Diffusion weighted imaging (DWI) is a branch within the field of magnetic resonance imaging (MRI) that relies on the diffusion of water molecules for its contrast. Its clinical applications include the early diagnosis of ischemic stroke and mapping of the nerve tracts of the brain. The recent development of filter exchange imaging (FEXI) and the introduction of the apparent exchange rate (AXR) present a new DWI based technique that uses the exchange of water between compartments as contrast. FEXI could offer new clinical possibilities in diagnosis, differentiation and treatment follow-up of conditions involving edema or altered membrane permeability, such as tumors, cerebral edema, multiple sclerosis and stroke. Necessary steps in determining the potential of AXR as a new biomarker include running comparative studies between controls and different patient groups, looking for conditions showing large AXR-changes. However, before designing such studies, the experimental protocol of FEXI should be optimized to minimize the experimental variance. Such optimization would improve the data quality, shorten the scan time and keep the required study group sizes smaller.  Here, optimization was done using an active imaging approach and the Cramer-Rao lower bound (CRLB) of Fisher information theory. Three optimal protocols were obtained, each specialized at different tissue types, and the CRLB method was verified by bootstrapping. A test-retest study of 18 volunteers was conducted in order to investigate the reproducibility of the AXR as measured by one of the protocols, adapted for the scanner. Group sizes required were calculated based on both CRLB and the variability of the test-retest data, as well as choices in data analysis such as region of interest (ROI) size. The result of this study is new protocols offering a reduction in coefficient of variation (CV) of around 30%, as compared to previously presented protocols. Calculations of group sizes required showed that they can be used to decide whether any patient group, in a given brain region, has large alterations of AXR using as few as four individuals per group, on average, while still keeping the scan time below 15 minutes. The test-retest study showed a larger than expected variability however, and uncovered artifact like changes in AXR between measurements. Reproducibility of AXR values ranged from modest to acceptable, depending on the brain region. Group size estimations based on the collected data showed that it is still possible to detect AXR difference larger than 50% in most brain regions using fewer than ten individuals. Limitations of this study include an imprecise knowledge of model priors and a possibly suboptimal modeling of the bias caused by weak signals. Future studies on FEXI methodology could improve the method further by addressing these matters and possibly also the unknown source of variability. For minimal variability, comparative studies of AXR in patient groups could use a protocol among those presented here, while choosing large ROI sizes and calculating the AXR based on averaged signals.

Nous avons développé et construit un imageur polarimétrique actif avec une illumination laser à la longueurd'onde 1:55 um. Il peut générer et analyser tous les états de polarisation de la sphère de Poincaré. Il permetde réaliser une optimisation polarimétrique du contraste en analysant la scène à l'aide d'un algorithme desegmentation ultra rapide basé sur des contours actifs. Cet imageur nous permet de comparer plusieursmodalités d'imagerie possédant des nombres de degrés de liberté polarimétrique différents. Nous effectuons ladétection d'objets manufacturés dans différents environnements avec l'imagerie polarimétrique active pourillustrer les capacités de ces modalités. Nous démontrons l'effcacité de l'imagerie polarimétrique active pourdes applications de décamouffage et de détection d'objets dangereux, et mettons en évidence lescaractéristiques qu'un imageur polarimétrique doit posséder pour ce type d'applications. Nous montrons quedans la majorité des scénarios étudiés, les matrices de Mueller sont presque diagonales, et que desperformances de détection satisfaisante peuvent être atteintes avec des imageurs polarimétriques plus simplesqui ont un nombre de degrés de liberté réduit. De plus, la normalisation de l'intensité des images est unecondition nécessaire pour mieux révéler le contraste polarimétrique. / We designed and built an active polarimetric imager with laser illumination at 1:55 um wavelength. It cangenerate and analyze any polarization state on the Poincaré sphere. It let us the possibility to perform apolarimetric contrast optimization by analyzing the scene with an ultrafast active-contour-based segmentationalgorithm. This imagins systeme allow to compare several imaging modes having different numbers ofpolarimetric degrees of freedom. We address the detection of manufactured objects in different types ofenvironments with active polarimetric imaging to illustrate the capabilities of the techniques. We demonstratethe effciency of active polarimetric imaging for decamouffage and hazardous object detection, and underlinethe characteristics that a polarimetric imager aimed at this type of application should possess. We show thatin most encountered scenarios the Mueller matrices are nearly diagonal, and suffcient detection performancecan be obtained with simple polarimetric imaging systems having reduced degrees of freedom. Moreover,intensity normalization of images is of paramount importance to better reveal polarimetric contrast.

