Rozprawy doktorskie na temat „Imagerie hyperspectrale large bande”

Dans le domaine de l’analyse de défaillance et plus particulièrement la contamination moléculaire et particulaire, il est crucial de pouvoir détecter toute trace de contaminants durant l’intégration d’un engin orbital. Dans ce contexte, la fluorescence permet non seulement de détecter mais aussi de discriminer les contaminants. Pour ce projet, nous avons donc développé un instrument hyperspectral large-bande (UV-Vis-NIR) de 330 à 1000 nm pour pouvoir détecter un large panel de contaminants. Il s’agit d’un montage catoptrique permettant de s’affranchir des aberrations chromatiques. Il présente un champ de vue de 3,5° pour une résolution angulaire de 25 secondes d’arc. Il a été conçu pour être portable et son ensemble mécanique figé permet un alignement optique simple à mettre en œuvre et une réalisation rapide des fichiers de calibration entre deux scènes. Nous avons mesuré une résolution spectrale de 1 nm dans l’UV, 2 à 3 nm dans le visible et 5 nm dans le NIR. Cela nous a permis d’étudier la réponse en fluorescence de deux colles époxy, sources typiques de la contamination d’engin orbital et de la comparer avec une mesure obtenue avec un instrument commercial. Ces mesures nous ont permis d’évaluer les performances de notre instrument et d’identifier des perspectives d’amélioration, notamment en termes de sensibilité dans les UV
In the field of failure analysis and in particular molecular and particulate contamination, being able to detect any trace of contaminants during the integration of an orbital spacecraft is crucial. In this context, fluorescence allows not only to detect but also to discriminate contaminants. For this project, we have therefore developed a broadband hyperspectral instrument (UV-Vis-NIR) from 330 to 1000 nm to be able to detect a wide range of contaminants. It is a catoptric assembly that eliminates chromatic aberrations. The field of view is 3.5° for an angular resolution of 25 arc seconds. It was designed to be portable and its fixed mechanical assembly allows easy optical alignment and rapid creation of calibration files between two scenes. We measured a spectral resolution of 1 nm in the UV range, 2 to 3 nm in the visible range and 5 nm in the NIR range. This allowed us to study the fluorescence response of two epoxy glues, typical sources of orbital spacecraft contamination, and to compare it with a measurement obtained with a commercial instrument. These measurements allowed us to evaluate the performance of our instrument and identify prospects of improvement, especially in terms of sensitivity in UV range

Ce mémoire présente la conception et la réalisation d'un démonstrateur radar Ultra Large Bande (ULB) impulsionnel optoélectronique. Les applications visées sont la détection de cibles diverses (humains, véhicules, armes, mines,. . . ) dissimulées dans différents milieux (végétation, sol, bâtiments) à courte et moyenne portée. Cette étude menée en collaboration avec la Délégation Générale pour l'Armement (DGA) aboutit à la mise en oeuvre du banc nommé RUGBI (Radar Ultra Grande Bande Instantanée). L’objectif de ce projet est de repousser les limites actuelles de portée, de résolution et d’acquisition des radars Ultra Large Bande (ULB) purement électroniques. En effet, l’utilisation de photoconducteurs éclairés par un faisceau laser ultrarapide, permet de générer des impulsions électromagnétiques courtes à fort niveau de tension sans gigue, autorisant ainsi le concept multisources. La conception du radar fait appel à un état de l'art des matériels hyperfréquences (générateurs, numériseurs, antennes,. . . ) susceptibles de répondre aux besoins du système. Des choix ou de nouvelles conceptions sont réalisés. L'assemblage du système complet, son positionnement dans le local de test, la réalisation du réseau d'antenne ULB sont détaillés. Des programmes de pilotage des bancs sont réalisés sous le logiciel Labview. Enfin des expérimentations permettent de caractériser et de valider le fonctionnement de ce radar. Le rayonnement et le fonctionnement en mode radar sont étudiés
This document presents the design and the realization of an impulse optoelectronic Ultra Wide Band (UWB) radar demonstrator. The applications are the detection of various targets (human, vehicles, weapons, mines,. . . ) dissimulated in different environments (vegetation, ground, buildings) with short and mid range. This study was led in collaboration with the French Army (DGA). This study results in the implementation of a demonstrator named RUGBI. The objective of this project is to improve the range, the resolution and the acquisition of the electronic UWB radars. Indeed, the use of photoconductors that lit by a high-speed laser beam, allows to generate short electromagnetic impulses with high level and without jitter. Thus, antenna array can be used. The design of this radar calls appeals to the reviewing of the high frequency materials (generators, samplers, antennas. . . ) likely to adhere to specifications. Choices or new designs are carried out. The assembly of the complete system, its positioning in the test zone, the realization of the UWB antenna array are detailed. Various experimental problems are solved. Some programs are developed on Labview to control the tests. Finally experiments allow to characterize and validate the operation of this radar. Radiation and target acquisition are studied

L'imagerie ultrasonore connaît encore actuellement un fort développement dans des domaines aussi variés que l'imagerie médicale, le contrôle non destructif et l'imagerie sous-marine. Notre étude se situe dans le cadre de 1 'imagerie sous-marine par sonar actif large bande. Dans ce domaine, la synthèse d'ouverture est une des voies prometteuses pour réaliser des images sur une longue portée avec une haute résolution spatiale. L'idée directrice de notre travail est d'adapter au domaine du sonar des méthodes de synthèse d'ouverture qui sont opérationnelles en radar. La formation de l'image par ouverture synthétique est d'abord modélisée en large bande dans le cadre de l'analyse de Fourier 2D pour compléter l'analyse spatio-temporelle usuelle. Cette approche nous permet de comparer et de mettre en avant des méthodes de synthèse d'ouverture originales en sonar. Nous montrons l'apport des méthodes d'inversion dans le domaine de Fourier pour le traitement de synthèse d'ouverture des images sonar et pour la prise en compte des deux principales limitations des systèmes sonar à ouverture synthétiques qui sont la faiblesse du taux de couverture et le mouvement du porteur. L'élargissement de la bande de fréquence permet d'améliorer la robustesse des méthodes proposées. La mise en œuvre de ces traitements d'inversion sur des données acquises en cuve ainsi qu'en milieu marin a permis de valider expérimentalement leurs performances ainsi que leurs limitations. Cette étude a été réalisée avec le soutien de la DGA.

La thèse est structurée autour de la problématique de la caractérisation des cibles navales vues par un radar de surveillance côtière à large bande. Deux aspects essentiels de cette problématique sont abordés : la modélisation des échos radar des cibles navales dans leur environnement (problème direct) et la représentation/identification des cibles présentes dans le cadre d’un scénario naval à partir des échos radar enregistrés (problème inverse). Pour chaque représentation de la cible, son écho électromagnétique est calculé à partir d’un modèle de type Ensemble de Points Brillants (EPB), extrait en utilisant la technique CLEAN. Pour l’ensemble d’orientations possibles de la cible, les modèles EPB sont réunis à travers une Représentation Unifiée (EPB-RU). La dynamique de la cible est simulée à partir de modèles de réalité virtuelle correspondant à de petits objets flottant sur la surface de la mer. Le masquage introduit par les vagues ainsi que le fouillis de mer sont également prise en compte. L’identification des cibles est effectuée à partir des images ISAR 2D et 3D, reconstruites en utilisant un signal émis à large bande et la méthode d’imagerie superrésolution. Plusieurs ensembles d’attributs sont extraits à partir des images reconstruites en utilisant essentiellement les Contours Actifs Déformables. Différents classifieurs (KNN, PMC, SART ou SVM) sont ensuite mis en œuvre afin d’identifier la cible observée. L’application des outils de simulation développés est illustrée à la fin de la thèse au travers de la modélisation / représentation de plusieurs cibles radar dans un scénario naval simplifié
The thesis is devoted to the problem of the naval target characterization when seen by a broadband, surveillance costal radar. Two essential aspects of this problematic are considered: the realistic modeling of naval targets radar echo in marine environment (direct problem) and the representation/identification of the targets in a naval scenario using echoed radar signal (inverse problem). For each target orientation, the electromagnetic echo is computed using a Scattering Center Model (SCM), extracting using CLEAN technique For all target orientations, SCMs are combined in a Global SCM model. Target dynamics is simulated using virtual reality models of small-sized objects floating on the sea surface. Wave-introduced target masking and sea clutter are also accounted for. Target identification is performed using 2D and 3D ISAR images, constructed using broadband scanning signals and superresolution methods. Different kinds of descriptive targets features are issued from ISAR images essentially using Active Deformable Contours. KNN, MLP, SART or SVM classifiers are used to identify scanned targets. Finally, the joint application of all developed simulation tools illustrates modeling and representation of a few radar targets in a simplified naval scenario

