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In this thesis, we are interested in solving some inverse problems for fractional differential equations. An inverse problem is usually ill-posed. The concept of an ill-posed problem is not new. While there is no universal formal definition for inverse problems, Hadamard [1923] defined a problem as being ill-posed if it violates the criteria of a well-posed problem, that is, either existence, uniqueness or continuous dependence on data is no longer true, i.e., arbitrarily small changes in the measurement data lead to indefinitely large changes in the solution. Most difficulties in solving ill-posed problems are caused by solution instability. Inverse problems come into various types, for example, inverse initial problems where initial data are unknown and inverse source problems where the source term is unknown. These unknown terms are to be determined using extra boundary data. Fractional differential equations, on the other hand, become an important tool in modeling many real-life problems and hence there has been growing interest in studying inverse problems of time fractional differential equations. The Non-Integer Order Calculus, traditionally known as Fractional Calculus is the branch of mathematics that tries to interpolate the classical derivatives and integrals and generalizes them for any orders, not necessarily integer order. The advantages of fractional derivatives are that they have a greater degree of flexibility in the model and provide an excellent instrument for the description of the reality. This is because of the fact that the realistic modeling of a physical phenomenon does not depend only on the instant time, but also on the history of the previous time, i.e., calculating timefractional derivative at some time requires all the previous processes with memory and hereditary properties.; Dans cette thèse, nous nous intéressons à résoudre certains problèmes inverses pour des équations différentielles aux dérivées fractionnaires. Un problème inverse est généralement mal posé. Un problème mal posé est un problème qui ne répond pas à l’un des trois critères de Hadamard pour être bien posé, c’est-à-dire, soit l’existence, l’unicité ou une dépendance continue aux données n'est plus vraie, à savoir, des petits changements dans les données de mesure entraînent des changements indéfiniment importants dans la solution. La plupart des difficultés à résoudre des problèmes mal posés sont causées par l’instabilité de la solution. D’autre part, les équations différentielles fractionnaires deviennent un outil important dans la modélisation de nombreux problèmes de la vie réelle et il y a eu donc un intérêt croissant pour l’étude des problèmes inverses avec des équations différentielles fractionnaires. Le calcul fractionnaire est une branche des mathématiques qui fait référence à l’extension du concept de dérivation classique à la dérivation d’ordre non entier. Calculer une dérivée fractionnaire à un certain moment exige tous les processus précédents avec des propriétés de mémoire. C’est l’avantage principal du calcul fractionnaire d’expliquer les processus associés aux systèmes physiques complexes qui ont une mémoire à long terme et / ou des interactions spatiales à longue distance. De plus, les équations différentielles fractionnaires peuvent nous aider à réduire les erreurs découlant de paramètres négligés dans la modélisation des phénomènes physiques.

More than 340 non-eclipsing binaries of A-F stars as primaries at intermediate periods (100-1000 d) were newly found by uninterrupted photometry with ultra high-precision taken over 4 yr by Kepler space mission via the phase modulation of pulsating stars, and their orbital parameters, which were difficult to measure with conventional methods and were very incomplete, were then determined. This asteroseismic finding of binaries tripled the number of intermediate-mass binaries with full orbital solutions, and opened a new window to statistics of binaries. We outline the methods of finding non-eclipsing binaries by photometry and of deriving the orbital parameters, and demonstrate their validation. Statistical study of the newly discovered binaries along with the known spectroscopic binaries near A-F main-sequence are then presented, converting distribution in the mass-function into the mass-ratio distribution with the help of Abel-type integral equation., Comment: 16 pages, 11 figures, Bulletin de la Societe Royale des Sciences de Liege, the proceedings of the Liege workshop "How Much do we Trust Stellar Models?", 10-12 September 2018

Cardiac catheterization has evolved from being initially received with great skepticism to becoming a standard for the diagnosis and treatment of cardiovascular disease. A myriad of derived techniques like balloon angioplasty, intravascular imaging, as well as valve and stent implantation are now routine procedures for interventional cardiologists. Despite these and other great advances in cardiovascular medicine, cardiovascular disease (CVD) still represents the main cause of mortality, accounting for as much as one out of three deaths worldwide. Due to the complexity of CVD, it has become the field of study of researchers among various disciplines in hopes to reduce the burden of the disease. One of such disciplines is mechanics, that applies its principles and approaches to create innovative tools to diagnose, prevent and treat CVD.The present thesis belongs to the field of cardiovascular biomechanics and aims to develop tools that can be of assistance to physicians in the diagnosis and treatment of coronary artery disease. This dissertation is divided into two parts:Part I: Imaging the atherosclerotic plaque in clinics, is related to the identification and assessment of coronary atherosclerotic plaque with the presentation of a novel palpography algorithm based on continuum mechanics theory.First, it was investigated whether gray-scale IVUS images are enough for obtaining an accurate elasticity map to assess plaque composition and evolution. Indeed, it was concluded that radiofrequency (RF) data provides more detailed data than b-mode IVUS images. Then a novel anisotropic elasticity-palpography algorithm is described. It computes an apparent elasticity of the plaque from radiofrequency signals obtained through IVUS images. The derivation of an anisotropic index (AI) that can be related to the mechanical properties of the arterial wall, along with a first validation using simulated IVUS images based on real patient geometries of atherosclerotic and healthy plaques is presented. Using this new palpography algorithm, a study was that aimed to validate this technique in vitro was performed. Polyvinyl-alcohol (PVA) cryogel vascular phantoms were fabricated, two of them with increased anisotropy. The phantoms were imaged with IVUS and their mechanical properties were obtained using different characterization techniques. Then, the anisotropy indices modeld with the experimental results and the ones computed with the algorithm were compared.Part II: Balloon angioplasty is focused on the treatment of coronary plaque and analyzes the mechanical properties of the balloons used for coronary angioplasty.First, the visco-elasto-plastic mechanical characterization of a specific balloon catheter model, the Maverick2 from Boston Scientific, is presented. Geometrical measurements using different microscopy techniques, balloon inflation tests, tensile tests and high-speed images are used to describe the mechanical behavior of the balloon components. The previous results are used in to define a model that can accurately predict the viscoelasto-plastic behavior of the angioplasty balloon film. These results could be used as the basis for a model to predict the inflation behavior of the angioplasty balloon during consecutive inflations in clinics., En dépit des grandes avancées dans le domaine de la recherche médicale, les maladies cardiovasculaires (MCV) représentent toujours l’une des causes principales de mortalité dans le monde, et sont globalement responsables d’un tiers des décès dus à des maladies. En raison de la diversité et de la complexité de ces MCV, les recherches dans des domaines variés tels que la biomécanique, médecine, biologie, anatomopathologie, pharmacologie et imagerie se sont accrues. Ces recherches multidisciplinaires se développent dans l’espoir de mieux comprendre ces pathologies afin de mieux les traiter, ainsi que de réduire les coûts hospitaliers liés aux traitements des patients. Mes travaux de thèse rentrent dans ce cadre-là et s’inscrivent dans le champ de la Biomécanique Cardiovasculaire lié aux maladies coronariennes. Ils visent à développer de nouveaux outils d’aide au diagnostic médical pour la cardiologie interventionnelle.Mon rapport doctoral comporte deux parties :Dans la 1ère partie, je m’intéresse à l’imagerie de la plaque coronarienne obtenue à partir de l’exploration endovasculaire par ultrason (IVUS) pratiquée en clinique et plus particulièrement en utilisant le signal radio-fréquence (RF) IVUS. Le risque de rupture d’une plaque d’athérome coronarienne vulnérable (PV) est lié à la composition composite de sa lésion athéromateuse. Les proximités de tissus biologiques très différents engendrent des gradients d’élasticité importants responsables de concentrations de contraintes de fortes amplitudes, pouvant potentiellement rompre la PV. La mécanique des milieux continus va nous aider à identifier les propriétés mécaniques de tous les constituants de la PV à partir des séquences IVUS obtenues sur patients. Plusieurs études développées au sein de notre laboratoire TIMC (telles que la Palpographie isotrope, la Modulographie isotrope) permettent une quantification préliminaire des propriétés mécaniques de tous les constituants de la lésion. Au sein de cette 1ère partie, je décris dans un premier temps ces techniques existantes, puis dans un 2ème temps je détaille et explique mes travaux de recherche développés lors de ma thèse dans ce domaine d’imagerie. J’ai essayé de répondre aux deux questions essentielles suivantes : 1) Peut-on travailler directement avec le signal IVUS b-mode disponible en routine clinique pour visualiser l’élasticité de la lésion athéromateuse? , et 2) Est-il possible d’améliorer la technique existante de palpographie isotrope afin de tenir compte des propriétés anisotropes de la lésion et de la paroi vasculaire? . Afin d’y répondre, j’ai mené des études à la fois théoriques et expérimentales pour tester les performances des nouveaux outils d’imagerie IVUS proposés.Dans la 2ème partie de ma thèse, je me suis intéressée à l’angioplastie par ballonnet et plus précisément aux propriétés viscoélasto-plastiques du ballon. En effet, il est essentiel pour le cardiologue de prendre en compte l’évolution des propriétés mécaniques du ballon lors de son utilisation répétée, et cela afin de permettre un acte chirurgical plus précis lors du gonflement du ballonnet au sein des artères coronariennes pathologiques. Cette dernière étude peut servir de base au développement d’un modèle biomécanique plus complet permettant de prédire l’évolution de la courbe pression-diamètre du ballon lors de son utilisation et plus particulièrement lors de ses gonflements consécutifs en utilisation clinique.

Spectral tomodensitometry is a new emerging x-ray imaging modality. If the dual-energy principle was already known for quite some time, new developments on photon-counting detectors now allowing acquiring more energy bins than before. This modality allows reducing some artifacts presents in x-ray imaging, such as beam hardening, but mostly to decompose the data into the chemical composition of the imaged tissue. It also enables the use of new markers (i.e. gold) with an energic discontinuity. The use of these markers also allows to locate and quantify them in the patient, granting great potential for medical imaging. Decomposition in the projection domain followed by a tomographic reconstruction is a classical processing for those spectral data. However, decomposition methods in the projection domain are unstable for a high number of energy bins. Classical calibration technic is numerically unstable for more than two energy bins. This thesis aims to developed new material decomposition methods in the projections domains. After expressing the spectral forward model, the decomposition problem is expressed and dealt as a non-linear inverse problem. It will be solved by minimizing a cost function composed by a term characterizing the fidelity of the decomposition regarding the data and an \textit{a priori} of the decomposed material maps. We will firstly present an adaptation of the cost function that takes into account the Poissonian noise on the data. This formulation allows having better decomposed maps for a high level of noise than classical formulation. Then, two constrained algorithms will be presented. The first one, a projected Gauss-Newton algorithm, that enforces positivity on the decomposed maps, allows having better decomposed maps than an unconstrained algorithm. To improve the first algorithm, another one was developed that also used an egality constrain. The equality allows having images with fewer artifacts than before. These methods are tested on a numerical phantom of a mouse and thorax. To speed up the decomposition process, an automatic choice of parameters is presented, which allow faster decomposition while keeping good maps. Finally, the methods are tested on experimental data that are coming from a spectral scanner prototype., La tomodensitométrie spectrale est une modalité d’imagerie par rayons X émergente. Si le principe de la double énergie est plus ancien, des développements récents sur des détecteurs à comptage de photons permettent d’acquérir des données résolues en énergie sur plusieurs plages. Cette modalité permet de réduire un certain nombre d’artéfacts classiques dont ceux liés au durcissement de spectre, mais surtout de remonter à la composition chimique des tissus. Les données spectrales permettent également d’utiliser de nouveaux agents de contraste (comme l’or par exemple) qui présentent des discontinuités énergétiques. La possibilité d’utiliser d’autres marqueurs et de quantifier leurs présences dans le patient donne à cette modalité un fort potentiel dans le domaine de l’imagerie médicale. Une approche classique pour le traitement des données spectrales est d’effectuer une décomposition en base de matériaux préalables à la reconstruction tomographique. Cependant, les méthodes de décomposition dans le domaine des projections avec un grand nombre de plages d’énergies n’en sont qu’à leurs débuts. Les techniques classiques par calibration, ne sont plus numériquement stables lorsqu’il y a plus de deux plages disponibles. Le but de cette thèse est de développer de nouvelles méthodes de décomposition des données spectrales dans le domaine des projections. Après avoir formalisé le problème direct de la tomodensitométrie spectrale, le problème de décomposition en base de matériaux sera exprimé et traité comme un problème inverse non linéaire. Il sera résolu en minimisant une fonction de coût incluant un terme caractérisant la fidélité de la décomposition par rapport aux données et un \textit{a priori} sur les cartes de matériaux projetées. Ces travaux présenteront tout d’abord une adaptation de la fonctionnelle prenant en compte la nature Poissonienne du bruit. Cette formulation permet d’obtenir de meilleures décompositions pour de forts niveaux de bruit par rapport à la formulation classique. Ensuite, deux algorithmes de minimisation incluant une contrainte de positivité additionnelle seront proposés. Le premier, un algorithme de Gauss-Newton projeté, permet d’obtenir des cartes rapidement et de meilleure qualité que des méthodes non contraintes. Pour améliorer les résultats du premier algorithme, une seconde méthode, de type ADMM, ajoute une contrainte d’égalité. Cette contrainte a permis de diminuer les artefacts présents dans l’image. Ces méthodes ont été évaluées sur des données numériques de souris et de thorax humain. Afin d’accélérer et de simplifier les méthodes, un choix automatique des hyperparamètres est proposé qui permet de diminuer fortement le temps de calcul tout en gardant de bonnes décompositions. Finalement, ces méthodes sont testées sur des données expérimentales provenant d’un prototype de scanner spectral.

Congrès Français de Thermique, Nantes, France, 03-/06/2019 - 06/06/2019; Le présent travail introduit une méthode inverse d'identification de paramètres vis-à-vis d'une quantité d'intérêt en thermique du bâtiment. Cette méthode peut présenter un intérêt pour l'identification de caractéristiques thermiques d'enveloppes de bâtiments existants en vue de réaliser des diagnostics de performances énergétiques représentatifs de leur comportement réel.Contrairement aux méthodes standard de résolution de problèmes inverses telles que la méthode de régularisation de Tikhonov, qui ont pour objectif de recaler l'ensemble des paramètres du modèle afin de reproduire, le plus fidèlement possible, les données mesurées, la méthode d'identification de paramètres vis-à-vis d'une quantité d'intérêt est formulée pour la prédiction robuste de quantités physiques prédéfinies. Cette méthode n'identifie que les paramètres du modèle auxquels la quantité d'intérêt recherchée est sensible. Elle permet ainsi de minimiser l'instrumentation et de réduire le temps de calcul. Une première application à l'échelle de l'enveloppe a permis de constater que la méthode d'identification de paramètres de modèles vis-à-vis d'une quantité d'intérêt présente une plus faible sensibilité au bruit de mesure par rapport aux méthodes usuelles. Afin de réduire les temps de calcul, la méthode inverse est couplée à une méthode de réduction de modèles de type PGD (Proper Generalized Decomposition). La stratégie développée a été appliquée à un modèle R6C2 sur un chalet de l'équipement d'excellence « Sense-City » et les résultats obtenus ont été comparés à ceux de la méthode de Tikhonov. On constate que la méthode proposée permet l'identification robuste des quantités d'intérêt recherchées en quelques itérations, avec une erreur inférieure à 5% et en ne recalant que les paramètres auxquels elles sont sensibles. Pour valider ces résultats sur un modèle représentatif de bâtiments réels, comprenant plusieurs zones thermiques et un plus grand nombre de paramètres, une application sur le bâtiment R+1 de la mini-ville « Sense-City » est actuellement en cours d'étude.

