Le positionnement d'un engin sous-marin s'appuie sur des systèmes dits "acoustiques". Ces derniers renseignent la position relative de l'engin immergé par rapport au navire support. Les performances de ces systèmes sont définies en termes de limite de portée et de précision. Le principe de ces systèmes repose sur les notions de distance-métrie et de goniométrie, qui s'appuient toutes deux sur l'estimation du temps de propagation et donc de la date d'arrivée du signal utile. Cela est classiquement réalisé par une opération de Compression d'Impulsion. Cette technique qui est largement utilisée dans les domaines du SONAR, RADAR et imagerie bio-médicale, repose sur une application sous-optimale du Filtrage Adapté. En effet, le Filtrage Adapté est une technique d’estimation ou de détection optimale lorsque le bruit et blanc et gaussien et lorsque le signal utile est déterministe, c’est-à-dire que le signal reçu est bien connu. Cependant, il est bien connu que dans le monde sous-marin, le bruit n’est pas blanc, et pas toujours gaussien. Aussi, le signal utile étant déformé soit par le milieu de propagation soit par des phénomènes physiques tels que l’effet Doppler, celui-ci n’est pas déterministe. On peut alors considérer que le bruit est coloré et que le signal utile est une réalisation d’un processus aléatoire. Ainsi, en vue d’étendre les hypothèse d’application de la Compression d’Impulsion classique, nous proposons de construire une nouvelle forme de Compression d’Impulsion basée sur l’utilisation du Filtrage Adapté Stochastique. En effet, ce dernier est une extension naturelle du Filtrage Adapté pour des bruits colorés et des signaux déterministes. Toutefois, le Filtrage Adapté Stochastique suppose que les signaux sont stationnaires au second ordre. Or, cela n’est pas toujours le cas pour le bruit en milieu marin, et cela n’est jamais le cas pour un signal modulé en fréquence tel que ceux utilisés par les systèmes de positionnement acoustiques. Ainsi, nous proposons une nouvelle technique de Compression d’Impulsion alliant les qualités du Filtrage Adapté Stochastique et celle des techniques Temps-Fréquence. Ces dernières, et en particulier la transformée de Wigner-Ville, permettent de contourner l’hypothèse de stationnarité imposée par le Filtrage Adapté Stochastique. D’autre part, en vue de contrer l’apparition d’interférences générées par ces techniques, nous développons ici une approche par « décomposition atomique » sur une base de DCT. Ainsi donc, ces trois années de thèse, ont donné naissance à de nouvelles méthodes de Compression d'Impulsion qui permettent d'améliorer les performances des systèmes de positionnement sous-marin. / The underwater vehicules positioning is based on acoustic systems. These systems provide us the relative position of the immersed submarine to the carrier ship. The systems performances are defined in terms of precision and slant range. The positioning systems use concepts like distance measurement and goniometry, both based on the Time Of Arrival estimation of the useful signal, which is classically performed by a Pulse Compression. This technique, widely applied on SONAR, RADAR and bio-medical imaging, is a sub-optimal application of the Matched Filtering. After these three years of work, we had obtained new methods of Pulse Compression that allow to improve the performances of the acoustic positioning systems. These new techniques are based on an expension of the application assumptions of the Pulse Compression to reach, as well as possible, the optimality.

