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L'optogénétique est une nouvelle méthode de contrôle de l’activité neuronale dans laquelle la lumière est employée pour activer ou arrêter certains neurones. Dans le cadre de ce travail, un dispositif permettant l’acquisition de signaux neuronaux et conduisant à une stimulation optogénétique de façon multicanale et temps-réel a été conçu. Cet outil est muni de deux canaux de stimulation optogénétique et de deux canaux de lecture des signaux neuronaux. La source de lumière est une DEL qui peut consommer jusqu’à 150 milliampères. Les signaux neuronaux acquis sont transmis à un ordinateur par une radio. Les dimensions sont d’environ 20×20×15 mm3 et le poids est de moins de 7 grammes, rendant l’appareil utile pour les expériences sur les petits animaux libres. Selon nos connaissances actuelles, le résultat de ce projet constitue le premier appareil de recherche optogénétique sans-fil, compact offrant la capture de signaux cérébraux et la stimulation optique simultanée. / Optogenetics is a new method for controlling the neural activity where light is used to activate or silence, with high spatial and temporal resolution, genetically light-sensitized neurons. In optogenetics, a light source such as a LED, targets light-sensitized neurons. In this work, a light-weight wireless animal optogenetic headstage has been designed that allows multi-channel simultaneous real-time optical stimulation and neural recording. This system has two optogenetic stimulation channels and two electrophysiological reading channels. The optogenetic stimulation channels benefit from high-power LEDs (sinking 150 milliamps) with flexible stimulation patterns and the recorded neural data is wirelessly sent to a computer. The dimensions of the headstage are almost 20×20×15 mm3 and it weighs less than 7 grams. This headstage is suitable for tests on small freely-moving rodents. To the best of our knowledge, this is the first reported fully wireless headstage to offer simultaneous multichannel optical stimulation along with multichannel neural recording capability.

Ce travail de maîtrise a pour objectif le développement, la construction et la validation d'une sonde de pression cinq trous instationnaire avec capteurs embarqués. Celle-ci s'intègre dans le programme de recherche du laboratoire de machines hydraulique de l'université Laval et vient compléter les systèmes de mesures P.I.V. et L.D.V. que le laboratoire possède déjà. La première phase de ce travail a été l'établissement d'un cahier des charges ainsi qu'une revue bibliographique sur les sondes du même type déjà existantes. Puis les deux phases principales de ce travail ont été les phases de conception et de construction de la sonde. Plusieurs modifications de plans ont été nécessaires afin d'arriver à une sonde la plus petite possible tout en respectant les nombreuses contraintes du cahier des charges de l'étalonnage et de la construction. La majeure partie de la construction a été effectuée à l'atelier du département de génie mécanique de l'université, mais le montage des capteurs ainsi que l'usinage de la tête de la sonde ont dû être sous-traités à des entreprises extérieures. L'étalonnage de la sonde a été réalisé en deux parties. La première partie est l'étalonnage des capteurs. Il a été réalisé au moyen d'un réservoir d'air comprimé, ce qui nous a aussi permis de vérifier l'étanchéité de la sonde. La seconde partie est l'étalonnage de la sonde elle-même, qui, pour des raisons de disponibilité n'a pu être réalisé dans un canal hydraulique mais dans un jet d'air calibré. L'utilisation de l'air a posé deux principaux problèmes : l'impossibilité d'atteindre les mêmes vitesses que dans l'eau (en similitude de Reynolds) et les pressions dynamiques mesurées sont beaucoup plus faibles dans l'air que dans l'eau. Pour les faibles vitesses on arrive à la limite de sensibilité des capteurs. Une autre série de mesures a permis de mettre en évidence les limites d'utilisation de la sonde selon cet étalonnage, soit 31 m /s dans l'air, équivalent à 2 m /s dans l'eau et une plage de direction pour l'angle d'écoulement entre ± 25° pouvant aller jusqu'à ± 45° suivant les conditions. Afin de valider totalement la sonde il faut encore réaliser des essais de réponse en fréquences et réaliser un système permettant d'étalonner la sonde dans un canal hydraulique afin de vérifier son comportement (vibrations) ainsi que la réponse des capteurs à 10 '7S. / This work is presented in partial fulfillment of a Master Degree. Its objectives arc the development, construction and validation of a five-hole probe with embedded sensors to measure non stationary pressures. This new measuring instrument will be used for the research programme of the Laboratory of hydraulic machines of Laval University. It is additional to the P.I.V. and L.D.V measurement Systems already existing at the laboratory. The first phase of this work consisted of the establishment of specifications as well as a bibliographical review of existing probes of the same type. Then two important phases of this work were the design and construction of the probe. Several design modifications were necessary in order to produce the smallest possible probe while respecting the many constraints of the specifications calibration and construction. The major portion of the actual construction was carried out at the workshop of the Mechanical Engineering Department of the University, but the assembly of the sensors as well as the machining of the probe head were sub-contracted to external firms. The calibration of the probe was carried out in two parts. The first part was the calibration of the sensors. This was done by means of a compressed air tank which allowed us to verify also if the probe is waterproof. The second part was the calibration of the probe it self, which, for reasons of availability, could not be produced in a hydraulic channel but in a gauged air jet. The use of air brought two principal problems: the impossibility of reaching the high speeds encountered in water (following similarity of Reynolds number) and a much weaker measured dynamic pressures in air than in water. For low speeds, one reaches the limit of sensitivity of the sensors. Another series of measurements made it possible to highlight the operational limits of the probe according to the calibrated zone, that is to say 31 m/s in the air corresponding to 2 m/s in water and the direction of the flow angle between ± 25°, and ± 45° for certain conditions. In order to completely validate the probe, it is still necessary to carry out tests for the frequency response and to build a hydraulic channel to check the probe's behavior regarding vibrations as well as to calibrate the response of the sensors up to 10 m/s.