Dans le contexte actuel de dérèglement climatique et d'épuisement des ressources, la réduction des consommations énergétiques finales du secteur résidentiel/tertiaire représente un enjeu majeur. En France, ce secteur compte pour environ 45% des consommations énergétiques finales. De plus, le parc immobilier est constitué majoritairement de bâtiments anciens et énergivores et son taux de renouvellement annuel est très faible (1% à 2%), raisons pour lesquelles les bâtiments existants représentent un important gisement d'économies d'énergie. Avant d'entreprendre des travaux de rénovation énergétique d'un bâtiment, il est nécessaire d'estimer sa consommation réelle. Ceci requiert une bonne connaissance de ses caractéristiques thermiques. Des méthodes inverses, couplant des modèles physiques et des mesures peuvent être utilisées à cet effet. La présente thèse introduit une méthode inverse d'identification de paramètres de modèles vis-à-vis d'une quantité d'intérêt. Contrairement aux méthodes inverses standards telles que la méthode de régularisation de Tikhonov qui visent à minimiser l'écart entre mesures et résultats de simulation en recalant l'ensemble des paramètres du modèle, l'approche proposée est formulée pour l'amélioration de la prédiction de quantités d'intérêt. Seuls les paramètres auxquels celles-ci sont sensibles sont mis à jour. Pour optimiser le temps de calcul, cette méthode inverse est utilisée en combinaison avec la méthode de réduction de modèles (Proper Generalized Decomposition). La PGD méthode inverse est appliquée à des mesures réelles issues de l'instrumentation de deux bâtiments de l'équipement d'excellence « Sense-City ». Les résultats obtenus montrent que, comme attendu, la méthode proposée n'identifie que les paramètres auxquels les quantités d'intérêt sont le plus sensibles. La méthode d'identification de paramètres vis-à-vis d'une quantité d'intérêt converge plus rapidement comparée à la méthode de Tikhonov. Enfin, cette approche peut être appliquée à des bâtiments réels en situation d'occupation et étendue à l'échelle du quartier. Elle peut également être exploitée pour du positionnement optimal de capteurs. In the current context of climate change and resources depletion, reducting the final energy consumption of the building sector is a major challenge. In France, the sector accounts for about 45% of the final energy consumption. In addition, the building stock consists mainly of old and energy-intensive buildings. Thus the existing buildings represent a major source of energy savings. This work introduces an original inverse strategy for model parameter identification that can be used for onsite building characterization in view of energy performance assessment and as a tool of decision-making during energy retrofitting of existing buildings. Unlike the standard global inverse approaches such as Tikhonov regularization method that aim at identifying all the model parameters in order to best fit the measurement data, the goal-oriented inverse method is formulated for a robust prediction of a quantity of interest. Thus, it only updates the model parameters that most affect the computation of the sought quantity of interest. In order to optimize the computation time, the goal-oriented inverse method is combined with the Proper Generalized Decomposition (PGD) model order reduction method. The proposed identification strategy is applied to two existing buildings which are part of the equipment ?Sense-City? that were instrumented for this purpose. The results show that the goal-oriented inverse method robustly predicts the sought quantities of interest by only updating the model parameters to which they are sensitive and it converges faster than the Tikhonov regularization method. Finally, the proposed inverse strategy can be applied to occupied buildings and extended to the district scale. It can also be used for the optimal location of sensors.

In this thesis, we are interested in solving some inverse problems for fractional differential equations. An inverse problem is usually ill-posed. The concept of an ill-posed problem is not new. While there is no universal formal definition for inverse problems, Hadamard [1923] defined a problem as being ill-posed if it violates the criteria of a well-posed problem, that is, either existence, uniqueness or continuous dependence on data is no longer true, i.e., arbitrarily small changes in the measurement data lead to indefinitely large changes in the solution. Most difficulties in solving ill-posed problems are caused by solution instability. Inverse problems come into various types, for example, inverse initial problems where initial data are unknown and inverse source problems where the source term is unknown. These unknown terms are to be determined using extra boundary data. Fractional differential equations, on the other hand, become an important tool in modeling many real-life problems and hence there has been growing interest in studying inverse problems of time fractional differential equations. The Non-Integer Order Calculus, traditionally known as Fractional Calculus is the branch of mathematics that tries to interpolate the classical derivatives and integrals and generalizes them for any orders, not necessarily integer order. The advantages of fractional derivatives are that they have a greater degree of flexibility in the model and provide an excellent instrument for the description of the reality. This is because of the fact that the realistic modeling of a physical phenomenon does not depend only on the instant time, but also on the history of the previous time, i.e., calculating timefractional derivative at some time requires all the previous processes with memory and hereditary properties., Dans cette thèse, nous nous intéressons à résoudre certains problèmes inverses pour des équations différentielles aux dérivées fractionnaires. Un problème inverse est généralement mal posé. Un problème mal posé est un problème qui ne répond pas à l’un des trois critères de Hadamard pour être bien posé, c’est-à-dire, soit l’existence, l’unicité ou une dépendance continue aux données n'est plus vraie, à savoir, des petits changements dans les données de mesure entraînent des changements indéfiniment importants dans la solution. La plupart des difficultés à résoudre des problèmes mal posés sont causées par l’instabilité de la solution. D’autre part, les équations différentielles fractionnaires deviennent un outil important dans la modélisation de nombreux problèmes de la vie réelle et il y a eu donc un intérêt croissant pour l’étude des problèmes inverses avec des équations différentielles fractionnaires. Le calcul fractionnaire est une branche des mathématiques qui fait référence à l’extension du concept de dérivation classique à la dérivation d’ordre non entier. Calculer une dérivée fractionnaire à un certain moment exige tous les processus précédents avec des propriétés de mémoire. C’est l’avantage principal du calcul fractionnaire d’expliquer les processus associés aux systèmes physiques complexes qui ont une mémoire à long terme et / ou des interactions spatiales à longue distance. De plus, les équations différentielles fractionnaires peuvent nous aider à réduire les erreurs découlant de paramètres négligés dans la modélisation des phénomènes physiques.

The detection of pre-cancerous biological tissues during clinical diagnosis is made possible by the development of optical spectroscopic methods, also known as optical biopsy. These methods make it possible to identify changes in the metabolism and structure of biological tissues. In this thesis, optical measurements are performed on skin tissues using an optical device that integrates two modalities: spatially resolved diffuse reflectance and autofluorescence. Spectra exploitation involves solving a non-linear inverse problem to estimate the optical properties using a light-tissue interaction model. From these optical properties, it is possible to characterize the condition of the tissue, healthy or abnormal. The first contribution of the thesis is to propose an inversion method that integrates a fast Monte Carlo model and a cost function managing two spectral modalities in order to improve the accuracy of the estimation of optical properties, regardless of the geometry of the probe. The second contribution is to study the kinetics of fluorophores present in tissues by a source separation approach, which does not require the use of a Monte Carlo model. In this approach, a collection of spectra acquired over time is analyzed together, with few a priori assumptions about the shape of the source signals. The sensitivity of this approach is validated by the use of optical clearing that increase tissue transparency by decreasing photon diffusion and absorption in tissues, thus providing access to more accurate in-depth information., La détection de tissus biologiques pré-cancéreux au cours d’un diagnostic clinique est rendue possible grâce au développement de méthodes spectroscopiques optiques, appelées également biopsie optique. Ces méthodes permettent de mettre en évidence les modifications du métabolisme et de la structure des tissus biologiques. Dans cette thèse, les mesures optiques sont réalisées sur les tissus cutanés à l’aide d’un instrument intégrant deux modalités : la réflectance diffuse résolue spatialement et l’autofluorescence. L’exploitation des spectres consiste à résoudre un problème inverse non-linéaire pour estimer les propriétés optiques du milieu sondé à l’aide d’un modèle d’interaction lumière-tissu. À partir de ces propriétés optiques, la caractérisation de l’état du tissu, sain ou anormal, est possible. La première contribution de la thèse est de proposer une méthode d'inversion qui intègre une simulation Monte Carlo rapide et une fonction coût gérant les deux modalités spectrales dans le but d’améliorer la précision de l’estimation des propriétés optiques, quelle que soit la géométrie de la sonde. La deuxième contribution de la thèse est d'étudier la cinétique des fluorophores présents dans les tissus par une approche de séparation de sources, qui ne nécessite pas le recours à une simulation Monte Carlo. Dans cette approche, une collection de spectres acquis au cours du temps est analysée conjointement, avec peu d'hypothèses a priori de la forme des signaux sources. La sensibilité de cette approche est validée par l’emploi d’agents de clarification optique qui augmentent la transparence des tissus en diminuant la diffusion et l’absorption des photons dans les tissus, et donnent ainsi accès à des informations plus précises en profondeur.

Magneto- and Electro-encephalography (M/EEG) are two non-invasive functional imaging modalities which measure the electromagnetic activity of the brain. These tools are used in cognitive studies as well as in clinical applications as, for example, epilepsy. Besides the presentation of some background material about the M/EEG modalities, this thesis describes two main contributions. The first one is a method for a fast approximation of a set of EEG forward problem solutions, parametrized by tissue conductivity values. This forward problem consists in computing how a specific cortical activity would be measured by EEG sensors. The main advantage of our method is that it significantly accelerates the computation time, while controlling the approximation error. Head tissue conductivity values vary across subjects and it might be interesting to estimate them from the EEG data. Our method is an important step towards an efficient solution of such a head tissues conductivity estimation problem. The second contribution is a novel source reconstruction method, which estimates extended cortical sources explaining the M/EEG measurements. The main originality of the method is that instead of providing a unique reconstruction, as the majority of the state-of-the-art methods do, it proposes several equally valid candidates. We validated both our contributions on simulated and real M/EEG data., La Magnéto- et l'Electro-encéphalographie (M/EEG) sont deux modalités d'imagerie fonctionnelle non invasives qui mesurent l'activité électromagnétique du cerveau. Ces techniques sont utilisées pour des études cognitives ainsi que pour des applications cliniques, comme l'épilepsie. Après une présentation de quelques notions de base sur ces modalités M/EEG, cette thèse développe deux contributions principales. La première est une méthode d’approximation efficace d’un ensemble de solutions de problèmes directs d’EEG paramétrés par des valeurs de conductivité pour différents tissus. Ce problème direct consiste à calculer comment une activité corticale spécifique serait mesurée par des capteurs EEG. Le principal avantage de notre méthode est qu’elle accélère considérablement le temps de calcul tout en contrôlant l'erreur d'approximation. Les valeurs de conductivités des tissus de la tête varient selon les sujets et il serait intéressant de les estimer à partir des données EEG. Notre méthode est un pas important pour la résolution efficace d'un tel problème d'estimation de conductivités. La deuxième contribution est une nouvelle méthode de reconstruction de sources qui estime des configurations de sources corticales étendues expliquant les mesures M/EEG. La principale originalité de cette méthode réside dans le fait qu’au lieu de fournir une reconstruction unique, comme le font la majorité des méthodes de l’état de l'art, elle propose plusieurs solutions candidates valables. Nous avons validé nos deux contributions sur des données M/EEG simulées et réelles.

This thesis presents the development of Micromegas gaseous detectors for muon tomography. This technique use cosmic muons, resulting from interactions between cosmic rays and the atmosphere to image objects of large dimensions and opacity such as buildings, concrete slabs, volcanoes or pyramids such as the Khufu's pyramid in Egypt. By studying the attenuation of the muon flux through objects, we can access their internal structure. To image such structures and detect muons passing through them, muon telescopes using Micromegas detectors are used. Many efforts have been developed during this thesis to improve the spatial resolution and gas performance of the latter.One of the main goal of this thesis is to image a concrete slab, which dimensions were 2000 mm x 1000 mm x 500 mm. Firstly, a study on the detection of defects in this slab was carried out. Thanks to an algorithm developed during this thesis, a 15cm wide default can be detected with a 98% confidence level from 4h of data collection. Subsequently, a two-dimensional feasibility study, in the plan of the slab length, was carried out in order to reconstruct the density map of the concrete slab. To do this, we need to solve what is commonly referred to as the inverse problem: estimating the parameters of an object based on the data collected. Here the density of the concrete slab will play the role of parameters to be estimated and the flux of muons that have passed through the slab and collected by our detectors will play the role of data. After analysing the different systematic problem analyses, we can reconstruct the density of a concrete slab, with a thickness resolution of 125mm and a length resolution of 437.5mm, with a maximum relative error of 12%., Cette thèse porte sur le développement des détecteurs gazeux Micromegas pour la tomographie muonique. Cette technique permet d’utiliser les muons cosmiques issus des interactions entre des rayons cosmiques et l’atmosphère, afin d’imager des objets de grandes dimensions et de grande opacité tels que des bâtiments, des dalles de béton, des volcans ou encore des pyramides comme la pyramide de Khéops en Égypte. En étudiant l’atténuation du flux de muons à travers un objet, nous pouvons obtenir des informations sur sa structure interne. Pour imager de telles structures et détecter les muons qui les traversent, des télescopes muoniques utilisant des détecteurs Micromegas sont utilisés. Les travaux effectués pendant cette thèse ont eu pour but d'améliorer les performances en résolution spatiale et en gaz de ces détecteurs.Un des objectifs de cette thèse a été d’imager une dalle de béton de 2 m de longueur, 1 m de largeur et 50 cm d’épaisseur. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude sur la détection de défauts dans cette dalle. Grâce à un algorithme développé pendant cette thèse, un trou de 15 cm de côté peut être détecté avec un niveau de confiance de 98% à partir de 4h de prise de données. Par la suite, nous avons réalisé une étude de faisabilité en deux dimensions, dans le plan de la longueur de la dalle, afin de pouvoir reconstruire la carte de densité de la dalle de béton. Pour ce faire, nous avons dû résoudre ce qu'on appelle le problème inverse : l’estimation des paramètres d’un objet en fonction des données collectées. Ici la densité de la dalle de béton joue le rôle de paramètres à estimer et le flux de muons ayant traversés la dalle et collectés par nos détecteurs celui de données. Après analyses des différentes systématiques du problème, nous pouvons reconstruire la densité d’une dalle de béton, avec une résolution en épaisseur de 125 mm et une résolution en longueur de 437.5 mm, avec une erreur relative maximale de 12%.