La génération d’impulsions courtes d’ondes acoustiques de surface est étudiée, en s’inspirant du principe de l’amplification des impulsions chirpées qui est utilisée pour la génération d’impulsions laser ultrabrèves. La compression temporelle des impulsions est généralement réalisée à l’aide d’éléments dispersifs. Dans ce travail, un transducteur à ondes acoustiques de surface pouvant émettre des impulsions brèves est utilisé comme élément dispersif. Une étude comparative des transducteurs à peignes interdigités chirpés est menée avec un modèle du premier ordre et un modèle dit de matrice mixte. Des dispositifs à ondes acoustiques de surface sont conçus et réalisés à partir des résultats de simulation numérique. La façon de distribuer la période dans le transducteur est étudiée. L’apparition de bandes interdites dues aux réflexions internes dans le transducteur chirpé et son effet sur l’émission directionnelle des ondes surface sont en particulier observées et étudiées.Un interféromètre optique différentiel dans le domaine temporel et stabilisé est ensuite proposé afin de caractériser les impulsions brèves. Le transducteur à ondes acoustiques de surface est placé à l’extérieur de l’interféromètre. Des expériences sont conduites avec un transducteur à peignes interdigités chirpé ayant une bande opérationnelle couvrant la gamme de fréquences 200 MHz – 400 MHz et produisant des impulsions de 10 ns avec un déplacement hors-plan maximal de 36 nm. La réponse interférométrique est comparée à une mesure électrique directe obtenue à l’aide d’un transducteur de réception large bande ; une bonne correspondance des deux mesures est observée. Les influences de la différence de chemin optique dans l’interféromètre et du choix du point d’observation sur la surface sont discutées. La compression de l’impulsion le long du transducteur chirpé est observée expérimentalement.Finalement, une étude comparative de différents filtres de compression temporelle est présentée, dans l’objectif d’obtenir des impulsions optimales à la fois courtes temporellement et de forte intensité, pour un élément dispersif donné. Le filtre inverse est identifié comme le plus efficace et nous permet de produire les impulsions de plus grande amplitude. Afin d’optimiser la compression de l’impulsion pour les dispositifs fabriqués, des expériences sont conduites pour trouver les courbes de compromis optimal dans chaque cas de modulation de la période du transducteur. / Generation of short pulses with surface acoustic waves (SAW) is studied, in analogy with the principle of chirped pulse amplification (CPA) used to produce ultrashort laser pulses. Temporal compression of pulses is generally achieved with dispersive elements. A SAW transducer emitting short SAW pulses is used as a dispersive element in this work. A comparative study of chirped inter digital transducers (CIDTs) using the first order model and the p-matrix model is presented. SAW devices are designed and fabricated using the simulation results and the effect of the varying pitch of the CIDts on the response is studied. Appearance of band gaps due to internal reflections within the CIDts and its effect on the directionality of the CIDTs are in particular found and studied.A stabilized time-domain differential optical interferometer is then proposed in order to characterize short pulses, with the surface acoustic wave (SAW) sample placed outside the interferometer. Experiments are conducted with surface acoustic waves excited by a chirped inter-digital transducer on a piezoelectric lithium niobate substrate having an operational bandwidth covering the 200 MHz – 400 MHz frequency range and producing 10 ns pulses with 36 nm maximum out-of-plane displacement. The interferometric response is compared with a direct electrical measurement obtained with a receiving wide bandwidth inter-digital transducer and good correspondence is observed. The effects of varying the path difference of the interferometer and the measurement position on the surface are discussed. Pulse compression along the chirped inter-digital transducer is observed experimentally.Finally, a comparative study of different filter designs for generating short pulses is presented with an objective to find a design to produce the optimal pulse which is short in width and high in amplitude, for a given dispersive element. The inverse filter is found to be the most efficient as it produces a short pulse with the highest amplitude. To optimize the pulse compression for the fabricated devices, experiments are conducted to find the optimal trade-off curve for each chirp case.

Le positionnement d'un engin sous-marin s'appuie sur des systèmes dits "acoustiques". Ces derniers renseignent la position relative de l'engin immergé par rapport au navire support. Les performances de ces systèmes sont définies en termes de limite de portée et de précision. Le principe de ces systèmes repose sur les notions de distance-métrie et de goniométrie, qui s'appuient toutes deux sur l'estimation du temps de propagation et donc de la date d'arrivée du signal utile. Cela est classiquement réalisé par une opération de Compression d'Impulsion. Cette technique qui est largement utilisée dans les domaines du SONAR, RADAR et imagerie bio-médicale, repose sur une application sous-optimale du Filtrage Adapté. En effet, le Filtrage Adapté est une technique d'estimation ou de détection optimale lorsque le bruit et blanc et gaussien et lorsque le signal utile est déterministe, c'est-à-dire que le signal reçu est bien connu. Cependant, il est bien connu que dans le monde sous-marin, le bruit n'est pas blanc, et pas toujours gaussien. Aussi, le signal utile étant déformé soit par le milieu de propagation soit par des phénomènes physiques tels que l'effet Doppler, celui-ci n'est pas déterministe. On peut alors considérer que le bruit est coloré et que le signal utile est une réalisation d'un processus aléatoire. Ainsi, en vue d'étendre les hypothèse d'application de la Compression d'Impulsion classique, nous proposons de construire une nouvelle forme de Compression d'Impulsion basée sur l'utilisation du Filtrage Adapté Stochastique. En effet, ce dernier est une extension naturelle du Filtrage Adapté pour des bruits colorés et des signaux déterministes. Toutefois, le Filtrage Adapté Stochastique suppose que les signaux sont stationnaires au second ordre. Or, cela n'est pas toujours le cas pour le bruit en milieu marin, et cela n'est jamais le cas pour un signal modulé en fréquence tel que ceux utilisés par les systèmes de positionnement acoustiques. Ainsi, nous proposons une nouvelle technique de Compression d'Impulsion alliant les qualités du Filtrage Adapté Stochastique et celle des techniques Temps-Fréquence. Ces dernières, et en particulier la transformée de Wigner-Ville, permettent de contourner l'hypothèse de stationnarité imposée par le Filtrage Adapté Stochastique. D'autre part, en vue de contrer l'apparition d'interférences générées par ces techniques, nous développons ici une approche par " décomposition atomique " sur une base de DCT. Ainsi donc, ces trois années de thèse, ont donné naissance à de nouvelles méthodes de Compression d'Impulsion qui permettent d'améliorer les performances des systèmes de positionnement sous-marin.