L’utilisation de la spectroscopie nucléaire comme outil de détection est limitée par le ratio du signal sur bruit. Les méthodes traditionnelles qui permettent d’outrepasser cette difficulté sont d’augmenter l’intensité du signal ou de diminuer le bruit. Pour amplifier le signal, il existe deux méthodes : avoir un émetteur plus intense ou avoir un détecteur de meilleur rapport signal sur bruit . Les techniques typiques de réduction de bruit de fond sont : l’application de filtres numériques et l’ajout de systèmes, tels des circuits de coïncidence, pour favoriser l’étude du signal. Dans le cadre de notre recherche, nous cherchons à détecter des traces d’éléments en utilisant l’activation par neutron. Nous sommes donc limités à avoir des émetteurs d’intensité faible. Beaucoup de chercheurs se penchent déjà sur la création et l’amélioration de détecteurs ayant de meilleures résolutions en énergie. L’approche que nous proposons utilise des détecteurs typiques ayant des résolutions standards et aucun système de suppression de bruit de fond. Nous avons développé un montage expérimental astucieux qui se charge de récolter un maximum d’information. Nous le couplons par la suite à un système d’analyse statistique robuste basé sur l’estimation du maximum de vraisemblance d’un modèle de mixture pour extraire les paramètres d’intérêt. Cette méthode mène à une amélioration flagrante du pouvoir de détection d’un tel système. Les résultats de cette recherche sont par la suite très utiles à tous les systèmes de spectroscopie semblables. Les méthodes d’acquisition et d’analyse développées sont en parfaite synergie avec les travaux de recherche qui se font ailleurs sur des systèmes de détecteurs plus exotiques. / The use of nuclear spectroscopy as a detection tool is limited by signal to noise ratio. The most common ways of overcoming this difficulty are either boosting the signal or dampening the noise. Boosting the signal can either be done by having a more powerful emitter or by having a better signal to noise ratio. Applying digital filters and having special experimental setups are the typical ways of enhancing the signal. In our case, the detection of trace elements with neutron activation analysis, we are limited by the nature of the problem to having small emitter signals. A good amount of research is already being done to develop new and exotic detectors to improve their energy resolution. The approach we propose uses typical detectors with average resolution and no background suppression. We propose an intelligent experimental design intended to extract a maximum of information from the experiment and an analysis algorithm based on a rigorous statistical model using a maximum likelihood approach to solving a mixture model in order to drastically improve detection efficiency. This method can be combined with more complex setups that use higher resolution detectors. As such the results of this project synergize well with what is being done elsewhere in the fields of spectroscopy and detector physics.