The estimation of solutions of the inverse problem of Electrocardiography (ECG) represents a major interest in the diagnosis and catheter-based therapy of cardiac arrhythmia. The latter consists in non-invasively providing 3D images of the spatial distribution of cardiac electrical activity based on anatomical and electrocardiographic data. On the one hand, this problem is challenging due to its ill-posed nature. On the other hand, validation of proposed methods on clinical data remains very limited. Another way to proceed is by evaluating these methods performance on data simulated by a cardiac electrical model. For this application, existing models are either too complex or do not produce realistic cardiac patterns. As a first step, we designed a low-resolution heart-torso model that generates realistic cardiac mappings and ECGs in healthy and pathological cases. This model is built upon a simplified heart torso geometry and implements the monodomain formalism by using the Finite Element Method (FEM). Parameters were identified using an evolutionary approach and their influence were analyzed by a screening method. In a second step, a new approach for solving the inverse problem was proposed and compared to classical methods in healthy and pathological cases. This method uses a spatio-temporal a priori on the cardiac electrical activity and the discrepancy principle for finding an adequate regularization parameter.; L'estimation des solutions du problème inverse en Électrocardiographie (ECG) représente un intérêt majeur dans le diagnostic et la thérapie d'arythmies cardiaques par cathéter. Ce dernier consiste à fournir des images 3D de la distribution spatiale de l'activité électrique du cœur de manière non-invasive à partir des données anatomiques et électrocardiographiques. D'une part ce problème est rendu difficile à cause de son caractère mal-posé. D'autre part, la validation des méthodes proposées sur données cliniques reste très limitée. Une alternative consiste à évaluer ces méthodes sur des données simulées par un modèle électrique cardiaque. Pour cette application, les modèles existants sont soit trop complexes, soit ne produisent pas un schéma de propagation cardiaque réaliste. Dans un premier temps, nous avons conçu un modèle cœur-torse basse-résolution qui génère des cartographies cardiaques et des ECGs réalistes dans des cas sains et pathologiques. Ce modèle est bâti sur une géométrie coeur-torse simplifiée et implémente le formalisme monodomaine en utilisant la Méthode des Éléments Finis (MEF). Les paramètres ont été identifiés par une approche évolutionnaire et leur influence a été analysée par une méthode de criblage. Dans un second temps, une nouvelle approche pour résoudre le problème inverse a été proposée et comparée aux méthodes classiques dans les cas sains et pathologiques. Cette méthode utilise un a priori spatio-temporel sur l'activité électrique cardiaque ainsi que le principe de contradiction afin de trouver un paramètre de régularisation adéquat.

The broad topic of the presented Ph.D focuses on active and passive microwave computational imaging. The use of a chaotic cavity as a compressive component is studied both theoretically (mathematical model, algorithmic resolution of the inverse problem) and experimentally. The underlying idea is to replace an array of antennas with a single reverberant cavity with an array of openings on the front panel that encodes the spatial information of a scene in the temporal response of the cavity. The reverberation of electromagnetic waves inside the cavity provides the degrees of freedom necessary to reconstruct an image of the scene. Thus it is possible to create a high-resolution image of a scene in real time from a single impulse response. Applications include security or imaging through walls. In this work, the design and characterization of an open chaotic cavity is performed. Using this device, active computational imaging is demonstrated to produce images of targets of various shapes. The number of degrees of freedom is further improved by changing the boundary conditions with the addition of commercial fluorescent lamps. The interaction of the waves with these plasma elements allows new cavity configurations to be created, thus improving image resolution. Compressive imaging is next applied to the passive detection and localization of natural thermal radiation from noise sources, based on the correlation of signals received over two channels. Finally, an innovative method of interferometric target imaging is presented. It is based on the reconstruction of the impulse response between two antennas from the microwave thermal noise emitted by a network of neon lamps. This work constitutes a step towards for future imaging systems.; Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’imagerie computationnelle active et passive en micro-ondes. L’utilisation d’une cavité chaotique comme composants compressif est étudiée tant théoriquement (modèle mathématique, résolution algorithmique du problème inverse) et expérimentalement. L’idée sous-jacente est de remplacer un réseau d’antennes par une unique cavité réverbérante dont un réseau d’ouvertures sur la face avant permet de coder l’information spatiale d’une scène dans la réponse temporelle de la cavité. La réverbération des ondes électromagnétique à l’intérieur de la cavité fournit les degrés de liberté nécessaires à la reconstruction d’une image de la scène. Ainsi il est possible de réaliser en temps réel une image haute-résolution d’une scène à partir d’une unique réponse impulsionnelle. Les applications concernent la sécurité ou l’imagerie à travers les murs. Dans ce travail, la conception et la caractérisation d’une cavité chaotique ouverte sont effectuées. L’utilisation de ce dispositif pour réaliser en actif des images de cibles de diverses formes est démontrée. Le nombre de degrés de liberté est ensuite amélioré en modifiant les conditions aux limites grâce à l’ajout lampes fluorescentes. L’interaction des ondes avec ces éléments plasma permet de créer de nouvelles configurations de la cavité, améliorant ainsi la résolution des images. L’imagerie compressive est ensuite appliquée à la détection et localisation passive du rayonnement thermique naturel de sources de bruit, à partir de la corrélation des signaux reçus sur deux voies. Enfin, une méthode novatrice d’imagerie interférométrique de cibles est présentée. Elle est basée sur la reconstruction de la réponse impulsionnelle entre deux antennes à partir du bruit thermique micro-ondes émis par un réseau de néons. Ces travaux constituent une avancée vers les systèmes d’imagerie futurs.

The broad topic of the presented Ph.D focuses on active and passive microwave computational imaging. The use of a chaotic cavity as a compressive component is studied both theoretically (mathematical model, algorithmic resolution of the inverse problem) and experimentally. The underlying idea is to replace an array of antennas with a single reverberant cavity with an array of openings on the front panel that encodes the spatial information of a scene in the temporal response of the cavity. The reverberation of electromagnetic waves inside the cavity provides the degrees of freedom necessary to reconstruct an image of the scene. Thus it is possible to create a high-resolution image of a scene in real time from a single impulse response. Applications include security or imaging through walls. In this work, the design and characterization of an open chaotic cavity is performed. Using this device, active computational imaging is demonstrated to produce images of targets of various shapes. The number of degrees of freedom is further improved by changing the boundary conditions with the addition of commercial fluorescent lamps. The interaction of the waves with these plasma elements allows new cavity configurations to be created, thus improving image resolution. Compressive imaging is next applied to the passive detection and localization of natural thermal radiation from noise sources, based on the correlation of signals received over two channels. Finally, an innovative method of interferometric target imaging is presented. It is based on the reconstruction of the impulse response between two antennas from the microwave thermal noise emitted by a network of neon lamps. This work constitutes a step towards for future imaging systems.; Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’imagerie computationnelle active et passive en micro-ondes. L’utilisation d’une cavité chaotique comme composants compressif est étudiée tant théoriquement (modèle mathématique, résolution algorithmique du problème inverse) et expérimentalement. L’idée sous-jacente est de remplacer un réseau d’antennes par une unique cavité réverbérante dont un réseau d’ouvertures sur la face avant permet de coder l’information spatiale d’une scène dans la réponse temporelle de la cavité. La réverbération des ondes électromagnétique à l’intérieur de la cavité fournit les degrés de liberté nécessaires à la reconstruction d’une image de la scène. Ainsi il est possible de réaliser en temps réel une image haute-résolution d’une scène à partir d’une unique réponse impulsionnelle. Les applications concernent la sécurité ou l’imagerie à travers les murs. Dans ce travail, la conception et la caractérisation d’une cavité chaotique ouverte sont effectuées. L’utilisation de ce dispositif pour réaliser en actif des images de cibles de diverses formes est démontrée. Le nombre de degrés de liberté est ensuite amélioré en modifiant les conditions aux limites grâce à l’ajout lampes fluorescentes. L’interaction des ondes avec ces éléments plasma permet de créer de nouvelles configurations de la cavité, améliorant ainsi la résolution des images. L’imagerie compressive est ensuite appliquée à la détection et localisation passive du rayonnement thermique naturel de sources de bruit, à partir de la corrélation des signaux reçus sur deux voies. Enfin, une méthode novatrice d’imagerie interférométrique de cibles est présentée. Elle est basée sur la reconstruction de la réponse impulsionnelle entre deux antennes à partir du bruit thermique micro-ondes émis par un réseau de néons. Ces travaux constituent une avancée vers les systèmes d’imagerie futurs.

The manuscript of this thesis is divided into four chapters. In the first chapter, a brief summary of the applications of ultrasound imaging is given as well as its benefits. The problem that this work addresses is indicated and the objectives of the thesis are formulated. A short summary of the manuscript is also provided. In the second chapter, the theoretical context of acoustic wave propagation is fixed. In addition, based on this formulation, conventional ultrasound acquisition schemes are reviewed and the usual metrics that quantify the quality of the image are introduced. We also summarize the already existing approaches to overcome the trade-off between image quality and frame rate. Chapters three, four and five present the most important contributions of this thesis. Chapter three details the first contribution of this work. First, it presents the theoretical context of an ultrasound imaging approach based on a reduced model of propagation of ultrasound waves coded temporally in soft tissues. Then, the simulation and the in vitro results are presented and discussed, the advantages / limitations of the method being underlined. In chapter four the performances of an imaging approach based on an advanced model of propagation of ultrasonic waves are presented. First, the general direct model is constructed. Then, the advanced model is associated with the concept of temporal coding of ultrasonic waves and its adaptation to a specific high-speed acquisition scheme is illustrated. In addition, an inverse problem approach is proposed to reconstruct the image of the insonified medium. The performances of the direct model and the reconstruction method are evaluated by means of numerical simulations.; Le manuscrit de cette thèse est divisé en quatre chapitres. Dans le premier chapitre, un bref résumé des applications de l'imagerie échographique est donné de même que ses avantages. Le problème que ce travail adresse est indiqué et les objectifs de la thèse sont formulés. Un résumé succinct du manuscrit est également fourni. Dans le deuxième chapitre, le contexte théorique de la propagation des ondes acoustiques est fixé. De plus, sur la base de cette formulation, les schémas d’acquisition ultrasonore conventionnels sont revus et les métriques habituelles qui quantifient la qualité de l’image sont introduites. Ici, sont également résumées les approches déjà existantes visant à surmonter le compromis entre qualité d'image et cadence d'acquisition d'images. Dans les chapitres trois, quatre et cinq sont présentées les contributions les plus marquantes de cette thèse. Le chapitre trois détaille la première contribution de ce travail. Tout d'abord, il présente le contexte théorique d'une approche d'imagerie par ultrasons basée sur un modèle réduit de propagation des ondes ultrasonores codées temporellement dans les tissus mous. Ensuite, la simulation et les résultats in vitro sont présentés et discutés, les avantages/limites de la méthode étant soulignés. Dans le chapitre quatre les performances d'une approche d'imagerie basée sur un modèle avancé de propagation des ondes ultrasonores sont présentées. Tout d'abord, le modèle direct général est construit. Ensuite, le modèle avancé est associé au concept de codage temporel des ondes ultrasonores et son adaptation à un schéma d'acquisition ultra-rapide spécifique est illustrée. En outre, une approche par problème inverse est proposée afin de reconstruire l'image du milieu insonifié. Les performances du modèle direct et de la méthode de reconstruction sont évaluées au moyen de simulations numériques.

This thesis manuscript presents a novel approach to characterize qualitatively and quantitatively the structures localization and properties in a fractured and karstic aquifer at a decametric scale. This approach relies on a hydraulic tomography led from responses to a pumping investigation and interpreted with inversion methods adapted to the complexity of karstic systems. The approach is applied on a karstic experimental study site in France, a first time with constant pumping signals, and a second time with harmonic pumping signals. In both applications, the investigation resulted in groundwater level responses measured during alternated pumping tests at different locations. The quantitative interpretation of these sets of responses consists in reproducing these responses through a model with an adequate realistic property field generated by inversion. The inversion methods proposed in this manuscript permit to reconstruct a realistic hydraulic property field by representing the karstic structures either through a network generated by cellular automata, or through a discretized network. The interpretation results obtained on the experimental study site permit to image the karstic structures on a map and to‘read’ their localization. Furthermore, the results obtained with the responses to harmonic pumping tests tend to show the role of the signal frequency on the information carried by the responses. In fact, higher frequencies better characterize the most conductive structures, while lower frequencies mobilize flows also in less conductive karstic structures.; Ce manuscrit de thèse présente une nouvelle approche pour caractériser qualitativement et quantitativement la localisation et les propriétés des structures dans un aquifère fracturé et karstique à l’échelle décamétrique. Cette approche est basée sur une tomographie hydraulique menée à partir de réponses à une investigation de pompages et interprétée avec des méthodes d’inversions adaptées à la complexité des systèmes karstiques. L’approche est appliquée sur un site karstique d’étude expérimental en France, une première fois avec des signaux de pompage constants, et une deuxième fois avec des signaux de pompage harmoniques. Dans les deux cas, l’investigation a fourni des réponses de niveaux d’eau de nappe mesurés pendant des pompages alternés à différentes positions. L’interprétation quantitative de ces jeux de réponses consiste à les reproduire par un modèle avec un champ de propriété réaliste adéquat généré par inversion. Les méthodes d’inversions proposées dans ce manuscrit permettent de reconstruire un champ de propriétés hydrauliques réaliste en représentant les structures karstiques soit par un réseau généré par automates cellulaires, soit par un réseau discrétisé. Les résultats d’interprétations obtenus sur le site d’étude expérimental permettent d’imager les structures karstiques sur une carte et de « lire » leur localisation. De plus, les résultats obtenus avec les réponses à des pompages harmoniques tendent à montrer le rôle de la fréquence du signal sur les informations portées par les réponses. En effet, les fréquences plus élevées caractérisent mieux les structures les plus conductrices, alors que les fréquences plus faibles mobilisent des écoulements également dans des structures karstiques moins conductrices.