L'imagerie haute résolution a atteint une grande maturité ces dernières années et donne lieu aujourd'hui à de nombreuses publications scientifiques. Deux techniques sont utilisées : l'optique adaptative et la synthèse d'ouverture. Cette dernière technique est au point pour des bases de l'ordre de la centaine de mètres. Mais de nouvelles avancées sont encore possibles notamment en se tournant vers des instruments à très grandes bases et/ou utilisant de nouveaux guides optiques. Par ailleurs, le domaine de l'astronomie imposant de travailler avec de larges bandes spectrales pour collecter plus de lumière, la mise au point d'interféromètres large bande se révèle indispensable. Ce manuscrit présente le développement d'instruments fibrés et leur caractérisation sur de larges domaines spectraux. Après une première partie consacrée à quelques rappels théoriques, le deuxième volet de ce document est consacré à l'étude des fibres optiques en silice pour le projet `OHANA. Ce projet, piloté par l'Observatoire de Meudon, vise à relier de manière cohérente les télescopes du Mauna Kea à Hawaii à l'aide des fibres optiques. La dispersion chromatique différentielle des fibres destinées à relier le CFHT et Gemini, d'une longueur de 300 m, a été caractérisée ce qui a permis de la minimiser. Une étude de l'évolution de cette dispersion a également été menée en tenant compte des variations différentielles de température. Des solutions utilisant une ligne à retard fibrée ou des lames de CaF2 ont été proposées et réalisées pour compenser la dispersion supplémentaire occasionnée par ces variations des contraintes thermiques. La troisième partie est dédiée à l'étude des propriétés des fibres à cristaux photoniques (PCFs) pour l'interférométrie large bande. Deux interféromètres respectivement à deux et trois voies ont été mis en oeuvre dans le but de tester les propriétés des PCFs. Il a été montré que les fibres microstructurées utilisées avaient la capacité de propager la lumière de façon cohérente sur une très large bande spectrale, allant typiquement de 670 nm et 1550 nm, ce qui n'est pas possible en utilisant des fibres en silice "conventionnelles". Enfin, des mesures de clôture de phase ont été réalisées et font apparaître que ces PCFs n'apportent pas de biais sur ces mesures
High resolution imaging has reached a high reliability and currently gives a lot of scientific results. Nowadays, we may develop this technique by using very long baselines and/or new optical waveguides. Moreover, astronomers are working with wide band spectra to get more light. Thus, the study of wide band interferometers is essential. This manuscript reports the development and the characterization of wide band fiber interferometers. The first part deals with some theoretical notions. The second part is dedicated to the study of silica optical fibers in the frame of the `OHANA project. The aim of this project driven by Paris Observatory is to coherently link the telescopes of the Mauna Kea in Hawaii thanks to optical fibers. The differential chromatic dispersion of the 300-m long fibers dedicated to link CFHT and Gemini telescopes has been characterized and minimized. The effect of the temperature variation has been also studied. Solutions using an optical fiber delay line or CaF2 glasses plates have been proposed and implemented to compensate the additional chromatic dispersion due to temperature effects. The last part of this manuscript is devoted to the study of Photonic Crystal Fibers (PCFs) for wide band interferometry. A two-beam and a three-beam interferometers have been implemented to test the properties of PCFs. It has been shown that the microstructured fibers used in our experiment are able to coherently propagate light over a wide spectral domain from 670 nm to 1550 nm. This wide domain is impossible to reach with "conventional" fibers. At last, closure phase measurements have been carried out showing that these PCFs do not bring additional defects on these measurements

L'imagerie haute résolution a atteint une grande maturité ces dernières années et donne lieu aujourd'hui à de nombreuses publications scientifiques. Deux techniques sont utilisées : l'optique adaptative et la synthèse d'ouverture. Cette dernière technique est au point pour des bases de l'ordre de la centaine de mètres. Mais de nouvelles avancées sont encore possibles notamment en se tournant vers des instruments à très grandes bases et/ou utilisant de nouveaux guides optiques. Par ailleurs, le domaine de l'astronomie imposant de travailler avec de larges bandes spectrales pour collecter plus de lumière, la mise au point d'interféromètres large bande se révèle indispensable. Ce manuscrit présente le développement d'instruments fibrés et leur caractérisation sur de larges domaines spectraux.
Après une première partie consacrée à quelques rappels théoriques, le deuxième volet de ce document est consacré à l'étude des fibres optiques en silice pour le projet `OHANA. Ce projet, piloté par l'Observatoire de Meudon, vise à relier de manière cohérente les télescopes du Mauna Kea à Hawaii à l'aide des fibres optiques. La dispersion chromatique différentielle des fibres destinées à relier le CFHT et Gemini, d'une longueur de 300 m, a été caractérisée ce qui a permis de la minimiser. Une étude de l'évolution de cette dispersion a également été menée en tenant compte des variations différentielles de température. Des solutions utilisant une ligne à retard fibrée ou des lames de CaF2 ont été proposées et réalisées pour compenser la dispersion supplémentaire occasionnée par ces variations des contraintes thermiques. La troisième partie est dédiée à l'étude des propriétés des fibres à cristaux photoniques (PCFs) pour l'interférométrie large bande. Deux interféromètres respectivement à deux et trois voies ont été mis en oeuvre dans le but de tester les propriétés des PCFs. Il a été montré que les fibres microstructurées utilisées avaient la capacité de propager la lumière de façon cohérente sur une très large bande spectrale, allant typiquement de 670 nm et 1550 nm, ce qui n'est pas possible en utilisant des fibres en silice " conventionnelles ". Enfin, des mesures de clôture de phase ont été réalisées et font apparaître que ces PCFs n'apportent pas de biais sur ces mesures.

Une des techniques pour obtenir des images de structures hétérogènes ou d'objets enfouis dans un milieu (sol, murs, ...) repose sur la mesure du champ électromagnétique diffracté par les inhomo-généités lorsqu'elles sont soumises à une illumination incidente. Cela nécessite la mise en oeuvre d'un système d'acquisition microonde doté d'un réseau de capteurs linéaire ou plan. Ses critères de conception sont dictés par les algorithmes d'imagerie qui nécessitent le plus souvent des données multifréquences acquises sur une large fenêtre d'observation. Ce travail de thèse repose sur la caractérisation, le calibrage et la validation expérimentale d'un prototype d'imageur multistatique ultra large bande. Un descriptif des systèmes actuels d'imagerie microonde a permis tout d'abord de valider les critères retenus pour le cahier des charges initial et de décrire les considérations associées à un problème de détection subsurface. Le Système d'Imagerie Microonde à Impulsions Synthétiques (SIMIS), dévelopé au LEAT, est caractérisé par ses performances théoriques, et une attention particulière a porté sur l'optimisation de la dynamique de détection. Afin de corriger les erreurs systématiques, le calibrage du radar est accompli sur chaque module successivement, puis, plusieurs études portant sur les erreurs de dérive et les erreurs aléatoires sont proposées. Le système est ensuite utilisé en chambre anéchoïque pour la détection de cibles canoniques (un cylindre métallique et un parallélépipède diélectrique) dans une configuration 2D-TM. La détection des deux objets est confirmée par l'observation d'hyperboles de diffraction sur des images apparentées B-scan. Une modification du système est effectuée et validée afin de réduire le couplage inter-antennes au sein du réseau de transducteurs. Cela permet, le cas échéant, de détecter les cibles à partir de la seule mesure du champ total. Les premiers résultats en imagerie qualitative sont obtenus par la technique du miroir à retournement temporel. Dans le domaine fréquentiel, l'utilisation de la méthode DORT (Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel) a permis également de détecter les cibles lorsque la longueur d'onde est comparable à leur dimension transverse.

Cette thèse présente les travaux de recherche effectués dans le but de concevoir et optimiser un instrument de métrologie du front d’onde et d’imagerie de phase sur faisceau synchrotron dans la gamme des rayonnements X durs. L’étude s’est focalisée sur la conception d’un interféromètre à réseau unique dont l’extraction des informations associées à l’analyse du front d’onde s’effectue par démodulation Fourier. Ces choix ont été déterminés par la volonté de concevoir un instrument robuste pouvant fonctionner sur une large gamme de conditions expérimentales sans avoir à modifier et accorder les paramètres et éléments constitutifs fondamentaux de l’instrument à chaque expérience. Ceci se résume par la contrainte forte de pouvoir réaliser une calibration absolue du système de façon à garantir la prise de mesure ultérieure par acquisition d’un interférogramme unique tout en s’affranchissant des erreurs de mesure déterministes de l’instrument.La variable expérimentale la plus importante correspond à l’énergie de travail; par conséquent la conception de l’interféromètre s’est organisée autour de la recherche de performances constantes sur une large bande spectrale pour des énergies entre 10 à 30keV, et a conduit à l’étude et à la mise en œuvre d’une configuration interférométrique innovante. Celle-ci exploite un régime diffractif particulier du réseau permettant d’accéder à la propriété d’achromaticité (non rigoureuse) par repliement des performances de mesure sur cette bande spectrale, et ce, pour un instrument reposant pourtant sur un composant diffractif fondamentalement chromatique.D’autre part, afin de garantir l’analyse quantitative de l’information portée par les modulations interférométriques générées par le réseau, nous avons également optimisé les traitements numériques et abouti au développement d’un algorithme de pré-traitement des interférogrammes permettant de s’affranchir des effets de bord lors de l’analyse d’images à support fini. Les artefacts rencontrés sont connus sous le nom de phénomènes de Gibbs et apparaissent dans le cas général de la transformée de Fourier d’un signal discontinu. Ainsi, annuler ces effets de bord permet également de gérer les problèmes d’éclairement partiel de la pupille de l’analyseur dont la gestion est essentielle en métrologie de front d’onde.Enfin nous présenterons les résultats expérimentaux de validation du concept interférométrique et de mesures applicatives en métrologie optique et en imagerie de phase sur des échantillons d’intérêt issus de domaines variés, de la biologie à la paléontologie
This PhD dissertation presents the optimization and design of a wavefront analyzer dedicated to optical metrology and phase imaging on synchrotron sources in the hard X-ray regime. We chose to develop a single grating interferometer combined with a phase retrieval algorithm based on Fourier analysis. The main purpose here is to conceive a bulk instrument able to work in a great variety of experimental conditions without having to tune the parameters of the instrument in between experiments. This is thus related to the key constraint that is to calibrate the wavefront analyzer so that any further measurements could be corrected from any deterministic errors and allow single shot measurements of any sample.The key varying parameter in synchrotron experiments is the radiation energy (or wavelength). Therefore, the design of the interferometer aimed at minimizing the discrepancies of its performances over a broad spectral range from 10 to 30keV . This research lead in one hand to the description and implementation of an innovative interferometric configuration based on the achromatization of the instrument performances over this spectral range, despite the chromatic nature of the grating.On the other hand, in order to guaranty the quantitative analysis of interferograms, we also optimized the numerical approach to extract and treat the information they contain. This lead to the development of a conditioning procedure for a subsequent phase retrieval by Fourier demodulation. It fulfills the classical boundary conditions imposed by Fourier transform techniques and allows a nearly artifact-free extraction of the information.At last, experimental results demonstrate first, the viability of the grating achromatization concept, and then, the possibility to realize the metrology of grazing incidence optics at different wavelengths. The instrument was then used for phase imaging purposes of biological and archaeological samples