Une nouvelle architecture d’Imagerie Flash Laser, appelée imagerie flash laser mosaïque (IFLM) consistant àvisualiser une scène par acquisition rapide de petites zones ou imagettes a été développée à l’ONERA. Par rapport àl’imagerie Flash laser traditionnelle qui acquiert en une seule fois toute la scène, cette technique permet d’augmenterle niveau de l’éclairement sur chaque imagette mais nécessite de couvrir l’ensemble de la scène d’étude avec unehaute cadence d’échantillonnage spatiale. Cette thèse a pour but d’évaluer les performances de ce nouveau conceptpuis de les comparer à l’imagerie flash laser classique. Dans une première étape, un simulateur complet d’IFLM (Modèle de formation d’image incluant les algorithmes de reconstruction de la scène) a été développé afin de synthétiser tous les phénomènes intervenant dans la formation des images acquises par la caméra puis de réaliser les traitements de restauration nécessaires afin de s’affranchir des artefacts introduits par cette technique. La simulation des images en entrée instrument prend en compte la formedu faisceau de la source, le type de balayage, le canal de propagation (transmission atmosphérique et turbulence) etenfin des bruits instrumentaux. Afin de reconstituer une image complète de la scène à partir des imagettes, trois méthodesde restauration ont été comparées montrant l’apport de notre méthode d’optimisation avec contrainte RL1L2.Dans une seconde étape, ce simulateur bout-en-bout a été utilisé afin de sélectionner le balayage optimal dufaisceau laser pour obtenir la meilleure qualité d’image. Nous avons montré qu’un balayage en quinconce était préférableà un balayage en ligne. Dans une troisième étape, les performances en termes de rapport signal-à-bruit et de contraste ont été évaluées et comparées à des images acquises par imagerie flash laser classique. Les résultats obtenus sur des images synthétiquesont montré que les performances entre ces deux techniques étaient comparables. Enfin, une analyse est menée sur l’étude des performances d’un tel système en tenant compte des technologies disponibles. Compte tenu des caractéristiques actuelles des sources laser et détecteurs, l’imagerie flash laser mosaïque montre son intérêt lorsqu’il faut couvrir un large champ de la scène présentant de faibles évolutions temporelles. / Flash active imaging can be used for surveillance or target identification at long range and Iow visibility conditions. Its principle is based on the illumination of a scene With a pulsed laser which is then backscattered to the sensor. The signal to noise ratio and contrast of the object over the background are increased in comparison With passive imaging. Even though, range and field of view (FOV) are limited for a given laser power. The new active imaging system presented here aims at vercoming this limitation. It acquires the entire scene With a high-speed scanning laser illumination focused on a limited region, whereas at each scan the full frame active image is acquired. The whole image is then reconstructed by mosaicking Il these successive images. A evaluation of the performance of this system is conducted by using a direct physical model of his so-called « mosaic active imaging ». This End to End model, realistic in terms of turbulence effects (scintillation, beam andering.. gives us a sequence of images a synthetic scenes. After describing this model, the reconstruction method will be described. It is based on a total-variation minimization scheme. Finally, the performances of this new concept are ompared to those of a conventional flash active camera by using usual metrics (Johnston's criteria, SNR, ...). For va rious mean laser powers, we quantify the gains expected in terms of range and field of view of this new concept.

