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Laboratory based structural testing encompasses many experimental techniques. This thesis will focus on systems where actuators and controllers are used to perform experiments on a range of test specimens. Accurate control of these experiments is extremely important. The control problem is often further complicated by specimen degradation during testing. Adaptive controllers which can take account of specimen failure are therefore desirable. However conventional adaptive controllers are limited by their performance and particularly robustness under such challenging operating conditions. A robust adaptive controller presents significant advantages over both fixed gain or conventional adaptive controllers. A conventional model reference adaptive controller was modified through the use of localized eigenvalue analysis to form novel robust adaptive controller. This algorithm, the ρϕ modified MRAC algorithm, has several advantages over conventional model reference adaptive controllers. It is extremely robust in the presence of noise, non-linearities and other destabilizing influences. The nature of the reformulation of the algorithm allows the user to tailor the performance of the algorithm in the frequency domain. And, as a result, known disturbances can be excluded. The ρϕ modified algorithm was applied to three structural testing applications, each of which presented different control challenges. The ρϕ modified algorithm showed significantly improved performance over previous control approaches on all of these experiments. The synchronization subspace method, which is also developed in this thesis, was used to quantify this. To further demonstrate the performance of the algorithm it was used to control a real time dynamic substructuring experiment. Real time dynamic substructuring requires very accurate control as the stability margins are often exceptionally small. The pep modified algorithm was able to control a real time dynamic substructuring experiment even in the presence of considerable actuator noise. Overall this new algorithm gives significantly improved performance for structural testing applications. It could also potentially be applied to other applications where robust adaptive control would be desirable.

The Equivalence Principle is accepted as one of the most fundamental principles in modern Physics. However, theories towards the unification of the four forces typically predict violations of this principle. Testing it at a high sensitivity is expected to make a breakthrough in the current understanding of Physics. A space-based project, STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle), aims at testing the principle to the level of 10\(^{−18}\). This corresponds to an improvement of the current limits, established by ground-based experiments, by approximately five orders of magnitudes. To achieve the sensitivity, imperfections in STEP test masses, such as density inhomogeneity and thermal distortion, could be a problem. This thesis presents preliminary work on the verification of STEP test masses. We have measured density inhomogeneities in materials intended to be used as STEP test masses (beryllium and niobium). In addition, we have developed a device to measure differential thermal expansion of samples that cannot be machined, by using a capacitive sensing method. It is shown that the device has a precision of approximately 0.3 % in the differential thermal expansion of beryllium. This device could in principle be applied for the measurements of the real STEP test masses in the final shape. Our analysis based on the results of our measurements and literature survey shows that it is feasible to obtain materials that satisfy STEP requirements.

La tomographie optique diffuse et de fluorescence résolue en temps (TR-TODF) est une méthode qui permet de fournir une information sur les propriétés optiques de diffusion et d’absorption des tissus biologiques. Ce manuscrit de thèse fait l’état de l’art de la méthode et propose des pistes pour reconstruire des images multidimensionnelles 2D/3D des cartes optiques du milieu. L’objectif ultime du projet présenté dans ce document est de concevoir un appareil de mesure (tomographe), éventuellement portatif, pour détecter la présence de tumeurs. Le défi est de pouvoir obtenir des images avec une ré- solution suffisante pour être utilisée en milieu hospitalier à des fins de diagnostic préclinique. Hors le caractère naturellement mal posé du problème inverse rend la tâche complexe. La première partie du document est consacrée à la modélisation du problème physique. En particulier nous nous intéressons à l’approximation de diffusion de l’équation du transfert radiatif dans un milieu quelconque. Dans une deuxième partie, nous traitons le problème du point de vue mathématiques en considérant le problème direct de diffusion couplé avec de la fluorescence pour deux type de mesures: en mode contact et non-contact. Puis nous nous intéressons au problème inverse comme un problème de minimisation d’une fonctionnelle que nous traitons par une méthode de l’adjoint. Enfin et pour finir, la troisième partie du document détaille les différents aspects numérique pour parvenir à un code de reconstruction efficace à l’aide de techniques issues du calcul haute performance. / The Time-Resolved Diffuse Optical Tomography and Fluorescence (TR-DOTF) is a method to obtain optical properties information on diffusion and asbsorption of biological tissues. This Phd manuscript details this method state of the art and highlight the different possible path to reconstruct multidimensionnal 2D/3D images for the optical maps of the turbid medium. The project ultimate goal is to build a measurement instrument (tomograph), eventually portative, in order to detect tumours presence. The challenge is to obtain images with sufficient resolution to be used in medical environment for preclinical diagnosis. However the inverse problem ill-posedness makes the situation more difficult. The first part of this document is devoted to the problem modelization. In particular, we are interested to the diffusion approximation for the radiative transfer equation in a turbid medium. In a second part, we treat this problem from a mathematical point of view considering the diffusion problem coupled with fluorescence for two measurement types: contact and non-contact. Then we focus on the inverse prob- lem as a minimization problem for cost objective function solved by an adjoint method. Last, but not least, the third part of this document details the different numerical aspects involved to achieve an efficient reconstruction code using advanced technics from the high performance computing world.