Cette thèse présente l’étude d’un concept de radar permettant la détection et la localisation de personnes à travers les murs. La démarche est organisée en cinq points principaux. Tout d’abord, une analyse des considérations techniques en vue de la conception d’un radar répondant au besoin est effectuée. Cette analyse permet de définir les paramètres principaux du radar en fonction de contraintes liées à l’application, les deux principales étant la propagation des ondes électromagnétiques à travers des murs et la signature radar de la cible humaine. L’étude de la propagation des ondes montre la nécessité d’utiliser des larges bandes de fréquence appartenant à la bande L et S. La signature radar de l’être humain est étudiée par des mesures expérimentales et montre une grande variation de celle-ci selon la fréquence, la personne et l’attitude adoptée. Une fois la phénoménologie du problème étudiée, nous développons des méthodes de traitement d’ouverture synthétique : la rétroprojection (formation de faisceaux connue adaptée au problème) et le retournement temporel appliqué à l’imagerie (approche novatrice). Par ailleurs, l’utilisation de la méthode DORT (décomposition de l’opérateur de retournement temporel) permet la focalisation sur des cibles d’intérêt. Enfin, nous présentons la conception d’un radar FMCW ULB dans la bande de 1 à 4 GHz avec une ouverture synthétique matérialisée par un réseau d’antennes ULB. Des mesures faites en condition réelles montrent clairement la possibilité de localiser des personnes en mouvement à travers un mur en temps réel. En conclusion, ce travail a permis des avancées significatives dans le domaine de la localisation de personnes à travers des murs par radar, et pourrait avoir des retombées dans d’autres domaines tels que la détection de personnes dans le cas de tremblements de terre ou d’avalanches
This Thesis presents the study of a Through The Wall (TTW) radar concept for the localization of persons through walls. The work is organized following five steps. First, in order to design a TTW radar, an analysis of the technical considerations is performed. This analysis permits to define principal radar parameters depending on the application requirements. The two most important ones are those brought by the through walls and the human target specifications. The study of the propagation through walls shows that it’s necessary to use ultra wide band waveforms in the L and S frequency ranges. The human target signature is studied by experimental measurements. Results show a great variability of the RCS depending on the frequency, the person and the attitude. After analysing the phenomenology of the TTW problem, we present in detail two synthetic aperture imaging methods: the backprojection (conventional beamforming adapted to this application) and time reversal theory applied to imaging (innovative approach). In addition, the DORT (diagonalization of time reversal operator) method is used to focus the energy on target of interest. Finally, we present the design and the conception of a synthetic aperture UWB FMCW radar working from 1 to 4 GHz. Experimental trials in realistic conditions show clearly the good performances of the system able to localize moving persons behind a wall in real time. In conclusion, this work has made significant advances in the field of TTW radar and could have some fallout in other fields of rescue operations like earthquakes or avalanches

Ce travail s’intéresse aux cellules solaires multi-transitions. Deux semiconducteurs à niveaux subbandgap : un highly mismatched alloy, le GaAsPN, et un absorbeur à boites quantiques. Les états subbandgap permettent de modifier l’énergie de gap ou de créer une bande intermédiaire au milieu du gap. En premier lieu, une introduction de la cellule solaire par l’étude de luminescence est présentée. Des liens entre luminescence et propriétés électriques sont établis, et les limites thermodynamiques de l’efficacité des dispositifs multi-transitions sont explicitées. Enfin, une méthode optique de caractérisation des cellules solaires est démontrée. La première partie expérimentale de la thèse est dédiée au développement d’une top cell en GaAsPN en accord de maille avec une bottom cell en Silicium. Des simulations numériques ont mis en évidence les difficultés à surmonter pour ce type de matériau. La dynamique des porteurs a été étudiée par photoluminescence en régime permanent et résolue en temps. Ces mesures ont mis en évidence que les absorbeurs crûs souffraient d’états fortement localisés, majoritairement dus à des clusters d’azote. Ces états nous ont permis en revanche d’étudier les propriétés de bande intermédiaire de cet alliage. Enfin, une méthode optique de caractérisation, adaptée aux IBSCs et à la mise en évidence des deux mécanismes clés de ce concept (two-step two-photon absorption et la préservation de la tension). Cette méthode a été appliquée à deux candidats pour les IBSCs, un absorbeur à multi-puits quantiques et un à boîtes quantiques. Les résultats montrent que l’absorbeur à boîtes quantiques présente un comportement compatible avec les IBSCs
This thesis deals with the multi-transition solar cells by studying two subband gap localised states materials: one highly mismatched alloy, GaAsPN, and one multi-stacked quantum dots heterostructure. These subband gap states give the possibility to tune the band gap energy or create two photon transitions inside a single the absorber. In a first part, a radiance based introduction of the solar cell is presented. Links between radiances and electrical properties are pointed out. From this analysis, the thermodynamic limits of the single and multiple transition solar cells are derived and key mechanisms for multi-transition solar cells are identified. A universal optical characterisation method for probing electrical properties of solar cells is displayed. The first experimental part of this thesis was dedicated to the development of a GaAsPN based pin top cell lattice matched with a Silicon bottom cell. Numerical simulations have been carried out. Carrier dynamics has been studied by steady-state and time-resolved photoluminescence, with the conclusion that the GaAsPN we grew still suffer from multiple strongly localised states below the band gap, mainly due to N-clusters. Finally, we have taken advantages of the strong carrier localisation for a use as an intermediate band solar cell. Eventually, a quantitative optical characterisation method was developed in order to evaluate the potential of an absorber as an IBSC. The two key processes, the two-step two-photon absorption and the voltage preservation, can be widely investigate through it. This method has been applied to two IBSC candidates, a MQW and a MSQD absorbers. The MSQD cell have shown IB compatibility

Ce mémoire présente la conception et la réalisation d'une antenne Ultra Large Bande, de dimensions minimales, dédiée au rayonnement d'impulsions ultra courtes dans une bande de travail comprise entre 800MHz et 8GHz. En s'appuyant sur des mesures de rayonnement impulsionnel, l'association de cette antenne à un dispositif optoélectronique d'alimentation, garantissant la meilleure synchronisation possible entre plusieurs sources, a conduit au dimensionnement en puissance d'un système global constitué d'autant de générateurs que d'antennes (évaluation du nombre d'antennes nécessaire pour rayonner une densité de puissance de 1W/cm² à une distance de 1km en fonction du niveau crête d'alimentation). Initialement dédiée à des applications de guerre électronique, cette antenne a également été utilisée pour des applications de détection électromagnétique. Elle a été le point de départ du développement d'un nouveau concept Radar, consistant à rayonner des impulsions dans différentes directions successives, azimut par azimut, de manière autonome et ultra rapide. Ce développement a été rendu possible grâce à la mise en place d'un dispositif optoélectronique d'alimentation particulier, reposant sur la création de trains d'impulsions de fréquences de répétition différentes. Enfin, pour remonter à l'image électromagnétique d'une scène balayée avec ce principe, deux traitements de signaux ont été développés, chacun étant propre à une configuration de réception particulière. Ces traitements ont été comparés aux algorithmes existants que sont la sommation cohérente et le retournement temporel, ces deux derniers étant associés à une configuration de type SAR
This document presents the design and the realization of a miniature Ultra Wide Band antenna, dedicated to the radiation of very short pulses in the frequency band [800MHz - 8GHz]. From experimental performances, the association of this antenna with an optoelectronic device, assuring the best synchronization possible between different sources, has lead to the evaluation of the performances of a global system including as many generators as antennas (evaluation of the necessary antenna number in the array to radiate a power density of 1W/cm² at a distance of 1km as function of the peak level of the feeding pulses). Previously dedicated to electronic warfare applications, this antenna has also been used for imaging Radar applications. It has been the starting point in the development of a novel autonomous and ultrafast Radar system, consisting in radiating pulses in different directions successively along time, azimuth per azimuth. This development has been made possible thanks to the use of a particular optoelectronic device, based on the creation of asynchronous optical pulses trains with different repetition rates. Finally, in order to obtain an electromagnetic image of the analyzed scene with this principle, two imaging algorithms have been developed, each of them being associated with a particular reception configuration. These algorithms have been compared with the time reversal method and the back projection algorithm, in association with a SAR imaging system