Titre de l'écran-titre (visionné le 2 octobre 2023) / Ce mémoire s'intéresse au développement d'un analyseur de spectre cohérent (COSA) utilisant un module laser à rétroaction répartie (DFB) comme oscillateur local (LO). L'objectif est de concevoir un analyseur de spectre cohérent plus petit, robuste et moins chers en remplaçant les lasers à cavité externe normalement utilisés, permettant ainsi d'employer de tels appareils autant dans des environnements de recherche scientifique et d'ingénierie que sur des lignes de productions ou de liens de communication déployés. L'introduction présente les méthodes d'analyse du spectre optique existantes ainsi que leurs limitations et les avantages des analyseurs de spectre optique cohérents par rapport à ces méthodes. Les bases théoriques derrière le fonctionnement des COSA sont également présentées. Le premier chapitre décrit le montage expérimental du COSA utilisé dans le cadre du mémoire. Les deux branches le composant sont décrites et la calibration nécessaire au fonctionnement de l'appareil est présentée. Le deuxième chapitre caractérise les performances de l'appareil. Le rapport signal sur bruit optique (OSNR) et la largeur de raie du signal à la sortie de l'amplificateur optique semi-conducteur (SOA) du module laser DFB sont mesurés et comparés aux performances de la portion électrique du montage afin de déterminer la dynamique et la résolution du COSA. L'appareil est ensuite utilisé pour mesurer le spectre d'un laser à cavité externe, avec et sans modulation d'amplitude, ainsi qu'avec un laser DFB. On trouve expérimentalement que le système possède une dynamique pouvant atteindre plus de 50 dB et une résolution de 10 MHz correspondant à la largeur de bande des filtres RF utilisés.

La proportion d'acier produit par des fours à arc électrique ne cesse de croître, atteignant actuellement environ 50 % de la production d'acier dans le monde. Il est donc important d'assurer de bons rendements de production par soucis d'économies mais aussi pour préserver notre environnement. Les progrès entrepris dans le domaine du calcul numérique fournissent des alternatives intéressantes pour répondre à ces préoccupations. La présente étude met en place un modèle simplifié de four à arc électrique, dans lequel nous prenons uniquement en compte dans le système la scorie baignant dans le four. Nous mettons en œuvre un modèle numérique permettant d'étudier l'influence des paramètres géométriques sur la performance du four. Dans le présent mémoire, nous nous intéressons, d'une part, aux effets du rapport de la hauteur sur la largeur du four H/L sur la proportion de bain en fusion et sur l'épaisseur des bancs solides aux parois, et d'autre part, aux effets du rapport de forme de la zone d'apport et de la quantité de chaleur apportée. L'enjeu est alors de maximiser la fraction liquide moyenne atteinte en régime permanent tout en gardant une épaisseur de couche solide suffisante aux parois, cela dans le but d'éviter la détérioration prématurée du four. Cette étude sera enfin l'occasion de poser les bases d'un modèle de changement de phase simplifié, où l'on ne se soucierait plus des variables de vitesse et de pression, mais seulement de la température, ce qui aurait pour principal intérêt la diminution des temps de calculs tout en reproduisant le plus fidèlement possible les résultats escomptés.

L'industrie des aérogénérateurs a connu une croissance spectaculaire au cours des dernières années. La chaîne de conversion électromécanique la plus employée dans le domaine de puissance de l'ordre du MW utilise une Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA). L'avantage principal de cette solution concerne son coût initial qui est réduit par rapport aux topologies concurrentes. Ce type d'aérogénérateur utilise un multiplicateur de vitesse à engrenages qui adapte la vitesse de rotation élevée de la MADA à la basse vitesse de rotation de la turbine éolienne. Cette composante qui nécessite des coûts de maintenance élevés est à l'origine des principaux problèmes de fiabilité associés aux aérogénérateurs qui utilisent la MADA. Par exemple, le multiplicateur est soumis à de fortes contraintes lors des régimes de défauts électriques qui peuvent survenir sur le réseau électrique. Bien que les industriels aient développé des multiplicateurs de vitesse qui s'adaptent mieux au domaine des aérogénérateurs, il apparaît qu'aucune solution globale et innovatrice n'a été proposée pour faire face à cette problématique. Ce travail présente un environnement de conception globale et optimale de la chaîne de conversion électromécanique utilisant la MADA pour les aérogénérateurs dont la puissance est de l'ordre du MW. L'établissement des divers modèles de dimensionnement et la mise au point des outils méthodologiques disponibles dans l'environnement sont détaillés. Les principaux composants de la chaîne de conversion sont modélisés et la MADA fait l'objet d'une attention particulière quant à son dimensionnement. Des méthodes analytiques et numériques sont proposées pour mener à bien la conception optimale de l'entraînement tout entier incluant la MADA, le multiplicateur de vitesse mécanique et le convertisseur statique de puissance. La mise en oeuvre de l'environnement est illustrée par des solutions de conception globale associées à différents spécifications du cahiers des charges incluant la distribution annuelle de vitesses de vent sur le site. Les résultats obtenus montrent qu'il existe différentes solutions originales tant du point de vue topologique que dimensionnel. En particulier, on montre qu'il est possible de diminuer le