Thèses sur le sujet « Imagerie micro-ondes »

L'imagerie micro-ondes est une technique de perception artificielle qui donne une representation de la scene observee a partir d'une analyse de la reflexion electromagnetique (micro-ondes) sur cette scene. Nous focalisons notre etude sur le cas des scenes qui comportent une dependance temporelle au sens large, i. E. Toute assemblee de reflecteurs dont le comportement varie au cours du temps (mouvement, scintillation, etc. ). Elle s'inscrit dans la problematique generale de l'imagerie micro-ondes qui est definie par deux concepts: la retrodiffusion, qui caracterise les changements affectant l'onde electromagnetique dans son interaction avec la scene. L'image, qui est une representation modelisee des phenomenes ; et qui s'articule selon deux axes: le probleme inverse d'imagerie qui consiste a obtenir une image a partir de la retrodiffusion ; nous rappelons les methodes desormais classiques ainsi que la demarche de jacqueline et pierre bertrand qui font un usage motive des representations d'espace des phases comme, par exemple, les decompositions en ondelettes generalisees, le probleme direct de la synthese de fonctions de retrodiffusion a partir de simulations ou de veritables donnees experimentales. Nous analysons les consequences de l'introduction du facteur temps dans le couple retrodiffusion-image. Et les images s'animent

Dans cette thèse, nous étudions, d'un point de vue théorique et numérique, l'imagerie micro-ondes. Mathématiquement, il s'agit de résoudre un problème inverse : reconstruire les coefficients diélectriques (permittivité et conductivité) à l'intérieur d'un matériau ou d'un tissu à l'aide de mesures surfaciques du champ électrique. Ce problème est modélisé par les équations de Maxwell pour le champ électrique en régime harmonique dont nous démontrons l'existence et l'unicité d'une solution dans le cas de conditions de bord mixtes. Nous nous intéressons particulièrement à la reconstruction de perturbations dans l'indice de réfraction du milieu. L'indice du milieu sain est supposé connu et, à l'aide de mesures effectuées sur l'objet d'étude, nous définissons le champ perturbé et cherchons à retrouver les perturbations. Afin de comprendre l'influence de celles-ci sur le champ électrique, nous menons une analyse de sensibilité des équations de Maxwell. L'étude numérique de cette analyse de sensibilité a conduit à des résultats utilisés pour développer un algorithme de reconstruction du support des perturbations. Nous étudions par la suite le problème de Cauchy, notamment pour démontrer un résultat d'identifiabilité avec données partielles. Nous nous intéressons également à la résolution numérique de ce problème pour répondre à la question de la complétion de données surfaciques : à partir de mesures partielles, nous en déduisons des données totales. Le problème inverse est finalement étudié sous la forme d'un problème de minimisation d'une fonctionnelle permettant de reconstruire l'amplitude des inhomogénéités recherchées
In this thesis, we study, from a theoretical and numerical point of view, the microwave imaging. Mathematically, it is about solving an inverse problem: reconstruct the dielectric coefficients (permittivity and conductivity) inside a material or tissue from boundary measurements of the electric field. This problem is modeled by time-harmonic Maxwell's equations for the electric field for which we prove the existence and uniqueness of a solution in the case of mix boundary conditions. We are particularly interested in the reconstruction of perturbations in the refractive index of the medium. The index of the healthy medium is assumed to be known and, with the help of boundary measurements on the studied object, we define the perturbed field and try to find the perturbations. In order to understand their influence on the electric field, we lead a sensitivity analysis of Maxwell's equations. The numerical study of this sensitivity analysis led to results used to develop a reconstruction algorithm of the perturbations supports. We then study the Cauchy problem, to solve a uniqueness result with partial data. We are also interested in the numerical resolution of this problem to answer the question of the boundary data completion: from partial measurements, we deduce the total data. The inverse problem is finally studied as the minimization of a functional to reconstruct the amplitude of the searched inhomogeneities

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

L'élastographie ondulatoire est une méthode d'imagerie visant à mesurer l'élasticité des tissus biologiques de façon non-invasive et quantitative. Récemment, la transposition de la technique à petite échelle baptisée micro-élastographie dynamique a permis de réaliser de premières mesures d'élasticité cellulaire par ondes de cisaillement grâce à un microscope optique. Cette thèse s'attache à en comprendre les limites et à développer de nouvelles méthodes de micro-élastographie, à tester de nouvelles sources d'ondes mais également des applications potentielles de la technique. Dans un premier temps, la dispersion d'ondes de cisaillement a été étudiée sur des gels de gélatine. Deux régimes distincts d'ondes élastiques guidées et d'ondes de cisaillement ont été identifiés. La limite haute fréquence de propagation des ondes a également été explorée, permettant d'établir l'existence d'une fréquence de coupure expliquant l'absence d'imagerie ultrasonore de cisaillement. La même approche a ensuite été appliquée à des fluides visco-élastiques faisant apparaître deux fréquences de coupure et permettant de revisiter les études déjà menées sur la rhéologie et la propagation d'ondes dans ce type de milieux. Puis, l'objectif initial étant de réaliser de la micro-élastographie sur des cellules uniques et les expériences précédemment réalisées avec des micro-pipettes présentant certains défauts, une méthode originale de micro-élastographie cellulaire a été développée. Une micro-bulle oscillante est utilisée comme source d'ondes de cisaillement sans contact à 15 kHz, pour réaliser des expériences sur des cellules sanguines appelées mégacaryocytes dont le diamètre est d'environ 15 µm. Il s'agit en fait des plus petits objets jamais explorés par élastographie. Des objets plus gros, des amas cellulaires de quelques dizaines de milliers de cellules ont également été étudiés. En effet, l'élastographie ultrasonore de ces modèles tumoraux d'environ 800 µm de diamètre étant impossible, la micro-élastographie optique est une technique adaptée. Ces échantillons contiennent des nano-particules magnétiques, donc une impulsion magnétique a pu être utilisée comme source d'ondes. Auparavant, des preuves de concept sur des gels à la fois macroscopiques (en élastographie ultrasonore) et microscopiques (en micro-élastographie optique) ont été menées pour valider l'utilisation de cette source de champ diffus. Enfin, des mesures d'ondes de pouls ont été réalisées sur des artères rétiniennes d'environ 50 µm de diamètre à partir d'acquisitions d'holographie Doppler laser réalisées in vivo. L'application d'algorithmes de corrélation monochromatiques a permis de mesurer la vitesse d'ondes guidées révélant l'existence d'une deuxième onde de pouls, une onde antisymétrique de flexion. Cette onde guidée, beaucoup plus lente que l'onde de pouls axisymétrique étudiée jusqu'à présent, a également été observée sur l'artère carotide grâce à des acquisitions ultrasonores ultrarapides
Dyanmic elastography is an imaging method to measure the elasticity of biological tissues in a non-invasive and quantitative way. Recently, the transposition of the technique to a small scale has been called dynamic micro-elastography and has allowed the first measurements of cellular elasticity by shear waves using an optical microscope. This thesis aims to undetstand the limits of this technique and to develop new micro-elastography methods, to test new wave sources but also potential applications of the technique. In a first step, the dispersion of shear waves was studied on gelatin phantoms. Two distinct regimes of guided elastic waves and shear waves were identified. The high-frequency limit of wave propagation was also explored, establishing the existence of a cutoff frequency which explains the absence of ultrasonic shear imaging. The same approach was then applied to visco-elastic fluids, revealing two cutoff frequencies and revisiting previous studies on rheology and wave propagation in this type of medium. Then, the initial objective being to carry out micro-elastography on single cells and the experiments previously carried out with micro-pipettes presenting certain defects, an original method of cellular micro-elastography was developed. An oscillating microbubble is used as a contactless shear wave source at 15 kHz to perform experiments on blood cells whose diameter is about 15 µm. These are the smallest objects ever explored by elastography. Larger objects, cell clusters of a few tens of thousands of cells have also been studied. Indeed, since ultrasound elastography of these tumour models of about 800 µm in diameter is impossible, optical micro-elastography is a suitable technique. These samples contain magnetic nanoparticles, so a magnetic pulse could be used as a wave source. Previously, proofs of concept on both macroscopic (in ultrasonic elastography) and microscopic (in optical micro-elastography) phantoms were conducted to validate the use of this diffuse field source. Finally, pulse wave measurements were performed on retinal arteries of about 50 µm in diameter using laser Doppler holography acquisitions performed in vivo. The application of monochromatic correlation algorithms allowed the measurement of guided wave velocities, finally revealing the existence of a second pulse wave, an antisymmetric bending wave. This guided wave, much slower than the axisymmetric pulse wave studied so far, was also observed on the carotid artery thanks to ultrafast ultrasound acquisitions