L’imagerie thermique est largement utilisée dans le domaine militaire pour ses capacités de vision diurne etnocturne et sa longue portée d’observation. Cette technologie est basée sur la détection passive dans l’infrarouge.En conditions météorologiques dégradées ou quand la cible est partiellement dissimulée par du feuillage ou desfilets de camouflages militaires, elle devrait être à court terme de plus en plus complémentée par un systèmed’imagerie active. Cette technologie est essentielle pour l’imagerie à longue portée. La technique d’imagerie diteflash 2D est basée sur une source laser impulsionnel qui illumine la scène et sur une caméra rapide synchroniséequi constitue le système d’imagerie. Ces deux technologies sont bien éprouvées en présence de conditionsmétéorologiques claires. Les modèles TRM4 (imagerie thermique) et PERFIMA (imagerie active) sont capablesde prédire correctement les performances de tels systèmes par beau temps. En revanche, en conditions dégradéestelle que la pluie, le brouillard ou la neige, ces modèles deviennent non pertinents. Cette étude introduit denouveaux modèles pour compléter les codes TRM4 et PERFIMA, et les rendre aptes à prévoir les performancesdans ces conditions dégradées. Nous analysons ici plus particulièrement le temps de pluie pour l’imagerie activeet l’imagerie thermique. Dans un premier temps, nous répertorions l’impact possible de la pluie sur des paramètresphysiques connus (extinction, transmission, résolution spatiale, luminance de trajet, turbulence). Nous étudionsensuite les phénomènes physiques et les lois régissant les caractéristiques de la pluie. Nous avons développé desmodèles physiques permettant de calculer l’impact de la pluie sur le système global d’imagerie. Enfin, nous avonssimplifié et allégé ces modèles pour obtenir des modèles faciles à utiliser et à interfacer avec les codes TRM4 etPERFIMA qui sont couramment utilisés pour des applications industrielles. Ces modèles de prédiction del’imagerie active et de l’imagerie thermique ont été confrontés à la réalité (expérience avec l’imageur MILPATpar exemple) pour être validé sur des données réelles, comme la portée des systèmes. / Thermal imaging cameras are widely used in military contexts for their day and night vision capabilities andtheir observation range; there are based on passive infrared sensors (e.g. MWIR or LWIR range). Under badweather conditions or when the target is partially hidden (e.g. foliage, military camouflage) they will be more andmore complemented by active imaging systems, a key technology to perform target identification at long ranges.The 2D flash imaging technique is based on a high powered pulsed laser source that illuminates the entire sceneand a fast gated camera as the imaging system. Both technologies are well experienced under clear meteorologicalconditions; current models such as TRM4 (themal imaging) and PERFIMA (active imaging) codes are able topredict accurately the systems performances. However, under bad weather conditions such as rain, haze or snow,these models are not relevant. This study introduces new models to complete TRM4 and PERFIMA codesperformances predictions under bad weather conditions for both active and infrared imaging systems. We pointout rain effects on controlled physical parameters (extinction, transmission, spatial resolution, thermalbackground, turbulence). Then we develop physical models to describe their intrinsic characteristics and theirimpact on the imaging system performances. Finally, we approximate these models to have a “first order” modeleasy to deploy into TRM4 and PERFIMA already use for industrial applications. This theoretical work is validatedon real active and infrared data, as systems range.

