Seja $\\mathcal X=\\{\\mathcal X_t:\\, t\\geq0,\\, \\mathcal X_0=0\\}$ um passeio aleatório $\\beta$-estável em $\\mathbb Z$ com média zero e com taxas de saltos não-homogêneas $\\{\\tau_i^: i\\in\\mathbb Z\\}$, com $\\beta\\in(1,2]$ e $\\{\\tau_i: i\\in\\mathbb Z\\}$ sendo uma família de variáveis aleatórias independentes com distribuição marginal comum na bacia de atração de uma lei $\\alpha$-estável, com $\\alpha\\in(0,2]$. Nesta tese, obtemos resultados sobre o comportamento do processo $\\mathcal X_t$ para tempos longos, em particular, obtemos seu limite de escala. Quando $\\alpha\\in(0,1)$, o limite de escala é um processo $\\beta$-estável mudado de tempo pela inversa de um outro processo, o qual envolve o tempo local do processo $\\beta$-estável e um independente subordinador $\\alpha$-estável; chamamos o processo resultante de processo quase-estável. Para o caso $\\alpha\\in[1,2]$, o limite de escala é um ordinário processo $\\beta$-estável. Para $\\beta=2$ e $\\alpha\\in(0,1)$, o limite de escala é uma quase-difusão com medida de velocidade aleatória estudada por Fontes, Isopi e Newman (2002). Outros resultados sobre o comportamento de $\\mathcal X$ para tempos longos são envelhecimento e localização. Nós obtemos resultados de envelhecimento integrado e não-integrado para $\\mathcal X$ quando $\\alpha\\in(0,1)$. Relacionado à esses resultados, e possivelmente de interesse independente, consideramos o processo de armadilha definido por $\\{\\tau_{\\mathcal X_t}: t\\geq0\\}$, e obtemos seu limite de escala. Concluímos a tese com resultados sobre localização de $\\mathcal X$. Mostramos que ele pode ser localizado quando $\\alpha\\in(0,1)$, e que não pode ser localizado quando $\\alpha\\in(1,2]$, assim estendendo os resultados de Fontes, Isopi e Newman (1999) para o caso de passeios simples simétricos. / Let $\\mathcal X=\\{\\mathcal X_t:\\, t\\geq0,\\, \\mathcal X_0=0\\}$ be a mean zero $\\beta$-stable random walk on $\\mathbb Z$ with inhomogeneous jump rates $\\{\\tau_i^: i\\in\\mathbb Z\\}$, with $\\beta\\in(1,2]$ and $\\{\\tau_i: i\\in\\mathbb Z\\}$ is a family of independent random variables with common marginal distribution in the basin of attraction of an $\\alpha$-stable law with $\\alpha\\in(0,2]$. In this thesis we derive results about the long time behavior of this process, in particular its scaling limit. When $\\alpha\\in(0,1)$, the scaling limit is a $\\beta$-stable process time-changed by the inverse of another process, involving the local time of the $\\beta$-stable process and an independent $\\alpha$-stable subordinator; the resulting process may be called a quasistable process. For the case $\\alpha\\in[1,2]$, the scaling limit is an ordinary $\\beta$-stable process. For $\\beta=2$ and $\\alpha\\in(0,1)$, the scaling limit is a quasidiffusion with random speed measure studied by Fontes, Isopi and Newman (2002). Other results about the long time behavior of $\\mathcal X$ concern aging and localization. We obtain integrated and non integrated aging results for $\\mathcal X$ when $\\alpha\\in(0,1)$. Related to these results, and possibly of independent interest, we consider the trap process defined as $\\{\\tau_{\\mathcal X_t}: t\\geq0\\}$, and derive its scaling limit. We conclude the thesis with results about localization of $\\mathcal X$. We show that it localizes when $\\alpha\\in(0,1)$, and does not localize when $\\alpha\\in(1,2]$, extending results of Fontes, Isopi and Newman (1999) for the simple symmetric case.