Ce mémoire présente la conception d'un radar Ultra Large Bande à déclenchement optoélectronique dédié au rayonnement d'impulsions ultra-courtes dans une bande de travail comprise entre 300MHz et 3GHz pour réaliser des opérations de détection à courte et moyenne portée. A l'émission, ce radar est composé de plusieurs sources de rayonnement élémentaires constituées d'une antenne au sein de laquelle un générateur optoélectronique est intégré, d'un générateur de haute tension pulsée et d'un système commande optique. Des mesures de validation ont été menées pour s'assurer du bon fonctionnement d'une source. Cette association garantit une excellente synchronisation entre les sources et autorise un balayage électromagnétique autonome rapide en ajustant les fréquences de répétition (quelques dizaines de MHz) de chaque générateur de manière à décaler proportionnellement à l'angle visé, l'instant d'alimentation. A la réception, une antenne ou plusieurs antennes sont utilisées pour récupérer les signaux diffractés par les cibles et un traitement de signal est appliqué pour reconstruire l'image. Ce traitement spécifique permet de s'affranchir de la limite de détection en distance imposée par la fréquence de répétition en utilisant une association entre des calculs de corrélation et une déconvolution itérative. Un des vecteurs d'amélioration de la qualité de l'image a également été développé. Il concerne la génération de forme d'ondes et plus particulièrement le façonnage spectral par profilage temporel en utilisant un algorithme d'optimisation évolutionnaire
This thesis presents the design of an Ultra Wide Band radar triggered by an optoelectronic generator which is dedicated to ultra short pulses radiation for short and medium range detection. The emitting part of this radar is based on transmitting array composed of several UWB antennas with an integrated photoswitch device triggered using optical pulses and a receiving UWB antenna. A specific signal processing method has been proposed and implemented for UWB optoelectronic radar involving autonomous beam scanning capability in order to overcome the limitation in the depth of detection encountered while using standard imaging algorithm. Indeed, this hybrid correlation/CLEAN algorithm considers the whole measured burst and finds the relevant information to rebuilt a radar map with a very good accuracy. In order to improve the radar map quality, the waveform generation technique has been discussed and, more precisely, the temporal shaping method to obtain specific spectrum using evolutionary algorithm

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasound Transducers) apparaissent, au vu de leur maturité croissante, comme une alternative de plus en plus viable à la technologie piézoélectrique. Caractérisés par une large bande passante et une large directivité, ces transducteurs sont des solutions intéressantes pour le développement de sondes ultrasonores « exotiques » dont les spécifications sont difficilement atteignables en technologie piézoélectrique. C'est dans ce contexte et fort de l'expérience acquise par notre laboratoire sur cette technologie pendant plus d'une dizaine d'années, que s'est inscrit ce travail de thèse. L'originalité du travail rapporté ici est d'aller de l'analyse du comportement général des barrettes cMUT jusqu'à un exemple précis de conception de sonde cMUT pour l'évaluation du tissu osseux. Des outils de modélisation précis et rapides, basés sur l'introduction de conditions de périodicité, ont été développés. Plusieurs modèles ont ainsi été mis en place afin d'adapter la stratégie de modélisation à la topologie du dispositif cMUT à modéliser : cellule isolée, colonne de cellules, matrice de cellules et élément de barrette. Ces modèles ont permis d'étudier le comportement des éléments de barrette cMUT et d'améliorer notre connaissance sur les mécanismes physiques mis en jeu. De cette façon, l'origine des effets de baffle, problème récurrent du comportement des barrettes cMUT, a clairement été interprété par l'intermédiaire d'une analyse modale. Des solutions ont ainsi été identifiées et proposées afin d'optimiser le comportement des barrettes cMUT, de façon à réduire la présence des effets de baffle et à augmenter leur bande passante. Le développement d'une barrette cMUT dédiée à l'évaluation du tissu osseux est présenté dans sa totalité, afin d'illustrer les différents aspects liés à la conception d'une sonde de cette technologie. Un travail original de caractérisation a été réalisé sur cette barrette, afin d'estimer l'homogénéité inter-cellules à l'échelle de l'élément et l'homogénéité inter-éléments à l'échelle de la barrette. Enfin, une confrontation a été réalisée avec une sonde PZT de même topologie sur plusieurs fantômes osseux. Il a ainsi été démontré que la sonde cMUT permettait la détection d'un plus grand nombre de modes guidés, et par conséquent, une meilleure évaluation du tissu osseux
Following recent advances, the capacitive Micromachined Ultrasound Transducers (cMUT) technology seems to be a good alternative to the piezoelectric technology. For specific applications, the requirements and specifications of the probe are sometimes difficult to obtain with the traditional PZT technology. The cMUT technology, with both large bandwidth and angular directivity, can be an interesting way to overcome these limitations. This PhD has been carried out in this context, in a laboratory which has nearly 10 years of experience in the field of cMUT technology. The originality of the work sustained in this PhD is that it covers the cMUT technology, from general aspects dealing of modeling and characterization up to a complete example of cMUT-based probe applied to the assessment of cortical bone. Fast and accurate modeling tools, based on periodicity conditions, have been developed. Several models have been proposed to match the modeling strategy to the topology of the cMUT array : isolated cell, columns of cells, 2-D matrix of cells and array element. These models have been used to analyze the cMUT array behavior and to understand how mutual couplings between cMUTs impact the response of one element. Origins of the baffle effect, well-known as a recurrent problem in cMUT probe, have been explained using an original method based on the normal mode decomposition of the radiated pressure field. Thus, solutions have been identified and tested to optimize the cMUT frequency response, i.e. to increase the bandwidth, and to suppress parasitic disturbances linked to baffle effect in the electroacoustic response. The development of a dedicated cMUT array for the assessment of bone tissue is accurately detailed in the manuscript, including description of the design rules, fabrication steps and packaging procedure. An original characterization work has been carried out in order to check the device homogeneity, first from cell to cell and then from element to element. Finally, a comparison with a PZT probe with the same topology has been performed on bone mimicking phantom. Nice results has been obtained, showing that cMUT probe allows detecting higher number of guided modes in the cortical shell, and consequently, improving the cortical bone assessment

Les compartiments intermédiaires de l’écosystème pélagique (du mésozooplancton au micronecton) transfèrent l’énergie et la matière organique entre les producteurs primaires et un certain nombre d’espèces commerciales (anchois, sardines…). Certains de ces organismes produiraient des « couches diffusantes » (Sound Scattering Layers, SSLs) observés sur une large gamme d’échelles spatio-temporelles et de zones géographiques. Néanmoins, la composition taxonomique des SSLs reste encore en grande partie inconnue. L’objectif de cette thèse était de décrire la composition et la répartition de SSLs denses observées dans le golfe de Gascogne (GdG) au printemps à plusieurs échelles spatiales, en utilisant l’acoustique large bande, des filets et des outils vidéo. Dans le premier chapitre, nous avons montré que la largeur du faisceau d’un échosondeur avait peu d’impact sur les densités acoustiques de SSLs observées au printemps 2014, ce qui suggère que certaines SSLs du golfe de Gascogne pourraienten comparant la réponse acoustique large bande mesurée in situ aux prédictions de modèles de réflecteurs acoustiques paramétrées à l’aide des données d’échantillonnages biologiques. Nous avons déterminé que les réflecteurs dominant la réponse acoustique aux basses fréquences (18-150 kHz) étaient composés de siphonophores et de poissons mésopélagiques, tous porteurs d’inclusions gazeuses. La réponse acoustique aux plus hautes fréquences était dominée des organismes mésozooplanctoniques, dont de fortes densités de ptéropodes. Dans le troisième chapitre, nous avons appliqué des méthodes de clas
Intermediate trophic components of pelagic ecosystem (from mesozooplakton to micronekton) funnel energy and organic matters from primary producers to many commercial species (anchovy, sardines…). Some of these organisms are supposed to be important contributors to the ubiquitous Sound Scattering Layers (SSLs) observed over a broad range of spatio-temporal scales and geographical areas. Yet, the SSLs taxonomic composition remains largely unknown. The aim of this PhD was to describe the composition and repartition of dense SSLs observed in the Bay of Biscay (France) in spring at several spatial scales, using broadband acoustics, nets and videos. In the first chapter, we showed that the echo sounder beam widths had few effect on the SSLs backscatter, suggesting those SSLs could be composed of unidentified small gaseous scatterers. In the second chapter we applied a forward approach to characterize the composition of SSLs sampled in spring 2016 at small scale,by comparing in situ frequency responses to predictions of scatterer models parameterized with biological sampling data. We determined that these SSLs were probably composed of gas-bearing siphonophores, who, together with mesopelagic fish, dominated the frequency spectra at low frequencies (18-150 kHz). The acoustic backscatter at higher frequencies was dominated by a mix of mesozooplankton organisms, including high densities of pteropods. In the third chapter we applied unsupervised classification methods and a supervised discriminant analysis to delineate the spatial distribution of a peculiar surface SSL composed of

Ces travaux portent sur le développement d'une technique de compression appliquée à la simplification des systèmes d'imagerie dans le domaine microonde. Cette approche repose sur le développement de composants passifs capables de compresser les ondes émises et reçues, autorisant ainsi une réduction du nombre de modules actifs nécessaires au fonctionnement de certaines architectures de radars. Ce principe est basé sur l'exploitation de la diversité modale présente dans les composants développés, le rendant compatible avec l'utilisation de très larges bandes passantes. Plusieurs preuves de concept sont réalisées au moyen de différents composants étudiés dans cet ouvrage, permettant d'adapter cette technique à de nombreuses spécifications d'architectures et de bandes passantes
This work is focused on the development of a compressive technique applied to the simplification of microwave imaging systems. This principle is based on the study of passive devices able to compress transmitted and received waves, allowing for the reduction of the hardware complexity required by radar systems. This approach exploits the modal diversity in the developed components, making it compatible with ultra wide bandwidth. Several proofs of concept are presented using different passive devices, allowing this technique to be adapted to a large variety of architectures and bandwidths

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse s'intéresse au problème de l'imagerie microonde bidimensionnelle polarimétrique. Il est scindé en deux parties, la première est dédiée aux études expérimentales liées à la détection d'objets enfouis tandis que la seconde présente le développement d'un algorithme d'imagerie quantitative. Ainsi le travail effectué dans la première partie du manuscrit porte sur la réalisation d'antennes ultra-large bande et la détermination de leur comportement lors de mesures polarimétriques sur sites. Dans ce dernier cas, plusieurs tests ont été réalisés et permettent de conclure sur les qualités des capteurs développés. Dans une deuxième phase, un code d'imagerie bidimensionnelle prenant en compte à la fois la polarisation 2D-TM et 2D-TE est présenté. Le développement d'un algorithme de diffraction électromagnétique est tout d'abord exposé. Son association avec un algorithme de problème inverse existant déjà au laboratoire permet alors de générer le code d'imagerie quantitative. Plusieurs configurations de reconstruction d'objet homogène, isotrope ou non, permettent ensuite de mettre en évidence ses capacités.