Les applications de détection infrarouge active sont nombreuses dans le domaine de la défense et la sécurité. Cependant ces systèmes sont actuellement peu utilisés en pratique à cause de leur portée limitée. Un moyen d’augmenter cette portée est d’améliorer la sensibilité des détecteurs infrarouges qui possèdent des bruits bien plus élevés que leurs équivalents dans le visible. L’idée principale de cette thèse est d’utiliser l’optique non linéaire pour effectuer une conversion de fréquence du signal infrarouge à détecter vers de plus basses longueurs d’ondes et ainsi bénéficier des performances des détecteurs fonctionnants à ces longueurs d’ondes. Les développements récents en cristaux donnent un intérêt nouveau à ces techniques pour certains cas applicatifs identifiés au cours de cette thèse. L’étude détaillée de la conversion multimode à la fois temporelle et spatiale, a permis de proposer une méthode simple et originale pour dépasser l’état de l’art en terme de nombre d’éléments résolus convertis. Pour quantifier précisément les avantages de ces conversions, une étude théorique et numérique de la conversion multimode a été menée et deux séries d’expériences ont été conduites. La première concerne la détection ponctuelle de signaux moyen-infrarouge pour des applications de spectroscopie par conversion dans un cristal d’OP-GaAs. La deuxième concerne la détection de cibles par imagerie active dans le proche infrarouge par conversion dans un cristal de PPLN vers une caméra CMOS. Les performances en sensibilité obtenues sont dans les deux expériences meilleures d’un ordre de grandeur que les détections directes avec les détecteurs habituellement utilisés. / There is a wide range of applications in active infrared detection technologies in defense and security. However, the limited range available by these systems limits their developments. Increasing sensors sensitivity is a key milestone to improve this range. Indeed, noise in infrared detectors is much higher than for visible detectors due to some physical and technological issues. The key idea of this manuscript is to use nonlinear optical technologies to convert the infrared signal to detect into the visible spectrum and use all the benefits of silicon based sensors. Recent advances in optical crystals and in pump laser regimes bring renewed interest to upconversion detection for some specific application cases identified in this thesis. A novel and easy method to improve the number of converted modes has been proposed after a careful study of multimode conversion both temporally and spatially. In order to give figures on detection improvement using upconversion, we conducted a theoretical and numerical study of the multimode conversion as well as two sets of experiments. The first one, using conversion in an OP-GaAs crystal and a monodetector addresses mid-infrared spectroscopy applications. The second one addresses active imaging applications for target recognition and identification in the near-infrared. By using a PPLN crystal, the near-infrared image is detected on a low noise CMOS camera. A key milestone of this work is the sensitivity improvement of such a detection. Sensitivities obtained in each experiment are one order of magnitude better than with direct detection using common infrared sensors.

Le but de ce travail est de quantifier le potentiel et les capacités de la technologie térahertz à contrôler des colis afin de détecter les menaces telles que les armes et les explosifs, sans avoir besoin d'ouvrir le colis.Dans cette étude, nous présentons la spectroscopie térahertz résolue en temps et l'imagerie multi-spectrale pour la détection des explosifs. Deux types d’explosifs, ainsi que leurs mélanges binaires sont analysés. En raison de la complexité de l'extraction des informations face à tels échantillons, trois outils de chimiométrie sont utilisés: l’analyse en composantes principales (ACP), l'analyse des moindres carrés partiels (PLS) et l'analyse des moindres carrés partiels discriminante (PLS-DA). Les méthodes sont appliquées sur des données spectrales térahertz et sur des images spectrales pour : (i) décrire un ensemble de données inconnues et identifier des similitudes entre les échantillons par l'ACP ; (ii) créer des classes, ensuite classer les échantillons inconnus par PLS-DA ; (iii) créer un modèle capable de prédire les concentrations d’un explosif, à l'état pur ou dans des mélanges, par PLS.Dans la deuxième partie de ce travail, nous présentons l'imagerie par les ondes millimétriques pour la détection d'armes dans les colis. Trois techniques d'imagerie différentes sont étudiées : l'imagerie passive, l’imagerie active par des ondes continues (CW) et l’imagerie active par modulation de fréquence (FMCW). Les performances, les avantages et les limitations de chacune de ces techniques, pour l’inspection de colis, sont présentés. En outre, la technique de reconstruction tomographique est appliquée à chacune de ces trois techniques, pour visualiser en 3D et inspecter les colis en volume. Dans cet ordre, un algorithme de tomographie spécial est développé en prenant en considération la propagation gaussienne de l'onde. / The aim of this work is to demonstrate the potential and capabilities of terahertz technology for parcels screening and inspection to detect threats such as weapons and explosives, without the need to open the parcel.In this study, we first present terahertz time-domain spectroscopy and spectral imaging for explosives detection. Two types of explosives as well as their binary mixture is analyzed. Due to the complexity of extracting information when facing such mixtures of samples, three chemometric tools are used: principal component analysis (PCA), partial least square analysis (PLS) and partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA). The analyses are applied to terahertz spectral data and to spectral-images in order to: (i) describe a set of unknown data and identify similarities between samples by PCA; (ii) create a classification model and predict the belonging of unknown samples to each of the classes, by PLS-DA; (iii) create a model able to quantify and predict the explosive concentrations in a pure state or in mixtures, by PLS.The second part of this work focuses on millimeter wave imaging for weapon detection in parcels. Three different imaging techniques are studied: passive imaging, continuous wave (CW) active imaging and frequency modulated continuous wave (FMCW) active imaging. The performances, the advantages and the limitations of each of the three techniques, for parcel inspection, are exhibited. Moreover, computed tomography is applied to each of the three techniques to visualize data in 3D and inspect parcels in volume. Thus, a special tomography algorithm is developed by taking in consideration the Gaussian propagation of the wave.

