Notre approche repose sur la modélisation statistique du speckle. La segmentation se fait par classification des paramètres de ce modèle probabiliste. Ainsi, - On montre que le speckle ne suit pas une loi Rayleigh, comme cela est établi analytiquement. - On ajuste plusieurs lois de probabilité à l'amplitude OCT; et on montre que celle-ci est distribuée selon la loi Gamma généralisée. - On établit que les paramètres de cette loi discriminent statistiquement les couches de la peau. - On conçoit une méthode de segmentation par classification des paramètres locaux du speckle. Les nombreuses expérimentations faites sur plusieurs corpus d'images in-vivo confirment la validité de notre approche.

Clinical data is more and more complex, with an explosion of imaging techniques and measurements. Numeric heart models can integrate and analyse these various data by adapting (personalising) them to each patient. These personalised models aim to improve the diagnosis and to find the therapies (e.g. pacing location and delays for cardiac resynchronisation therapy) that are best suited for each patient. This thesis proposes a framework to personalise an electromechanical model from time series of 3D images (such as cine-MRI or CT-scan). This personalization consists in estimating the state of the heart model (i.e. position/velocity) together with the electrical and mechanical parameters of the given electromechanical model. In this thesis, we mainly focus on estimation of the cardiac motion and of the parameters of contractility of the model. The first part of this thesis describes our improvements of the modelisation of the cardiac phases and a sensitivity analysis. The second part reports our generalisation of the segmentation and motion tracking with deformable models commonly used for the analysis of medical images. This generalisation consists in coupling a proactive deformable model with 3D images sequences. Finally, we propose a method to automatically estimate the active mechanical parameters of the model from 3D images sequences. The main issue arises from the strong non-linearity generated by the phase switches. We address this issue using variational assimilation of image data. The gradient of the error function is computed with the adjoint state method. These methods (motion/active mechanical parameters estimation) are evaluated on synthetic data and applied to clinical cine-MRI and CT-scan. This work is a first step towards the complete personalisation of the heart model and opens up possibilities for the optimisation of a therapy for each patient., Les données cliniques disponibles pour le diagnostic et la planification de thérapies sont de plus en plus variées et complexes, ce qui apporte des informations plus riches, mais rend la tâche du médecin difficile. Les modèles informatiques de cœur peuvent intégrer et analyser ces données en s'adaptant à chaque patient de manière à proposer au médecin une vue intégrée ainsi que des paramètres intrinsèques. Cependant, il faut pour cela mettre en place des méthodes d'ajustement automatique de ces modèles mathématiques aux données du patient. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie pour personnaliser un modèle électromécanique à partir de séquences temporelles d'images volumiques telles que des séquences ciné-IRM ou scanner. Cette personnalisation consiste en l'estimation de l'état (position/vitesse) et des paramètres électriques et mécaniques du modèle électromécanique. Nous nous intéressons ici à l'estimation du mouvement cardiaque et des paramètres de contractilité du modèle électromécanique. Dans un premier temps, la modélisation des différentes phases cardiaques a été améliorée et une étude de sensibilité a été effectuée. Puis, les approches de segmentation et de suivi du mouvement par modèles déformables ont été généralisées en couplant un modèle déformable proactif avec des séquences d'images 3D. Cette méthode est évaluée sur des données synthétiques et appliquée à des séquences ciné-IRM ou scanner. Enfin, une méthode d'estimation automatique des paramètres de contractilité à partir de séquences d'images 3D est proposée, la principale difficulté provenant des non-linéarités liées aux changements de phases. La méthode proposée est fondée sur l'assimilation de données variationnelle et le gradient du critère d'erreur est calculé à l'aide de la méthode de l'état adjoint. Cette méthode est évaluée sur des données synthétiques avant d'être appliquée à des ciné-IRM cliniques. Cette thèse pose des bases de la personnalisation du modèle électromécanique du cœur et ouvre des perspectives pour l'optimisation des traitements selon le patient considéré.