Ce travail concerne l'imagerie micro-onde en vue d'application à l'imagerie biomédicale. Cette technique d'imagerie a pour objectif de retrouver la distribution des propriétés diélectriques internes (permittivité diélectrique et conductivité) d'un objet inconnu illuminé par une onde interrogatrice connue à partir des mesures du champ électrique dit diffracté résultant de leur interaction. Un tel problème constitue un problème dit inverse par opposition au problème direct associé qui consiste à calculer le champ diffracté, l'onde interrogatrice et l'objet étant alors connus.La résolution du problème inverse nécessite la construction préalable du modèle direct associé. Celui-ci est ici basé sur une représentation intégrale de domaine des champs électriques donnant naissance à deux équations intégrales couplées dont les contreparties discrètes sont obtenues à l'aide de la méthode des moments. En ce qui concerne le problème inverse, hormis le fait que les équations physiques qui interviennent dans sa modélisation directe le rendent non-linéaire, il est également mathématiquement mal posé au sens de Hadamard, ce qui signifie que les conditions d'existence, d'unicité et de stabilité de la solution ne sont pas simultanément garanties. La résolution d'un tel problème nécessite sa régularisation préalable qui consiste généralement en l'introduction d'information a priori sur la solution recherchée. Cette résolution est effectuée, ici, dans un cadre probabiliste bayésien où l'on introduit une connaissance a priori adaptée à l'objet sous test et qui consiste à considérer ce dernier comme étant composé d'un nombre fini de matériaux homogènes distribués dans des régions compactes. Cet information est introduite par le biais d'un modèle de « Gauss-Markov-Potts ». De plus, le calcul bayésien nous donne la distribution a posteriori de toutes les inconnues connaissant l'a priori et l'objet. On s'attache ensuite à déterminer les estimateurs a posteriori via des méthodes d'approximation variationnelles et à reconstruire ainsi l'image de l'objet recherché. Les principales contributions de ce travail sont d'ordre méthodologique et algorithmique. Elles sont illustrées par une application de l'imagerie micro-onde à la détection du cancer du sein. Cette dernière constitue en soi un point très important et original de la thèse. En effet, la détection du cancer su sein en imagerie micro-onde est une alternative très intéressante à la mammographie par rayons X, mais n'en est encore qu'à un stade exploratoire
This work concerns the problem of microwave tomography for application to biomedical imaging. The aim is to retreive both permittivity and conductivity of an unknown object from measurements of the scattered field that results from its interaction with a known interrogating wave. Such a problem is said to be inverse opposed to the associated forward problem that consists in calculating the scattered field while the interrogating wave and the object are known. The resolution of the inverse problem requires the prior construction of the associated forward model. This latter is based on an integral representation of the electric field resulting in two coupled integral equations whose discrete counterparts are obtained by means of the method of moments.Regarding the inverse problem, in addition to the fact that the physical equations involved in the forward modeling make it nonlinear, it is also mathematically ill-posed in the sense of Hadamard, which means that the conditions of existence, uniqueness and stability of the solution are not simultaneously guaranteed. Hence, solving this problem requires its prior regularization which usually involves the introduction of a priori information on the sought solution. This resolution is done here in a Bayesian probabilistic framework where we introduced a priori knowledge appropriate to the sought object by considering it to be composed of a finite number of homogeneous materials distributed in compact and homogeneous regions. This information is introduced through a "Gauss-Markov-Potts" model. In addition, the Bayesian computation gives the posterior distribution of all the unknowns, knowing the a priori and the object. We proceed then to identify the posterior estimators via variational approximation methods and thereby to reconstruct the image of the desired object.The main contributions of this work are methodological and algorithmic. They are illustrated by an application of microwave imaging to breast cancer detection. The latter is in itself a very important and original aspect of the thesis. Indeed, the detection of breast cancer using microwave imaging is a very interesting alternative to X-ray mammography, but it is still at an exploratory stage

Les méthodes de retournement temporel (RT) en micro-ondes sont appliquées à l'amplification d'impulsions et à l'imagerie. Lors d'une première partie, une chambre réverbérante ouverte sur sa face avant permet d'engendrer un champ diffus tout en laissant s'échapper l'énergie afin de focaliser le champ par RT à l'extérieur. La compression spatio-temporelle après RT produit une impulsion de forte amplitude et confère au dispositif un caractère auto-adaptatif en position et en polarisation. La seconde partie traite expérimentalement et théoriquement de la méthode DORT (décomposition de l'opérateur de RT). Le cas d'un cylindre diélectrique est examiné dans le but de retrouver ses paramètres. L'imagerie de deux cibles séparées d'une distance sub-longueur d'onde est alors abordée. Un critère de résolution déterminant le niveau de bruit à partir duquel la résolution des cibles échoue est notamment extrait. La méthode est ensuite appliquée à la localisation de personnes mobiles derrière un mur. La possibilité de suivre un déplacement est illustrée en prenant en compte la propagation à l'intérieur du mur. L'influence du déplacement d'une cible ponctuelle pendant l'acquisition de la matrice de transfert sur les invariants de l'opérateur de RT est aussi examinée. Enfin, une technique d'imagerie passive fondée sur les corrélations du bruit ambiant est expérimentalement mise en évidence en micro-ondes. Suivant une analogie avec le RT, la corrélation de signaux de bruit large bande mène à la fonction de Green entre deux antennes et ainsi à la localisation de cibles. La localisation passive d'une personne est aussi abordée en « bande étroite » grâce à l'émission d'une borne WIFI
Time Reversal (TR) methods are applied in microwaves to pulse amplification and imaging. First, we use a reverberation chamber with an aperture on the front face and we take advantage of the pulse compression property of time reversal. High amplitude peaks are generated outside the chamber thanks to the long spreading time of the signals inside. Our device is auto-adaptive in position and in polarization. The second part of the manuscript deals theoretically and experimentally with the DORT method (decomposition of the TR operator). The method is first applied to characterize a dielectric cylinder and work out its parameters. Imaging of two close scatterers separated by a subwavelength distance is then considered. A criterion is especially extracted to deduce the noise level above which the resolution fails. Furthermore, we use thé DORT method to track experimentally people behind a wall. The wave propagation inside the wall is taken into account to localize a human being. This last part leads to the study of the invariants of the TR operator when a pointlike target is moving during the acquisition of the transfer matrix. Eventually, we introduce thé first wideband ambient noise cross-correlation experiment in microwaves. The cross-correlation yields the Green's function between two antennas and allows the passive detection and localization of targets. The analogy with a TR process is developed. Passive people localization is also achieved with the narrow bandwidth signals emitted by a WIFI router

Avec l’expansion des exploitations agricoles, le principe d’homogénéité du rendement (céréales, fruits…) devient de moins en moins pertinent. Ce phénomène de variabilité spatiale implique des conséquences économiques et environnementales avec le développement de nouveaux concepts agricoles comme les « site-specific management » (gestion spécifique des parcelles). Les traitements tels que les fertilisants, les intrants et autres pesticides doivent être utilisés de manière différente en les appliquant au bon endroit, à la bonne période et au bon taux. Cette nouvelle façon de penser l’agriculture fait partie de l’agriculture de précision (PA) et se concentre en quatre domaines technologiques : (i) la télédétection, (ii) la navigation et guidage, (iii) la gestion des données et (iv) les technologies à taux variable. Initiée à la fin des années 1990, la viticulture de précision (PV) est une branche particulière de la PA, caractérisée par des problématiques spécifiques à la viticulture. Les travaux effectués durant cette thèse entrent dans le cadre de la télédétection (ou détection proche) appliquée à la PV. Ils se focalisent sur une nouvelle méthode d’estimation de la quantité de grappes (masse ou volume) directement sur les plants de vignes. Pouvoir estimer le rendement des vignes plusieurs semaines avant la récolte offre de nombreux avantages avec des impacts économiques et qualitatifs, avec par exemple : (i) l’amélioration du rapport rendement/qualité en supprimant au plut tôt une partie de la récolte, (ii) l’optimisation des ressources humaines et la logistique à la récolte, (iii) un remboursement le plus équitable par les assurances en cas d’intempéries qui endommageraient les pieds de vignes. La méthode proposée ici repose sur l’imagerie microondes (à 24GHz ou des fréquences plus élevées) générée par un radar FM-CW. Elle implique la mise en place d’un système d’interrogation intra-parcellaire « pied par pied » à distance basé au sol, et en particulier : (i) l’évaluation de la précision des mesures et les limites du système, (ii) le développement d’algorithmes spécifiques pour l’analyse de données tridimensionnelles, (iii) la construction d’estimateurs pour retrouver le volume des grappes, et finalement (iv) l’analyse des données recueillies pendant les campagnes de mesures. Dû au caractère saisonnier des récoltes, les mesures sont en premier lieu effectuées sur des cibles canoniques, des charges variables et des capteurs passifs en laboratoire. Pour mettre en avant la flexibilité de cette interrogation radar, le même système est utilisé en parallèlement dans le cadre du projet régional PRESTIGE, pour compter à distance le nombre de pommes présentes sur les pommiers en verger. Ces travaux ont été financés par l’entreprise Ovalie-Innovation et l’ANRT (Agence Nationale de la Recherche Technologique).