La tomographie ultrasonore assistée par ordinateur possède un fort potentiel en tant que moyen d'inspection des tissus mammaires pour le dépistage du cancer du sein; cette technique permet de réduire la dépendance à l'opérateur constatée avec l'échographie conventionnelle. Une antenne de transducteurs (3 MHz) à géométrie semi-circulaire conformée à l'anatomie du sein a été développée pour réaliser une imagerie de réflectivité des structures d'intérêt en employant une procédure de reconstruction tomographique. L'antenne comporte 1024 éléments répartis sur un arc de 190 degrés ayant un rayon de courbure de 100 mm. Les acquisitions sont gérées par une électronique à 32 voies parallèles indépendantes en émission/réception et par un multiplexer pour l'adressage des voies vers les éléments de l'antenne. Les circuits d'émission et de réception ont une fréquence d'échantillonnage allant jusqu'à 80 MHz avec une précision de 12 bits. Des formes d'ondes arbitraires (pseudo-chirp, codes de Golay) sont transmises afin d'améliorer le rapport signal sur bruit. L'électroacoustique a été caractérisée avec des objets académiques et un hydrophone afin de déterminer les propriétés d'émission du système d'imagerie (réponses impulsionnelles et distribution spatiale du champ) et de développer des outils de correction des données; ces résultats sont mis en regard avec le formalisme de résolution du problème inverse (algorithme de sommation des rétroprojections elliptiques filtrées en champ proche). L'évaluation du système d'imagerie est réalisées sur des objets ponctuels, des objets bidimensionnels à faible contraste d'impédance et un fantôme anthropomorphique de sein contenant des inclusions / Ultrasound computed tomography has considerable potential as a means of breast cancer detection since it reduces the operator-dependency observed in echography. A half-ring transducer array was designed based on the breast anatomy, to obtain reflectivity images of the ductolobular structures using tomographic reconstruction procedures. The 3-MHz transducer array comprises 1024 elements set, in a 190-degree circular arc with a radius of 100 mm. The front-end electronics incorporate 32 independent parallel transmit/receive channels and a 32-to-1024 multiplexer unit. The transmit and receive circuitries have a variable sampling frequency of up to 80 MHz and a 12-bit precision. Arbitrary waveforms are synthesized to improve the signal-to-noise ratio. The set-up was calibrated with academic objects and a needle hydrophone to develop the data correction tools and specify the properties of the system; results are compared with the formalism of inverse problem (elliptical back-projection summation algorithm).The backscattering field was recorded using a restricted aperture, and tomographic acquisitions were performed with a pair of 0.08 mm diameter steel threads, a low contrast 2-D breast phantom, and a breast-shaped phantom containing inclusions. The pulse compression is used and the contribution of this technique to ultrasound computed tomography is evaluated with respect to the use of a standard broadband pulse. Prospects for development of inspection methods and also adaptations of the electroacoustic set-up dedicated to the anatomical tomographic imaging are proposed relative to conducted studies during this thesis.