Seja $\\mathcal X=\\{\\mathcal X_t:\\, t\\geq0,\\, \\mathcal X_0=0\\}$ um passeio aleatório $\\beta$-estável em $\\mathbb Z$ com média zero e com taxas de saltos não-homogêneas $\\{\\tau_i^: i\\in\\mathbb Z\\}$, com $\\beta\\in(1,2]$ e $\\{\\tau_i: i\\in\\mathbb Z\\}$ sendo uma família de variáveis aleatórias independentes com distribuição marginal comum na bacia de atração de uma lei $\\alpha$-estável, com $\\alpha\\in(0,2]$. Nesta tese, obtemos resultados sobre o comportamento do processo $\\mathcal X_t$ para tempos longos, em particular, obtemos seu limite de escala. Quando $\\alpha\\in(0,1)$, o limite de escala é um processo $\\beta$-estável mudado de tempo pela inversa de um outro processo, o qual envolve o tempo local do processo $\\beta$-estável e um independente subordinador $\\alpha$-estável; chamamos o processo resultante de processo quase-estável. Para o caso $\\alpha\\in[1,2]$, o limite de escala é um ordinário processo $\\beta$-estável. Para $\\beta=2$ e $\\alpha\\in(0,1)$, o limite de escala é uma quase-difusão com medida de velocidade aleatória estudada por Fontes, Isopi e Newman (2002). Outros resultados sobre o comportamento de $\\mathcal X$ para tempos longos são envelhecimento e localização. Nós obtemos resultados de envelhecimento integrado e não-integrado para $\\mathcal X$ quando $\\alpha\\in(0,1)$. Relacionado à esses resultados, e possivelmente de interesse independente, consideramos o processo de armadilha definido por $\\{\\tau_{\\mathcal X_t}: t\\geq0\\}$, e obtemos seu limite de escala. Concluímos a tese com resultados sobre localização de $\\mathcal X$. Mostramos que ele pode ser localizado quando $\\alpha\\in(0,1)$, e que não pode ser localizado quando $\\alpha\\in(1,2]$, assim estendendo os resultados de Fontes, Isopi e Newman (1999) para o caso de passeios simples simétricos. / Let $\\mathcal X=\\{\\mathcal X_t:\\, t\\geq0,\\, \\mathcal X_0=0\\}$ be a mean zero $\\beta$-stable random walk on $\\mathbb Z$ with inhomogeneous jump rates $\\{\\tau_i^: i\\in\\mathbb Z\\}$, with $\\beta\\in(1,2]$ and $\\{\\tau_i: i\\in\\mathbb Z\\}$ is a family of independent random variables with common marginal distribution in the basin of attraction of an $\\alpha$-stable law with $\\alpha\\in(0,2]$. In this thesis we derive results about the long time behavior of this process, in particular its scaling limit. When $\\alpha\\in(0,1)$, the scaling limit is a $\\beta$-stable process time-changed by the inverse of another process, involving the local time of the $\\beta$-stable process and an independent $\\alpha$-stable subordinator; the resulting process may be called a quasistable process. For the case $\\alpha\\in[1,2]$, the scaling limit is an ordinary $\\beta$-stable process. For $\\beta=2$ and $\\alpha\\in(0,1)$, the scaling limit is a quasidiffusion with random speed measure studied by Fontes, Isopi and Newman (2002). Other results about the long time behavior of $\\mathcal X$ concern aging and localization. We obtain integrated and non integrated aging results for $\\mathcal X$ when $\\alpha\\in(0,1)$. Related to these results, and possibly of independent interest, we consider the trap process defined as $\\{\\tau_{\\mathcal X_t}: t\\geq0\\}$, and derive its scaling limit. We conclude the thesis with results about localization of $\\mathcal X$. We show that it localizes when $\\alpha\\in(0,1)$, and does not localize when $\\alpha\\in(1,2]$, extending results of Fontes, Isopi and Newman (1999) for the simple symmetric case.