La capacité de pénétration des ondes électromagnétiques (OEM), généralement non destructive, dans les matériaux ou tissus permet de sonder les milieux étudiés. En termes de santé publique, améliorer la qualité de vie est devenu un objectif majeur de la société actuelle. Des applications de sondage par OEM de divers milieux ou tissus dans le domaine biologique présentent un intérêt majeur dans les opérations de diagnostic et dans les opérations thérapeutiques. Les travaux de cette thèse abordent le vaste domaine des applications biomédicales, des interactions micro-ondes/radiofréquences et de la matière. Ces travaux de thèse se focalisent sur l’univers émergeant de l’Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) à Ultra-Haut Champ. Le premier objectif est de développer un fantôme anthropomorphique de tête humaine ou il faut prendre en compte les propriétés électromagnétiques et les temps de relaxation caractéristiques de chaque tissu. Cela permet d’obtenir une estimation précise des niveaux de DAS pour l’être humain et une notion des formations de hotspots lors d’un examen IRM haut-champ.Le deuxième objectif dans le domaine des IRM à très haut champ est l’étude et la fabrication des dispositifs d’homogénéisation de champ permettant ainsi d’éclaircir les zones d’ombres. Ce processus, dénommé Dielectric Shimming, est basé entre autre sur l’utilisation d’éléments discrets à hautes permittivités appelés pads. Ces pads sont composés de matériaux diélectriques à fortes permittivités, comme des solutions aqueuses de Titanate de Baryum, afin de focaliser le champ dans les zones initialement sombres de l’image de l’IRM (dans cas du cerveau : le cervelet et les lobes temporaux)
The penetration capacity of the electromagnetic (EM) waves in matter or biological tissues allows exploring media non-destructively. Concerning the public health sector, improving the quality of life has become one of the greatest concerns of nowadays society. EM wave research on different media and biological tissues shows a great potential for diagnostic applications and eventually for therapeutically applications. In this doctoral thesis, we focus on the vast domain of the biomedical applications of wave-matter interactions, based on the knowledge of the electromagnetic properties of matter, the complex permittivity and the conductivity. On a first instance, we address the emerging domain of ultra-high field MRI (Magnetic Resonance Imaging), which nowadays puts effort into the clinical implementation of 7T devices. Firstly our purpose is to produce an anthropomorphic head model, composed of the brain’s different layers, and taking into account the electromagnetic properties and the proton relaxation times inherent to each tissue. These realistic head models allow to evaluate the newly developed protocols for these ultra-high field devices. Secondly, we have studied and developed field homogenization devices, which allow brightening the shadow areas displayed in some MRI images, such as the cerebellum and the temporal lobes in brain imaging at 7T. This procedure, named Passive Shimming, is based on the use of high permittivity dielectric pads composed of Barium Titanate, which focalize the field to the areas where normally the wavelength in insufficient to generate a homogeneous signal distribution

Le Contrôle Non Destructif (CND) hyperfréquence consiste à examiner un matériau de telle manière qu’à l’issue de ce contrôle, son utilisation future n’en soit pas affectée. Ce type de caractérisation est généralement réalisé au travers de la mesure des propriétés de réflexion ou/et de transmission du matériau sous test par un analyseur de réseaux vectoriel conventionnel. Cependant, ce type d’appareillage s’avère surdimensionné en termes d’éventail de mesure et donc de coût pour un usage hors laboratoire. Aussi, nous avons développé, dans une optique de faible coût, des systèmes basés sur la technique six-port. En particulier, dans ce travail, un double réflectomètre quatre-port est développé pour la mesure des paramètres de réflexion et de transmission d’un quadripôle passif dans la bande de 55 - 65 GHz. La proposition d’une instrumentation plus complète, intégrant les ressources matérielles et logicielles, permet d’entrevoir des développements de systèmes spécialisés dans le domaine de la caractérisation hyperfréquence. Ainsi, nous avons adjoint des solutions logicielles, basée sur les réseaux de neurones artificiels, pour le traitement des grandeurs mesurées, afin de satisfaire aux besoins d’une Évaluation Non Destructive plus quantitative. Enfin, dans le but d’effectuer des caractérisations de défauts dont les dimensions sont inférieures à la longueur d’onde, un microscope micro-ondes constitué du système millimétrique associé à une sonde à ondes évanescentes a été proposé. Cet ensemble permet de relever les variations en module et en phase du coefficient de réflexion du matériau sous test, de manière sans contact
Non Destructive microwave Testing (NDT) consists in examining a material so that after testing, its future use is not affected. Such characterization is usually achieved through the measurement of reflection and/or transmission properties of the material under test by a vector network analyzer. However, this type of equipment is oversized in terms of measurements abilities and cost for a use outside the laboratory. In order to overcome this limitation, we have developed, with a view to low cost, systems based on the six-port technique. In particular, a dual four-port reflectometer is developed for the measurement of reflection and transmission parameters of passive devices in the frequency range of 55 - 65 GHz. In addition, we have proposed complete solution which integrates hardware and software resources allowing the development of specialized systems in the field of microwave characterization. The added software solutions, based on artificial neural networks contribute to satisfy the needs of a non-destructive, quantitative evaluation. Finally, in order to perform characterization of defects whose dimensions are smaller than the wavelength, a mm-wave microscope formed by the mm-wave system and associated with an evanescent wave probe has been proposed. This ensemble reveals changes in magnitude and phase reflection coefficients of the material under test, allowing non-contact measurements. ___________________________________________________________________________

Le Contrôle Non Destructif (CND) hyperfréquence consiste à examiner un matériau de telle manière qu’à l’issue de ce contrôle, son utilisation future n’en soit pas affectée. Ce type de caractérisation est généralement réalisé au travers de la mesure des propriétés de réflexion ou/et de transmission du matériau sous test par un analyseur de réseaux vectoriel conventionnel. Cependant, ce type d’appareillage s’avère surdimensionné en termes d’éventail de mesure et donc de coût pour un usage hors laboratoire. Aussi, nous avons développé, dans une optique de faible coût, des systèmes basés sur la technique six-port. En particulier, dans ce travail, un double réflectomètre quatre-port est développé pour la mesure des paramètres de réflexion et de transmission d’un quadripôle passif dans la bande de 55 - 65 GHz. La proposition d’une instrumentation plus complète, intégrant les ressources matérielles et logicielles, permet d’entrevoir des développements de systèmes spécialisés dans le domaine de la caractérisation hyperfréquence. Ainsi, nous avons adjoint des solutions logicielles, basée sur les réseaux de neurones artificiels, pour le traitement des grandeurs mesurées, afin de satisfaire aux besoins d’une Évaluation Non Destructive plus quantitative. Enfin, dans le but d’effectuer des caractérisations de défauts dont les dimensions sont inférieures à la longueur d’onde, un microscope micro-ondes constitué du système millimétrique associé à une sonde à ondes évanescentes a été proposé. Cet ensemble permet de relever les variations en module et en phase du coefficient de réflexion du matériau sous test, de manière sans contact
Non Destructive microwave Testing (NDT) consists in examining a material so that after testing, its future use is not affected. Such characterization is usually achieved through the measurement of reflection and/or transmission properties of the material under test by a vector network analyzer. However, this type of equipment is oversized in terms of measurements abilities and cost for a use outside the laboratory. In order to overcome this limitation, we have developed, with a view to low cost, systems based on the six-port technique. In particular, a dual four-port reflectometer is developed for the measurement of reflection and transmission parameters of passive devices in the frequency range of 55 - 65 GHz. In addition, we have proposed complete solution which integrates hardware and software resources allowing the development of specialized systems in the field of microwave characterization. The added software solutions, based on artificial neural networks contribute to satisfy the needs of a non-destructive, quantitative evaluation. Finally, in order to perform characterization of defects whose dimensions are smaller than the wavelength, a mm-wave microscope formed by the mm-wave system and associated with an evanescent wave probe has been proposed. This ensemble reveals changes in magnitude and phase reflection coefficients of the material under test, allowing non-contact measurements. ___________________________________________________________________________

Cette thèse porte sur la tomographie micro-ondes appliquée à la détection du cancer du sein. Les aspects algorithmiques ainsi que ceux reliés à la configuration du montage de mesure y sont traités.

Le temps nécessaire à la reconstruction d'une image étant critique pour d'éventuelles applications cliniques de la tomographie micro-ondes, nous proposons, en première partie, une série d'algorithmes qui offrent un coût de calcul diminué par rapport aux méthodes concurrentes. La méthode « current source inversion » (CSI) est utilisée comme point de départ de la réflexion. On identifie certaines faiblesses de cet algorithme et on en propose deux généralisations, plus rapides et plus robustes. Deux nouvelles familles de méthodes, s'attaquant à différents goulots d'étranglement des méthodes CSI généralisées, sont aussi proposées. Elles sont basées sur deux nouvelles formulations du problème direct. La première est mathématiquement équivalente à celle d'origine alors que la seconde est basée sur des approximations.

En ce qui a trait à la configuration du montage de mesures, on montre que la résolution des images reconstruites peut être significativement améliorée en ayant recours à la compression du sein. On propose aussi un montage qui exploite les propriétés des guides d'ondes diélectriques. Celui-ci permet de mesurer le champ dans l'air plutôt que dans un liquide d'adaptation, ce qui ouvre la porte au développement de montages plus compacts.