Ce travail s’intéresse aux cellules solaires multi-transitions. Deux semiconducteurs à niveaux subbandgap : un highly mismatched alloy, le GaAsPN, et un absorbeur à boites quantiques. Les états subbandgap permettent de modifier l’énergie de gap ou de créer une bande intermédiaire au milieu du gap. En premier lieu, une introduction de la cellule solaire par l’étude de luminescence est présentée. Des liens entre luminescence et propriétés électriques sont établis, et les limites thermodynamiques de l’efficacité des dispositifs multi-transitions sont explicitées. Enfin, une méthode optique de caractérisation des cellules solaires est démontrée. La première partie expérimentale de la thèse est dédiée au développement d’une top cell en GaAsPN en accord de maille avec une bottom cell en Silicium. Des simulations numériques ont mis en évidence les difficultés à surmonter pour ce type de matériau. La dynamique des porteurs a été étudiée par photoluminescence en régime permanent et résolue en temps. Ces mesures ont mis en évidence que les absorbeurs crûs souffraient d’états fortement localisés, majoritairement dus à des clusters d’azote. Ces états nous ont permis en revanche d’étudier les propriétés de bande intermédiaire de cet alliage. Enfin, une méthode optique de caractérisation, adaptée aux IBSCs et à la mise en évidence des deux mécanismes clés de ce concept (two-step two-photon absorption et la préservation de la tension). Cette méthode a été appliquée à deux candidats pour les IBSCs, un absorbeur à multi-puits quantiques et un à boîtes quantiques. Les résultats montrent que l’absorbeur à boîtes quantiques présente un comportement compatible avec les IBSCs
This thesis deals with the multi-transition solar cells by studying two subband gap localised states materials: one highly mismatched alloy, GaAsPN, and one multi-stacked quantum dots heterostructure. These subband gap states give the possibility to tune the band gap energy or create two photon transitions inside a single the absorber. In a first part, a radiance based introduction of the solar cell is presented. Links between radiances and electrical properties are pointed out. From this analysis, the thermodynamic limits of the single and multiple transition solar cells are derived and key mechanisms for multi-transition solar cells are identified. A universal optical characterisation method for probing electrical properties of solar cells is displayed. The first experimental part of this thesis was dedicated to the development of a GaAsPN based pin top cell lattice matched with a Silicon bottom cell. Numerical simulations have been carried out. Carrier dynamics has been studied by steady-state and time-resolved photoluminescence, with the conclusion that the GaAsPN we grew still suffer from multiple strongly localised states below the band gap, mainly due to N-clusters. Finally, we have taken advantages of the strong carrier localisation for a use as an intermediate band solar cell. Eventually, a quantitative optical characterisation method was developed in order to evaluate the potential of an absorber as an IBSC. The two key processes, the two-step two-photon absorption and the voltage preservation, can be widely investigate through it. This method has been applied to two IBSC candidates, a MQW and a MSQD absorbers. The MSQD cell have shown IB compatibility

Les images hyperspectrales suscitent un intérêt croissant depuis une quinzaine d'années. Elles fournissent une information plus détaillée d'une scène et permettent une discrimination plus précise des objets que les images couleur RVB ou multi-spectrales. Bien que les potentialités de la technologie hyperspectrale apparaissent relativement grandes, l'analyse et l'exploitation de ces données restent une tâche difficile et présentent aujourd'hui un défi. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la réduction et de partitionnement des images hyperspectrales de grande dimension spatiale. L'approche proposée se compose de deux étapes : calcul d'attributs et classification des pixels. Une nouvelle approche d'extraction d'attributs à partir des matrices de tri-occurrences définies sur des voisinages cubiques est proposée en tenant compte de l'information spatiale et spectrale. Une étude comparative a été menée afin de tester le pouvoir discriminant de ces nouveaux attributs par rapport aux attributs classiques. Les attributs proposés montrent un large écart discriminant par rapport à ces derniers et par rapport aux signatures spectrales. Concernant la classification, nous nous intéressons ici au partitionnement des images par une approche de classification non supervisée et non paramétrique car elle présente plusieurs avantages: aucune connaissance a priori, partitionnement des images quel que soit le domaine applicatif, adaptabilité au contenu informationnel des images. Une étude comparative des principaux classifieurs semi-supervisés (connaissance du nombre de classes) et non supervisés (C-moyennes, FCM, ISODATA, AP) a montré la supériorité de la méthode de propagation d'affinité (AP). Mais malgré un meilleur taux de classification, cette méthode présente deux inconvénients majeurs: une surestimation du nombre de classes dans sa version non supervisée, et l'impossibilité de l'appliquer sur des images de grande taille (complexité de calcul quadratique). Nous avons proposé une approche qui apporte des solutions à ces deux problèmes. Elle consiste tout d'abord à réduire le nombre d'individus à classer avant l'application de l'AP en agrégeant les pixels à très forte similarité. Pour estimer le nombre de classes, la méthode AP utilise de manière implicite un paramètre de préférence p dont la valeur initiale correspond à la médiane des valeurs de la matrice de similarité. Cette valeur conduisant souvent à une sur-segmentation des images, nous avons introduit une étape permettant d'optimiser ce paramètre en maximisant un critère lié à la variance interclasse. L'approche proposée a été testée avec succès sur des images synthétiques, mono et multi-composantes. Elle a été également appliquée et comparée sur des images hyperspectrales de grande taille spatiale (1000 × 1000 pixels × 62 bandes) avec succès dans le cadre d'une application réelle pour la détection des plantes invasives
The interest in hyperspectral image data has been constantly increasing during the last years. Indeed, hyperspectral images provide more detailed information about the spectral properties of a scene and allow a more precise discrimination of objects than traditional color images or even multispectral images. High spatial and spectral resolutions of hyperspectral images enable to precisely characterize the information pixel content. Though the potentialities of hyperspectral technology appear to be relatively wide, the analysis and the treatment of these data remain complex. In fact, exploiting such large data sets presents a great challenge. In this thesis, we are mainly interested in the reduction and partitioning of hyperspectral images of high spatial dimension. The proposed approach consists essentially of two steps: features extraction and classification of pixels of an image. A new approach for features extraction based on spatial and spectral tri-occurrences matrices defined on cubic neighborhoods is proposed. A comparative study shows the discrimination power of these new features over conventional ones as well as spectral signatures. Concerning the classification step, we are mainly interested in this thesis to the unsupervised and non-parametric classification approach because it has several advantages: no a priori knowledge, image partitioning for any application domain, and adaptability to the image information content. A comparative study of the most well-known semi-supervised (knowledge of number of classes) and unsupervised non-parametric methods (K-means, FCM, ISODATA, AP) showed the superiority of affinity propagation (AP). Despite its high correct classification rate, affinity propagation has two major drawbacks. Firstly, the number of classes is over-estimated when the preference parameter p value is initialized as the median value of the similarity matrix. Secondly, the partitioning of large size hyperspectral images is hampered by its quadratic computational complexity. Therefore, its application to this data type remains impossible. To overcome these two drawbacks, we propose an approach which consists of reducing the number of pixels to be classified before the application of AP by automatically grouping data points with high similarity. We also introduce a step to optimize the preference parameter value by maximizing a criterion related to the interclass variance, in order to correctly estimate the number of classes. The proposed approach was successfully applied on synthetic images, mono-component and multi-component and showed a consistent discrimination of obtained classes. It was also successfully applied and compared on hyperspectral images of high spatial dimension (1000 × 1000 pixels × 62 bands) in the context of a real application for the detection of invasive and non-invasive vegetation species

Aujourd'hui l'utilisation de l'échographie 3D en cardiologie est limitée car l'imagerie de la totalité du myocarde sur un cycle cardiaque, sans apnée, reste un défi technologique. Une solution consiste à réduire le nombre de capteurs dans les sondes échographiques matricielles afin d'alléger le procédé d'acquisition: ces sondes sont dites parcimonieuses. Le but de cette thèse est de proposer les meilleures dispositions d'un nombre réduit de capteurs piézo-électriques répartis sur la surface active de la sonde afin d'optimiser leur capacité à produire des images homogènes en termes de contraste et résolution dans tout le volume d'intérêt. Ce travail présente l'intégration de simulations acoustiques réalistes élaborées au sein d'un processus d'optimisation stochastique (algorithme de recuit simulé). La structure proposée pour le design des sondes parcimonieuse est suffisamment générale pour être appliquée aux sondes régulières (éléments actifs disposés selon une grille) et non-régulières (positionnement arbitraire des éléments actifs). L'introduction d'une fonction d'énergie innovante permet de sculpter en 3D le diagramme optimal de rayonnement de la sonde. Les résultats de sondes optimisées obtenues possèdent 128, 192 ou 256 éléments pour favoriser leur compatibilité avec les échographes commercialisés à ce jour, ce qui permettrait de déployer l'échographie 3D à moindre coût et à très large échelle
Today, the use of 3D ultrasound imaging in cardiology is limited because imaging the entire myocardium on a single heartbeat, without apnea, remains a technological challenge. A solution consists in reducing the number of active elements in the 2D ultrasound probes to lighten the acquisition process: this approach leads to sparse arrays. The aim of this thesis is to propose the best configuration of a given number of active elements distributed on the probe active surface in order to maximize their ability to produce images with homogeneous contrast and resolution over the entire volume of interest. This work presents the integration of realistic acoustic simulations performed in a stochastic optimization process (simulated annealing algorithm). The proposed sparse array design framework is general enough to be applied on both on-grid (active elements located on a regular grid) and non-grid (arbitrary positioning of the active elements) arrays. The introduction of an innovative energy function sculpts the optimal 3D beam pattern radiated by the array. The obtained optimized results have 128, 192 or 256 active elements to help their compatibility with currently commercialized ultrasound scanners, potentially allowing a large scale development of 3D ultrasound imaging with low cost systems