Before launching into ultrasound research, it is important to recall that the ultimate goal is to provide the clinician with the best possible information needed to make an accurate diagnosis. Ultrasound images are inherently affected by speckle noise, which is due to image formation under coherent waves. Thus, it appears to be sensible to reduce speckle artifacts before performing image analysis, provided that image texture that might distinguish one tissue from another is preserved. The main goal of this thesis was the development of novel speckle suppression methods from medical ultrasound images in the multiscale wavelet domain. We started by showing, through extensive modeling, that the subband decompositions of ultrasound images have significantly non-Gaussian statistics that are best described by families of heavy-tailed distributions such as the alpha-stable. Then, we developed Bayesian estimators that exploit these statistics. We used the alpha-stable model to design both the minimum absolute error (MAE) and the maximum a posteriori (MAP) estimators for alpha-stable signal mixed in Gaussian noise. The resulting noise-removal processors perform non-linear operations on the data and we relate this non-linearity to the degree of non-Gaussianity of the data. We compared our techniques to classical speckle filters and current state-of-the-art soft and hard thresholding methods applied on actual ultrasound medical images and we quantified the achieved performance improvement. Finally, we have shown that our proposed processors can find application in other areas of interest as well, and we have chosen as an illustrative example the case of synthetic aperture radar (SAR) images. / Ο απώτερος σκοπός της έρευνας που παρουσιάζεται σε αυτή τη διδακτορική διατριβή είναι η διάθεση στην κοινότητα των κλινικών επιστημόνων μεθόδων οι οποίες να παρέχουν την καλύτερη δυνατή πληροφορία για να γίνει μια σωστή ιατρική διάγνωση. Οι εικόνες υπερήχων προσβάλλονται ενδογενώς από θόρυβο, ο οποίος οφείλεται στην διαδικασία δημιουργίας των εικόνων μέσω ακτινοβολίας που χρησιμοποιεί σύμφωνες κυματομορφές. Είναι σημαντικό πριν τη διαδικασία ανάλυσης της εικόνας να γίνεται απάλειψη του θορύβου με κατάλληλο τρόπο ώστε να διατηρείται η υφή της εικόνας, η οποία βοηθά στην διάκριση ενός ιστού από έναν άλλο. Κύριος στόχος της διατριβής αυτής υπήρξε η ανάπτυξη νέων μεθόδων καταστολής του θορύβου σε ιατρικές εικόνες υπερήχων στο πεδίο του μετασχηματισμού κυματιδίων. Αρχικά αποδείξαμε μέσω εκτενών πειραμάτων μοντελοποίησης, ότι τα δεδομένα που προκύπτουν από τον διαχωρισμό των εικόνων υπερήχων σε υποπεριοχές συχνοτήτων περιγράφονται επακριβώς από μη-γκαουσιανές κατανομές βαρέων ουρών, όπως είναι οι άλφα-ευσταθείς κατανομές. Κατόπιν, αναπτύξαμε Μπεϋζιανούς εκτιμητές που αξιοποιούν αυτή τη στατιστική περιγραφή. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήσαμε το άλφα-ευσταθές μοντέλο για να σχεδιάσουμε εκτιμητές ελάχιστου απόλυτου λάθος και μέγιστης εκ των υστέρων πιθανότητας για άλφα-ευσταθή σήματα αναμεμειγμένα με μη-γκαουσιανό θόρυβο. Οι επεξεργαστές αφαίρεσης θορύβου που προέκυψαν επενεργούν κατά μη-γραμμικό τρόπο στα δεδομένα και συσχετίζουν με βέλτιστο τρόπο αυτή την μη-γραμμικότητα με τον βαθμό κατά τον οποίο τα δεδομένα είναι μη-γκαουσιανά. Συγκρίναμε τις τεχνικές μας με κλασσικά φίλτρα καθώς και σύγχρονες μεθόδους αυστηρού και μαλακού κατωφλίου εφαρμόζοντάς τες σε πραγματικές ιατρικές εικόνες υπερήχων και ποσοτικοποιήσαμε την απόδοση που επιτεύχθηκε. Τέλος, δείξαμε ότι οι προτεινόμενοι επεξεργαστές μπορούν να βρουν εφαρμογές και σε άλλες περιοχές ενδιαφέροντος και επιλέξαμε ως ενδεικτικό παράδειγμα την περίπτωση εικόνων ραντάρ συνθετικής διατομής.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse a pour but de caractériser des signaux aléatoires, rencontrés dans le domaine aérien et sous-marin, en s'appuyant sur une approche statistique. En traitement du signal, l'analyse statistique a longtemps été fondée sous l'hypothèse de Gaussianité des données. Cependant, ce modèle n'est plus valide dès lors que la densité de probabilité des données se caractérise par des phénomènes de queues lourdes et d'asymétrie. Une famille de lois est particulièrement adaptée pour représenter de tels phénomènes : les distributions α-stables. Dans un premier temps, les distributions α-stables ont été présentées et utilisées pour estimer des données synthétiques et réelles, issues d'un sondeur monofaisceau, dans une stratégie de classification de fonds marins. La classification est réalisée à partir de la théorie des fonctions de croyance, permettant ainsi de prendre en compte l'imprécision et l'incertitude liées aux données et à l'estimation de celles-ci. Les résultats obtenus ont été comparés à un classifieur Bayésien. Dans un second temps, dans le contexte de la surveillance maritime, une approche statistique à partir des distributions α-stables a été réalisée afin de caractériser les échos indésirables réfléchis par la surface maritime, appelés aussi fouillis de mer, où la surface est observée en configuration bistatique. La surface maritime a d'abord été générée à partir du spectre d'Elfouhaily puis la Surface Équivalente Radar (SER) de celle-ci a été déterminée à partir de l'Optique Physique (OP). Les distributions de Weibull et ont été utilisées et comparées au modèle α-stable. La validité de chaque modèle a été étudiée à partir d'un test de Kolmogorov-Smirnov.