La tomographie ultrasonore assistée par ordinateur possède un fort potentiel en tant que moyen d'inspection des tissus mammaires pour le dépistage du cancer du sein ; cette technique permet de réduire la dépendance à l'opérateur constatée avec l'échographie conventionnelle. Une antenne de transducteurs (3 MHz) à géométrie semi-circulaire conformée à l'anatomie du sein a été développée pour réaliser une imagerie de réfl ectivité des structures d'intérêt en employant une procédure de reconstruction tomographique. L'antenne comporte 1024 éléments répartis sur un arc de 190 degrés ayant un rayon de courbure de 100 mm. Les acquisitions sont gérées par une électronique à 32 voies parallèles indépendantes en émission/réception et par un multiplexer pour l'adressage des voies vers les éléments de l'antenne. Les circuits d'émission et de réception ont une réquence d'échantillonnage allant jusqu'à 80 MHz avec une précision de 12 bits. Des formes d'ondes arbitraires (pseudo-chirp, codes de Golay) sont transmises a n d'améliorer le rapport signal sur bruit. L'électroacoustique a été caractérisée avec des objets académiques et un hydrophone a n de déterminer les propriétés d'émission du système d'imagerie (réponses impulsionnelles et distribution spatiale du champ) et de développer des outils de correction des données ; ces résultats sont mis en regard avec le formalisme de résolution du problème inverse (algorithme de sommation des rétroprojections elliptiques fi ltrées en champ proche). L'évaluation du système d'imagerie est réalisées sur des objets ponctuels ( fils de 80 m de diamètre), des objets bidimensionnels à faible contraste d'impédance et un fantôme anthropomorphique de sein contenant des inclusions. La technique de compression d'impulsion est utilisée pour traiter les signaux ; l'apport de cette technique à la tomographie ultrasonore est évaluée en regard d'une impulsion large bande. La résolution spatiale est inférieure au tier de la longueur d'onde et les images préliminaires réalisées avec le système sont très satisfaisantes. Des perspectives de développement des méthodes d'inspection et des adaptations du système électroacoustique pour la tomographique anatomique du sein sont proposées au vue des études réalisées durant cette thèse.

L'échographie est un outil de diagnostic largement utilisé grâce à des vertus telles que l'acquisition / traitement de données en temps réel, la facilité d'utilisation et la sécurité pour le patient / praticien pendant l'examen. Cependant, comparée à d'autres méthodes d'imagerie telles que la tomographie à rayons X et l'imagerie par résonance magnétique, l'échographie présente l'inconvénient de fournir une qualité d'image relativement basse. Dans cette thèse, nous étudions une méthode capable d'augmenter la qualité d'image, permettant ainsi de meilleurs diagnostics échographiques. Afin d'augmenter le rapport signal / bruit des signaux reçus, nous proposons d'utiliser des signaux modulés en fréquence (chirps). Pour éviter l'effet négatif de la bande passante limitée de la sonde, nous modulons en amplitude les signaux d'excitations afin d'augmenter l'énergie du signal dans les bandes de fréquences où la sonde est moins efficace. Pour compresser l'énergie des échos, nous utilisons des filtres de Wiener afin d'obtenir un bon compromis résolution spatiale / stabilité du bruit. Nous combinons cette méthode appelée REC (Resolution Enhancement Technique) avec l’imagerie ultrarapide. Nous montrons des résultats simulés et expérimentaux (in-vitro, ex-vivo et in-vivo) prometteurs. De plus, nous adaptons REC afin de compenser l'effet d'atténuation tissulaire. Cette amélioration est validée expérimentalement sur des phantoms. Nous adaptons également REC à la propagation non linéaire des ondes ultrasonores, en proposant une technique d'inversion d'impulsions qui utilise REC pour fournir une meilleure résolution et un meilleur rapport contraste / bruit. Ensuite, nous appliquons REC à différents schémas d’acquisition tels que les ondes divergentes et la transmission multi-lignes (MLT). Nous montrons également que la qualité d’image peut être augmentée davantage en tenant compte de la réponse impulsionnelle spatiale de la sonde lorsque REC et MLT sont combinés / Ultrasound imaging is a diagnostic tool widely used thanks to such virtues as real-time data acquisition / processing, ease of use and safety for the patient / practitioner during examination. However, when compared to other imaging methods such as X-ray tomography and Magnetic Resonance Imaging, the echography has the disadvantage to provide relatively low image quality. In this thesis, we study a method that is able to increase the ultrasound image quality, thus