Photodynamic therapy (PDT) is a treatment of dysplastic tissues such as cancers. Mainly, it involves the selective uptake and retention of the photosensitizing drug (photosensitizer, PS) in the tumor, followed by its illumination with light of appropriate wavelength. The PS activation is thought to produce, after multiple intermediate reactions, singlet oxygen at high doses (in the presence of molecular oxygen) and thereby to initiate apoptotic and necrotic death of tumor. The PDT efficiency stems from the optimal interaction between these three factors: photosensitizing agent (its chemical and photobiological properties), light (illumination conditions) and oxygen (its availability in the target tissue). The relative contribution of each of these factors has an impact on the effectiveness of treatment. It is a dynamic process and the objective of the thesis is to characterize it by a mathematical model. The points raised relate primarily to the determination of a dynamic model of the photodynamic phase (production of singulet oxygen), to the global analyses of identifiability and sensitivity of the parameters of the model thus built. The main difficulties of this work are the nonlinearity structure of the photophysical model, the large range of possible values (up to four decades) of the unknown parameters, the lack of information (only one measured variable over six state variables), the limited degrees-of-freedom for the choice of the laser light stimulus (input variable).Another issue concerns the links between the non-identifiability of parameters and the properties of global sensitivity functions. Two relationships between these two concepts are presented. We stress the need to remain cautious about the parameter identifiability conclusions based on the sensitivity study. In perspective, these results could lead to the development of new approaches to test the non-identifiability of parameters in an experimental framework.; La thérapie photodynamique (PDT) est un traitement médical destiné à certains types de cancer. Elle utilise un agent photosensibilisant qui se concentre dans les tissus pathologiques est qui sera. Cet agent est ensuite activé par une lumière d'une longueur d'onde précise produisant, après une cascade de réactions, des espèces réactives de l'oxygène qui endommagent les cellules cancéreuses.Cette thèse aborde les analyses d'identifiabilité et de sensibilité des paramètres du modèle dynamique non linéaire retenu.Après avoir précisé différents cadres d'analyse d'identifiabilité, nous nous intéressons plus particulièrement à l'identifiabilité a posteriori, pour des conditions expérimentales fixées, puis à l'identifiabilité pratique, prenant en plus en compte les bruits de mesure. Pour ce dernier cadre, nous proposons une méthodologie d'analyse locale autour de valeurs particulières des paramètres. En ce qui concerne l'identifiabilité des paramètres du modèle dynamique de la phase photocytotoxique de la PDT, nous montrons que parmi les dix paramètres localement identifiables a posteriori, seulement l'un d'entre eux l'est en pratique. Néanmoins, ces résultats locaux demeurent insuffisants en raison des larges plages de variation possibles des paramètres du modèle et nécessitent d'être complétés par une analyse globale.Le manque de méthode visant à tester l'identifiabilité globale a posteriori ou pratique, nous a orientés vers l'analyse de sensibilité globale de la sortie du modèle par rapport à ses paramètres. Une méthode d'analyse de sensibilité globale fondée sur l'étude de la variance a permis de mettre en évidence trois paramètres sensibilisants.Nous abordons ensuite les liens entre les analyses globales d'identifiabilité et de sensibilité des paramètres, en employant une décomposition de Sobol'. Nous montrons alors que les liens suivants existent : une fonction de sensibilité totale nulle implique un paramètre non-identifiable; deux fonctions de sensibilité colinéaires impliquent la non-identifiabilité mutuelle des paramètres en question ; la non-injectivité de la sortie par rapport à un de ses paramètres peut aussi entrainer la non-identifiabilité du paramètre en question mais ce dernier point ne peut être détecté en analysant les fonctions de sensibilité uniquement. En somme, la détection des paramètres non globalement identifiables dans un cadre expérimental donné à partir de résultats d'analyse de sensibilité globale ne peut être que partielle. Elle permet d'observer deux (sensibilité nulle ou négligeable et sensibilités corrélées) des trois causes de la non-identifiabilité.