L’objectif de cette thèse est d’analyser le comportement de la décomposition modale empirique (EMD) et sa version multivariée (MEMD) dans le cas de processus stochastiques : bruit Gaussien fractionnaire (fGn) et processus symétrique alpha stable (SαS). Le fGn est un bruit large bande généralisant le cas du bruit blanc Gaussien et qui trouve des applications dans de nombreux domaines tels que le trafic internet, l’économie ou le climat. Par ailleurs, la nature «impulsive» d’un certain nombre de signaux (craquement des glaces, bruit des crevettes claqueuses, potentiel de champ local en neurosciences,…) est indéniable et le modèle Gaussien ne convient pas pour leur modélisation. La distribution SαS est une solution pour modéliser cette classe de signaux non-Gaussiens. L’EMD est un outil bien adapté au traitement et à l’analyse de ces signaux réels qui sont, en général, de nature complexe (non stationnaire,non linéaire). En effet, cette technique, pilotée par les données, permet la décomposition d’un signal en une somme réduite de composantes oscillantes, extraites de manière itérative, appelées modes empiriques ou IMFs (Intrinsic Mode Functions). Ainsi, nous avons montré que le MEMD s’organise spontanément en une structure de banc de filtres presque dyadiques. L'auto-similarité en termes de représentation spectrale des modes a aussi été établie. En outre, un estimateur de l’exposant de Hurst, caractérisant le fGn, a été construit et ses performances ont été comparées, en particulier à celles de l’approche ondelettes. Cette propriété de banc de filtres du MEMD a été vérifiée sur des données d'hydrodynamique navale (écoulement turbulent) et leur auto-similarité a été mise en évidence. De plus, l’estimation du coefficient de Hurst a mis en avant l’aspect longue dépendance (corrélation positive) des données. Enfin, l’aspect banc de filtres de l’EMD a été exploité à des fins de filtrage dans le domaine temporel en utilisant une mesure de similarité entre les densités de probabilités des modes extraits et celle du signal d’entrée. Pour éviter le problème du mode mixing de l'EMD standard, une approche de débruitage dans le domaine fréquentiel par une reconstruction complète des IMFs préalablement seuillées a été menée. L’ensemble des résultats a été validé par des simulations intensives (Monte Carlo) et sur des signaux réels. / The main contribution of this thesis is aimed towards understanding the behaviour of the empirical modes decomposition (EMD) and its extended versions in stochastic situations.