L’incinération des ordures ménagères entraîne la formation de dioxines. Ces composés sont reconnus comme toxiques voire cancérigènes. La connaissance des quantités émises en temps réel est donc nécessaire.Ces travaux de thèses s’inscrivent dans une étude globale d’un dispositif permettant l’analyse en ligne des dioxines grâce à un système pré-concentrateur utilisant l’adsorption sélective de congénères toxiques sur des zéolithes, supportant la thermo-désorption, et un analyseur en masse.Dans un premier temps, les enjeux sont exposés. Puis une étude des écoulements dans les milieux poreux a pour but de déterminer quelle est la meilleure mise en forme des zéolithes pour favoriser l’adsorption en phase gazeuse dynamique. Ensuite, la mise en place et la caractérisation d’un système de génération de dioxines en phase gazeuse sont détaillées. Cette source est ajustable en concentration et en débit, permettant des études d’adsorption en laboratoire.Les premiers essais d’adsorption en phase gazeuse montrent, en accord avec les prédictions de la première étude, l’importance d’un adsorbant régulier de faible granulométrie. L’analyse par thermodésorption des dioxines piégées sur des grains de FAU [NaX] est réalisée en quelques heures.La facilité d’utilisation de zéolithes dans un système de prélèvement comme adsorbants et leur analyse par les méthodes de la norme EN 1948 a été prouvée lors de deux campagnes sur une unité d’incinération d’ordures ménagères.Ces travaux ont montré que l’analyse quotidienne en ligne des dioxines est d’actualité et pertinente. / The waste incineration leads to the formation of dioxins. These compounds are known to be toxic, even carcinogenic. Therefore, the emitted amounts have to be monitored.This work is part of a comprehensive study of a device for the online analysis of dioxins by means of a pre-concentrator using selective adsorption of toxic congener upon zeolites, allowing thermal desorption and a mass spectrometer.At first, the stakes are exposed. Then a study of flow in porous media aims to determine the best shape of zeolites to promote dynamic gas-phase adsorption. Then the establishment and characterization of a system for gas phase dioxins generation are detailed. This source is adjustable both in concentration and flow, allowing laboratory adsorption studies.The first gas phase adsorption tests show, in agreement with the predictions of the first study, the importance of a regular-shaped adsorbent with small particle sizes. The analysis by thermal desorption of dioxins trapped on grains FAU [NaX] is carried out in a few hours.The ease of use of zeolites in sampling train as adsorbent and their analysis according to EN 1948 standards has been proved during two campaigns at a waste incinerator facility.