In this work, a inverse identification method of the mechanical properties of the viscoelastic material (shear modulus and loss factor) functionalized in a sandwich structure with three symmetrical layers is proposed. The objective of this work is to be able to identify the mechanical properties in situ. Through a finite element model based on Rao's Zig-Zag model, our model ensures the modal parameter determination of the sandwich beam. The inverse approach consists of an iterative procedure that determines the mode shapes given the material parameters and then calculates the viscoelastic properties from the modes using a Rayleigh quotient until convergence on the properties of the material is satisfied. The input parameters of the inverse model are the resonance frequencies and loss factors of the sandwich beam obtained experimentally. As a result, the frequency dependence of the viscoelastic properties of the sandwich beam is determined by an automated way. The method has been successfully compared to Ross-Kerwin-Ungar formulas; a standard optimization approach and the literature. From the results, we have been able to deduce the constitutive laws of the viscoelastic heart according to rheological models such as the generalized Maxwell model, ADF, GHM and fractional Zener. This experimental device coupled to the method of identification allowed the investigation of modal parameters of the beam at different temperatures to study the effect of the temperature on the rheological laws. To study the robustness of our method, we carried out tests repeatability, reproducibility on a sample population. Since the effectiveness of our method has been proven, a sensitivity study has been carried out on the geometrical characteristics of our structure and the input parameters. The results obtained show the strong impact of certain parameters on identification; Dans ce travail de thèse, une méthode d’identification inverse des propriétés mécaniques du matériau viscoélastique (module de cisaillement et facteur de perte) fonctionnalisé dans une structure sandwich à trois couches symétriques est proposée. L’objectif de ce travail est de pouvoir identifier les propriétés mécaniques in situ. A travers un modèle éléments finis basé sur le modèle Zig-Zag de Rao, notre modèle assure la détermination des paramètres modaux de la poutre sandwich. L'approche inverse consiste en une procédure itérative qui détermine les formes de mode étant donné les paramètres matériaux puis calcule les propriétés viscoélastiques à partir des modes en utilisant un quotient de Rayleigh jusqu'à ce que la convergence sur les propriétés du matériau soit satisfaite. Les paramètres d’entrée du modèle inverse sont les fréquences de résonance et facteurs de perte de la poutre sandwich obtenues expérimentalement. En conséquence, la dépendance en fréquence des propriétés du matériau viscoélastique de la poutre sandwich est déterminée par une démarche automatisée. La méthode a été comparée avec succès aux formules de Ross-Kerwin-Ungar ; à une approche d'optimisation standard et à la littérature. A partir des résultats, nous avons pu déduire les lois de comportement du cœur viscoélastique suivant des modèles rhéologique tels que le modèle de Maxwell généralisé, d’ADF, de GHM et du Zéner fractionnaire. Ce dispositif expérimental couplé à la méthode d’indentification a permis l’investigation des paramètres modaux de la poutre à différentes températures pour étudier l’effet de la température sur les lois rhéologiques. Pour étudier la robustesse de notre méthode, nous avons procédé des essais de reproductibilité, de reproductibilité sur une population d’échantillon. L’efficacité de notre méthode étant été prouvée, une étude de sensibilité a été menée sur les caractéristiques géométriques de notre structure et les paramètres d’entrée. Les résultats obtenus montrent le fort impact de certains paramètres sur l’identification

In this work, a inverse identification method of the mechanical properties of the viscoelastic material (shear modulus and loss factor) functionalized in a sandwich structure with three symmetrical layers is proposed. The objective of this work is to be able to identify the mechanical properties in situ. Through a finite element model based on Rao's Zig-Zag model, our model ensures the modal parameter determination of the sandwich beam. The inverse approach consists of an iterative procedure that determines the mode shapes given the material parameters and then calculates the viscoelastic properties from the modes using a Rayleigh quotient until convergence on the properties of the material is satisfied. The input parameters of the inverse model are the resonance frequencies and loss factors of the sandwich beam obtained experimentally. As a result, the frequency dependence of the viscoelastic properties of the sandwich beam is determined by an automated way. The method has been successfully compared to Ross-Kerwin-Ungar formulas; a standard optimization approach and the literature. From the results, we have been able to deduce the constitutive laws of the viscoelastic heart according to rheological models such as the generalized Maxwell model, ADF, GHM and fractional Zener. This experimental device coupled to the method of identification allowed the investigation of modal parameters of the beam at different temperatures to study the effect of the temperature on the rheological laws. To study the robustness of our method, we carried out tests repeatability, reproducibility on a sample population. Since the effectiveness of our method has been proven, a sensitivity study has been carried out on the geometrical characteristics of our structure and the input parameters. The results obtained show the strong impact of certain parameters on identification; Dans ce travail de thèse, une méthode d’identification inverse des propriétés mécaniques du matériau viscoélastique (module de cisaillement et facteur de perte) fonctionnalisé dans une structure sandwich à trois couches symétriques est proposée. L’objectif de ce travail est de pouvoir identifier les propriétés mécaniques in situ. A travers un modèle éléments finis basé sur le modèle Zig-Zag de Rao, notre modèle assure la détermination des paramètres modaux de la poutre sandwich. L'approche inverse consiste en une procédure itérative qui détermine les formes de mode étant donné les paramètres matériaux puis calcule les propriétés viscoélastiques à partir des modes en utilisant un quotient de Rayleigh jusqu'à ce que la convergence sur les propriétés du matériau soit satisfaite. Les paramètres d’entrée du modèle inverse sont les fréquences de résonance et facteurs de perte de la poutre sandwich obtenues expérimentalement. En conséquence, la dépendance en fréquence des propriétés du matériau viscoélastique de la poutre sandwich est déterminée par une démarche automatisée. La méthode a été comparée avec succès aux formules de Ross-Kerwin-Ungar ; à une approche d'optimisation standard et à la littérature. A partir des résultats, nous avons pu déduire les lois de comportement du cœur viscoélastique suivant des modèles rhéologique tels que le modèle de Maxwell généralisé, d’ADF, de GHM et du Zéner fractionnaire. Ce dispositif expérimental couplé à la méthode d’indentification a permis l’investigation des paramètres modaux de la poutre à différentes températures pour étudier l’effet de la température sur les lois rhéologiques. Pour étudier la robustesse de notre méthode, nous avons procédé des essais de reproductibilité, de reproductibilité sur une population d’échantillon. L’efficacité de notre méthode étant été prouvée, une étude de sensibilité a été menée sur les caractéristiques géométriques de notre structure et les paramètres d’entrée. Les résultats obtenus montrent le fort impact de certains paramètres sur l’identification

On considere une variete riemannienne $(M, g)$ non compacte, complete, a geometrie bornee et courbure de Ricci parallele. Nous montrons que certains operateurs “affines” en la courbure de Ricci sont localement inversibles, dans des espaces de Sobolev classiques, au voisinage de $g$.

Seismic traveltime tomography is an ill-posed optimization problem due to the non-linear relationship between traveltime and velocity model. Besides, the solution is not unique as many models are able to explain the observed data. The non-linearity and non-uniqueness issues are typically addressed by using methods relying on Monte Carlo Markov Chain that thoroughly sample the model parameter space. However, these approaches cannot fully handle the computer resources provided by modern supercomputers. In this thesis, I propose to solve seismic traveltime tomography problems using evolutionary algorithms which are population-based stochastic optimization methods inspired by the natural evolution of species. They operate on concurrent individuals within a population that represent independent models, and evolve through stochastic processes characterizing the different mechanisms involved in natural evolution. Therefore, the models within a population can be intrinsically evaluated in parallel which makes evolutionary algorithms particularly adapted to the parallel architecture of supercomputers. More specifically, the works presented in this manuscript emphasize on the three most popular evolutionary algorithms, namely Differential Evolution, Particle Swarm Optimization and Covariance Matrix Adaptation - Evolution Strategy. The feasibility of evolutionary algorithms to solve seismic tomography problems is assessed using two different data sets: a real data set acquired in the context of hydraulic fracturing and a synthetic refraction data set generated using the Marmousi velocity model that presents a complex geology structure.; La tomographie sismique des temps de trajet est un problème d'optimisation mal-posé du fait de la non-linéarité entre les temps et le modèle de vitesse. Par ailleurs, l'unicité de la solution n'est pas garantie car les données peuvent être expliquées par de nombreux modèles. Les méthodes de Monte-Carlo par Chaînes de Markov qui échantillonnent l'espace des paramètres sont généralement appréciées pour répondre à cette problématique. Cependant, ces approches ne peuvent pleinement tirer partie des ressources computationnelles fournies par les super-calculateurs modernes. Dans cette thèse, je me propose de résoudre le problème de tomographie sismique à l'aide d'algorithmes évolutionnistes. Ce sont des méthodes d'optimisation stochastiques inspirées de l'évolution naturelle des espèces. Elles opèrent sur une population de modèles représentés par un ensemble d'individus qui évoluent suivant des processus stochastiques caractéristiques de l'évolution naturelle. Dès lors, la population de modèles peut être intrinsèquement évaluée en parallèle ce qui rend ces algorithmes particulièrement adaptés aux architectures des super-calculateurs. Je m'intéresse plus précisément aux trois algorithmes évolutionnistes les plus populaires, à savoir l'évolution différentielle, l'optimisation par essaim particulaire, et la stratégie d'évolution par adaptation de la matrice de covariance. Leur faisabilité est étudiée sur deux jeux de données différents: un jeu réel acquis dans le contexte de la fracturation hydraulique et un jeu synthétique de réfraction généré à partir du modèle de vitesse Marmousi réputé pour sa géologie structurale complexe.

Seismic traveltime tomography is an ill-posed optimization problem due to the non-linear relationship between traveltime and velocity model. Besides, the solution is not unique as many models are able to explain the observed data. The non-linearity and non-uniqueness issues are typically addressed by using methods relying on Monte Carlo Markov Chain that thoroughly sample the model parameter space. However, these approaches cannot fully handle the computer resources provided by modern supercomputers. In this thesis, I propose to solve seismic traveltime tomography problems using evolutionary algorithms which are population-based stochastic optimization methods inspired by the natural evolution of species. They operate on concurrent individuals within a population that represent independent models, and evolve through stochastic processes characterizing the different mechanisms involved in natural evolution. Therefore, the models within a population can be intrinsically evaluated in parallel which makes evolutionary algorithms particularly adapted to the parallel architecture of supercomputers. More specifically, the works presented in this manuscript emphasize on the three most popular evolutionary algorithms, namely Differential Evolution, Particle Swarm Optimization and Covariance Matrix Adaptation - Evolution Strategy. The feasibility of evolutionary algorithms to solve seismic tomography problems is assessed using two different data sets: a real data set acquired in the context of hydraulic fracturing and a synthetic refraction data set generated using the Marmousi velocity model that presents a complex geology structure.; La tomographie sismique des temps de trajet est un problème d'optimisation mal-posé du fait de la non-linéarité entre les temps et le modèle de vitesse. Par ailleurs, l'unicité de la solution n'est pas garantie car les données peuvent être expliquées par de nombreux modèles. Les méthodes de Monte-Carlo par Chaînes de Markov qui échantillonnent l'espace des paramètres sont généralement appréciées pour répondre à cette problématique. Cependant, ces approches ne peuvent pleinement tirer partie des ressources computationnelles fournies par les super-calculateurs modernes. Dans cette thèse, je me propose de résoudre le problème de tomographie sismique à l'aide d'algorithmes évolutionnistes. Ce sont des méthodes d'optimisation stochastiques inspirées de l'évolution naturelle des espèces. Elles opèrent sur une population de modèles représentés par un ensemble d'individus qui évoluent suivant des processus stochastiques caractéristiques de l'évolution naturelle. Dès lors, la population de modèles peut être intrinsèquement évaluée en parallèle ce qui rend ces algorithmes particulièrement adaptés aux architectures des super-calculateurs. Je m'intéresse plus précisément aux trois algorithmes évolutionnistes les plus populaires, à savoir l'évolution différentielle, l'optimisation par essaim particulaire, et la stratégie d'évolution par adaptation de la matrice de covariance. Leur faisabilité est étudiée sur deux jeux de données différents: un jeu réel acquis dans le contexte de la fracturation hydraulique et un jeu synthétique de réfraction généré à partir du modèle de vitesse Marmousi réputé pour sa géologie structurale complexe.

Non-invasively taken, exhaled breath contains many volatile organic compounds (VOCs) whose amount depends on the health of the subject. Quantitative analysis of exhaled air is of great medical interest, whether for diagnosis or for a treatment follow-up. As part of my thesis, we propose to study a device to analyze exhaled breath, including these VOCs. This multidisciplinary thesis addresses various aspects, such as the choice of sensors, materials and acquisition modes, the acquisition of data using a gas bench, and then the processing of the signals obtained to quantify a gas mixture. We study the response of a metal oxide sensor (MOX) to mixtures of two gases (acetone and ethanol) diluted in synthetic air (oxygen and nitrogen). Then, we use source separation methods in order to distinguish the two gases, and to determine their concentration. To give satisfactory results, these methods require first to use several sensors for which we know the mathematical model describing the interaction of the mixture with the sensor, and which present a sufficient diversity in the calibration measurements to estimate the model coefficients. In this thesis, we show that MOX sensors can be described by a linear-quadratic mixing model, and that a dual temperature acquisition mode can generate two virtual sensors from a single physical sensor. To quantify the components of the mixture from measurements on these (virtual) sensors, we have develop supervised and unsupervised source separation methods, applied to this nonlinear model: independent component analysis, least squares methods (Levenberg Marquardt algorithm), and a Bayesian method were studied. The experimental results show that these methods make it possible to estimate the VOC concentrations of a gas mixture, accurately, while requiring only a few calibration points.; Prélevés de manière non invasive, les gaz respiratoires sont constitués de nombreux composés organiques volatils (VOCs) dont la quantité dépend de l’état de santé du sujet. L’analyse quantitative de l’air expiré présente alors un fort intérêt médical, que ce soit pour le diagnostic ou le suivi de traitement. Dans le cadre de ma thèse, nous proposons d’étudier un dispositif d’analyse des gaz respiratoires, et notamment de ces VOCs. Cette thèse multidisciplinaire aborde différents aspects, tels que le choix des capteurs, du matériel et des modes d’acquisition, l’acquisition des données à l’aide d’un banc gaz, et ensuite le traitement des signaux obtenus de manière à quantifier un mélange de gaz. Nous étudions la réponse d’un capteur à oxyde métallique (MOX) à des mélanges de deux gaz (acétone et éthanol) dilués dans de l’air synthétique (oxygène et azote). Ensuite, nous utilisons des méthodes de séparation de sources de manière à distinguer les deux gaz, et déterminer leur concentration. Pour donner des résultats satisfaisants, ces méthodes nécessitent d’utiliser plusieurs capteurs dont on connait la forme mathématique du modèle décrivant l’interaction du mélange avec le capteur, et qui présentent une diversité suffisante dans les mesures d’étalonnage pour estimer les coefficients de ce modèle. Dans cette thèse, nous montrons que les capteurs MOX peuvent être décrits par un modèle de mélange linéaire quadratique, et qu’un mode d’acquisition fonctionnant en double température permet de générer deux capteurs virtuels à partir d’un unique capteur physique. Pour quantifier précisément les composants du mélange à partir des mesures sur ces capteurs (virtuels), nous avons conçu des méthodes de séparation de sources, supervisées et non supervisées appliquées à ce modèle non-linéaire : l’analyse en composantes indépendantes, des méthodes de moindres carrés (algorithme de Levenberg-Marquardt), et une méthode bayésienne ont été étudiées. Les résultats expérimentaux montrent que ces méthodes permettent d’estimer les concentrations de VOCs contenus dans un mélange de gaz, de façon précise, en ne nécessitant que très peu de points de calibration.