Les microscopes champ proche micro-ondes sont des instruments émergents pour la caractérisation de matériaux. Dans ce travail, un microscope champ proche micro-ondes fait maison est d'abord décrit et analysé en termes de résolution et de largeur de bande de fréquences de fonctionnement. Ensuite, il est mis en œuvre pour la caractérisation d'une grande variété de matériaux tels que par exemple des métaux, des semi-conducteurs, des diélectriques, des liquides et des nanomatériaux 2D. Le système intégre un interférométre pour améliorer la sensibilité de la mesure pour des fréquences de fonctionnement couvrant la bande 2-18 GHz. La sensibilité et les différents modes de fonctionnement disponibles (contact, sans contact, environnement liquide) permettent d'adresser une grande variété de domaines d'applications. La résolution latérale obtenue par cet instrument est plus petite de plusieurs ordres de grandeur que la longueur d'onde de fonctionnement, ouvrant ainsi la voie à une caractérisation locale. Les propriétés électromagnétiques des matériaux ont été extraites en utilisant la méthode de perturbation et celle de la ligne de transmission. En particulier, les propriétés diélectriques de solutions salines aqueuses et l’impédance complexe du graphène ont été étudiées dans une large bande de fréquence. Ce microscope champ proche micro-ondes basé sur une méthode interférométrique qui permet une analyse quantitative des propriétés des matériaux de manière non-destructive peut adresser un grand éventail d’applications dans de nombreux domaines scientifiques. Enfin, l’ensemble des résultats montre que potentiellement la microscopie champ proche micro-ondes dispose des atouts pour devenir un outil de métrologie important pour la caractérisation en micro- et nano-électronique
Near-field microwave microscopes are emerging instruments for materials characterization. In this work, a home-made near-field microwave microscope is first described and analyzed in terms of resolution performance and frequency band of operation. Then, it is applied to the characterization of a large variety of materials such as metals, semiconductors, dielectrics, liquids and 2D nanomaterials. The system is based on an interferometric technique to improve the measurement sensitivity in the entire frequency range of operation spanning from 2 to 18 GHz. The sensitivity and the different operating modes available (contact, non-contact, liquid environment) allow addressing a large variety of application fields. The instrument allows a sub-wavelength lateral resolution which is more than two orders of magnitude smaller than the operating wavelength, opening the way to a local characterization. The cavity perturbation and transmission line approaches have been used to extract the electromagnetic properties of materials. In particular dielectric properties of saline aqueous solutions and complex impedance of graphene have been investigated in a broad frequency band. It provides a quantitative analysis of material properties in a non-destructive manner to address numerous applications in many scientific fields. Finally, all the results together show that the interferometer-based near-field microwave microscope has the potential to become an important metrology tool for characterizations in micro- and nano-electronics

Garantir la sécurité et la qualité des aliments est une préoccupation majeure dans l'industrie alimentaire, car la contamination physique peut présenter des risques importants pour la santé des consommateurs, nuire à la réputation de la marque et par là même conduire à des poursuites judiciaires. Les méthodes de détection actuelles, telles que l'inspection par rayons X, présentent des limites, notamment en ce qui concerne l'identification de contaminants tels que le plastique, le bois et le verre, qui ont une faible densité et peuvent être difficiles à détecter, ou encore lorsque les contaminants sont cachés dans le produit. Ce travail explore une solution alternative basée sur la détection par un système exploitant les microondes. L'avantage de cette solution réside dans le caractère non ionisant des signaux envoyés ainsi que dans la possibilité de réaliser un système à faible puissance injectée. Ainsi, identifier les contaminants dans les aliments pourra s'effectuer sans compromettre leur intégrité ni nécessiter de modifications importantes des chaînes de production existantes. De plus, ce système devra fonctionner en temps réel sur une ligne de production, sans que le processus de fabrication ne soit interrompu. Le principe de la détection repose sur l'analyse de l'interaction des signaux microondes avec différents matériaux, en tirant parti du contraste diélectrique entre les contaminants et les produits alimentaires. La matrice de diffraction collectée par les 6 antennes qui entourent la cible est traitée pour déterminer la présence de corps étrangers. Le système est conçu pour être compatible avec les contraintes des environnements industriels de transformation des aliments. La détection des contaminants dans les produits alimentaires et les boissons à l'aide des paramètres de diffusion implique la résolution d'un problème inverse, non linéaire et mal posé. Ce processus est coûteux en termes de calcul et difficilement compatible avec une détection sur une ligne de production opérant en temps réel. Dans ce travail de doctorat, nous intégrons des techniques d'apprentissage automatique pour surmonter les difficultés du problème inverse et automatiser le processus de classification. Nous étudions la robustesse et l'efficacité de différents classificateurs, tels que les machines à vecteurs de support (SVM) et les réseaux de perceptrons multicouches (MLP), en les entraînant sur des ensembles de données à grande échelle collectées lors de campagnes de mesure. Ces modèles apprennent à distinguer les aliments contaminés des aliments sains. Les classificateurs identifient avec succès une variété de matériaux étrangers, y compris différents types de plastique, de verre et de bois, sur des milliers de cas de test. En outre, nous étendons notre recherche à l'imagerie par ondes millimétriques (mmW), en étudiant l'intégration des systèmes mmW avec des outils de ML pour l'inspection de fruits à coque. Cette étude est motivée par les résultats prometteurs obtenus dans cette même gamme de fréquences sur des fruits à peau fine et contenant une grande quantité d'eau, comme les pommes et les pêches. Ici, la présence de la coque ainsi que le fait qu'elle renferme un fruit sec rend l'étude plus complexe. Les résultats obtenus dans ce travail de doctorat mettent en évidence le potentiel du système basé sur les microondes et les ondes millimétriques en tant que solution robuste, évolutive et efficace pour la détection en temps réel de la contamination des aliments et l'inspection agroalimentaire. En intégrant la détection par micro-ondes à l'apprentissage automatique, nous proposons une alternative puissante aux méthodes d'inspection traditionnelles, améliorant ainsi la sécurité et la qualité des aliments dans les environnements industriels
Ensuring food safety and quality is a major concern in the food industry, as physical contamination can pose significant health risks to consumers, damage brand reputation, and lead to legal consequences. Common detection methods, such as X-ray inspection, have limitations, particularly in identifying contaminants like plastic, wood, and glass, which have low density and can be difficult to detect. This work explores an alternative solution based on microwave sensing, introducing a novel approach to contamination detection. The proposed system leverages low-power, non-ionizing microwave signals to identify foreign bodies without compromising food integrity or requiring extensive modifications to existing production lines. It offers a cost-effective and real-time inspection method, capable of operating in-line without interrupting the manufacturing process. The detection principle relies on analyzing how microwave signals interact with different materials, taking advantage of the dielectric contrast between contaminants and food products. A set of antennas surrounding the target captures signal variations, which are then processed to determine the presence of foreign objects. The system is designed to acquire data efficiently while maintaining compatibility with the speed and constraints of industrial food processing environments. Detecting contaminants in food and beverage products using scattering parameters involves solving an inverse problem, which is nonlinear and ill-posed. This process is computationally expensive and may not be suitable for real-time, in-line detection. In this research, we integrate Machine Learning (ML) techniques to overcome the challenges of the inverse problem and to automate the classification process. We investigate the robustness and effectiveness of different classifiers, such as Support Vector Machines (SVM) and Multi-Layer Perceptron (MLP) networks, by training them on large-scale datasets collected from experimental trials. These models learn to distinguish between uncontaminated and contaminated food items. The classifiers successfully identifies a variety of foreign materials, including different types of plastics, glass, and wood, demonstrating high accuracy across thousands of test cases.Furthermore, we extend our research to millimeter-Wave (mmW) imaging, investigating the integration of mmW systems with ML tools for nut inspection. The promising results achieved using mmW imaging and ML classification in agrifood applications, particularly for soft fruits like apples and peaches, inspire us to evaluate the effectiveness of this approach for more challenging cases—specifically, in-shell seeds such as almonds and walnuts. The results obtained in this thesis highlight the potential of the microwave/mmW-based system as a robust, scalable, and efficient solution for real-time food contamination detection and agrifood inspection. By integrating microwave sensing with machine learning, this approach offers a powerful alternative to traditional inspection methods, improving food safety and quality in industrial settings
Garantire la sicurezza e la qualita degli alimenti e una delle principali preoccupazioni dell’industriaalimentare, poiche la contaminazione fisica puo comportare rischi significativi per la salute dei consumatori, danneggiare la reputazione del marchio e portare a conseguenze legali. I comuni metodi dirilevamento, come l’ispezione a raggi X, hanno dei limiti, in particolare nell’identificazione di contaminanticome plastica, legno e vetro, che hanno una bassa densita e possono essere difficili da rilevare. Questolavoro esplora una soluzione alternativa basata sul rilevamento a microonde, introducendo un nuovoapproccio al rilevamento della contaminazione. Il sistema proposto sfrutta segnali a microonde a bassapotenza e non ionizzanti per identificare i corpi estranei senza compromettere l’integrita degli alimentio richiedere modifiche alle linee di produzione esistenti. Offre un metodo di ispezione economico e intempo reale, in grado di operare in linea senza interrompere il processo di produzione. Il principio di rilevamento si basa sull’analisi del modo in cui i segnali a microonde interagiscono con i diversi materiali, sfruttando il contrasto dielettrico tra contaminanti e prodotti alimentari. Una schiera di antenne, che circondano il prodotto sotto analisi, cattura le variazioni di segnale, che vengono poi elaborate per determinare la presenza di oggetti estranei. Il sistema e progettato per acquisire dati in modo efficiente, mantenendo la compatibilita con la velocita e i vincoli degli ambienti industriali di lavorazione degli alimenti. Il rilevamento di contaminanti nei prodotti alimentari e nelle bevande utilizzando i parametri di diffusione comporta la risoluzione di un problema inverso, non lineare e malposto. Questo processo e computazionalmente costoso e potrebbe non essere adatto per il rilevamento in linea in tempo reale. In questa ricerca, integriamo tecniche di apprendimento automatico (ML) al problema inverso per automatizzare il processo di classificazione. Analizziamo la robustezza e l’efficacia di diversi classificatori, come le macchine a vettori di supporto (SVM) e le reti di percettori multistrato (MLP), addestrandoli su serie di dati su larga scala raccolti da prove sperimentali. Questi modelli imparano a distinguere tra alimenti non contaminati e contaminati. I classificatori identificano con successo una varieta di materiali estranei, tra cui diversi tipi di plastica, vetro e legno, dimostrando un’elevata precisione su migliaia di casi di test. Inoltre, estendiamo la nostra ricerca all’imaging a onde millimetriche (mmW), studiando l’integrazione di sistemi mmW con strumenti di ML per l’ispezione delle noci. I risultati promettenti ottenuti con l’imaging mmW e la classificazione ML in applicazioni agroalimentari, in particolare per frutti rossi come mele e pesche, ci hanno stimolato a valutare l’efficacia di questo approccio per casi piu impegnativi, in particolare per semi in guscio come mandorle e noci. I risultati ottenuti in questa tesi evidenziano il potenziale del sistema basato sulle microonde/mmW come soluzione robusta, scalabile ed efficiente per il rilevamento della contaminazione alimentare e l’ispezione agroalimentare in tempo reale. Integrazione del rilevamento a microonde con l’apprendimento automatico offre una potente alternativa ai metodi di ispezione tradizionali, migliorando la sicurezza e la qualita degli alimenti in ambito industriale