Photodynamic therapy (PDT) is a treatment of dysplastic tissues such as cancers. Mainly, it involves the selective uptake and retention of the photosensitizing drug (photosensitizer, PS) in the tumor, followed by its illumination with light of appropriate wavelength. The PS activation is thought to produce, after multiple intermediate reactions, singlet oxygen at high doses (in the presence of molecular oxygen) and thereby to initiate apoptotic and necrotic death of tumor. The PDT efficiency stems from the optimal interaction between these three factors: photosensitizing agent (its chemical and photobiological properties), light (illumination conditions) and oxygen (its availability in the target tissue). The relative contribution of each of these factors has an impact on the effectiveness of treatment. It is a dynamic process and the objective of the thesis is to characterize it by a mathematical model. The points raised relate primarily to the determination of a dynamic model of the photodynamic phase (production of singulet oxygen), to the global analyses of identifiability and sensitivity of the parameters of the model thus built. The main difficulties of this work are the nonlinearity structure of the photophysical model, the large range of possible values (up to four decades) of the unknown parameters, the lack of information (only one measured variable over six state variables), the limited degrees-of-freedom for the choice of the laser light stimulus (input variable). Another issue concerns the links between the non-identifiability of parameters and the properties of global sensitivity functions. Two relationships between these two concepts are presented. We stress the need to remain cautious about the parameter identifiability conclusions based on the sensitivity study. In perspective, these results could lead to the development of new approaches to test the non-identifiability of parameters in an experimental framework., La thérapie photodynamique (PDT) est un traitement médical destiné à certains types de cancer. Elle utilise un agent photosensibilisant qui se concentre dans les tissus pathologiques est qui sera. Cet agent est ensuite activé par une lumière d'une longueur d'onde précise produisant, après une cascade de réactions, des espèces réactives de l'oxygène qui endommagent les cellules cancéreuses. Cette thèse aborde les analyses d'identifiabilité et de sensibilité des paramètres du modèle dynamique non linéaire retenu. Après avoir précisé différents cadres d'analyse d'identifiabilité, nous nous intéressons plus particulièrement à l'identifiabilité a posteriori, pour des conditions expérimentales fixées, puis à l'identifiabilité pratique, prenant en plus en compte les bruits de mesure. Pour ce dernier cadre, nous proposons une méthodologie d'analyse locale autour de valeurs particulières des paramètres. En ce qui concerne l'identifiabilité des paramètres du modèle dynamique de la phase photocytotoxique de la PDT, nous montrons que parmi les dix paramètres localement identifiables a posteriori, seulement l'un d'entre eux l'est en pratique. Néanmoins, ces résultats locaux demeurent insuffisants en raison des larges plages de variation possibles des paramètres du modèle et nécessitent d'être complétés par une analyse globale. Le manque de méthode visant à tester l'identifiabilité globale a posteriori ou pratique, nous a orientés vers l'analyse de sensibilité globale de la sortie du modèle par rapport à ses paramètres. Une méthode d'analyse de sensibilité globale fondée sur l'étude de la variance a permis de mettre en évidence trois paramètres sensibilisants. Nous abordons ensuite les liens entre les analyses globales d'identifiabilité et de sensibilité des paramètres, en employant une décomposition de Sobol'. Nous montrons alors que les liens suivants existent : une fonction de sensibilité totale nulle implique un paramètre non-identifiable; deux fonctions de sensibilité colinéaires impliquent la non-identifiabilité mutuelle des paramètres en question ; la non-injectivité de la sortie par rapport à un de ses paramètres peut aussi entrainer la non-identifiabilité du paramètre en question mais ce dernier point ne peut être détecté en analysant les fonctions de sensibilité uniquement. En somme, la détection des paramètres non globalement identifiables dans un cadre expérimental donné à partir de résultats d'analyse de sensibilité globale ne peut être que partielle. Elle permet d'observer deux (sensibilité nulle ou négligeable et sensibilités corrélées) des trois causes de la non-identifiabilité.