The aim of this paper is to show the gain of the global fit procedure compared to the classical gate-by-gate analysis in the simultaneous determination of the temperatures and composition profiles in the lower F region. A method for the evaluation of the transition altitude and the width of the transition region between molecular and atomic ions is described in the case of the EISCAT CP1 experiment; it is validated using a simulated experiment. It is shown that alternating-code gates have to be processed together with the long-pulse gates. Our new method is applied on six days of actual data. The results obtained during quiet periods are compared with independent estimations.

This thesis deals with an inverse problem in astronomy. The objective is to reconstruct a spatio-spectral object, having spatial and spectral distributions, from a set of low-resolution multispectral data taken by the imager MIRI (Mid-InfraRed Instrument), which is on board the next space telescope James Webb Space Telescope (JWST). The observed multispectral data suffers from a spatial blur that varies according to the wavelength due to the spatial convolution with a shift-variant optical response (PSF). In addition the multispectral data also suffers from severe spectral degradations because of the spectral filtering and the integration by the detector over broad bands. The reconstruction of the original object is an ill-posed problem because of the severe lack of spectral information in the multispectral dataset. The difficulty then arises in choosing a representation of the object that allows the reconstruction of this spectral information. A common model used so far considers a spectral shift-invariant PSF per band, which neglects the spectral variation of the PSF. This simplistic model is only suitable for instruments with a narrow spectral band, which is not the case for the imager of MIRI. Our approach consists of developing an inverse problem framework that is summarized in four steps: (1) designing an instrument model that reproduces the observed multispectral data, (2) proposing an adapted model to represent the sought object, (3) exploiting all multispectral dataset jointly, and finally (4) developing a reconstruction method based on regularization methods by enforcing prior information to the solution. The overall reconstruction results obtained on simulated data of the JWST/MIRI imager show a significant increase of spatial and spectral resolutions of the reconstructed object compared to conventional methods. The reconstructed object shows a clear denoising and deconvolution of the multispectral data. We obtained a relative error below 5% at 30 dB, and an execution time of 1 second for the l₂-norm algorithm and 20 seconds (with 50 iterations) for the l₂/l₁-norm algorithm. This is 10 times faster than the iterative solution computed by conjugate gradients.; Cette thèse traite un problème inverse en astronomie. L’objectif est de reconstruire un objet 2D+λ, ayant une distribution spatiale et spectrale, à partir d’un ensemble de données multispectrales de basse résolution fournies par l’imageur MIRI (Mid-InfraRed Instrument), qui est à bord du prochain télescope spatial James Webb Space Telescope (JWST). Les données multispectrales observées souffrent d’un flou spatial qui dépend de la longueur d’onde. Cet effet est dû à la convolution par la réponse optique (PSF). De plus, les données multi-spectrales souffrent également d’une sévère dégradation spectrale en raison du filtrage spectral et de l’intégration par le détecteur sur de larges bandes. La reconstruction de l’objet original est un problème mal posé en raison du manque important d’informations spectrales dans l’ensemble de données multispectrales. La difficulté se pose alors dans le choix d’une représentation de l’objet permettant la reconstruction de l’information spectrale. Un modèle classique utilisé jusqu’à présent considère une PSF invariante spectralement par bande, ce qui néglige la variation spectrale de la PSF. Cependant, ce modèle simpliste convient que dans le cas d’instrument à une bande spectrale très étroite, ce qui n’est pas le cas pour l’imageur de MIRI. Notre approche consiste à développer une méthode pour l’inversion qui se résume en quatre étapes : (1) concevoir un modèle de l’instrument reproduisant les données multispectrales observées, (2) proposer un modèle adapté pour représenter l’objet à reconstruire, (3) exploiter conjointement l’ensemble des données multispectrales, et enfin (4) développer une méthode de reconstruction basée sur la régularisation en introduisant des priori à la solution. Les résultats de reconstruction d’objets spatio-spectral à partir de neuf images multispectrales simulées de l’imageur de MIRI montrent une augmentation significative des résolutions spatiale et spectrale de l’objet par rapport à des méthodes conventionnelles. L’objet reconstruit montre l’effet de débruitage et de déconvolution des données multispectrales. Nous avons obtenu une erreur relative n’excédant pas 5% à 30 dB et un temps d’exécution de 1 seconde pour l’algorithme de norm-l₂ et 20 secondes avec 50 itérations pour l’algorithme norm-l₂/l₁. C’est 10 fois plus rapide que la solution itérative calculée par l’algorithme de gradient conjugué.

Single particle cryo-electron microscopy is a technique that allows to estimate the 3D structure of biological complex. The construction of the 3D volume is performed by computerized tomography applied on a set of projection images from transmission electron microscope. Existing tomographic reconstructionalgorithms allow us to visualize molecular structure with a resolution around one angstrom. However the resolution is degraded when the molecules are deformable. This thesis contributes to the development of signal processing method in order to take into account the deformation information of the observed object for the ab initio tomographic reconstruction. The main contributions of this thesis are the estimation of projection parameters based on non-linear dimensionreduction, the false edges detection in neighborhood graphs to improve noise robustness of dimension reduction methods, and tomographic reconstruction based on a parametric model of the volume.; La cryo-microscopie électronique à particules isolées est une modalité d’imagerie permettant d’estimer la structure 3D de molécules. L’obtention d’un volume 3D est effectué par des algorithmes de reconstruction tomographique après acquisition par un microscope électronique à transmission d’un ensemble d’images de projection de l’objet observé. Les méthodes de reconstruction tomographique existantes permettent de déterminer la structure des molécules avec des résolutions proches de l’angström. Cependant la résolution est dégradée lorsque les molécules observées sont déformables. Les travaux réalisés au cours de cette thèse contribuent au développement de méthodes de traitement informatique des données (projections) dans le but de prendre en compte les déformations de l’objet observé dans le processus de reconstruction tomographique ab initio. Les problématiques principales abordées dans ce mémoire sont l’estimation des paramètres de projection basée sur la réduction de dimension non-linéaire, la détection des arêtes erronées dans les graphes de voisinages pour l’amélioration de la robustesse au bruit des méthodes de réduction de dimension, et la reconstruction tomographique basée sur un modèle paramétrique du volume.

This thesis aims at proposing new approaches to solve the inverse problem in biophysics. Firstly, we study the DOSY NMR experiment: a new hybrid regularization approach has been proposed with a novel PALMA algorithm (http://palma.labo.igbmc.fr/). This algorithm ensures the efficient analysis of real DOSY data with a high precision for all different type. In a second time, we study the mass spectrometry application. We have proposed a new dictionary based approach dedicated to proteomic analysis using the averagine model and the constrained minimization approach associated with a sparsity inducing penalty. In order to improve the accuracy of the information, we proposed a new SPOQ method based on a new penalization, solved with a new Forward-Backward algorithm with a variable metric locally adjusted. All our algorithms benefit from sounded convergence guarantees, and have been validated experimentally on synthetics and real data., Cette thèse s’intéresse à la création de nouvelles approches algorithmiques pour la résolution du problème inverse en biophysiques. Dans un premier temps, on vise l’application RMN de type DOSY: une nouvelle approche de régularisation hybride a été proposée avec un nouvel algorithme PALMA (http://palma.labo.igbmc.fr/). Cet algorithme permet d’analyser des données réelles DOSY avec une précision importante quelque soit leur type. Dans un deuxième temps, notre intérêt s’est tourné vers l’application de spectrométrie de masse. Nous avons proposé une nouvelle approche par dictionnaire dédiée à l’analyse protéomique en utilisant le modèle averagine et une stratégie de minimisation sous contraintes d'une pénalité de parcimonie. Afin d’améliorer la précision de l’information obtenue, nous avons proposé une nouvelle méthode SPOQ, basée sur une nouvelle fonction de pénalisation, résolue par un nouvel algorithme Forward-Backward à métrique variable localement ajustée. Tous nos algorithmes bénéficient de garanties théoriques de convergence, et ont été validés expérimentalement sur des spectres synthétisés et des données réelles

Acoustic imaging techniques aims at characterizing the different acoustic sources of noise on an aircraft using microphone array measurements. Those techniques require the knowledge of the acoustic Green’s function of the medium. Unfortunately, this function is known only for cases of relatively simple complexity and the use of approximate Green’s function can lead to errors in the identification of the sources. The main aim of this thesis is to set up a numerical method for the estimation of the Green’s function for aeroacoustic imaging applications. The method must have a minimal computational cost and provide a sufficiently accurate estimation to be used on realistic industrial configurations. The proposed methodology takes advantage of the sparsity of the Green’s functions in the time-domain. This results in a system identification problem and sparsity-based regression algorithms can be used to solve it. First, the method is validated on complex 3D numerical test cases typical of those encountered in the industry. For configurations involving a high number of focus points, the reverse-flow reciprocity simplifies significantly the Green’s function estimation problem. The methodology is finally applied on high lift 2D wing data placed in the ONERA CEPRA19 open section anechoic wind tunnel justifying the applicability of the method on realistic industrial configurations.; Les techniques d’identification acoustique visent à caractériser les différentes sources de bruit sur un avion à partir de données microphoniques. Ces techniques nécessitent la connaissance de la fonction de Green acoustique du milieu. Or celle-ci n’est connue analytiquement que pour des configurations simples et l’utilisation de fonctions de Green imparfaites conduit à une erreur sur l’identification des sources. L’objectif de cette thèse est de mettre au point une méthode numérique d’estimation des fonctions de Green pour l’imagerie aéroacoustique. La méthode doit avoir un coût de calcul minimal et fournir une estimation suffisamment précises pour être utilisée dans des configurations réalistes. Pour cela, la parcimonie de la fonction de Green dans le domaine temporel est prise en compte. Il en découle un problème d’identification de système nécessitant l’utilisation d’algorithmes de régression linéaire. La méthode est d’abord validée sur des cas numériques 3D représentatifs de ceux rencontrés dans l’industrie. Lorsque le nombre de points de focalisation est élevé, la réciprocité en écoulement retourné simplifie considérablement le problème. La méthode est ensuite appliquée sur des données d’essais réalisés sur une aile à haute portance passée en soufflerie anéchoïque à veine ouverte justifiant de l’applicabilité de la méthode sur des configurations industrielles réalistes.

Acoustic imaging techniques aims at characterizing the different acoustic sources of noise on an aircraft using microphone array measurements. Those techniques require the knowledge of the acoustic Green’s function of the medium. Unfortunately, this function is known only for cases of relatively simple complexity and the use of approximate Green’s function can lead to errors in the identification of the sources. The main aim of this thesis is to set up a numerical method for the estimation of the Green’s function for aeroacoustic imaging applications. The method must have a minimal computational cost and provide a sufficiently accurate estimation to be used on realistic industrial configurations. The proposed methodology takes advantage of the sparsity of the Green’s functions in the time-domain. This results in a system identification problem and sparsity-based regression algorithms can be used to solve it. First, the method is validated on complex 3D numerical test cases typical of those encountered in the industry. For configurations involving a high number of focus points, the reverse-flow reciprocity simplifies significantly the Green’s function estimation problem. The methodology is finally applied on high lift 2D wing data placed in the ONERA CEPRA19 open section anechoic wind tunnel justifying the applicability of the method on realistic industrial configurations.; Les techniques d’identification acoustique visent à caractériser les différentes sources de bruit sur un avion à partir de données microphoniques. Ces techniques nécessitent la connaissance de la fonction de Green acoustique du milieu. Or celle-ci n’est connue analytiquement que pour des configurations simples et l’utilisation de fonctions de Green imparfaites conduit à une erreur sur l’identification des sources. L’objectif de cette thèse est de mettre au point une méthode numérique d’estimation des fonctions de Green pour l’imagerie aéroacoustique. La méthode doit avoir un coût de calcul minimal et fournir une estimation suffisamment précises pour être utilisée dans des configurations réalistes. Pour cela, la parcimonie de la fonction de Green dans le domaine temporel est prise en compte. Il en découle un problème d’identification de système nécessitant l’utilisation d’algorithmes de régression linéaire. La méthode est d’abord validée sur des cas numériques 3D représentatifs de ceux rencontrés dans l’industrie. Lorsque le nombre de points de focalisation est élevé, la réciprocité en écoulement retourné simplifie considérablement le problème. La méthode est ensuite appliquée sur des données d’essais réalisés sur une aile à haute portance passée en soufflerie anéchoïque à veine ouverte justifiant de l’applicabilité de la méthode sur des configurations industrielles réalistes.