L'élastographie impulsionnelle est une technique de caractérisation tissulaire permettant de mesurer in vivo les propriétés viscoélastiques des tissus vivants en étudiant la propagation d'ondes de cisaillement. Au cours de cette thèse, un outil numérique permettant de simuler des ondes de cisaillement dans des tissus mous viscoélastiques a été développé et validé par comparaison avec un modèle analytique et des données expérimentales. Dans un deuxième temps cet outil de simulation a été utilisé pour étudier dfférentes stratégies permettant de mesurer l'élasticité de milieux hétérogènes. Plusieurs méthodes permettant de mesurer in vivo la viscosité de cisaillement des tissus vivants ont également été étudiées. Ces différentes techniques ont notamment été appliquées à l'étude des propriétés visocélastiques du foie par élastographie impulsionnelle quantative. Enfin, un nouveau système de micro-élastographie permettant de mesurer les paramètres visocélastiques de petis organes ou de tissus situés au contact de la sonde a été proposé. Ce système de micro-élastographie de contact a été appliqué avec succès pour mesurer in vivo l'élasticité du foie sur deux modèles murins : un modèle d'amyloïdose et un modèle de fibrose expérimentale
Transcient elastography is a tissue characterization technique used to measure non-invasively the viscoelastic properties of human tissues. In hepatology, this new technique is now a common diagnostic toll to assess liver fibrosis. However, it could still benefit from technological and algorithmic improvements to extend its use to order clinical applications. In this thesis, a numerical tool to simulate shear wave propagation in viscoelastic soft tissues was developed. Its results were validated by comparison with those provided by an analytical model and compared to experimental data. This tool was then used to test several inverse methods to compute the shear modulus and the shear viscosity of a medium from the displacements measured using ultrasound. These techniques were applied in vivo to measure the viscoelastic properties of liver. Finally, a novel micro-elastography device dedicated to the measurement of the elasticity of small organs or tissues was introduced and tested to quantify the elasticity of the liver in two murine mdols in vivo : a model of amyloidosis and a model of experimental fibrosis

La combinaison de plusieurs procédés d’imagerie et de mesure permet d’obtenir des ensembles de données complémentaires et parfois uniques. A l’aide d’une technique hybride de microscopie présentant des modalités de mesure différentes et des enregistrements synchrones, on peut recueillir des informations complémentaires sur des échantillons à l’échelle nanométrique. De plus, l’intégration de procédés nanorobotiques et de logiciels open-source permet une approche technologique pour la recherche sur les semi-conducteurs et les sciences des matériaux. Ce travail démontre le potentiel d’une telle technologie. Ce démonstrateur fonctionne dans la chambre d‘un MEB et sert de plateforme technologique dans laquelle sont intégrés différentes modalités, technologies et procédés. Un AFM basé sur un interféromètre optique compact permet l’imagerie de la topographie de surface tandis qu’un microscope à micro-ondes à balayage enregistre les caractéristiques électromagnétiques dans la gamme de fréquence des micro-ondes, le tout opérant dans le même MEB. L’engin est contrôlé par un ensemble de logiciels qui est optimisé pour la nanorobotique basée sur l‘imagerie. Ce démonstrateur technologique permet d’observer en direct la région d’intérêt à l’aide du microscope électronique tandis qu’est effectuée en champ proche la caractérisation de la surface de l’échantillon par intermédiaire des micro-ondes évanescentes et des forces intermoléculaires. Ensuite, est présenté un standard multimodal de test et qui valide la fonctionnalité de l’instrument démonstrateur. Le présent travail est complété par une analyse électrique de capacités MOS ainsi que leur approximation destinée au calibrage
Various disciplines of micro- and nanotechnology requires combinatorial tools for the investigation, manipulation and transport of materials in the submicrometer range. The coupling of multiple sensing and imaging techniques allows for obtaining complementary and often unique datasets of samples under test. By means of an integrated microscopy technique with different modalities, it is possible to gain multiple information about nanoscale samples by recording at the same time. The expansion with nanorobotics and an open-source software framework, leads to a technology approach for semiconductor research and material science. This work shows the potential of such a multimodal technology approach by focusing on a demonstrator setup. It operates under high-vacuum conditions inside the chamber of a Scanning Electron Microscope and serves as a technology platform by fusing various microscopy modalities, techniques and processes. An Atomic Force Microscope based on a compact, optical interferometer performs imaging of surface topography, and a Scanning Microwave Microscope records electromagnetic properties in the microwave frequency domain, both operating inside an SEM. A software framework controls the instrument. The setup allows for observing with SEM, while imaging and characterizing with interacting evanescent microwaves and intermolecular forces simultaneously. In addition, a multimodal test standard is introduced and subsequently confirms the functionality of the demonstrator. Within this context, the work also includes an electrical analysis of micro-scale MOS capacitors, including an approximation for use in the calibration

Durant cette thèse nous nous sommes intéressés à la physique des ondes globale. En repartant de l’équation de d’Alembert, il émerge trois leviers principaux qui permettent le contrôle des ondes : contrôle sur les sources, contrôle sur les conditions aux limites, et contrôle sur le milieu de propagation lui-même. Dans un premier lieu, nous avons utilisé les propriétés d’une métasurface binaire électroniquement reconfigurable en cavité micro-ondes. Cet objet permet de contrôler le champ au sein de la cavité. Celle-ci a ensuite été ouverte, et nous avons montré que le contrôle s’étendait à l’émission en champ lointain. Ce système réalise donc une antenne compacte directive et reconfigurable. Dans un second temps, nous avons considéré l’approche métamatériaux pour réaliser une antenne dite superdirective. En effet, les antennes sont soumises à des limitations de directivité liées à leur taille, dont la prédiction date des années 40. En utilisant un milieu de fils, nous avons montré que ce métamatériau qui permet le contrôle du champ proche à une échelle sub-longueur d’onde, peut influencer le rayonnement d’une source unique au point de réaliser une antenne superdirective avec seulement quatre diffuseurs résonants passifs. Enfin, nous avons réalisé en acoustique une preuve de concept d’une nouvelle technique d’imagerie non-linéaire. Depuis l’illumination structurée, c’est l’imagerie d’agents de contraste, souvent fluorescent, qui permet de battre la limite de diffraction. Ici, nous proposons une idée basée sur l’effet Doppler. Nous montrons dans un premier temps qu’imager avec des sources et des récepteurs en rotation permet d’égaler au moins l’illumination structurée. Dans un second temps, nous montrons que cette rotation génère une information spectrale supplémentaire qui permet d’atteindre la super-résolution
During this PhD, we have taken interest in general wave physics. From d’Alembert’s wave equation, one can find three ways of controlling the waves : tuning the source distribution, for one part, altering the boundary conditions, for another part, and finally, modeling the propagation medium itself. Those three tools have been demonstrated during three different projects. Firstly, we have used an electronically reconfigurable binary métasurface to control the wave field inside a micro-wave cavity. Extending this concept to an open cavity, we have demonstrated that we can actually control the farfield emission of this system. This has allowed us to design a compact reconfigurable directive antenna from an open micro-wave cavity. Secondly, we have used the metamaterial approach to overcome the directivity limit of antenna that has been considered by the community since its prediction in the 40s. Using a wire medium, which is known for its sub-wavelength control of the nearfield, we have extended this to the farfield emission of a singular source inside. Using only four passive resonant scatterers, we have been able to make a single source superdirective. Lastly, we have designed and performed an acoustic experiment to create a new non-linear imaging technique. Ever since the contributions of structured illumination and non-linear fluorescent imaging, breaking the diffraction limit has been shown to be possible. We design here a new method, based on the Doppler effect, to get rid of contrast agents. Using rotating sources and receivers, we have shown that this system performs, in homodyne detection, as well as a structured illumination microscope. However, the spectral richness of the signal allows us to further hence the resolving power of our system, and hence, achieve true super-resolution