This thesis is concerned with the estimation of the dynamical parameters of one or multiple targets moving through an area which is ''watched'' by a sensor network. The first part deal with performance analysis for data association, in a target tracking environment. Effects of misassociation are considered in a simple (linear) multiscan framework so as to provide closed-form expressions of the probability of correct association. Via rigorous calculations the effect of dimensioning parameters is analyzed. Remarkably, it is possible to derive very simple expressions of the probability of correct association which are independent of the scenario kinematic parameters. In a second part, we are especially interested by fusing binary information at the network level. This binary information is related to the local target behavior; i.e. its distance from a given sensor is increasing (-) or decreasing (+). However, in this rich framework we choose to focus on even simpler observations so as to put in evidence the limits and the difficulties of the decentralized binary framework. More specifically, the binary sequences {-,+} can be (locally) summarized by the times of closest point approach (cpa). So, we consider that the available observations, at the network level, are the estimated values of the cpa times. The analysis is also greatly simplified if we assume that the target motion is rectilinear and uniform or a leg-by-leg one. In the case of a single-leg trajectory, we resort to a simple maximum-likelihood estimator, while for the case of multiple-leg trajectories other methods are presented. Then, we finally present a new algorithm for target tracking within a binary sensor network. The novel tracking method is proposed and its performance through a very classical trajectory model is evaluated. We finally try to extend the algorithm to multiple target tracking.; Cette thèse s'intéresse à l'estimation des paramètres du mouvement d'une ou plusieurs cibles évoluant au sein d'une zone surveillée par un réseau de capteurs. Dans une première partie nous proposons de déterminer de façon exacte l'influence de paramètres d'influence du pistage à l'aide de la détermination d'une expression explicite d'une probabilité de bonne association. Nous parvenons à extraire l'influence de ces variables à l'aide de l'utilisation de méthodes numériques. Dans un deuxième temps nous nous intéressons à un type de capteurs bien particuliers. Nous supposons en effet que nous disposons de l'instant de plus grande proximité entre la cible et chaque capteur du réseau. A partir de ces données partielles, nous nous proposons de reconstruire la trajectoire de la cible. Après avoir montré que nous ne pouvions estimer conjointement la position et la vitesse de la cible, nous proposons des méthodes d'estimation du vecteur vitesse dans divers cas de trajectoire envisagés. Enfin, nous étudions dans la troisième partie de ce document le cas d'un réseau de capteurs binaires directionnels. Après une étude rapide sur l'estimation du vecteur vitesse dans le cas d'un mouvement rectiligne uniforme, nous étendons notre approche au cas ou le mouvement de la cible suivrait une marche aléatoire gaussienne, et nous proposons un nouvel algorithme permettant d'estimer conjointement les vecteurs vitesse et position. Nous proposons enfin une solution d'extension de notre algorithme au suivi multicible. Nous présentons dans chacun des scénarios des résultats de simulation illustrant les performances des méthodes proposées.

National audience

These works, which were conducted in a research group designing neuromimetic analog integrated circuits based on the Hodgkin-Huxley model, deal with the parameter estimation of biological neuron models. The first part of the manuscript tries to bridge the gap between neuron modeling and optimization. We focus our interest on the Hodgkin-Huxley model because it is used in the group for designing the neuromimetic circuits. There already existed an estimation method associated to the voltage-clamp technique. Nevertheless, this classical estimation method does not allow to extract precisely all parameters of the model, also in the second part, we propose an alternative method to jointly estimate all parameters of one ionic channel, avoiding the usual approximations. This method is based on the differential evolution algorithm. The third chapter is divided into three sections : the first two sections present the application of our new estimation method to two different problems, model fitting from biological data and development of an automated tuning of neuromimetic chips. In the third section, we propose an estimation technique using only membrane voltage recordings – easier to measure than ionic currents. Finally, the fourth and last chapter is a numerical experimentation preparing the implementation of small neural networks on neuromimetic chips. More specifically, we try to study the influence of cellular intrinsic properties on the global behavior of a neural network in the context of gamma oscillations., Ces travaux de thèse, réalisés dans une équipe concevant