nombre d'étages de multiplication mécanique de la vitesse pour améliorer la fiabilité et le coût global de l'installation. / During the last few years the wind turbine industry experienced an impressive growth. The most used topology of electromechanical conversion system for wind power plants in the MW range is based on the so called Doubly-Fed Induction Generator (DFIG). The advantage of this topology lies in a reduced initial cost compared to alternative topologies. The DFIG based wind turbine is using a gearbox to adapt the generator's high rotating speed to the turbine's low rotating speed. This mechanical component, which presents high maintenance costs, is the major cause of reliability problems of DFIG based wind turbines. For instance, during severe grid fault conditions (i.e. short-circuits) the gearbox is mechanically stressed. Although the new gearbox generation has been improved to better fit to the wind industry constraints, one can notice that no new and innovative solutions have been proposed to cope with this problematic. This works presents a global and optimal design methodology associated to a specific CAD environment of DFIG based electromechanical conversion systems for wind turbines in the MW power range. The development of the different design models and the realization of the methodological tools available in the environment are detailed. The main components of the electromechanical conversion system are modeled and the DFIG design procedure is detailed. Different analytical and numerical methods are proposed to perform an efficient optimal design of the whole drive system that includes the DFIG, the gearbox and the static power converter. The environment efficiency is demonstrated by the determination of different optimal global design solutions associated to several kinds of specifications, which take into account the annual wind speed statistical distribution on the site. The results show that there are several original solutions in terms of topological structure and dimensions. The use of the proposed design methodology demonstrates that it is possible to reduce the number of gearbox stages in order to increase the plant reliability and to decrease its global cost.

Un système de communication fiable dans un environnement confiné, en particulier les mines souterraines, peut largement accroître la sécurité et la production. Actuellement, les réseaux de communication sans fil en milieu confiné offrent un débit maximal de 1 Gbits/s. Toutefois, la disponibilité de systèmes offrants des débits de l'ordre de 2 à 10 Gbits/s deviendra dans un proche avenir, une nécessité compte-tenu de l'introduction des systèmes 4G avancés et les technologies 5G qui pointent à l’horizon. L’utilisation de fréquences élevées, particulièrement en bandes millimétriques, telle que la bande ISM à 60 GHz offrant 7 GHz de bande passante, est l'une des voies les plus directes et les plus simples pour atteindre un débit souhaitable entre 2-10 Gbits/s. Il est bien connu toutefois que les signaux à 60 GHz se propagent de façon erratique dans les endroits où se trouvent de nombreux obstacles, les composantes réfléchies et diffractées étant considérablement atténuées. Le type de polarisation de l'antenne d'émission et de réception est l'un des critères affectant la qualité de réception du signal, en plus des pertes additionnelles liées à l'absorption par l'oxygène dans l’air et les pertes de propagation associées au parcours. Pour palier partiellement à ces problèmes, les antennes doivent être directionnelles à polarisation circulaire avec un gain élevé et une large bande passante. Ce travail présente une nouvelle approche pour améliorer les propriétés de rayonnement des antennes BIE (Bande Interdite Électromagnétique) en utilisant une combinaison entre les antennes à résonateurs diélectriques DRA (Dielectric Resonator Antenna) et les superstrats métamatériaux pour profiter des avantages individuels de chacun d’eux. L’objectif est de concevoir, étudier analytiquement, numériquement et expérimentalement de nouvelles structures performantes de type BIE et de caractériser leur potentiel en termes de la bande passante, du gain, de l’efficacité et de la polarisation pour un fonctionnement optimal autour de 60 GHz, conformément aux exigences d’un canal minier. Initialement, une antenne émettrice originale BIE fonctionnant à 60 GHz, caractérisée par un gain élevé et une polarisation circulaire à large bande est proposée. Cette antenne est constituée d’un résonateur diélectrique en forme de croix (XDRA) et elle est utilisée comme une source d’alimentation pour générer la polarisation circulaire avec une couche supérieure de type FSS (surface sélective en fréquence) pour améliorer le gain et la bande passante de la source d’excitation. Ensuite, une nouvelle approche analytique pour calculer les propriétés de rayonnement des antennes BIE est développée. Pour satisfaire aux exigences des ondes millimétriques en termes de gain, on présente une autre antenne hybride basée sur la combinaison de la théorie des réseaux et la notion des antennes BIE monosource. Cette nouvelle structure multisources permet d’atteindre une amélioration de gain de 3.5 dB par rapport à l’antenne monosource mais, la bande passante de ces structures reste encore incompatible avec de nombreuses applications à 60 GHz. Pour remédier au problème de la bande passante limitée, une nouvelle approche hybride est subséquemment introduite. Cette technique est basée sur l’excitation de la structure BIE par des antennes à résonateur diélectrique multi segments et, ensuite, le concept du superstrat