Cette thèse porte sur l’application de la technique de corrélation de bruit sismologique ambiant pour l'imagerie et le suivi des réservoirs géothermiques de Rittershoffen (ECOGI) et de Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). La forte variabilité spatio-temporelle des sources du bruit de fond sismologique dans la gamme de période 0.2-7s limite la reconstruction des fonctions de Green. Cela induit des erreurs dans la construction des modèles de vitesse. Deux approches sont proposées pour s’affranchir des effets de la non-uniformité spatiale du bruit. Par ailleurs, la variabilité temporelle des sources de bruit est un facteur limitant pour le suivi du réservoir. On estime que les perturbations de vitesse doivent être de l’ordre de 0.1% à 1% pour pouvoir être détectées par les réseaux disponibles. Ce seuil n’a pas été franchi lors de la construction du site Rittershoffen mais une modification probable des propriétés diffractantes du milieu a été observée à la suite d’une stimulation
This work focuses on the application of the ambient seismic noise correlation technique for the imaging and monitoring of deep geothermal reservoirs near Rittershoffen (ECOGI) and Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). The strong spatial and temporal variability of the noise sources in the period range 0.2-7s limits the reconstruction of the Green’s functions. This results in significant errors in the velocity models. Two approaches are proposed to overcome the spatial non-uniformity of the noise and to improve the quality of the velocity models. Besides that, the temporal variability of the noise sources is a limiting factor for monitoring purposes. We estimate that the speed variations should be larger than 0.1% to 1% to be detected by the available networks. This threshold was not reached at Rittershoffen during the drillings or the stimulations. However, a probable change of the diffracting properties of the medium was observed following a hydraulic stimulation

Les cMUT sont des microsystèmes principalement utilisés pour de l’imagerie médicale. Afin de développer de nouvelles architectures de sondes, intégrer l’électronique de commande devient impératif. Pour y parvenir, la température du procédé de réalisation ne doit pas excéder 400°C. Cela nécessite donc de revoir les procédés et matériaux utilisés. Pour répondre à cette problématique, nous avons utilisé une électrode originale en siliciure de nickel obtenu à 400°C, une couche sacrificielle en nickel et une membrane en nitrure de silicium déposée à 200°C. Des cMUT ont été fabriqués sur un substrat silicium. Ils présentent les caractéristiques souhaitées à savoir une forte fréquence de résonance (16,4MHz), une tension de collapse maitrisée (65V) et un coefficient de couplage électromécanique satisfaisant (0,6). De plus, le procédé développé peut être étendu à d’autres types de substrats
CMUTs are innovating microsystems for ultrasonic medical imaging. To develop new array architectures, monolithic integration of integrated circuits is required. In this context, microsystems must be achieved using process temperature limited to 400°C. The main objective of this PhD thesis is the development of alternative processes and materials to replace usual ones done at high temperature. We have developed a nickel silicide bottom electrode at 400°C, a metallic sacrificial layer and a silicon nitride membrane deposited at 200°C. The devices, fabricated on silicon substrates, are functional with a high resonance frequency (16.4MHz), a mastered collapse voltage (65V) and an efficient electromechanical coupling coefficient (0.6). Moreover, this low temperature process was successfully applied on other substrates such as glass

La miniaturisation continue et la complexité des dispositifs poussent les techniques existantes de nano-caractérisation à leurs limites. De ce fait, la combinaison de ces techniques apparait être une solution attrayante pour continuer à fournir une caractérisation précise et exacte. Dans le but de dépasser les verrous existants pour l’imagerie chimique 3D haute résolution à l’échelle nanométrique, nous avons concentré nos recherches sur la création d’un protocole combinant la spectrométrie de masse à ions secondaires de temps de vol (ToF-SIMS) avec la microscopie à force atomique (AFM). Ceci permet entre autre de corréler la composition et la visualisation en 3 dimensions avec des cartographies de topographie ou d’autres propriétés locales fournies par l’AFM. Trois principaux résultats sont obtenus grâce à cette méthodologie : la correction d’un ensemble de données ToF-SIMS pour une visualisation 3D sans artefacts, la cartographie du taux de pulvérisation locale permettant de mettre en évidence les effets liés à la rugosité et la présence d’interfaces verticales et la superposition des informations avancées ToF-SIMS et AFM. Quatre applications de la méthodologie combinée ToF-SIMS et AFM sont abordées dans cette thèse. La procédure de correction des données ToF-SIMS en 3D a été appliquée sur une structure hétérogène GaAs / SiO2. Les artefacts liés à la pulvérisation, notamment l’effet d’ombrage, ont été étudiés par le biais des cartographies de taux de pulvérisation sur des échantillons avec nano-motifs structurés et non structuré. Enfin, nous avons exploré la combinaison de l’analyse ToF-SIMS avec trois modes avancées de microscopie AFM : piézoélectrique (PFM), capacité (SCM) et conducteur (SSRM). Une première étude a notamment permis d’observer l’évolution et la modification chimique suite à l’application d’une contrainte électrique sur deux film mince piézoélectriques. Une deuxième étude s’est focalisée sur l’impact de l’implantation Ga lors de la préparation d’échantillons par FIB pour voir comment limiter l’effet de l’amorphisation sur la mesure électrique. Les aspects techniques de la méthodologie seront abordés pour chacune de ces applications et les perspectives de cette combinaison seront discutés
The continuous miniaturization and complexity of devices have pushed existing nano-characterization techniques to their limits. The correlation of techniques has then become an attractive solution to keep providing precise and accurate characterization. With the aim of overcoming the existing barriers for the 3D high-resolution imaging at the nanoscale, we have focused our research on creating a protocol to combine time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) with atomic force microscopy (AFM). This combination permits the correlation of the composition in 3-dimensions with the maps of topography and other local properties provided by the AFM. Three main results are achieved through this methodology: a topography-corrected 3D ToF-SIMS data set, maps of local sputter rate where the effect of roughness and vertical interfaces are seen and overlays of the ToF-SIMS and AFM advanced information. The application fields of the ToF-SIMS and AFM combined methodology can be larger than expected. Indeed, four different applications are discussed in this thesis. The procedure to obtain the topography-corrected 3D data sets was applied on a GaAs / SiO2 patterned structure whose initial topography and composition with materials of different sputter rates create a distortion in the classical 3D chemical visualization. The protocol to generate sputter rate maps was used on samples with structured and non-structured nano-areas in order to study the possible ToF-SIMS sputtering artefacts, especially the geometric shadowing effect. Finally, we have explored the combination of ToF-SIMS analysis with three AFM advanced modes: piezoresponse force microcopy (PFM), scanning capacitance microscopy (SCM) and scanning spreading resistance microscopy (SSRM). Specifically, two main applications were studied: the chemical modification during electrical stress of a piezoelectic thin film and the recovery of initial electrical characteristics of a sample subjected to Ga implantation during FIB preparation. Technical aspects of the methodology will be discussed for each application and the perspectives of this combination will be given

Ce travail concerne la microscopie en champ proche micro-onde et se déroule dans deux bandes de fréquences très différentes. Une première expérience utilise les très hautes fréquences dans la bande 60 GHz. Des sondes électriques de champ proche ont été conçues, réalisées et testées. Nous avons pu montrer une sensibilité à la topographie ainsi qu'à la constante diélectrique locale avec des résolutions très sub-longueur d'onde de lambda/250.La seconde expérience dans la bande de 1 MHz à 1 GHz a concerné la réalisation et l'optimisation de sondes magnétiques à ferrite dédiées au couplage sur les circuits intégrés. Nous avons montré que ce couplage peut s'expliquer par une mutuelle inductance et nous en avons déduit un modèle électrique complet. Des applications expérimentales sur des circuits intégrés dédiés valident la démarche
Near-field microwave microscopy is developped in two frequency bands. The first experiment involves very high frequencies at 60 GHz. Near-field electric probes were designed, made and tested. We have shown a sensitivity to topography and to the local dielectric constant with a very sub-wavelength resolution of lambda/250.The second experiment was conducted in the 1 MHz - 1 GHz band. Specific magnetic ferrite probes were designed and optimized with aim of integrated circuit coupling applications. We have explained the coupling by a mutual inductance which allowed to derive an electrical circuit model. Experimental applications on dedicated circuits validate the approach

L’étude de la diffusion des ondes électromagnétiques par une surface rugueuse aléatoire est de première importance dans de nombreuses disciplines et conduit à diverses applications notamment pour le traitement des surfaces par télédétection. En connaissant les modes de rétrodiffusion, on peut détecter la présence de la rugosité aléatoire indésirable de la surface de réflection telle que le réflecteur d'antenne et par conséquent trouver un moyen de corriger ou compenser les erreurs de phase. Cette thèse porte sur l’obtention de l'humidité du sol de surface à partir de mesures radar. La description de la surface rugueuse de façon aléatoire est présentée, suivie par les interactions d'ondes électromagnétiques avec les média. En particulier, un modèle d'équation intégrale avancé (AIEM) est introduit. La validité du modèle AIEM, qui est adopté comme modèle de travail, se fait par une large comparaison avec des simulations numériques et des données expérimentales. On analyse également les caractéristiques des configurations radar bistatique et on étudie la sensibilité de la diffusion bistatique à l'humidité du sol et à la rugosité de surface et, dans le même temps, le cadre de la détermination de l'humidité du sol à partir de mesures radar utilisant un réseau de neurones à base de filtres de Kalman récurrents est présenté. La formation du réseau et l'inversion des données sont décrits
Electromagnetic waves scattering from a randomly rough surface is of palpable importance in many fields of disciplines and bears itself in various applications spanned from surface treatment to remote sensing of terrain and sea. By knowing the backscattering patterns, one may detect the presence of the undesired random roughness of the reflection surface such as antenna reflector and accordingly devise a means to correct or compensate the phase errors. Therefore, it has been both theoretically and practically necessary to study the electromagnetic wave scattering from the random surfaces. This dissertation focuses on the retrieval of surface soil moisture from radar measurements. The description of the randomly rough surface is presented, followed by the electromagnetic wave interactions with the media. In particular, an advanced integral equation model (AIEM) is introduced. The validity of the AIEM model, which is adopted as a working model, is made by extensive comparison with numerical simulations and experimental data. Also analyzes the characteristics of the bistatic radar configurations and dissects the sensitivity of bistatic scattering to soil moisture and surface roughness of soil surfaces. Meanwhile presents a framework of soil moisture retrieval from radar measurements using a recurrent Kalman filter-based neural network. The network training and data inversion are described in detail