Dans ce travail, nous étudions de manière approfondie les processus à mémoire longue saisonniers avec variance infinie des innovations. Dans le premier chapitre, nous rappelons les différentes propriétés des lois -stables univariées (stabilité, calcul des moments, simulation, : : :). Nous introduisons ensuite deux modèles à variance infinie largement utilisés dans la littérature statistique : les modèles ARMA -stables et les modèles ARFIMA -stables développés respectivement par Mikosch et al. [57] et Kokoszka et Taqqu [45]. Constatant les limites de ces modèles, nous construisons dans le second chapitre de nouveaux modèles appelés processus ARFISMA symétriques -stables. Ces modèles nous permettent de prendre en compte dans une modélisation la présence éventuelle des trois éléments caractéristiques suivants : mémoire longue, saisonnalité et variance infinie, que l'on rencontre souvent en finance, en télécommunication ou en hydrologie. Après avoir conclu le chapitre par l'étude du comportement asymptotique du modèle par des simulations, nous abordons dans le troisième chapitre, le problème d'estimation des paramètres d'un processus ARFISMA -stable. Nous présentons plusieurs méthodes d'estimation : une méthode semiparamétrique développée par Reisen et al.[67], une méthode de Whittle classique utilisée par Mikosch et al. [57] et par Kokoszka et Taqqu [45], et une autre approche de la méthode de Whittle basée sur l'évaluation de la vraisemblance de Whittle par une méthode de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC). De nombreuses simulations, effectuées avec le logiciel R [64], permettent de comparer ces méthodes d'estimation. Cependant, ces méthodes ne permettent pas d'estimer le paramètre d'innovation . Ainsi, nous introduisons, dans le quatrième chapitre deux méthodes d'estimation : la méthode de la fonction caractéristique empirique développée par Knight et Yu [43] et la méthode des moments généralisés basée sur des moments conditionnels continus, suggérée par Carrasco et Florens [16]. De plus, afin de comparer les propriétés asymptotiques des estimateurs, des simulations de Monte Carlo sont effectuées. Enfin, dans le cinquième chapitre, nous appliquons ce modèle sur des données de débits du fleuve Sénégal à la station de Bakel. En guise de comparaison, nous considérons le modèle linéaire classique de Box et Jenkins [11], et nous comparons leurs capacités prédictives.

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Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse a pour but de caractériser des signaux aléatoires, rencontrés dans le domaine aérien et sous-marin, en s’appuyant sur une approche statistique. En traitement du signal, l'analyse statistique a longtemps été fondée sous l'hypothèse de Gaussianité des données. Cependant, ce modèle n'est plus valide dès lors que la densité de probabilité des données se caractérise par des phénomènes de queues lourdes et d'asymétrie. Une famille de lois est particulièrement adaptée pour représenter de tels phénomènes : les distributions α-stables. Dans un premier temps, les distributions α-stables ont été présentées et utilisées pour estimer des données synthétiques et réelles, issues d'un sondeur monofaisceau, dans une stratégie de classification de fonds marins. La classification est réalisée à partir de la théorie des fonctions de croyance, permettant ainsi de prendre en compte l'imprécision et l'incertitude liées aux données et à l'estimation de celles-ci. Les résultats obtenus ont été comparés à un classifieur Bayésien. Dans un second temps, dans le contexte de la surveillance maritime, une approche statistique à partir des distributions α-stables a été réalisée afin de caractériser les échos indésirables réfléchis par la surface maritime, appelés aussi fouillis de mer, où la surface est observée en configuration bistatique. La surface maritime a d'abord été générée à partir du spectre d'Elfouhaily puis la Surface Équivalente Radar (SER) de celle-ci a été déterminée à partir de l'Optique Physique (OP). Les distributions de Weibull et ont été utilisées et comparées au modèle α-stable. La validité de chaque modèle a été étudiée à partir d'un test de Kolmogorov-Smirnov. / The purpose of this thesis is to characterize random signals, observed in air and underwater context, by using a statistical approach. In signal processing, the hypothesis of Gaussian model is often used for a statistical study. However, the Gaussian model is not valid when the probability density function of data are characterized by heavy-tailed and skewness phenomena. A family of laws can fit these phenomena: the α-stable distributions. Firstly, the α-stable distribution have been used to estimate generated and real data, extracted from a mono-beam echo-sounder, for seabed sediments classification. The classification is made by using the theory of belief functions, which can take into account the imprecision and uncertainty of data and theirs estimations. The results have been compared to a Bayesian approach. Secondly, in a context a marine surveillance, a statistical study from the α-stable distribution has been made to characterize undesirable echo reflected by a sea surface, called sea clutter, where the sea surface is considered in a bistatic configuration. The sea surface has been firstly generated by the Elfouhaily sea spectrum and the Radar Cross Section (RCS) of the sea surface has been computed by the Physical Optics (PO). The Weibull and distributions have been used and the results compared to the α-stable model. The validity of each model has been evaluated by a Kolmogorov-Smirnov test.