Des sources des rayons XUV (1-100 nm) sont des outils extraordinaires pour sonder la dynamique à l’échelle nanométrique avec une résolution femto- voire attoseconde. La génération d’harmoniques d’ordre élevé (GH) est une des sources majeures dans ce domaine d’application. La GH est un processus dans lequel une impulsion laser infrarouge femtoseconde est convertie, de manière cohérente, en fréquences élevées dans le domaine EUV par interaction hautement non-linéaire dans un atome, une molécule et plus récemment, dans un cristal. La GH possède une excellente cohérence spatiale qui a permis de réaliser des démonstrations impressionnantes en imagerie sans lentille. Pour accroître le potentiel de ces sources, des défis sont à relever : leur brillance et énergie de photon maximum doivent augmenter et les techniques d’imagerie sans lentille doivent être modifiées pour être compatibles avec l’importante largeur spectrale des impulsions attosecondes émise par ces sources. Cette thèse présente une nouvelle approche dans laquelle des figures de diffraction large bande, i.e. potentiellement attosecondes, sont rendues monochromatiques numériquement. Cette méthode est basée uniquement sur la mesure du spectre de la source et la supposition d’un échantillon spatialement non-dispersif. Cette approche a été validée tout d’abord dans le visible, à partir d’un supercontinuum. L’échantillon binaire est reconstruit par recouvrement de phase pour une largeur spectrale de 11 %, là où les algorithmes usuels divergent. Les simulations numériques montrent aussi que la méthode de monochromatisation peut être appliquée au domaine des rayons X, avec comme exemple un masque semi-conducteur utilisé en de lithographie EUV. Bien que la brillance « cohérente » de la source actuelle (qui progresse) reste insuffisante, une application sur l’inspection de masques sur source Compton est proposée. Dans une extension de ces simulations un masque de lithographie étendu est reconstruit par ptychographie, démontrant la versatilité à d’autres techniques d’imagerie sans lentille. Nous avons également entamé une série d’expérience dans le domaine des X-durs sur source synchrotron. Les figures de diffraction après monochromatisation numérique semblent prometteuses mais l’analyse des données demandent des efforts supplémentaires. Une partie importante de cette thèse est dédiée à l’extension des sources harmoniques à des brillances et énergies de photon plus élevées. Ce travail exploratoire permettrait la réalisation d’une source harmonique compacte pompée par un laser OPCPA dans le moyen infrarouge à très fort taux de répétition. Les longueurs d’onde moyen infrarouge (3.1 μm dans ce travail de thèse) sont favorables à l’extension des énergies des photons au keV et aux impulsions attosecondes. Le but est de pouvoir couvrir les seuils d’absorption X et d’améliorer la résolution spatio-temporelle. Cependant, deux facteurs rendent cette démonstration difficile: le nombre de photons par impulsion de la source OPCPA est très limité et la réponse du dipôle harmonique à grande longueur est extrêmement faible. Pour relever ces défis plusieurs configurations expérimentales sont explorées : génération dans un jet de gaz ; génération dans une cellule de gaz ; compression solitonique et la génération d’harmoniques combinées dans une fibre à cristal photonique ; compression solitonique dans une fibre à cristal photonique et génération d’harmoniques dans une cellule de gaz. Les premiers résultats expérimentaux sur la compression solitonique jusqu’à 26 femtosecondes et des harmoniques basses jusqu’à l’ordre sept sont présentésEn résumé, ces résultats représentent une avancée vers l’imagerie nanométrique attoseconde sans lentille basée sur des algorithmes « large bande » innovants et une extension des capacités de nouvelles sources harmoniques ‘table-top’ au keV pompées par laser OPCPA
Soft X-ray sources based on high harmonic generation are up to now unique tools to probe dynamics in matter on femto- to attosecond timescales. High harmonic generation is a process in which an intense femtosecond laser pulse is frequency upconverted to the UV and soft X-ray region through a highly nonlinear interaction in a gas. Thanks to their excellent spatial coherence, they can be used for lensless imaging, which has already led to impressive results. To use these sources to the fullest of their potential, a number of challenges needs to be met: their brightness and maximum photon energy need to be increased and the lensless imaging techniques need to be modified to cope with the large bandwidth of these sources. For the latter, a novel approach is presented, in which broadband diffraction patterns are rendered monochromatic through a numerical treatment based solely on the spectrum and the assumption of a spatially non-dispersive sample. This approach is validated through a broadband lensless imaging experiment on a supercontinuum source in the visible, in which a binary sample was properly reconstructed through phase retrieval for a source bandwidth of 11 %. Through simulations, the numerical monochromatization method is shown to work for hard X-rays as well, with a simplified semiconductor lithography mask as sample. A potential application of lithography mask inspection on an inverse Compton scattering source is proposed, although the conclusion of the analysis is that the current source lacks brightness for the proposal to be realistic. Simulations with sufficient brightness show that the sample is well reconstructed up to 10 % spectral bandwidth at 8 keV. In an extension of these simulations, an extended lithography mask sample is reconstructed through ptychography, showing that the monochromatization method can be applied in combination with different lensless imaging techniques. Through two synchrotron experiments an experimental validation with hard X-rays was attempted, of which the resulting diffraction patterns after numerical monochromatization look promising. The phase retrieval process and data treatment however require additional efforts.An important part of the thesis is dedicated to the extension of high harmonic sources to higher photon energies and increased brightness. This exploratory work is performed towards the realization of a compact high harmonic source on a high repetition rate mid-IR OPCPA laser system, which sustains higher average power and longer wavelengths compared to ubiquitous Ti:Sapphire laser systems. High repetition rates are desirable for numerous applications involving the study of rare events. The use of mid-IR wavelengths (3.1 μm in this work) promises extension of the generated photon energies to the kilo-electronvolt level, allowing shorter pulses, covering more X-ray absorption edges and improving the attainable spatial resolution for imaging. However, high repetition rates come with low pulse energies, which constrains the generation process. The generation with longer wavelengths is challenging due to the significantly lower dipole response of the gas. To cope with these challenges a number of experimental configurations is explored theoretically and experimentally: free-focusing in a gas-jet; free-focusing in a gas cell; soliton compression and high harmonic generation combined in a photonic crystal fiber; separated soliton compression in a photonic crystal fiber and high harmonic generation in a gas cell. First results on soliton compression down to 26 fs and lower harmonics up to the seventh order are presented.Together, these results represent a step towards ultrafast lensless X-ray imaging on table-top sources and towards an extension of the capabilities of these sources