Ces travaux de recherche portent sur le développement d'un système original de fusion de données de diffusion électromagnétique et optique par des milieux denses et complexes. La méthode, à la fois théorique, numérique et expérimentale, permet la fusion des signatures de diffusion hyperspectrales, polarimétriques et angulaires d'un milieu d'étude. Un système expérimental multi-capteurs comprenant une source laser supercontinuum est présenté pour mesurer les signatures de diffusion de différentes cibles. Des modèles directs de simulation physique ont aussi été développés via : (i) une approche dite « top-down » qui modélise les signatures à partir de paramètres macroscopiques (ex. rugosité, indices optiques effectifs) ou (ii) une approche dite « bottom-up » qui modélise les signatures à partir de paramètres microscopiques (ex. distribution en taille, géométrie, concentration, indices optiques et structuration des diffuseurs) en résolvant soit l'équation de transfert radiatif ou directement les équations de Maxwell. Des méthodes inverses appliquées sur les signatures mesurées sont développées pour retrouver simultanément les paramètres d’intérêt du milieu analysé. Les avancées de ces travaux permettent une amélioration de la compréhension des phénomènes de diffusion électromagnétiques et optiques par des milieux denses et complexes tels que les surfaces rugueuses, les revêtements, les nanomatériaux, les suspensions colloïdales ou les agrégats fractals d'aérosols ultrafins. Les domaines d'applications de ces travaux sont l'aéronautique (ex. peintures d'aéronefs), l'imagerie aéroportée ou satellite (ex. imagerie active hyperspectrale ou polarimétrique), la sécurité et la défense (ex. matériaux pour la furtivité) ou bien les sciences de l'atmosphère (ex. systèmes LiDAR, suivi de pollution, suies), l'industrie chimique (ex. suspensions colloïdales) ou le biomédical (ex. diagnostic de tumeurs et mélanomes). / This work reports the development of an original data fusion system dedicated to electromagnetic and light scattering by dense and complex media. The dissertation encompasses the theoretical, numerical and experimental studies. The output of the data fusion system is a fused hyperspectral, polarimetric and angular scattering signature. An experimental multi-sensor and supercontinuum laser-based system is presented to measure the scattering signatures for various targets. Direct physical simulation models were developed using a two-level modelling scheme: (i) a top-down approach is used to model signatures from macro-physical parameters, e.g. the surface roughness or the effective refractive index and, (ii) a bottom-up approach is used to model signatures from microphysical parameters, e.g. the size distribution, the geometry, the concentration, the refractive index and the structuration of the scatterers, by solving the radiative transfer equation or directly the Maxwell's equations. Inversion schemes are deployed to retrieve these parameters by inverting the experimental signatures. The advancements described throughout this dissertation will serve to improve understanding of electromagnetic and light scattering by dense and complex media such as rough surfaces, coatings, nanomaterials, colloidal suspension and fractal aggregates of ultrafine aerosols. This study has relevant applications in fields as diverse as aeronautics (e.g. aircraft paint coatings), remote-sensing (e.g. hyperspectral, polarimetric, active or passive imaging), security and defense (e.g. furtive materials), atmospheric science (e.g. black carbon or soot characterization, LiDAR systems), chemical engineering (e.g. colloidal suspensions), or biomedical (e.g. tumor and melanoma diagnostic).