Tomographic wave-front reconstruction is the main computational bottleneck to realize real-time correction for turbulence-induced wave-front aberrations in future laser-assisted tomographic adaptive-optics (AO) systems for ground-based Giant Segmented Mirror Telescopes (GSMT), because of its unprecedented number of degrees of freedom, $N$, i.e. the number of measurements from wave-front sensors (WFS). In this paper, we provide an efficient implementation of the minimum-mean-square error (MMSE) tomographic wave-front reconstruction mainly useful for some classes of AO systems not requiring a multi-conjugation, such as laser-tomographic AO (LTAO), multi-object AO (MOAO) and ground-layer AO (GLAO) systems, but also applicable to multi-conjugate AO (MCAO) systems. This work expands that by R. Conan [ProcSPIE, 9148, 91480R (2014)] to the multi-wave-front, tomographic case using natural and laser guide stars. The new implementation exploits the Toeplitz structure of covariance matrices used in a MMSE reconstructor, which leads to an overall $O(N\log N)$ real-time complexity compared to $O(N^2)$ of the original implementation using straight vector-matrix multiplication. We show that the Toeplitz-based algorithm leads to 60\,nm rms wave-front error improvement for the European Extremely Large Telescope Laser-Tomography AO system over a well-known sparse-based tomographic reconstruction, but the number of iterations required for suitable performance is still beyond what a real-time system can accommodate to keep up with the time-varying turbulence, 16 pages, 17 figures, Paper accepted for publication in "Journal of the Optical Society of America A"

The RCS (Radar Cross Section) is a quantity which characterizes the scattering power ofa target exposed to an electromagnetic field. Its analysis and control are important in manyapplications. 3D imaging is a suitable tool to accurately locate and characterize in 3D themain contributors to the RCS. However, this is a non-invertible Fourier synthesis problembecause the number of unknowns is larger than the number of data. Conventional methodssuch as the Polar Format Algorithm, which consists of data reformatting including zeropaddingfollowed by a fast inverse Fourier transform, provide results of limited quality.In this work, we propose a new high resolution method, named SPRITE (for SParse RadarImaging TEchnique), which considerably increases the quality of the estimated RCS maps. Itis based on a regularization scheme that accounts for information of sparsity and support. Thesolution is then defined as the minimizer of a penalized and constrained criterion. Optimizationis ensured by an appropriate adaptation of the ADMM (Alternating Direction Methodof Multiplier) algorithm that is able to quickly perform calculations using fast Fourier transforms.Finally, the method is evaluated on both simulated and real data. Compared to the conventionalmethod, the resolution is significantly increased and the images can support a betterRCS analysis and control.; La SER (Surface Équivalente Radar) est une grandeur caractérisant le pouvoir rétrodiffuseurd’une cible soumise à un champ électromagnétique. Dans de nombreuses applications,il est capital d’analyser et de contrôler la SER. L’imagerie 3D est l’outil adapté pourlocaliser et caractériser en trois dimensions les principaux contributeurs à la SER. Cependant,ce traitement est un problème de synthèse de Fourier qui n’est pas inversible car il y aplus d’inconnues que de données. Les méthodes conventionnelles telles que le Polar FormatAlgorithm, consistant en un reformatage des données avec complétion de zéro suivi d’unetransformée de Fourier inverse rapide, fournissent des résultats de qualité limitée.Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode haute résolution. Elle est dénomméeSPRITE (pour SParse Radar Imaging TEchnique) et permet d’accroître considérablementla qualité des cartes de rétro-diffusion estimées. Elle repose sur une régularisation duproblème consistant en la prise en compte d’informations a priori de parcimonie et d’uneinformation de support. La solution est alors définie comme le minimiseur d’un critère pénaliséet contraint. L’optimisation est assurée par l’algorithme primal-dual ADMM (AlternatingDirection Method of Multiplier) dont une adaptation aux spécificités du problème mène à descalculs efficaces à l’aide de transformées de Fourier rapides.Finalement, la méthode est évaluée sur des données synthétiques et réelles. Comparativementà la méthode conventionnelle, la résolution est drastiquement accrue. Les images 3Dproduites sont alors un outil particulièrement adapté à l’analyse et au contrôle de SER.

This thesis focuses on non-linear image reconstruction methods applied to super-resolution in microscopy, which aims to overcome Abbe resolution limit by combining specific acquisition and image processing techniques. We consider a fluorescence Image Scanning Microscopy (ISM) system, which scans a biological sample with a particular light distribution and records a micro-image at each scan position. This specific light distribution is created by shaping a laser beam thanks to an optical phenomenon called conical diffraction. We propose a mathematical framework based on a four-dimensional Fourier transform, which enables us to provide a theoretical comparison of the different ISM methods in terms of resolution gain. We also address the exact mathematical modelling of these methods, and in particular the discretization issues involved in the simulation of an ISM system. These questions indeed play an essential role for the super-resolution system we study, naturally written as an inverse problem. We first consider a formulation with very little constraints by imposing only the positivity of the reconstructed image. We show that in that case, the Maximum A Posteriori (MAP) estimate suffers from an artifact called {\it night sky}, but it can be avoided by imposing an additional band-limitedness constraint on the reconstructed image. The two resulting convex constraints can be simultaneously handled by means of a specific projection algorithm. We then introduce a new estimator, called E-LSE (for Emitters-Least-Square Error), which minimizes the a posteriori mean square error and is particularly suited to sparse samples, which are often encountered in fluorescence microscopy. Despite the very high dimension of the problem and the non-convexity of the sparsity constraint, this E-LSE estimator can be numerically computed with an MCMC (Markov Chain Monte Carlo) algorithm. We show that it outperforms the MAP estimate in terms of artifacts and, on several examples, produces a better-resolved image.; Cette thèse s'intéresse à des techniques non linéaires de reconstruction d'images, appliquées au problème de la super-résolution en microscopie, qui vise à dépasser la limite de résolution de Abbe en combinant des techniques de mesure et de traitement d'images. Nous considérons un système à fluorescence avec une méthode d'Image Scanning Microscopy (ISM), produisant des micro-images obtenues en scannant un échantillon biologique et en y projetant une distribution lumineuse. La forme de cette distribution peut être assez singulière lorsqu'elle est créée par un modelage de faisceau laser, rendu possible grâce à un phénomène optique appelé diffraction conique. Un cadre mathématique s'appuyant sur la transformée de Fourier à quatre dimensions est proposé, permettant de comparer théoriquement les méthodes ISM, en quantifiant leur impact en terme de résolution. Nous considérons également la modélisation mathématique exacte de ces méthodes et en particulier les questions de discrétisation, permettant ensuite de simuler un système ISM. Cette modélisation est indispensable lorsque l'on cherche à résoudre le problème inverse induit par la super-résolution. Nous abordons sa résolution avec des contraintes très faibles, à savoir uniquement la positivité de l'image recherchée. Nous mettons en évidence un artefact, appelé night sky, produit par l'estimateur du Maximum A Posteriori (MAP). Nous montrons néanmoins que cet artefact peut être évité en imposant à l'image super-résolue d'être à bande limitée, contrainte convexe qui peut être ajoutée à la positivité moyennant un algorithme de projection adapté. Nous introduisons ensuite un nouvel estimateur, le E-LSE, pour Emitters-Least-Square Error, qui minimise l'erreur quadratique moyenne a posteriori et qui est adapté aux images parcimonieuses, une caractéristique souvent satisfaite par les images biologiques obtenues en microscopie à fluorescence. Nous montrons qu'en dépit de la dimension élevée et du caractère non convexe de la contrainte de parcimonie, cet estimateur E-LSE peut-être évalué numériquement par un algorithme de type MCMC (Markov chain Monte Carlo). L'estimateur E-LSE permet de limiter certains artefacts spécifiques du MAP et, sur plusieurs exemples, produit une image mieux résolue.

This thesis focuses on non-linear image reconstruction methods applied to super-resolution in microscopy, which aims to overcome Abbe resolution limit by combining specific acquisition and image processing techniques. We consider a fluorescence Image Scanning Microscopy (ISM) system, which scans a biological sample with a particular light distribution and records a micro-image at each scan position. This specific light distribution is created by shaping a laser beam thanks to an optical phenomenon called conical diffraction. We propose a mathematical framework based on a four-dimensional Fourier transform, which enables us to provide a theoretical comparison of the different ISM methods in terms of resolution gain. We also address the exact mathematical modelling of these methods, and in particular the discretization issues involved in the simulation of an ISM system. These questions indeed play an essential role for the super-resolution system we study, naturally written as an inverse problem. We first consider a formulation with very little constraints by imposing only the positivity of the reconstructed image. We show that in that case, the Maximum A Posteriori (MAP) estimate suffers from an artifact called {\it night sky}, but it can be avoided by imposing an additional band-limitedness constraint on the reconstructed image. The two resulting convex constraints can be simultaneously handled by means of a specific projection algorithm. We then introduce a new estimator, called E-LSE (for Emitters-Least-Square Error), which minimizes the a posteriori mean square error and is particularly suited to sparse samples, which are often encountered in fluorescence microscopy. Despite the very high dimension of the problem and the non-convexity of the sparsity constraint, this E-LSE estimator can be numerically computed with an MCMC (Markov Chain Monte Carlo) algorithm. We show that it outperforms the MAP estimate in terms of artifacts and, on several examples, produces a better-resolved image.; Cette thèse s'intéresse à des techniques non linéaires de reconstruction d'images, appliquées au problème de la super-résolution en microscopie, qui vise à dépasser la limite de résolution de Abbe en combinant des techniques de mesure et de traitement d'images. Nous considérons un système à fluorescence avec une méthode d'Image Scanning Microscopy (ISM), produisant des micro-images obtenues en scannant un échantillon biologique et en y projetant une distribution lumineuse. La forme de cette distribution peut être assez singulière lorsqu'elle est créée par un modelage de faisceau laser, rendu possible grâce à un phénomène optique appelé diffraction conique. Un cadre mathématique s'appuyant sur la transformée de Fourier à quatre dimensions est proposé, permettant de comparer théoriquement les méthodes ISM, en quantifiant leur impact en terme de résolution. Nous considérons également la modélisation mathématique exacte de ces méthodes et en particulier les questions de discrétisation, permettant ensuite de simuler un système ISM. Cette modélisation est indispensable lorsque l'on cherche à résoudre le problème inverse induit par la super-résolution. Nous abordons sa résolution avec des contraintes très faibles, à savoir uniquement la positivité de l'image recherchée. Nous mettons en évidence un artefact, appelé night sky, produit par l'estimateur du Maximum A Posteriori (MAP). Nous montrons néanmoins que cet artefact peut être évité en imposant à l'image super-résolue d'être à bande limitée, contrainte convexe qui peut être ajoutée à la positivité moyennant un algorithme de projection adapté. Nous introduisons ensuite un nouvel estimateur, le E-LSE, pour Emitters-Least-Square Error, qui minimise l'erreur quadratique moyenne a posteriori et qui est adapté aux images parcimonieuses, une caractéristique souvent satisfaite par les images biologiques obtenues en microscopie à fluorescence. Nous montrons qu'en dépit de la dimension élevée et du caractère non convexe de la contrainte de parcimonie, cet estimateur E-LSE peut-être évalué numériquement par un algorithme de type MCMC (Markov chain Monte Carlo). L'estimateur E-LSE permet de limiter certains artefacts spécifiques du MAP et, sur plusieurs exemples, produit une image mieux résolue.

International audience; Cet article présente une méthode de vibrométrie holographique numérique, avec configuration en ligne, pour la mesure de vibrations plein champ à une fréquence d'images très élevée. Les résultats expérimentaux démontrent la pertinence de l'approche proposée en fournissant une mesure de vibrations sur un diamètre de plus de 20 cm à une fréquence d'acquisition de 100 kHz.

Bone as an important organ in human body is an extraordinary material which exhibits highly optimized properties, strong yet light weight, stiff yet flexible. Its distinct mechanical properties which fascinates not only scientists but also engineers are the results of the highly hierarchized and organized structure and the compositional properties spanning over several lengths from the nanoscale to the macroscale. Hence, a deep understanding of the parameters affecting bone mechanical behavior is necessary to better predict and treat bone diseases, improve orthopedic implants design, and engineer bio-inspired materials. In this work, a special focus is placed on human cortical bone elastic properties both at the millimeter and micrometer scales. Based on a multimodal approach (resonant ultrasound spectroscopy, synchrotron radiation micro-computed tomography, Fourier transform infrared microspectroscopy and biochemistry experiments) involving an exhaustive amount of microstructural and compositional properties, our results provide strong evidence that intra-cortical porosity and degree of mineralization are the most important determinants of bone stiffness at millimeter scale in an elderly population. Further, the other microstructure characteristics independent of porosity have non measurable effects on bone stiffness at this level. At the micrometer scale, a novel inverse homogenization approach is introduced in this work which can evaluate bone matrix anisotropic elastic properties with a good accuracy for all the stiffness constants. Based on the determined bone matrix elasticity data, we investigated the possible range of the magnitude of microstrain experienced by bone matrix. This work opens a way to better evaluate and understand bone mechanical behaviour at the micrometer level, such as the microstrain that can be sensed by osteocytes and builds the bridge to comprehensively investigate the connections between bone anisotropic properties at the millimeter and micrometer scale, and between the anisotropic microelastic properties and the characteristics at the nanometer scale.; L’os présente la propriété remarquable de s’adapter à son environnement et s’est forgé au cours de l’évolution des caractéristiques exceptionnelles qui fascinent les scientifiques mais aussi les ingénieurs : léger mais d’une rigidité à toute épreuve, une capacité de résistance à la fracture hors norme tout en gardant une certaine flexibilité. Ces propriétés mécaniques de l’os sont l’œuvre d’une optimisation de sa composition et d’une structure fortement hiérarchisée et organisée en multiples niveaux allant de l'échelle nanométrique à l'échelle macroscopique. L’amélioration de la prise en charge des maladies osseuses, l’optimisation des implants orthopédiques et la conception de nouveaux matériaux bio-inspirés passent par une connaissance approfondie des multiples facteurs qui déterminent les propriétés mécaniques de l’os. Dans ce travail, nous mettons l’accent sur les propriétés élastiques de l'os cortical humain à la fois aux échelles millimétrique et micrométrique. Nous avons caractérisé l’élasticité (à l’échelle mésoscopique), la composition et la microstructure de l’os cortical, à partir d’échantillons de fémur, tibia et radius prélevés sur des donneurs âgés, à l’aide d’une batterie de tests expérimentaux comportant des mesures en résonance ultrasonore spectroscopique, micro-tomographie par rayonnement synchrotron, microscopie infrarouge à transformée de Fourier et analyse biochimique. Ces mesures mettent à jour le rôle prépondérant joué par la porosité et le degré de minéralisation dans la détermination de l’élasticité et suffisent à eux seuls à en expliquer les variations. En particulier, les caractéristiques de la microstructure, comme la forme des pores, leur nombre, taille ou connectivité ne semblent pas avoir d’effets mesurables sur l’élasticité à l’échelle mésoscopique. Dans un second temps, une nouvelle approche d’homogénéisation inverse introduite dans cette thèse a permis l’estimation du tenseur des coefficients élastiques de la matrice osseuse à l’échelle microscopique. Connaissant l’élasticité de la matrice, nous avons évalué la gamme des microdéformations qui se produisent localement en réponse à des contraintes physiologiques. Les microdéformations étant à l’origine des signaux qui déclenchent la réponse des cellules mécanosensibles, ce dernier résultat devrait contribuer à une meilleure compréhension du comportement mécanique osseux au niveau microscopique. En conclusion, ce travail de thèse a permis l’obtention d’une base de données unique sur les caractéristiques élastiques de l’os cortical humain et la caractérisation des relations qui existent entre l’élasticité, la microstructure et la composition.