Dans cette thèse on s'intéresse au temps local d'auto-intersections de marches aléatoires. Cette quantité est définie comme la norme-p à la puissance p du temps local de la marche. Elle regarde dans quelle mesure la trajectoire de la marche aléatoire s'intersecte. Le temps local d'auto-intersections est lié à différents modèles physiques comme les modèles de polymères ou les problèmes d'écoulements de flux en milieux stratifiés mais aussi au modèle mathématiques des marches aléatoires en paysages aléatoires. Nous nous sommes pour notre part intéressés en particulier aux grandes déviations du temps local d'auto-intersections, c'est à dire que nous regardons la probabilité que la quantité d'intersections de la marche aléatoire soit plus grande que sa moyenne. Cette question qui a été très étudiée au cours des années 2000 fait apparaitre trois cas distincts, le cas sous-critique, le cas critique et le cas sur-critique. Nous améliorons la connaissance sur cette question au travers de deux résultats complets et d'un résultat partiel. D'abord nous prouvons un principe de grandes déviations dans les cas critique et sur-critique des marches alpha-stables, puis nous améliorons les échelles de déviations au cas sous-critique tout entier de la marche simple, enfin nous sommes en train d'étendre ce dernier résultat aux marches alpha-stables. Par ailleurs les trois preuves sont basées sur l'utilisation d'une version due à Eisenbaum d'un théorème d'isomorphisme de Dynkin. Cette méthode d'abord introduite par Castell dans le cas critique est donc ici étendue aux autres cas. Nous avons donc réussi à unifier les différentes méthodes de preuves au travers ce théorème d'isomorphisme. / In this thesis we are interested in the self-intersection local times of random walks. This quantity is defined as the p-norm to the power of p of the local times of the random walk. It measures how much the trajectory of the random walk intersects itself. The self-intersection local times is connected with various physical models as polymer models or problems of anomalous dispersion in layered random flows, but it is also linked with the mathematical model of random walks in random sceneries. More precisely, we are interested in the large deviations of the self-intersection local times, i.e. we work on the probability for the intersections to be larger than expected. This question that has been studied a lot during the 2000's is divided in three cases, the subcritical one, the critical one and the super critical one. We improve the knowledge about this question by two complete results and a partial one. First, we have proved a large deviation principle in the critical and super critical cases of alpha-stable random walks, then we have improved the deviations' scales to the entire subcritical case of simple random walk, finally we are extending this last result to the alpha-stable random walks. The three proofs are based on a version due to Eisenbaum of a Dynkin isomorphism theorem. This method which has been first introduced by Castell in the critical case, is extended here to the others cases. Thus, we have succeeded to unify the methods of proof by this isomorphism theorem.

This PhD thesis aims to study financial processes which have semi-heavy-tailed marginal distributions and may exhibit memory. The traditional Black-Scholes model is expanded to incorporate memory via an integral operator, resulting in a class of market models which still preserve the completeness and arbitragefree conditions needed for replication of contingent claims. This approach is used to estimate the implied volatility of the resulting model. The first part of the thesis investigates the semi-heavy-tailed behaviour of financial processes. We treat these processes as continuous-time random walks characterised by a transition probability density governed by a fractional Riesz- Bessel equation. This equation extends the Feller fractional heat equation which generates a-stable processes. These latter processes have heavy tails, while those processes generated by the fractional Riesz-Bessel equation have semi-heavy tails, which are more suitable to model financial data. We propose a quasi-likelihood method to estimate the parameters of the fractional Riesz- Bessel equation based on the empirical characteristic function. The second part considers a dynamic model of complete financial markets in which the prices of European calls and puts are given by the Black-Scholes formula. The model has memory and can distinguish between historical volatility and implied volatility. A new method is then provided to estimate the implied volatility from the model. The third part of the thesis considers the problem of classification of financial markets using high-frequency data. The classification is based on the measure representation of high-frequency data, which is then modelled as a recurrent iterated function system. The new methodology developed is applied to some stock prices, stock indices, foreign exchange rates and other financial time series of some major markets. In particular, the models and techniques are used to analyse the SET index, the SET50 index and the MAI index of the Stock Exchange of Thailand.