La production de foie gras représente une part non négligeable de l’économie française et fait d’elle le leader mondial dans ce domaine. Face aux enjeux économiques, les producteurs se doivent de répondre aux attentes des consommateurs que ce soit pour la qualité du foie gras mais aussi en ce qui concerne la méthode d’élevage et le bien-être animal. Actuellement, les canards sont gavés deux fois par jour pendant 12 jours avec la même quantité alimentaire tout au long du processus. Il n’y a pas d’adaptation de la dose alimentaire en fonction de l’animal au cours du gavage. C’est pourquoi, certains animaux subissent un sur-gavage au cours de ce processus. C’est ce phénomène, qui reste la source principale de mortalité chez le canard en élevage. C’est dans ce contexte, que cette thèse trouve tout son intérêt. Différentes techniques sont connues pour l’imagerie et l’analyse de tissus biologiques. Cependant la majorité des techniques sont encombrantes, invasives pour la préparation des échantillons ou trop coûteuses pour la mise en place à l’échelle de la production de foie gras. La spectroscopie diélectrique radiofréquence est une technique d’imagerie rapide, non invasive et portable pouvant tout à fait convenir à la détection du poids de foie chez le canard vivant au cours du gavage afin de moduler la dose alimentaire à fournir à chaque animal. Ces travaux visent donc à contribuer au développement d’une instrumentation radiofréquence (RF) dédiée à une telle application. Dans la première partie de cette thèse, le contexte actuel du gavage des canards pour la production de foie gras et les différentes techniques d’imagerie pour l’étude de tissus biologiques sont décrits. Dans ce cadre, la spectroscopie radiofréquence est introduite comme possible solution de détection pour une application en élevage. La seconde partie traite du capteur radiofréquence développé par l’équipe MH2F du LAAS, de sa caractérisation et de son optimisation pour répondre à la problématique de cette thèse. Différentes conceptions de capteurs sont étudiées pour déterminer la version la plus optimale. Le capteur hyperfréquence doit permettre de sonder le foie, au milieu des autres organes, dans l’animal vivant. Les ondes électromagnétiques doivent donc permettre de différencier les divers organes à une profondeur de pénétration spécifique. Ainsi la caractérisation RF et l’évaluation avec des modèles fantômes des différentes configurations de capteurs a permis de sélectionner deux capteurs pour la suite de l’étude. Des mesures ex vivo présentées dans un troisième chapitre sont ensuite faites sur des échantillons d’organes prélevés sur canards à différents stades de gavage afin de déterminer la réponse diélectrique de chaque tissu, et la bonne répétabilité des résultats. Ces mesures montrent que la profondeur de pénétration des ondes rayonnées par le capteur sélectionné est suffisante pour sonder le foie au travers de la peau et des plumes et que la réponse diélectrique est différente selon le tissu étudié. La variation de composition du foie au cours du gavage a aussi été démontré par cette étude diélectrique. Enfin, dans l’optique de développer une instrumentation RF pour le suivi non-invasif du poids de foie, l’anatomie du canard gras et l’approche suivie sont introduites. Le capteur est ensuite utilisé et adapté sur carcasse puis sur canard vivant. Sensibilité et répétitivité des mesures RF sont évaluées sur plusieurs animaux. L’un des capteurs radiofréquence sélectionné est évalué pour sonder la zone où se situe le foie afin de déterminer sa taille et ensuite son poids. Pour chaque position du capteur un spectre en fréquence de 10 MHz à 6 GHz est obtenu. Enfin, la dernière partie de cette thèse décrit le traitement des données associé pour remonter à l’information d’intérêt. Ce travail pose donc les premières bases d’une instrumentation RF dédiée à l’imagerie non invasive du foie de canard en élevage afin d’adapter la technique de gavage à chaque animal
The production of duck fat liver represents a significant part of the French economy and makes it the world leader in this field. Faced with economic challenges, producers must meet consumer expectations, not only for the quality of fat liver but also with regard to the breeding method and animal welfare. Currently, ducks are force-fed twice a day for 12 days with the same amount of food throughout the process. There is no adjustment of the food dose according to the animal during force-feeding. Therefore, some animals undergo over-feeding during this process. It is this phenomenon, which remains the main source of mortality in farmed ducks. It is in this context that this thesis finds all its interest. Different techniques are known for imaging and analyzing biological tissue. However, the majority of techniques are bulky, invasive for sample preparation or too costly to scale up to produce fat liver. Radio-frequency dielectric spectroscopy is a rapid, non-invasive and portable imaging technique that may be suitable for detecting liver weight in live ducks during gavage in order to modulate the dietary dose to be provided to each animal. This work therefore aims to contribute to the development of radiofrequency (RF) instrumentation dedicated to such an application. In the first part of this thesis, the current context of force-feeding ducks for the production of fatty liver and the different imaging techniques for studying biological tissues are described. In this context, radiofrequency spectroscopy is introduced as a possible detection solution for an application in breeding. The second part deals with the radiofrequency sensor developed by the MH2F team of LAAS, its characterization and its optimization to answer the problem of this thesis. Different sensor designs are studied to determine the most optimal version. The microwave sensor should make it possible to probe the liver, among other organs, in the living animal. The electromagnetic waves must therefore make it possible to differentiate the various organs at a specific depth of penetration. Thus, the RF characterization and evaluation with phantom models of the different sensor configurations made it possible to select two sensors for the rest of the study. Ex vivo measurements presented in a third chapter are then made on organ samples taken from ducks at different stages of gavage in order to determine the dielectric response of each tissue, and the good repeatability of the results. These measurements show that the depth of penetration of the waves radiated by the selected sensor is sufficient to probe the liver through the skin and feathers and that the dielectric response is different depending on the tissue studied. The change in liver composition during gavage was also demonstrated by this dielectric study. Finally, with a view to developing RF instrumentation for the non-invasive monitoring of liver weight, the anatomy of the fatty duck and the approach followed are introduced. The sensor is then used and adapted on a carcass and then on a live duck. Sensitivity and repeatability of RF measurements are evaluated on several animals. One of the selected radio frequency sensors is evaluated to probe the area where the liver is located to determine its size and then its weight. For each position of the sensor a frequency spectrum of 10 MHz to 6 GHz is obtained. Finally, the last part of this thesis describes the associated data processing to go back to the information of interest. This work therefore lays the groundwork for RF instrumentation dedicated to non-invasive imaging of farmed duck liver in order to adapt the force-feeding technique to each animal

La technologie à ultrasons constitue un moyen abordable de mettre en œuvre des solutions non invasives pour évaluer de manière diagnostique les caractéristiques mécaniques de l'os. Dans cette thèse nous introduisons la poursuite orthogonale (OMP) pour obtenir une reconstruction robuste de la forme d'onde de chaque écho après rebond sur les faces externe et interne de l'os cortical. Le temps de vol et les fréquences centrales des échos sont utilisés pour calculer l'atténuation normalisée à large bande (nBUA). Des mesure in vivo ont été effectuées avec succès en mode écho et des données de référence ont été obtenues à partir de mesures HR-pQCT (épaisseur corticale, vBMD). Il est ainsi apparu que Ct.Th et nBUA étaient fortement corrélés aux valeurs d'épaisseur de référence (r2=0,90), respectivement. La deuxième contribution principale de ces travaux consiste en l'utilisation de la méthode TDTE (Time Domain Topological Energy) et de la migration dans l'imagerie de l'os cortical. L'approche TDTE montre de bonnes performances dans l'imagerie de la structure de l'os cortical (faces interne et externe de l'os, ainsi que la structure poreuse à l'intérieur de l'os). La migration quant à elle peut fournir une distribution quantitative approximative de la densité, de la vitesse de compression et de la vitesse de cisaillement
Ultrasound technology provides an affordable means to implement non-invasive solutions to diagnostically assess the mechanical characteristics of the bone. In this thesis we introduce Orthogonal Matching Pursuit (OMP) to obtain a robust reconstruction of the waveform of each echo bouncing off the cortical bone surfaces. Echoes' time-of-flight and central frequencies are used to calculate Ct.Th and normalized broadband attenuation (nBUA). In vivo measurements have been successfully performed with pulse-echo ultrasound and reference data wase obtained with HR-pQCT (cortical thickness, vBMD). Ct.Th and nBUA were highly correlated to reference thickness values (r2=0.90) and vBMD (r2=0,90), respectively. The second main contribution is that we introduce Time Domain Topological Energy (TDTE) method and migration into cortical bone imaging. TDTE shows well performance in extracting the structure of cortical bone, including the external, internal boundary of cortical bone and porous structure inside the cortical bone. Migration can provide a rough quantitative distribution of density, compression wave speed, and shear wave speed

Les systèmes Radar ULB utilisent des signaux dont le spectre dépasse une décade et se situe dans la bande 100MHz-10GHz. L’imagerie Radar ULB s’est beaucoup développée ces dernières années. Elle couvre un large champ applicatif : la défense, la sécurité civile, le biomédical. Elle permet en effet de pénétrer à travers les matériaux non conducteurs avec une résolution centimétrique. Dans les radars à impulsions ULB, la bande passante peut atteindre plusieurs GHz, de sorte qu'un Convertisseur Analogique-Numérique (CAN) pouvant échantillonner à cette vitesse avec une résolution de 10 à 14 bits est très difficile à concevoir. Il est toutefois possible de mesurer directement un signal Radar ULB reçu dans le domaine temporel en associant un CAN avec un T&HA avec une fréquence d’échantillonnage maximale de plusieurs GSa/s. Ces travaux portent sur le développement d’un démonstrateur Radar SAR ULB qui repose sur l’utilisation d’une technique de sous-échantillonnage cohérent pour la mesure des signaux Radar ULB. Ce démonstrateur Radar ULB est construit autour d’un CAN rapide (500 MS/s), d’un FPGA,et d’un T&HA ultra-large bande (5 GHz). Il permet ainsi la détection decibles en trois dimensions grâce à un algorithme de backpropagation
Typically, the waveforms transmitted by UWB radar cover a spectrum higher than a decade, in the 100MHz-10GHz frequency range. UWB Radar imaging has grown significantly in recent past years and is used for a large number of applications as defence, civil security and biomedical. One of their advantages lies in the fact that microwaves are able to penetrate through non-conductive materials with centimeter resolution. In UWB pulse radar, the bandwidth can reach several GHz, so that an Analog-to-Digital Converter (ADC) needs a high sampling rate and with a high resolution (>12 bits) to guarantee enough dynamic range. However, it is now possible to directly measure time-domain radar signal by associating an ADC with a Track and Hold Amplifier T&HA with wide RF bandwidth and with a maximum sampling frequency of several GSa/s. This work involves the development of a UWB SAR Radar demonstrator based on the use of a coherent sub-sampling technique for measuring UWB Radar signals. This UWB Radar demonstrator is built around a fast ADC (500 MS/s), an FPGA, and an ultra-wideband T&HA (5 GHz). It allows target detection by processing based on the use of a Radar image reconstruction algorithm