paving the way towards improved diagnostics based on echography and novel ultrasound applications. In order to increase the echo signal to noise ratio of the received signals, we propose to use linear frequency modulated signals, also called chirps. To avoid the negative effect of the bandlimited acquisition probe, we apply a pre-enhancement step on the probe excitation signals in order to boost the signal energy in the frequency bands where the probe is less efficient. To compress the echo energy in reception, we use Wiener filters that allow obtaining a good trade-off between the spatial resolution and noise stability. We apply the previously detailed pipeline, also called REC (Resolution Enhancement Technique) on ultrafast imaging schemes. We show promising results in simulation and in-vitro, ex-vivo, in-vivo acquisitions. Furthermore, we adapt REC in such way that the frequency dependent tissue attenuation effect is compensated for. This improvement is validated in simulation and phantom experiments. We also adapt REC to the nonlinear propagation of ultrasound waves, by proposing a pulse inversion technique that uses REC to provide a better image resolution and contrast to noise ratio. Then, we demonstrate the generality of the REC method by applying it to different acquisition schemes such as diverging wave compounding and Multi Line Transmit (MLT). We also show that the image quality can be increased more by taking into account the spatial impulse response of the ultrasound probe when REC and MLT are combined

La course vers les impulsions ultra-courtes et énergétiques est en plein essor avec le développement de nombreuses applications. Dans ce manuscrit, plusieurs méthodes de réduction de la durée d'impulsion énergétique sont étudiées. La mise en oeuvre d’un système de post-compression basé sur le principe de SPM-NER dans une lame de silice a tout d'abord permis de produire, à partir d'impulsions de 50 fs, des impulsions de 16 fs-5mJ. Dans une seconde partie, nous proposons une nouvelle méthode de post-compression efficace basée sur l'ionisation d'un gaz rare dans un capillaire creux. Cette technique a permis d'obtenir à la fois des impulsions ultra-courtes et des énergies importantes (11 fs-13 mJ). Les résultats d'une modélisation réalisée au CEA/SPAM, en bon accord avec les résultats expérimentaux, ont permis d'approfondir la compréhension des divers mécanismes mis en jeu. Afin de produire des impulsions encore plus courtes, il est nécessaire de travailler directement dans les chaînes laser, en amont du système de post-compression. Le rétrécissement spectral par le gain dans leTi:saphir des chaînes laser, limite en général les durées des impulsions à 30 fs. Ce phénomène, étudié lors de cette thèse, a été compensé grâce à une modulation de perte spectrale (filtre) dans le pré-amplificateur (cavité régénérative), localisée au maximum de la courbe de gain. Des impulsions de l’ordre de 20 fs ont été obtenues. Ces études ont été complétées par une modélisation de l'amplification des impulsions qui s'est avérée en très bon accord avec les mesures expérimentales. La possibilité de combiner ces procédés permettra, àcourt terme, la production d'impulsions laser sub-10 fs énergétiques (~10 mJ) pour générer des impulsions XUV attosecondes isolées. / High energy ultrashort pulses are highly desirable for many applications. In thismanuscript, we described several methods for pulse duration reduction at high energy. A postcompressionsystem, using SPM-NER in a fused silica plate, has firstly provided 16 fs-5mJpulses, from 50 fs pulses. In a second part, we present a new efficient post compressiontechnique, achieved through ionization of gas in a capillary. With this technique, ultrashortand high energy pulses have been reached (11 fs-13 mJ). Results from modeling done atCEA/SPAM, in good agreement with the experimental ones, have been used to understanddeeply all the involved mechanisms. In order to get even shorter pulses, it is incontrovertibleto work on the laser chain, in front of the post-compression systems. In general, due tospectral gain narrowing in Ti:Saphir laser chain, the pulse duration is limited to 30 fs. Thiseffect, investigated in this thesis, has been compensated by modulating the spectral losses(filter) in the pre-amplifier (regenerative cavity), localized at the gain curve maximum. Pulseduration in the order of 20 fs has been obtained. This study has been completed with a pulseamplification model that shows very good agreement with the experimental measurements.The possibility to combine these processes should generate, in the short term, high energy (10mJ) sub-10 fs laser pulses to produce isolated XUV attosecond pulses.