des circuits analogiques neuromimétiques suivant le modèle d'Hodgkin-Huxley, concernent la modélisation de neurones biologiques, plus précisément, l'estimation des paramètres de modèles de neurones. Une première partie de ce manuscrit s'attache à faire le lien entre la modélisation neuronale et l'optimisation. L'accent est mis sur le modèle d'Hodgkin- Huxley pour lequel il existait déjà une méthode d'extraction des paramètres associée à une technique de mesures électrophysiologiques (le voltage-clamp) mais dont les approximations successives rendaient impossible la détermination précise de certains paramètres. Nous proposons dans une seconde partie une méthode alternative d'estimation des paramètres du modèle d'Hodgkin-Huxley s'appuyant sur l'algorithme d'évolution différentielle et qui pallie les limitations de la méthode classique. Cette alternative permet d'estimer conjointement tous les paramètres d'un même canal ionique. Le troisième chapitre est divisé en trois sections. Dans les deux premières, nous appliquons notre nouvelle technique à l'estimation des paramètres du même modèle à partir de données biologiques, puis développons un protocole automatisé de réglage de circuits neuromimétiques, canal ionique par canal ionique. La troisième section présente une méthode d'estimation des paramètres à partir d'enregistrements de la tension de membrane d'un neurone, données dont l'acquisition est plus aisée que celle des courants ioniques. Le quatrième et dernier chapitre, quant à lui, est une ouverture vers l'utilisation de petits réseaux d'une centaine de neurones électroniques : nous réalisons une étude logicielle de l'influence des propriétés intrinsèques de la cellule sur le comportement global du réseau dans le cadre des oscillations gamma.

In this work, we are interested in estimating solute transport parameters in a porous medium whith a low permeability, from a theoretical and applied point of view in connection with the storage of long-lived nuclear waste in deep geological layer. In recent years, the problem of nuclear waste management has become a major concern of society. The mathematical models used for storing waste in deep level are based on the flow and transport equations in porous media. These models require the knowledge of the physical parameters of the different geological layers. Since those parameters (porosity and diffusion) are not directly accessible by measurements, we studied firstly the aspect of parameters identification in fixed areas. To solve this inverse problem, we used deterministic (or variational) methods based on the minimization of a quadratic criterion (or cost function) with the objective of finding all the parameters that minimize the criterion. We have broken down the media in homogeneous areas in which the coefficients have been identified (zonation technique). For this, we differentiated the convection-diffusion code Traces with the automatic differentiation software Tapenade to get the adjoint code of Traces. In a second step, we used this work to solve the zones identification problem. Starting from a modified geological configuration, we searched for the actual geological configuration by identifying the parameters whose supports are these zones. Then, by grouping the identified coefficients by isovalues, we obtained the real configuration.; Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'estimation des paramètres de transport de solutés dans un milieu poreux peu perméable, d'un point de vue théorique et appliqué, en lien avec le stockage des déchets nucléaires à vie longue en couche géologique profonde. La problématique de la gestion des déchets nucléaires est devenue durant ces dernières années une préoccupation importante de la société. Les modèles mathématiques utilisés pour le stockage des déchets en site profond sont basés sur les équations d'écoulement et de transport en milieu poreux. Ces modèles nécessitent de connaître les paramètres physiques des différentes couches géologiques. Ces paramètres (porosité et diffusion) n'étant pas accessibles directement, nous avons dans un premier temps étudié l'aspect identification de paramètres à zones fixées. Pour résoudre notre problème inverse, nous avons utilisé des méthodes déterministes (ou variationnelles) basées sur la minimisation d'un critère (ou fonction coût) quadratique, l'objectif étant de trouver l'ensemble des paramètres qui minimisent le critère. Nous avons décomposé le milieu en zones homogènes dans lesquelles les coefficients ont été identifiés (technique de zonation). Pour cela, nous avons différentié le code de convection-diffusion Traces avec le logiciel de différentiation automatique Tapenade afin d'obtenir le code adjoint de Traces. Dans un second temps, nous avons utilisé ce travail pour résoudre le problème d'identification de zones. On a cherché, partant d'une configuration géologique modifiée, à retrouver la configuration géologique réelle en identifiant les paramètres qui ont pour support ces zones. En regroupant ensuite par isovaleurs les coefficients identifiés, nous avons obtenu la configuration recherchée.