Ces travaux se placent dans le contexte de l'étude des champs profonds hyperspectraux produits par l'instrument d'observation céleste MUSE. Ces données permettent de sonder l'Univers lointain et d'étudier les propriétés physiques et chimiques des premières structures galactiques et extra-galactiques. La première problématique abordée dans cette thèse est l'attribution d'une signature spectrale pour chaque source galactique. MUSE étant un instrument au sol, la turbulence atmosphérique dégrade fortement le pouvoir de résolution spatiale de l'instrument, ce qui génère des situations de mélange spectral pour un grand nombre de sources. Pour lever cette limitation, des approches de fusion de données, s'appuyant sur les données complémentaires du télescope spatial Hubble et d'un modèle de mélange linéaire, sont proposées, permettant la séparation spectrale des sources du champ. Le second objectif de cette thèse est la détection du Circum-Galactic Medium (CGM). Le CGM, milieu gazeux s'étendant autour de certaines galaxies, se caractérise par une signature spatialement diffuse et de faible intensité spectrale. Une méthode de détection de cette signature par test d'hypothèses est développée, basée sur une stratégie de max-test sur un dictionnaire et un apprentissage des statistiques de test sur les données. Cette méthode est ensuite étendue pour prendre en compte la structure spatiale des sources et ainsi améliorer la puissance de détection tout en conservant un contrôle global des erreurs. Les codes développés sont intégrés dans la bibliothèque logicielle du consortium MUSE afin d'être utilisables par l'ensemble de la communauté. De plus, si ces travaux sont particulièrement adaptés aux données MUSE, ils peuvent être étendus à d'autres applications dans les domaines de la séparation de sources et de la détection de sources faibles et étendues
This work takes place in the context of the study of hyperspectral deep fields produced by the European 3D spectrograph MUSE. These fields allow to explore the young remote Universe and to study the physical and chemical properties of the first galactical and extra-galactical structures.The first part of the thesis deals with the estimation of a spectral signature for each galaxy. As MUSE is a terrestrial instrument, the atmospheric turbulences strongly degrades the spatial resolution power of the instrument thus generating spectral mixing of multiple sources. To remove this issue, data fusion approaches, based on a linear mixing model and complementary data from the Hubble Space Telescope are proposed, allowing the spectral separation of the sources.The second goal of this thesis is to detect the Circum-Galactic Medium (CGM). This CGM, which is formed of clouds of gas surrounding some galaxies, is characterized by a spatially extended faint spectral signature. To detect this kind of signal, an hypothesis testing approach is proposed, based on a max-test strategy on a dictionary. The test statistics is learned on the data. This method is then extended to better take into account the spatial structure of the targets, thus improving the detection power, while still ensuring global error control.All these developments are integrated in the software library of the MUSE consortium in order to be used by the astrophysical community.Moreover, these works can easily be extended beyond MUSE data to other application fields that need faint extended source detection and source separation methods

Nous nous intéressons dans cette thèse à la vision à travers les murs (VTM) par radar ULB, avec comme objectif la mise au point d’une chaîne de traitement de l’information (CTI) complète pouvant être utilisée par différents types de radar imageur VTM. Pour ce faire, nous souhaitons prendre en compte le moins possible d’information a priori, ni sur les cibles, ni sur leur contexte environnemental. De plus, la CTI doit répondre à des critères d’adaptabilité et de modularité pour pouvoir traiter les informations issues de deux types de radar, notamment, le pulsé et le FMCW, développés dans deux projets dans lesquels s’inscrivent les travaux de cette thèse. L’imagerie radar est un point important dans ce contexte, nous l’abordons par la combinaison des algorithmes de rétroprojection et trilatération, et montrons l’amélioration apportée avec l’utilisation d’un détecteur TFAC prenant en compte la forme des signatures des cibles. La mise au point de la CTI est notre principale contribution. Le flux d’images radar obtenu est scindé en deux parties. La première séquence dynamique contient les cibles mobiles qui sont ensuite suivies par une approche multihypothèse. La seconde séquence statique contient les cibles stationnaires ainsi que les murs intérieurs qui sont détectés par une méthode s’appuyant sur la transformée de Radon. Nous avons produit un simulateur VTM fonctionnant dans le domaine temporel et fréquentiel pour mettre au point les algorithmes de la CTI et tester leur robustesse. Plusieurs scénarios de simulation ainsi que de mesures expérimentales, montrent que la CTI construite est pertinente et robuste. Elle est ainsi validée pour les deux systèmes radar
This report is focused on Through-the-wall surveillance (TTS) using UWB radar, with the objective of developing a complete information processing pipeline (IPP) which can be used by different types of imaging radar. To do this, we want to take into account any a priori information, nor on the target, or their environmental context. In addition, the IPP must meet criteria of adaptability and modularity to process information from two types of radar, including pulsed and FMCW developed in two projects that are part of the work of this thesis. Radar imaging is an important point in this context ; we approach it by combining backprojection and trilateration algorithms and show the improvement with the use of a CFAR detector taking into account the shape of the targets signatures.The development of the IPP is our main contribution. The flow of radar images obtained is divided into two parts. The first dynamic sequence contains moving targets are tracked by a multiple hypothesis approach. The second static sequence contains stationary targets and interior walls that are highlighted by Radon transformbases approach. We developed a simulator operating in time and frequency domain to design the algorithms of the IPP and test their robustness. Several simulated scenarios and experimental measurements show that our IPP is relevant and robust. It is thus validated for both radar systems

Les Transducteurs Ultrasonores Capacitifs Micro-usinés (CMUT en anglais) sont étudiés par plusieurs laboratoires internationaux depuis les années 90. Se présentant comme une alternative aux transducteurs traditionnels piézoélectriques, cette technologie inspirée des MEMS (MicroElectroMechanical Systems) a aujourd'hui atteint la maturité suffisante pour voir émerger sa commercialisation. Dans son application historique, l'imagerie médicale, de nombreux acteurs industriels proposent des sondes CMUTs, comme Hitachi, Kolo Medicals ou Butterfly Network pour n'en citer que quelques uns. La recherche autour de ces dispositifs continue néanmoins à travers des études sur la conception, la modélisation, la fabrication ou pour de nouvelles applications. À travers le projet collaboratif TUMAHI (Transducteurs capacitifs Ultrasonores Multi-Application Hautement Intégrés) entre le laboratoire GREMAN et la société VERMON S.A, deux axes d'optimisation ont été étudiés. Le premier objectif consistait à créer et valider expérimentalement une stratégie de conception d'éléments CMUTs pour optimiser la réponse électroacoustique sur la bande passante ou la sensibilité. La principale contrainte était de définir des degrés de liberté et des paramètres fixes pour fabriquer des barrettes CMUTs pour diverses applications et fréquences de travail sur un même wafer. Par l'intermédiaire d'un dispositif centré à 10 MHz pour de l'imagerie médicale, nous avons fait varier les tailles de membranes pour posséder une configuration Large Bande et une configuration Sensible. Une campagne de mesures de pression a été effectuée avec les sondes complètes et prêtes à l'emploi pour valider les critères de conception établis. L'analyse poussée a néanmoins souligné que la démarche de conception pour une sonde CMUT la plus efficace était d'optimiser la fréquence de résonance du premier mode de rayonnement pour qu'elle coïncide avec la fréquence de travail désirée. La seconde étude était focalisée sur la couche de passivation, couche de protection pour les éléments CMUTs traditionnellement conçue en polymère silicone, et visait à implémenter son impact dans les outils de modélisation avec un nouveau modèle de couplage CMUT / matériau viscoélastique. Une fonction de Green en trois dimensions a été utilisée en définissant des équivalences entre propriétés élastiques et viscoélastiques et validée théoriquement avec des problèmes de Lamb 2D et 3D complémentaires. Une confrontation avec des résultats expérimentaux a été engagée en créant une série d'huiles avec des viscosités variables et en excitant des colonnes CMUTs découplées électriquement pour viser un mode de rayonnement plus sensible aux propriétés de cisaillement du milieu. L'influence de la viscosité a été identifiée à travers la variation de la fréquence centrale et du facteur de qualité sur l'impédance électrique mesurée et simulée, posant la base d'une étude de viabilité de la technologie CMUT pour un capteur sensible viscoélastique. La considération de la couche de passivation a permis de retrouver un comportement équivalent à la réalité mais nécessite une base de données complète sur les propriétés viscoélastiques des matériaux dans le domaine ultrasonore pour être présente dans les étapes de conception d'un transducteur CMUT
Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers (CMUT) have been studied by several international laboratories since the 1990s. Presenting itself as an alternative to traditional piezoelectric transducers, this MEMS (MicroElectroMechanical Systems) inspired technology has now reached the maturity needed for commercialization. In its historic application, medical imaging, many industrial actors propose CMUT probes, such as Hotachi, Kolo Medicals or Butterfly Network to name a few. However, research on these devices continues through studies on design, modeling, manufacturing or for new applications. Through the collaborative project TUMAHI (Highly Integrated Multi-Application capacitive Ultrasonic Transducers) between the GREMAN laboratory and VERMON S.A, two areas of optimization were carried out. The first objective was to create and experimentally validate a CMUT element design strategy to optimize electroacoustic response over bandwidth or sensitivity. The main constraint was to define degrees of freedom and fixed parameters to manufacture CMUTs for various applications and working frequency on a single wafer. Through a 10 MHz centered device for medical imaging, we have varied the size of membranes to have a Broadband and Sensitive configuration. A pressure measurement campaign was carried out with complete and ready-to-use probes to validate the established design criteria. However, the in-depth analysis emphasized that the design approach for the most effective CMUT probe was to optimize the resonance frequency of the first radiation mode to coincide with the desired working frequency. The second study focused on the passivation layer, a protective layer for CMUT elements traditionally designed in silicone polymer, and aimed to implement its impact in modeling tools with a new CMUT / viscoelastic material coupling model. A three-dimensional Green function was used by defining equivalences between elastic and viscoelastic properties and theoretically validated with complementary 2D and 3D Lamb problems. A confrontation with experimental results was initiated by creating a series of oils with variable viscosities and by exciting electrically decoupled CMUT columns to target a more sensitive radiation mode to the shear properties of the medium. The influence of viscosity was identified through the variation of the central frequency and quality factor on the measured and simulated electrical impedance, providing the basis for a viability study of CMUT technology for a viscoelastic sensitive sensor. The consideration of the passivation layer has enabled the retrieval of equivalent behavior to reality but requires a complete database on the viscoelastic properties of materials in the ultrasonic domain to be present in the design steps of a CMUT transducer