Bone as an important organ in human body is an extraordinary material which exhibits highly optimized properties, strong yet light weight, stiff yet flexible. Its distinct mechanical properties which fascinates not only scientists but also engineers are the results of the highly hierarchized and organized structure and the compositional properties spanning over several lengths from the nanoscale to the macroscale. Hence, a deep understanding of the parameters affecting bone mechanical behavior is necessary to better predict and treat bone diseases, improve orthopedic implants design, and engineer bio-inspired materials. In this work, a special focus is placed on human cortical bone elastic properties both at the millimeter and micrometer scales. Based on a multimodal approach (resonant ultrasound spectroscopy, synchrotron radiation micro-computed tomography, Fourier transform infrared microspectroscopy and biochemistry experiments) involving an exhaustive amount of microstructural and compositional properties, our results provide strong evidence that intra-cortical porosity and degree of mineralization are the most important determinants of bone stiffness at millimeter scale in an elderly population. Further, the other microstructure characteristics independent of porosity have non measurable effects on bone stiffness at this level. At the micrometer scale, a novel inverse homogenization approach is introduced in this work which can evaluate bone matrix anisotropic elastic properties with a good accuracy for all the stiffness constants. Based on the determined bone matrix elasticity data, we investigated the possible range of the magnitude of microstrain experienced by bone matrix. This work opens a way to better evaluate and understand bone mechanical behaviour at the micrometer level, such as the microstrain that can be sensed by osteocytes and builds the bridge to comprehensively investigate the connections between bone anisotropic properties at the millimeter and micrometer scale, and between the anisotropic microelastic properties and the characteristics at the nanometer scale.; L’os présente la propriété remarquable de s’adapter à son environnement et s’est forgé au cours de l’évolution des caractéristiques exceptionnelles qui fascinent les scientifiques mais aussi les ingénieurs : léger mais d’une rigidité à toute épreuve, une capacité de résistance à la fracture hors norme tout en gardant une certaine flexibilité. Ces propriétés mécaniques de l’os sont l’œuvre d’une optimisation de sa composition et d’une structure fortement hiérarchisée et organisée en multiples niveaux allant de l'échelle nanométrique à l'échelle macroscopique. L’amélioration de la prise en charge des maladies osseuses, l’optimisation des implants orthopédiques et la conception de nouveaux matériaux bio-inspirés passent par une connaissance approfondie des multiples facteurs qui déterminent les propriétés mécaniques de l’os. Dans ce travail, nous mettons l’accent sur les propriétés élastiques de l'os cortical humain à la fois aux échelles millimétrique et micrométrique. Nous avons caractérisé l’élasticité (à l’échelle mésoscopique), la composition et la microstructure de l’os cortical, à partir d’échantillons de fémur, tibia et radius prélevés sur des donneurs âgés, à l’aide d’une batterie de tests expérimentaux comportant des mesures en résonance ultrasonore spectroscopique, micro-tomographie par rayonnement synchrotron, microscopie infrarouge à transformée de Fourier et analyse biochimique. Ces mesures mettent à jour le rôle prépondérant joué par la porosité et le degré de minéralisation dans la détermination de l’élasticité et suffisent à eux seuls à en expliquer les variations. En particulier, les caractéristiques de la microstructure, comme la forme des pores, leur nombre, taille ou connectivité ne semblent pas avoir d’effets mesurables sur l’élasticité à l’échelle mésoscopique. Dans un second temps, une nouvelle approche d’homogénéisation inverse introduite dans cette thèse a permis l’estimation du tenseur des coefficients élastiques de la matrice osseuse à l’échelle microscopique. Connaissant l’élasticité de la matrice, nous avons évalué la gamme des microdéformations qui se produisent localement en réponse à des contraintes physiologiques. Les microdéformations étant à l’origine des signaux qui déclenchent la réponse des cellules mécanosensibles, ce dernier résultat devrait contribuer à une meilleure compréhension du comportement mécanique osseux au niveau microscopique. En conclusion, ce travail de thèse a permis l’obtention d’une base de données unique sur les caractéristiques élastiques de l’os cortical humain et la caractérisation des relations qui existent entre l’élasticité, la microstructure et la composition.

ECCM 6 / ECFD 7 - 6th European Conference on Computational Mechanics / 7th European Conference on Computational Fluid Dynamics, Glasgow, ROYAUME-UNI, 11-/06/2018 - 15/06/2018; In the global context of environmental challenges where reducing the existing buildings energy consumption is of major concern, a goal-oriented inverse method may be used to compensate the lack of effective tools for the evaluation of the existing buildings energy performance. Unlike standard inverse methods that aim at identifying all the model parameters in order to rebuild its entire solution, the goal-oriented inverse method introduced in [Chamoin2014] focuses on a reliable prediction of a quantity of interest by updating the appropriate model parameters. As only few model parameters are updated, the goal-oriented inverse method may require less amount of sensor outputs and computation time than standard inverse methods. The robustness of the goal oriented inverse method is first assessed on a heat transfer problem at the envelop scale. The method is studied for different configurations of available sensor data and three measurement noise levels. The results are compared to those obtained with the Tikhonov regularization method [Tikhonov1977] and the constitutive relation error method [Ladevèze1999]. The results show that in the steady state case, the goal-oriented inverse method predicts the quantity of interest and identifies the parameters involved in its computation with a higher accuracy and using less sensors data compared to the standard methods. Furthermore, the goal-oriented inverse method appears to be less sensitive to the measurement noise. In the transient case, the resolution of the goal-oriented inverse problem implies several resolutions of coupled forward-backward thermal problems increasing the computation time. To overcome this hurdle, work is in progress to combine the goal oriented inverse method and the Proper Generalized Decomposition (PGD) model reduction method [Nouy2010] in view of real building applications.

26ème congrès de la Société Française de Thermique, Pau, France, 29-/05/2018 - 01/06/2018; Le présent travail introduit une méthode inverse d'identification de paramètres de modèles thermiques vis-à-vis d'une quantité d'intérêt. Cette méthode a pour objectif de ne recaler que les paramètres du modèle ayant une influence sur une quantité d'intérêt donnée. Elle peut être utilisée pour répondre au besoin en méthodes numériques pertinentes pour la réalisation de diagnostics de performance énergétique représentatifs du comportement réel des bâtiments existants.

The characterization of hidden objects from scattered wave measurements arises in many applications such as geophysical exploration, non destructive testing, medical imaging, etc. It can be achieved numerically by solving an Inverse Problem. However, this is a nonlinear and ill-posed problem, thus a difficult task. A successful reconstruction requires careful selection of very different parameters depending on the data and the chosen optimization numerical method.The main contribution of this thesis is an investigation of the full reconstruction of immersed elastic scatterers from far-field pattern measurements. The sought-after parameters are the boundary, the Lamé coefficients, the density and the location of the obstacle. First, existence and uniqueness results of a generalized Boundary Value Problem including the direct elasto-acoustic problem are established. The sensitivity of the scattered field with respect to the different parametersdescribing the solid is analyzed and we end up with the characterization of the corresponding partial Fréchet derivatives as solutions to the direct problem with modified right-hand sides. These Fréchet derivatives are computed numerically thanks to the Interior Penalty Discontinuous Galerkin method and the code is validated thanks to comparison with analytical solutions. Then, two solution methodologies are introduced for solving the inverse problem. Both are based on an iterative regularized Newton-type methodology and the first one consists in retrieving the parameters of different nature independently, while the second one reconstructs all parameters together. Due to the different behavior of the parameters, sensitivity tests are performed to assess the impact of the parameters on the measurements. We conclude that material parameters have a weaker influence on the measurements than shape parameters, and therefore, a successful strategy to retrieve parameters of distinct nature should take into account these different levels of sensitivity. Various experiments at different noise levels and with full or limited aperture data are carried out to retrieve some of the physical properties, e.g. Lamé coefficients with shape parameters, density with shape parameters a, density, shape and location. This set of tests contributes to a final strategy for the full reconstruction and in more realistic conditions. In the final part of the thesis, we extend the results to more complex material parameters, in particular anisotropic elastic.; La caractérisation d’objets enfouis à partir de mesures d’ondes diffractées est un problème présent dans de nombreuses applications comme l’exploration géophysique, le contrôle non-destructif, l’imagerie médicale, etc. Elle peut être obtenue numériquement par la résolution d’un problème inverse. Néanmoins, c’est un problème non linéaire et mal posé, ce qui rend la tâche difficile. Une reconstruction précise nécessite un choix judicieux de plusieurs paramètres très différents, dépendant des données de la méthode numérique d’optimisation choisie.La contribution principale de cette thèse est une étude de la reconstruction complète d’obstacles élastiques immergés à partir de mesures du champ lointain diffracté. Les paramètres à reconstruire sont la frontière, les coefficients de Lamé, la densité et la position de l’obstacle. On établit tout d’abord des résultats d’existence et d’unicité pour un problème aux limites généralisé englobant le problème direct d’élasto-acoustique. On analyse la sensibilité du champ diffracté par rapport aux différents paramètres du solide, ce qui nous conduit à caractériser les dérivées partielles de Fréchet comme des solutions du problème direct avec des seconds membres modifiés. Les dérivées sont calculées numériquement grâce à la méthode de Galerkine discontinue avec pénalité intérieure et le code est validé par des comparaisons avec des solutions analytiques. Ensuite, deux méthodologies sont introduites pour résoudre le problème inverse. Toutes deux reposent sur une méthode itérative de type Newton généralisée et la première consiste à retrouver les paramètres de nature différente indépendamment, alors que la seconde reconstruit tous les paramètre en même temps. À cause du comportement différent des paramètres, on réalise des tests de sensibilité pour évaluer l’influence de ces paramètres sur les mesures. On conclut que les paramètres matériels ont une influence plus faible sur les mesures que les paramètres de forme et, ainsi, qu’une stratégie efficace pour retrouver des paramètres de nature distincte doit prendre en compte ces différents niveaux de sensibilité. On a effectué de nombreuses expériences à différents niveaux de bruit, avec des données partielles ou complètes pour retrouver certains paramètres, par exemple les coefficients de Lamé et les paramètres de forme, la densité, les paramètres de forme et la localisation. Cet ensemble de tests contribue à la mise en place d’une stratégie pour la reconstruction complète des conditions plus proches de la réalité. Dans la dernière partie de la thèse, on étend ces résultats à des matériaux plus complexes, en particulier élastiques anisotropes.

The characterization of hidden objects from scattered wave measurements arises in many applications such as geophysical exploration, non destructive testing, medical imaging, etc. It can be achieved numerically by solving an Inverse Problem. However, this is a nonlinear and ill-posed problem, thus a difficult task. A successful reconstruction requires careful selection of very different parameters depending on the data and the chosen optimization numerical method.The main contribution of this thesis is an investigation of the full reconstruction of immersed elastic scatterers from far-field pattern measurements. The sought-after parameters are the boundary, the Lamé coefficients, the density and the location of the obstacle. First, existence and uniqueness results of a generalized Boundary Value Problem including the direct elasto-acoustic problem are established. The sensitivity of the scattered field with respect to the different parametersdescribing the solid is analyzed and we end up with the characterization of the corresponding partial Fréchet derivatives as solutions to the direct problem with modified right-hand sides. These Fréchet derivatives are computed numerically thanks to the Interior Penalty Discontinuous Galerkin method and the code is validated thanks to comparison with analytical solutions. Then, two solution methodologies are introduced for solving the inverse problem. Both are based on an iterative regularized Newton-type methodology and the first one consists in retrieving the parameters of different nature independently, while the second one reconstructs all parameters together. Due to the different behavior of the parameters, sensitivity tests are performed to assess the impact of the parameters on the measurements. We conclude that material parameters have a weaker influence on the measurements than shape parameters, and therefore, a successful strategy to retrieve parameters of distinct nature should take into account these different levels of sensitivity. Various experiments at different noise levels and with full or limited aperture data are carried out to retrieve some of the physical properties, e.g. Lamé coefficients with shape parameters, density with shape parameters a, density, shape and location. This set of tests contributes to a final strategy for the full reconstruction and in more realistic conditions. In the final part of the thesis, we extend the results to more complex material parameters, in particular anisotropic elastic.; La caractérisation d’objets enfouis à partir de mesures d’ondes diffractées est un problème présent dans de nombreuses applications comme l’exploration géophysique, le contrôle non-destructif, l’imagerie médicale, etc. Elle peut être obtenue numériquement par la résolution d’un problème inverse. Néanmoins, c’est un problème non linéaire et mal posé, ce qui rend la tâche difficile. Une reconstruction précise nécessite un choix judicieux de plusieurs paramètres très différents, dépendant des données de la méthode numérique d’optimisation choisie.La contribution principale de cette thèse est une étude de la reconstruction complète d’obstacles élastiques immergés à partir de mesures du champ lointain diffracté. Les paramètres à reconstruire sont la frontière, les coefficients de Lamé, la densité et la position de l’obstacle. On établit tout d’abord des résultats d’existence et d’unicité pour un problème aux limites généralisé englobant le problème direct d’élasto-acoustique. On analyse la sensibilité du champ diffracté par rapport aux différents paramètres du solide, ce qui nous conduit à caractériser les dérivées partielles de Fréchet comme des solutions du problème direct avec des seconds membres modifiés. Les dérivées sont calculées numériquement grâce à la méthode de Galerkine discontinue avec pénalité intérieure et le code est validé par des comparaisons avec des solutions analytiques. Ensuite, deux méthodologies sont introduites pour résoudre le problème inverse. Toutes deux reposent sur une méthode itérative de type Newton généralisée et la première consiste à retrouver les paramètres de nature différente indépendamment, alors que la seconde reconstruit tous les paramètre en même temps. À cause du comportement différent des paramètres, on réalise des tests de sensibilité pour évaluer l’influence de ces paramètres sur les mesures. On conclut que les paramètres matériels ont une influence plus faible sur les mesures que les paramètres de forme et, ainsi, qu’une stratégie efficace pour retrouver des paramètres de nature distincte doit prendre en compte ces différents niveaux de sensibilité. On a effectué de nombreuses expériences à différents niveaux de bruit, avec des données partielles ou complètes pour retrouver certains paramètres, par exemple les coefficients de Lamé et les paramètres de forme, la densité, les paramètres de forme et la localisation. Cet ensemble de tests contribue à la mise en place d’une stratégie pour la reconstruction complète des conditions plus proches de la réalité. Dans la dernière partie de la thèse, on étend ces résultats à des matériaux plus complexes, en particulier élastiques anisotropes.