Dans cette thèse, nous avons mis en oeuvre un système de mesure de distance absolue (Absolute Distance Measurement, ADM) de haute précision utilisant l'interférométrie à balayage de fréquence (Frequency Sweeping Interferometry, FSI). La technique FSI exige que la plage de réglage de fréquence du laser balayé soit mesurée avec une précision élevée, ce qui est difficile en raison de l'absence d'un moyen simple de mesurer la haute fréquence d'un laser en temps réel. Dans cette thèse, un peigne de fréquence a été utilisé comme règle de fréquence lumière pour mesurer la plage de réglage de la fréquence du laser à balayage. Un peigne de fréquence formé par un laser femtoseconde est constitué de millions de lignes de peigne régulièrement espacées, ce qui permet de le considérer comme une règle de fréquence de la lumière. La calibration de fréquence a été réalisée en filtrant le signal hétérodyne entre le laser à balayage et les lignes de peigne en utilisant un filtre passe-bande étroit. Cette approche nous permet de détecter le signal d'étalonnage lorsque la fréquence du laser à balayage est proche d'une ligne en peigne. Etant donné que l’intervalle de fréquence entre les lignes de peigne peut être mesuré avec précision ou activement verrouillé en phase par rapport à un oscillateur radiofréquence (RF) stable, la plage d ’ accord du laser à balayage peut être mesurée avec une grande précision. En particulier, chacun des deux pics d’étalonnage peut être utilisé dans le calcul de la distance, ce que nous appelons des «sous-mesures» en un seul balayage. Combinée au grand nombre de lignes de peigne, la moyenne des sous-mesures améliore considérablement la précision des mesures sans balayage multiple. Dans la thèse, la condition de détection et les caractéristiques du signal hétérodyne entre le laser à balayage et la ligne de peigne sont présentées. Une conception de filtre pour filtrer le signal hétérodyne est réalisée. Un travail de modélisation concernant l'effet du bruit de phase des lasers sur la distorsion d'enveloppe du pic d'étalonnage a été présenté. Des travaux expérimentaux basés sur les concepts de mesure ont été réalisés. Il montre que l'utilisation du schéma de mesure proposé peut considérablement améliorer la précision de la mesure de distance. Dans l’une des mesures, une précision de 30 nm pour une distance d’environ 0,8 m, correspondant à une incertitude relative de 37 ppm (part-perbillion) a été obtenue. Le résultat a été obtenu sur la base d'une méthode de traitement du signal de comptage de franges. La grande précision a été obtenue grâce au grand nombre de sous-mesures et à la stabilité des lignes de peigne régulièrement espacées. Nous avons constaté que la mesure de vibration de la cible peut également être effectuée en prenant avantage des lignes de peigne denses. Une sensibilité élevée, limitée à 1,7 nm efficace en bruit, de la mesure des vibrations a été atteinte. Ce résultat nous permet de surveiller la vibration de la cible, ce qui est un problème important de la technique FSI. / In this thesis, we implemented a high-precision absolute distance measurement (ADM) system using frequency sweeping interferometry (FSI). The FSI technique requires the frequency tuning range of the swept laser to be measured with high accuracy and precision, which is challenging due to the lack of an easy way to measure the high frequency of a laser in real time. In this thesis, a frequency comb has been used as the light frequency ruler for measuring the frequency tuning range of the sweeping laser. A frequency comb formed by a femtosecond laser consists millions of evenly spaced comb lines so that can be regarded as a light frequency ruler. The frequency calibration was realized by filtering the heterodyne signal between the sweeping laser and the comb lines using a narrow bandpass filter. This approach allows us to detect the calibration signal when the frequency of the sweeping laser is in the vicinity of a comb line. As the frequency interval between the comb lines space can be precisely measured or actively phase-locked against a stable radio-frequency (RF) oscillator, the tuning range of the sweeping laser could be measured with high accuracy. Especially, each two calibration peaks can be used in the calculation of distance, which we call sub-measurements in a single sweeping. Combined with the large number of the comb lines, averaging of the sub-measurements improves greatly the measurement precision without multiple sweeping. In the thesis, the condition of detecting and the characteristics of the heterodyne signal between the sweeping laser and the comb line are presented. A filter design for filtering the heterodyne signal is performed. A modeling work concerning the effect of the phase noise of lasers on the envelope distortion of the calibration peak has been presented. Experimental works based on the measurement concepts have been carried out. It shows that using the proposed measurement scheme can greatly improve the distance measurement precision. In one of the measurements, a precision of 30 nm for a distance around 0.8 m, corresponding to 37 ppb (part-per-billion) relative uncertainty has been achieved. The result was obtained based on a fringe counting signal processing method. The high precision was obtained thanks to the large number of sub-measurements and the stability of the evenly spaced comb lines. We have found that vibration measurement of the target can be also performed taking the advantage of the dense comb lines. A high sensitivity, limited by 1.7 nm noise RMS, of vibration measurement has been achieved. This result allows us to monitor the vibration of the target, which is an important issue of FSI technique.

Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur la construction d'une nouvelle expérience d'atomes froids de strontium 84, depuis ses balbutiements jusqu'à l'obtention des pièges magnéto-optiques sur la raie large à 461 nm, puis sur la raie étroite à 689 nm.Les études menées avec cette expérience porteront sur la dynamique de relaxation de gaz quantiques placés initialement en situation hors-équilibre. Pour réaliser de telles expériences, un microscope à atomes sera mis en place prochainement et permettra de mesurer des fonctions de corrélations spatiales à partir de la répartition des atomes dans le piège optique bidimensionnel. C'est pourquoi, en parallèle du montage, des travaux ont été réalisés pour mettre au point un algorithme de reconstruction, indispensable au traitement des futures images obtenues par ce microscope. Ce manuscrit de thèse a pour objectif de détailler et justifier aussi précisément que possible les choix expérimentaux qui ont été effectués et de présenter le stade actuel d'avancement de l'algorithme de reconstruction d'images. Il reste encore quelques étapes de construction avant que le dispositif expérimental soit achevé: ajouter une chambre dans laquelle les mesures auront lieu, mettre en place le système d'imagerie et monter le système optique qui permettra de transporter les atomes entre les chambres à vide, les confiner dans un plan, d'effectuer la transition vers un condensat de Bose-Einstein et enfin les soumettre à un réseau optique bidimensionnel. / This manuscript presents the first steps of a new ultracold atoms experiment using strontium 84. The aim of this experiment is to study the relaxation dynamics of quantum gases initially prepared in an out-of-equilibrium state. This experiment will include a quantum gas microscope, allowing us to measure spatial correlation functions in two-dimensionnal systems. The current state of the construction allows us to generate both magneto-optical trap of strontium: along its wide transition at 461 nm and its narrow transition at 689 nm. Concurrently with the experimental setup, we carried out works on a reconstruction algorithm required for the future data processing of the microscope images. This manuscript details experimental aspects, justifying their choices, and presents the current state of work on the reconstruction algorithm. There are still steps to complete the experimental setup: add a chamber where we will make the measurements to the vaccuum system, set up the quantum gaz microscope and all the required optics to transport the atomic clouds between two vaccuum chambers, to reach Bose-Einstein condensation and to confine the atoms in two-dimensionnal optical traps.