Les déchirures de la coiffe des rotateurs (RCTs) représentent l'une des blessures les plus fréquentes de l'épaule et évoluent souvent vers des conditions plus graves au fil du temps. Bien que l'IRM soit la modalité d'imagerie standard pour détecter les RCTs, son utilisation est limitée aux centres d'imagerie et elle n'est pas toujours précise pour représenter la présence et l'étendue des déchirures. Un outil de diagnostic portable, non invasif et rentable pour le diagnostic sur site des RCTs est en demande. Cette thèse présente les contributions apportées au développement d'un modèle numérique pour ce scanner médical, qui repose sur la résolution répétée du problème Maxwell. La discrétisation par éléments finis de ce problème aboutit à un système linéaire de grande taille et mal conditionné, difficile à résoudre. Notre première contribution est le développement d'un préconditionneur de type Schwarz basé sur le PML qui améliore l'efficacité de la résolution de ce problème, en termes de taux de convergence et de temps de calcul. Ensuite, nous utilisons une modélisation numérique de pointe pour introduire un système d'imagerie portable pour la reconstruction tridimensionnelle de l'épaule. Cette tâche est difficile en raison de la grande taille électrique de l'épaule, de son anatomie complexe et de la nature hétérogène des tissus, caractérisée par des pertes élevées. L'étude de faisabilité montre des résultats prometteurs dans la détection des RCTs. Cependant, cette méthode peut être limitée par de forts niveaux de bruit ou les habitudes corporelles du patient. Pour remédier à cela, nous générons un grand ensemble de données, en utilisant une version optimisée du système d'imagerie et nous employons un algorithme d'apprentissage automatique pour la détection automatique et en temps réel des RCTs
Rotator cuff tears (RCTs) represent one of the most frequent shoulder injuries and often progress to more severe conditions over time. Although MRI is the standard imaging modality for detecting RCTs, it is limited to use in imaging centers, and it is not always accurate in depicting the presence and extent of the tears. A portable, non-invasive, and cost-effective diagnostic tool for on-site diagnosis of RCTs is in demand. This thesis presents the contributions made to the development of a numerical model for this medical scanner which relies on repeated solves of Maxwell's equations. The finite element discretization of this problem results in a large-scale, ill-conditioned linear system that is challenging to solve. Our first contribution is the development of a PML-based Schwarz-type preconditioner that improves the efficiency of the solution method, in terms of convergence rate and computing time. Next, we utilize state-of-the-art numerical modeling to design a wearable imaging system for three-dimensional image reconstruction of the shoulder. This task is challenging due to the electrically large size of the shoulder, its complex anatomy, and the heterogeneous nature of the tissues, which are characterized by high losses. The feasibility study shows promising results in the detection of RCTs. However, this method can be limited by high noise levels or the patient's body habits. To address this, we generate a large dataset, using an optimized version of the numerical imaging system and employ a machine learning algorithm, for automatic and real-time detection of RCTs

Le microscope de photodétachement, construit au laboratoire Aimé Cotton au milieu des années 90, permet de visualiser les images d'interférences obtenues à partir d'électrons détachés d'ions négatifs par excitation laser, en présence d'un champ électrique uniforme. Après détachement, dans une première approximation, l'électron et l'espèce neutre précédemment liés n'interagissent plus : on a une source d'électrons libres. Or, selon les l'équations de la mécanique classique, un électron libre d'énergie cinétique donnée placé dans un champ électrique uniforme a deux trajectoires paraboliques différentes pour arriver en un même point. Quantiquement parlant, l'onde de matière électronique se divise et suit les deux chemins possibles. Du fait de la cohérence de l'onde électronique émise par photodétachement, les deux demi-ondes interfèrent. Les images d'interférences enregistrées sont très sensibles à l'énergie cinétique des électrons qui les composent. On peut ainsi mesurer cette énergie par comparaison entre les images expérimentales et celles prédites par le modèle théorique de l'électron libre. On peut ainsi faire de la spectroscopie de très haute résolution. L'étude quantitative des images a été utilisée pour tester la validité du modèle de l'électron libre pour le détachement de Si ̄et OH,̄ en recherchant d'éventuels effets d'interaction entre l'électron détaché et l'espèce neutre. L'anion Si ̄a permis de valider le modèle pour un atome plus lourd que ceux précédemment utilisés. L'anion moléculaire OH ̄a été choisi notamment pour examiner l'effet d'un potentiel dipolaire sur les interférences. Les résultats obtenus n'ont pas mis en évidence de modification des images, et ont donc validé cette méthode pour la mesure des énergies de détachement d'ions diatomiques. Ces travaux ont permis de proposer de nouvelles mesures des affinités électroniques de Si et de OH, avec une meilleure précision
The photodetachment microscope was built in the middle of the nineties at Laboratory Aimé Cotton. It enables one to record interference patterns due to electrons detached from negative ions by a laser into a uniform electric field. In a first approximation, the previously linked electron and neutral species don't interact any more after detachment : we have a free electron source. According to the classical equations of movement, a free electron placed in a uniform electric field with a given kinetic energy has two different trajectories for going to a given point. In a quantum point of view, the electronic matter wave is divided into two parts, which follow both possible ways. As the electronic wave emitted by photodetachment is coherent, these two half-waves interfere. The recorded interference patterns are highly sensitive to the electron kinetic energy, which can thus be measured by comparison between the experimental data and the free electron model predictions. These high resolutlon spectroscopy measurements were used for testing the free electron model validity for the Si ̄and OH ̄anions, looking for possible interaction effects between the detached electron and the neutral species. The Si ̄anion enables us to show the validity of the method for an atom heavier than those previously studied. The OH ̄molecular anion was chosen for examining the dipolar potential effect on the interference images. We didn't see any modification of the images, and the obtained results validated this method for the measurements of diatomic anion detachment energies. These researches provided new values for the electron affinities of Si and OH, with an improved accuracy

Résumé: L'imagerie du sein est développée en associant données micro-ondes (MW) et ultrasonores (US) afin de détecter de manière précoce des tumeurs. On souhaite qu'aucune contrainte soit imposée, le sein étant supposé libre. Une 1re approche utilise des informations sur les frontières des tissus provenant de données de réflexion US. La régularisation intègre que deux pixels voisins présentent des propriétés MW similaires s'il ne sont pas sur une frontière. Ceci est appliqué au sein de la méthode itérative de Born distordue. Une 2de approche implique une régularisation déterministe préservant les bords via variables auxiliaires indiquant si un pixel est ou non sur un bord. Ces variables sont partagées par les paramètres MW et US. Ceux-ci sont conjointement optimisés à partir d'ume approche de minimisation alternée. L'algorithme met alternitivement à jour contraste US, marqueurs, et contraste MW. Une 3e approche implique réseaux de neurones convolutifs. Le courant de contraste estimé et le champ diffusé sont les entrées. Une structure multi-flux se nourrit des données MW et US. Le réseau produit les cartes des paramètres MW et US en temps réel. Outre la tâche de régression, une stratégie d'apprentissage multitâche est utilisée avec un classificateur qui associe chaque pixel à un type de tissu pour produire une image de segmentation. La perte pondérée attribue une pénalité plus élevée aux pixels dans les tumeurs si il sont mal classés. Une 4e approche implique un formalisme bayésien où la distribution a posteriori jointe est obtenue via la règle de Bayes ; cette distribution est ensuite approchée par une loi séparable de forme libre pour chaque ensemble d'inconnues pour obtenir l'estimation. Toutes ces méthodes de résolution sont illustrées et comparées à partir d'un grand nombre de données simulées sur des modèles synthétiques simples et sur des coupes transversales de fantômes mammaires numériques anatomiquement réalistes dérivés d'IRM dans lesquels de petites tumeurs artificielles sont insérées
Imaging of the breast for early detec-tion of tumors is studied by associating microwave (MW) and ultrasound (US) data. No registration is enforced since a free pending breast is tackled. A 1st approach uses prior information on tissue boundaries yielded from US reflection data. Regularization incorporates that two neighboring pixels should exhibit similar MW properties when not on a boundary while a jump allowed otherwise. This is enforced in the distorted Born iterative and the contrast source inversion methods. A 2nd approach involves deterministic edge preserving regularization via auxiliary variables indicating if a pixel is on an edge or not, edge markers being shared by MW and US parameters. Those are jointly optimized from the last parameter profiles and guide the next optimization as regularization term coefficients. Alternate minimization is to update US contrast, edge markers and MW contrast. A 3rd approach involves convolutional neural networks. Estimated contrast current and scattered field are the inputs. A multi-stream structure is employed to feed MW and US data. The network outputs the maps of MW and US parameters to perform real-time. Apart from the regression task, a multi-task learning strategy is used with a classifier that associates each pixel to a tissue type to yield a segmentation image. Weighted loss assigns a higher penalty to pixels in tumors when wrongly classified. A 4th approach involves a Bayesian formalism where the joint posterior distribution is obtained via Bayes’ rule; this true distribution is then approximated by a free-form separable law for each set of unknowns to get the estimate sought. All those solution methods are illustrated and compared from a wealth of simulated data on simple synthetic models and on 2D cross-sections of anatomically-realistic MRI-derived numerical breast phantoms in which small artificial tumors are inserted