Active seismic experiments are widely used to characterize the structure of the subsurface. Migration Velocity Analysis techniques aim at recovering the background velocity model controlling the kinematics of wave propagation. The first step consists of obtaining the reflectivity images by migrating observed data in a given macro velocity model. The estimated model is then updated, assessing the quality of the background velocity model through the image coherency or focusing criteria. Classical migration techniques, however, do not provide a sufficiently accurate reflectivity image, leading to incorrect velocity updates. Recent investigations propose to couple the asymptotic inversion, which can remove migration artifacts in practice, to velocity analysis in the subsurface-offset domain for better robustness. This approach requires large memory and cannot be currently extended to 3D. In this thesis, I propose to transpose the strategy to the more conventional common-shot migration based velocity analysis. I analyze how the approach can deal with complex models, in particular with the presence of low velocity anomaly zones or discontinuous reflectivities. Additionally, it requires less memory than its counterpart in the subsurface-offset domain. I also propose to extend Inversion Velocity Analysis to the data-domain, leading to a more linearized inverse problem than classic waveform inversion. I establish formal links between data-fitting principle and image coherency criteria by comparing the new approach to other reflection-based waveform inversion techniques. The methodologies are developed and analyzed on 2D synthetic data sets.; Les expériences sismiques actives sont largement utilisées pour caractériser la structure de la subsurface. Les méthodes dites d’analyse de vitesse par migration ont pour but la détermination d’un macro-modèle de vitesse, lisse, et contrôlant la cinématique de propagation des ondes. Le modèle est estimé par des critères de cohérence d’image ou de focalisation d’image. Les images de réflectivité obtenues par les techniques de migration classiques sont cependant contaminées par des artefacts, altérant la qualité de la remise à jour du macro-modèle. Des résultats récents proposent de coupler l’inversion asymptotique, qui donne des images beaucoup plus propres en pratique, avec l’analyse de vitesse pour la version offset en profondeur. Cette approche cependant demande des capacités de calcul et de mémoire importantes et ne peut actuellement être étendue en 3D.Dans ce travail, je propose de développer le couplage entre l’analyse de vitesse et la migration plus conventionnelle par point de tir. La nouvelle approche permet de prendre en compte des modèles de vitesse complexes, comme par exemple en présence d’anomalies de vitesses plus lentes ou de réflectivités discontinues. C’est une alternative avantageuse en termes d’implémentation et de coût numérique par rapport à la version profondeur. Je propose aussi d’étendre l’analyse de vitesse par inversion au domaine des données pour les cas par point de tir. J’établis un lien entre les méthodes formulées dans les domaines données et images. Les méthodologies sont développées et analysées sur des données synthétiques 2D.

Active seismic experiments are widely used to characterize the structure of the subsurface. Migration Velocity Analysis techniques aim at recovering the background velocity model controlling the kinematics of wave propagation. The first step consists of obtaining the reflectivity images by migrating observed data in a given macro velocity model. The estimated model is then updated, assessing the quality of the background velocity model through the image coherency or focusing criteria. Classical migration techniques, however, do not provide a sufficiently accurate reflectivity image, leading to incorrect velocity updates. Recent investigations propose to couple the asymptotic inversion, which can remove migration artifacts in practice, to velocity analysis in the subsurface-offset domain for better robustness. This approach requires large memory and cannot be currently extended to 3D. In this thesis, I propose to transpose the strategy to the more conventional common-shot migration based velocity analysis. I analyze how the approach can deal with complex models, in particular with the presence of low velocity anomaly zones or discontinuous reflectivities. Additionally, it requires less memory than its counterpart in the subsurface-offset domain. I also propose to extend Inversion Velocity Analysis to the data-domain, leading to a more linearized inverse problem than classic waveform inversion. I establish formal links between data-fitting principle and image coherency criteria by comparing the new approach to other reflection-based waveform inversion techniques. The methodologies are developed and analyzed on 2D synthetic data sets.; Les expériences sismiques actives sont largement utilisées pour caractériser la structure de la subsurface. Les méthodes dites d’analyse de vitesse par migration ont pour but la détermination d’un macro-modèle de vitesse, lisse, et contrôlant la cinématique de propagation des ondes. Le modèle est estimé par des critères de cohérence d’image ou de focalisation d’image. Les images de réflectivité obtenues par les techniques de migration classiques sont cependant contaminées par des artefacts, altérant la qualité de la remise à jour du macro-modèle. Des résultats récents proposent de coupler l’inversion asymptotique, qui donne des images beaucoup plus propres en pratique, avec l’analyse de vitesse pour la version offset en profondeur. Cette approche cependant demande des capacités de calcul et de mémoire importantes et ne peut actuellement être étendue en 3D.Dans ce travail, je propose de développer le couplage entre l’analyse de vitesse et la migration plus conventionnelle par point de tir. La nouvelle approche permet de prendre en compte des modèles de vitesse complexes, comme par exemple en présence d’anomalies de vitesses plus lentes ou de réflectivités discontinues. C’est une alternative avantageuse en termes d’implémentation et de coût numérique par rapport à la version profondeur. Je propose aussi d’étendre l’analyse de vitesse par inversion au domaine des données pour les cas par point de tir. J’établis un lien entre les méthodes formulées dans les domaines données et images. Les méthodologies sont développées et analysées sur des données synthétiques 2D.

Diffuse Optical Tomography (DOT) is a new medical imaging technique used to reconstruct the optical properties of biological tissues in order to detect cancerous tumors. However, this is an ill-posed and under-determined inverse problem. The work of this thesis deals with the resolution of this problem using the radiative transfer equation as a forward model of light propagation. The sensitivity analysis showed that the anisotropy factor g of the Henyey-Greenstein phase function is the most sensitive parameter of the forward model followed by the scattering coefficient µs and then the absorption coefficient µa. In a first step, a Gauss-Newton algorithm was implemented using the sensitivity functions. However, this algorithm allows to estimate a very limited number of the optical parameters (assumed to be constant in space). In a second step, a Quasi-Newton algorithm was developed to reconstruct the spatial distributions of the optical properties. The gradient of the objective function was efficiently computed by the adjoint method through the Lagrangian formalism with a Multi-frequency approach. The reconstructed images were obtained from simulated boundary data. The g factor was reconstructed as a new optical contrast agent in DOT and the crosstalk problem between this factor and µs has been studied. The results showed that the algorithm is efficient to reconstruct in 2D and 3D one or several tumor inclusions having different shapes. The quality of the reconstructed images was examined according to several parameters: the number of frequencies, the crosstalk, the contrast and the noise levels, La Tomographie Optique Diffuse (TOD) est une nouvelle technique d'imagerie médicale permettant de reconstruire les propriétés optiques des tissus biologiques dans le but de détecter des tumeurs cancéreuses. Il s’agit, toutefois, d’un problème inverse mal-posé et sous-déterminé. Le travail de cette thèse s’articule autour de la résolution de ce problème en utilisant l’équation du transfert radiatif comme modèle de propagation de la lumière (modèle direct). L’analyse de sensibilité a montré que le facteur d’anisotropie g de la fonction de phase de Henyey-Greenstein est le paramètre le plus influant sur la sortie du modèle direct suivi du coefficient de diffusion µs puis du coefficient d’absorption µa. Dans un premier temps, un algorithme de Gauss-Newton a été implémenté en utilisant les fonctions de sensibilités. Toutefois, ce dernier ne permet d’estimer qu'un nombre très limité de paramètres optiques (supposés constants en espace). Dans un second temps, un algorithme de Quasi-Newton a été développé pour reconstruire les distributions spatiales des propriétés optiques. Le gradient de la fonction objectif a été calculé efficacement par la méthode adjointe à travers le formalisme de Lagrange avec une approche Multi-fréquences. Les reconstructions sont obtenues à partir des données simulées en surface. Le facteur g est reconstruit comme un nouvel agent de contraste en TOD. Le problème de diaphonie entre µs g a été donc mis en évidence dans cette thèse. Notre algorithme a permis de reconstruire en 2D et 3D une ou plusieurs inclusions tumorales présentant différentes formes. La qualité des images reconstruites a été examinée en fonction du nombre de fréquences, de la diaphonie, du niveau de contraste (Inclusion/Fond), du niveau de bruit et de la position des inclusions tumorales

Non-invasively taken, exhaled breath contains many volatile organic compounds (VOCs) whose amount depends on the health of the subject. Quantitative analysis of exhaled air is of great medical interest, whether for diagnosis or for a treatment follow-up. As part of my thesis, we propose to study a device to analyze exhaled breath, including these VOCs. This multidisciplinary thesis addresses various aspects, such as the choice of sensors, materials and acquisition modes, the acquisition of data using a gas bench, and then the processing of the signals obtained to quantify a gas mixture. We study the response of a metal oxide sensor (MOX) to mixtures of two gases (acetone and ethanol) diluted in synthetic air (oxygen and nitrogen). Then, we use source separation methods in order to distinguish the two gases, and to determine their concentration. To give satisfactory results, these methods require first to use several sensors for which we know the mathematical model describing the interaction of the mixture with the sensor, and which present a sufficient diversity in the calibration measurements to estimate the model coefficients. In this thesis, we show that MOX sensors can be described by a linear-quadratic mixing model, and that a dual temperature acquisition mode can generate two virtual sensors from a single physical sensor. To quantify the components of the mixture from measurements on these (virtual) sensors, we have develop supervised and unsupervised source separation methods, applied to this nonlinear model: independent component analysis, least squares methods (Levenberg Marquardt algorithm), and a Bayesian method were studied. The experimental results show that these methods make it possible to estimate the VOC concentrations of a gas mixture, accurately, while requiring only a few calibration points., Prélevés de manière non invasive, les gaz respiratoires sont constitués de nombreux composés organiques volatils (VOCs) dont la quantité dépend de l’état de santé du sujet. L’analyse quantitative de l’air expiré présente alors un fort intérêt médical, que ce soit pour le diagnostic ou le suivi de traitement. Dans le cadre de ma thèse, nous proposons d’étudier un dispositif d’analyse des gaz respiratoires, et notamment de ces VOCs. Cette thèse multidisciplinaire aborde différents aspects, tels que le choix des capteurs, du matériel et des modes d’acquisition, l’acquisition des données à l’aide d’un banc gaz, et ensuite le traitement des signaux obtenus de manière à quantifier un mélange de gaz. Nous étudions la réponse d’un capteur à oxyde métallique (MOX) à des mélanges de deux gaz (acétone et éthanol) dilués dans de l’air synthétique (oxygène et azote). Ensuite, nous utilisons des méthodes de séparation de sources de manière à distinguer les deux gaz, et déterminer leur concentration. Pour donner des résultats satisfaisants, ces méthodes nécessitent d’utiliser plusieurs capteurs dont on connait la forme mathématique du modèle décrivant l’interaction du mélange avec le capteur, et qui présentent une diversité suffisante dans les mesures d’étalonnage pour estimer les coefficients de ce modèle. Dans cette thèse, nous montrons que les capteurs MOX peuvent être décrits par un modèle de mélange linéaire quadratique, et qu’un mode d’acquisition fonctionnant en double température permet de générer deux capteurs virtuels à partir d’un unique capteur physique. Pour quantifier précisément les composants du mélange à partir des mesures sur ces capteurs (virtuels), nous avons conçu des méthodes de séparation de sources, supervisées et non supervisées appliquées à ce modèle non-linéaire : l’analyse en composantes indépendantes, des méthodes de moindres carrés (algorithme de Levenberg-Marquardt), et une méthode bayésienne ont été étudiées. Les résultats expérimentaux montrent que ces méthodes permettent d’estimer les concentrations de VOCs contenus dans un mélange de gaz, de façon précise, en ne nécessitant que très peu de points de calibration.

The RCS (Radar Cross Section) is a quantity which characterizes the scattering power ofa target exposed to an electromagnetic field. Its analysis and control are important in manyapplications. 3D imaging is a suitable tool to accurately locate and characterize in 3D themain contributors to the RCS. However, this is a non-invertible Fourier synthesis problembecause the number of unknowns is larger than the number of data. Conventional methodssuch as the Polar Format Algorithm, which consists of data reformatting including zeropaddingfollowed by a fast inverse Fourier transform, provide results of limited quality.In this work, we propose a new high resolution method, named SPRITE (for SParse RadarImaging TEchnique), which considerably increases the quality of the estimated RCS maps. Itis based on a regularization scheme that accounts for information of sparsity and support. Thesolution is then defined as the minimizer of a penalized and constrained criterion. Optimizationis ensured by an appropriate adaptation of the ADMM (Alternating Direction Methodof Multiplier) algorithm that is able to quickly perform calculations using fast Fourier transforms.Finally, the method is evaluated on both simulated and real data. Compared to the conventionalmethod, the resolution is significantly increased and the images can support a betterRCS analysis and control., La SER (Surface Équivalente Radar) est une grandeur caractérisant le pouvoir rétrodiffuseurd’une cible soumise à un champ électromagnétique. Dans de nombreuses applications,il est capital d’analyser et de contrôler la SER. L’imagerie 3D est l’outil adapté pourlocaliser et caractériser en trois dimensions les principaux contributeurs à la SER. Cependant,ce traitement est un problème de synthèse de Fourier qui n’est pas inversible car il y aplus d’inconnues que de données. Les méthodes conventionnelles telles que le Polar FormatAlgorithm, consistant en un reformatage des données avec complétion de zéro suivi d’unetransformée de Fourier inverse rapide, fournissent des résultats de qualité limitée.Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode haute résolution. Elle est dénomméeSPRITE (pour SParse Radar Imaging TEchnique) et permet d’accroître considérablementla qualité des cartes de rétro-diffusion estimées. Elle repose sur une régularisation duproblème consistant en la prise en compte d’informations a priori de parcimonie et d’uneinformation de support. La solution est alors définie comme le minimiseur d’un critère pénaliséet contraint. L’optimisation est assurée par l’algorithme primal-dual ADMM (AlternatingDirection Method of Multiplier) dont une adaptation aux spécificités du problème mène à descalculs efficaces à l’aide de transformées de Fourier rapides.Finalement, la méthode est évaluée sur des données synthétiques et réelles. Comparativementà la méthode conventionnelle, la résolution est drastiquement accrue. Les images 3Dproduites sont alors un outil particulièrement adapté à l’analyse et au contrôle de SER.

Les contours actifs sont des courbes déformables que l'on vient positionner dans les images pour y capturer des structures d'intérêt : on parle de segmentation d'images. La plupart du temps, cet ajustement est formulé comme l'optimisation d'une fonctionnelle d'énergie, caractérisée par la présence de nombreux minima locaux, correspondant à des solutions peu pertinentes. Dans ce chapitre, nous passons en revue les principaux modèles de contours actifs existants, puis nous décrivons des solutions récemment développées, assurant la détermination de solutions globalement optimales. Il s'agit, d'une part, d'algorithmes de calcul de chemins optimaux et, d'autre part, de techniques de relaxation convexe. Les premiers, adaptés à la recherche de courbes optimales entre deux points, procèdent par propagation d'une distance géodésique et rétro-parcours. Les secondes, applicables à certaines formes de contours actifs orientés région, se positionnent dans un espace convexe, en cherchant une approximation de la fonction caractéristique des régions, et optimisent une fonctionnelle elle aussi convexe.