This dissertation presents a contribution to quantitative microwave imaging for breast tumor detection. The study made in the frame of a joint supervision Ph.D. thesis between University Paris-SUD 11 (France) and Mälardalen University (Sweden), has been conducted through two experimental microwave imaging setups, the existing 2.45 GHz planar camera (France) and the multi-frequency flexible robotic system, (Sweden), under development. In this context a 2D scalar flexible numerical tool based on a Newton-Kantorovich (NK) scheme, has been developed. Quantitative microwave imaging is a three dimensional vectorial nonlinear inverse scattering problem, where the complex permittivity of an object is reconstructed from the measured scattered field, produced by the object. The NK scheme is used in order to deal with the nonlinearity and the ill-posed nature of this problem. A TM polarization and a two dimensional medium configuration have been considered in order to avoid its vectorial aspect. The solution is found iteratively by minimizing the square norm of the error with respect to the scattered field data. Consequently, the convergence of such iterative process requires, at least two conditions. First, an efficient calibration of the experimental system has to be associated to the minimization of model errors. Second, the mean square difference of the scattered field introduced by the presence of the tumor has to be large enough, according to the sensitivity of the imaging system. The existing planar camera associated to a flexible 2D scalar NK code, are considered as an experimental platform for quantitative breast imaging. A preliminary numerical study shows that the multi-view planar system is quite efficient for realistic breast tumor phantoms, according to its characteristics (frequency, planar geometry and water as a coupling medium), as long as realistic noisy data are considered. Furthermore, a multi-incidence planar system, more appropriate in term of antenna-array arrangement, is proposed and its concept is numerically validated. On the other hand, an experimental work which includes a new fluid-mixture for the realization of a narrow band cylindrical breast phantom, a deep investigation in the calibration process and model error minimization, is presented. This conducts to the first quantitative reconstruction of a realistic breast phantom by using multi-view data from the planar camera. Next, both the qualitative and quantitative reconstruction of 3D inclusions into the cylindrical breast phantom, by using data from all the retina, are shown and discussed. Finally, the extended work towards the flexible robotic system is presented.
A dissertation prepared through an international convention for a joint supervision thesis with Université Paris-SUD 11, France
Microwaves in biomedicine

Depuis 10 ans, l'imagerie de la croûte par corrélations de bruit a été utilisée dans différentes régions. Ces études sélectionnent les corrélations sur la base du rapport signal sur bruit des signaux utilisés. Selon la théorie, les corrélations convergent vers les fonctions de Green en temps positif et négatif si la distribution des sources est homogène. Seule la vérification de la parité des corrélations permet d'évaluer la qualité de la convergence. Un écart à la parité fournit des informations sur la synchronisation des horloges des stations et la distribution des sources de bruit. Ainsi, l'analyse des variations des temps de propagation des parties causale et acausale nous a permis d'identifier des erreurs d'horloge pour des stations du jeu de données SIMBAAD. Une analyse de polarisation et l'utilisation de la formation de voie sur les corrélations ont permis de localiser des sources de bruit d'ondes P en océan profond. Dans la région Egée-Anatolie, à 15 s de période la distribution des sources de bruit est homogène et elle devient hétérogène à plus longues périodes. Nous utilisons la propriété de symétrie pour sélectionner les temps de propagation des ondes de surface (Love et Rayleigh) les plus représentatifs des fonctions de Green. L'inversion de ces temps de propagation permet de reconstruire les variations latérales des vitesses de groupe à toutes les fréquences. Les courbes de dispersions locales obtenues sont inversées pour construire un modèle en 3D de la vitesse des ondes S de la croûte pour la région Egée-Anatolie. Les variations latérales de la vitesse et de l'épaisseur de la croûte sont cohérentes avec la structure géologique connue, avec les résultats d'autres études géophysiques et avec la déformation récente.

Des micro-?ssures sont générées normalement dans le tissu osseux et résorbées par le remodelage osseux permanent. Une densité de ?ssures trop importante pourrait détériorer la résistance mécanique osseuse (RMO). Cependant les causes et les conséquences sur la RMO d’une accumulation du micro-endommagement osseux sont mal connues. De plus, aucune méthode non invasive de quanti?cation du niveau d’endommagement osseux existe aujourd’hui. Dans ce contexte, une méthode de mesure acoustique, localisée et sans contact, basée sur l’interaction non linéaire (NL) entre une onde acoustique basse-fréquence (BF) et des impulsions ultrasonores (US) a été développée. Les impulsions US sont émises à une cadence de tir environ 10 fois supérieure à la fréquence de l’onde BF. Le milieu est alors sondé à di?érents états de contrainte tri-axiale, en compression et traction. Les variations du temps de vol et de l’amplitude (ou de l’énergie) US rendent compte des e?ets NL acoustiques respectivement élastiques et dissipatifs. Les e?ets NL acoustiques élastiques et dissipatifs augmente généralement avec le niveau d’endommagement. Après une validation dans l’eau et des solides non endommagés, des mesures dans des matériaux ?ssurés et granulaires ont montré la sensibilité de la technique à la présence de ?ssures et de contact entre grains. En?n son application à l’os trabéculaire du calcanéum a montré que la zone de faible porosité pouvait produire de fortes non-linéarités acoustiques. Pour des échantillons endommagés in vitro par fatigue en compression et par compression quasi-statique, l’amplitude des non-linéarités acoustiques a montré une bonne corrélation avec l’observation histologique du niveau d’endommagement
Micro-cracks are normally generated in bone tissue and resorpted by permanent bone remodeling. A high crack density could a?ect bone strength. But the causes and consequences on bone strength of a microdamage accumulation are badly understood. Moreover no technique is available for noninvasive assessment of the level of bone damage in vivo. In that context, an acoustical method was developed for localized and non-contact measurement of elastic and dissipative nonlinearities, based on the interaction between a low-frequency acoustic pump wave and ultrasound probing pulses. The ultrasound pulses are emitted with a repetition frequency 10 times higher than the low frequency of the pump wave. The medium is thus probed in di?erent states of triaxial stress, successively in tension and in compression. The ultrasound time of ?ight and amplitude (or energy) modulations give access to nonlinear elasticity and dissipation, respectively. The amplitude of acoustic nonlinearities generally increases with the level of damage in materials. After validation in water and undamaged solids, measurements were conducted in cracked and granular media and showed a good sensitivity of the method to the presence of cracks and contacts between grains. Finally its application to calcaneus trabecular bone showed that the low-porosity region can exhibit high acoustic nonlinearities. Furthermore, for mechanically damaged samples, either in compressive fatigue or in quasi-static compression, the amplitude of acoustic nonlinearities were well correlated with the level of damage observed by histology

L'un des enjeux majeurs pour les systèmes d'imagerie par diffraction acoustique et micro-onde, est l'amélioration des performances obtenues au moment de la reconstruction des objets étudiés. Cette amélioration peut s'effectuer par la recherche d'algorithmes d'imagerie plus performants d'une part et par la recherche d'une meilleure configuration de mesures d'autre part. La première approche (recherche d'algorithmes) permet d'améliorer le processus d'extraction de l'information présente dans un échantillon de mesures donné. Néanmoins, la qualité des résultats d'imagerie reste limitée par la quantité d'information initialement disponible. La seconde approche consiste à choisir la configuration de mesures de manière à augmenter la quantité d'information disponible dans les données. Pour cette approche, il est nécessaire de quantifier la quantité d'information dans les données. En théorie de l'estimation, ceci équivaut à quantifier la performance du système. Dans cette thèse, nous utilisons la Borne de Cramer Rao comme mesure de performance, car elle permet d'analyser la performance des systèmes de mesures sans être influencé par le choix de la méthode d'inversion utilisée. Deux analyses sont proposées dans ce manuscrit. La première consiste en l'évaluation de l'influence des facteurs expérimentaux sur la performance d'inversion. Cette analyse a été effectuée pour différents objets le tout sous une hypothèse de configuration bidimensionnelle. La seconde analyse consiste à comparer les performances de l'estimateur obtenu avec l'approximation de Born aux valeurs de la borne de Cramer Rao (BCR); l'objectif étant d'illustrer d'autres applications possibles de la BCR
Improving the performance of diffraction based imaging systems constitutes a major issue in both acoustic and electromagnetic scattering. To solve this problem, two main approaches can be explored. The first one consists in improving the inversion algorithms used in diffraction based imaging. However, while this approach generally leads to a significant improvement of the performance of the imaging system, it remains limited by the initial amount of information available within the measurements. The second one consists in improving the measurement system in order to maximize the amount of information within the experimental data. This approach does require a quantitative mean of measuring the amount of information available. In estimation problems, the {appraisal of the} performance of the system is often used for that purpose. In this Ph.D. thesis, we use the Cramer Rao bound to assess the performance of the imaging system. In fact, this quantity has the advantage of providing an assessment which is independent from the inversion algorithm used. Two main analysis are discussed in this thesis. The first analysis explores the influence on the system's performance, of several experimental conditions such as the antennas positions, the radiation pattern of the source, the properties of the background medium, etc. Two classes of objects are considered: 2D homogeneous circular cylindrical objects and 2D cylindrical objects with defect. The second analysis studies the performance of an estimator based on Born approximation with the Cramer Rao Bound as reference. The aim of this second analysis is to showcase other possible applications for the Cramer Rao Bound