métamatériau est introduit pour améliorer le produit gain- bande passante. Finalement, pour rendre la communication plus flexible soit que les antennes peuvent être utilisées simultanément en tant qu’émetteur et récepteur, une structure BIE unique à polarisation configurable est conçue. La structure est composée d'une excitation sous la forme d'une antenne à résonateur diélectrique pyramidal DRA recouvert avec un superstrat FSS. Ce dispositif est capable de basculer entre la polarisation circulaire et linéaire par une simple rotation mécanique du résonateur diélectrique de 45 degrés. L'avantage de cette structure réside dans le fait que les propriétés de la bande passante, du gain, de l’efficacité et de la forme des diagrammes de rayonnement sont maintenues stables lors de la commutation entre les deux configurations de polarisation circulaire et linéaire. / A reliable communication system in confined areas, in particular underground mines, can largely increase safety and production output. Today’s, wireless data rates in confined environments are limited to a maximum of about 1 Gbits/s. The demand for wireless 2 to 10 Gbits/s data rate systems will , however, become a necessity due to the introduction of advanced 4G technologies and the foreseeable implementation of 5G. The potential use of millimeter wave communication systems, such as ISM 60 GHz band, which offers 7 GHz of bandwidth, is one of the most direct and easiest ways to achieve such high data rate of 2–10 Gbits/s. It is well known that 60 GHz signals propagate erratically through in environments with many obstructions, since both the reflected and diffracted waves are significantly attenuated. The polarization of the transmitting and receiving antennas is one of the important parameter to take into account, along with additional losses due to oxygen absorption and propagation path loss in assessing received signal quality. These situations limit the communication achievable distance link and overcoming of these disadvantages requires circular polarization directive antennas with a high gain and broadband capability. This work presents a novel approach to improve the radiation properties of Electromagnetic Band Gap antennas (EBG) using a combination between dielectric resonator and metamaterial superstrate to take advantage of the individual benefits of each of them. The aim is to design, study analytically, numerically and experimentally new performant EBG structures and characterize their potential in terms of bandwidth, gain, efficiency and polarization for an optimum performance around 60 GHz fulfilling the requirements of a mining environment. Initially, an original transmitting 60 GHz antenna with high gain, broadband, circularly polarized Electromagnetic Band Gap (EBG) antenna is presented. The designed antenna is configured with a superstrate based on a frequency selective surface (FSS) placed in front of a Cross Dielectric Resonator (XDRA), installed into a ground plane, which acts as an excitation source. Then, a new analytical approach is developed to derive the radiation properties of the proposed EBG antenna. To satisfy millimeter wave requirements in terms of gain, another hybrid antenna based on the combination of superstrate structures and array technology has been developed. This new multi-source structure has achieved a gain improvement of 3.5 compared to the monosource antenna. However, the bandwidth of these structures remains incompatible with many applications at 60 GHz. To overcome the problem of the limited bandwidth, a new hybrid approach is introduced. This technique is based, on the excitation of the structure by a multilayer cylindrical dielectric resonator antenna, and then, the concept of metamaterial superstrate is introduced for enhancing the gain-bandwidth product. Finally, to make communication more flexible so that the antennas can be used for transmission and reception simultaneously, a new reconfigurable polarisation EBG antenna is designed. The structure is composed of an exciting pyramidal DRA source covered with FSS superstrate. The device can switch between circular and linear polarization by a simple mechanical rotation of the pyramidal DRA by 45°. The advantage of this structure resides in the fact that it maintain stable bandwidth gain, efficiency and radiation properties when switching between the two configurations of circular and linear polarization.

Une biopile convertit l'énergie disponible dans un substrat biodégradable directement en électricité tout en diminuant sa demande chimique en oxygène (DCO). Ce projet de doctorat a évalué, à une échelle laboratoire, comment cette technologie pouvait être adaptée au traitement du lisier de porc. La construction d'une première génération de biopiles à compartiment unique a été réalisée. Différents supports de croissance bactérienne ont été essayés à l’intérieur du compartiment anodique pour augmenter la superficie sur laquelle les bactéries peuvent se développer et ainsi favoriser la production d’électricité. Parmi les différents supports bactériens utilisés au cours de ce projet, des granules de charbon activé se sont révélés être le meilleur choix. L’analyse des communautés microbiennes extraites des supports de croissance a révélé que seulement quelques genres bactériens provenant du lisier, notamment le genre Desulfuromonas, sont responsables des activités électriques d’une biopile alimentée avec cet effluent d’élevage. Les mécanismes de transfert des électrons entre les bactéries et l’anode s’expliquent essentiellement par la formation d’un cycle de soufre interne dans les biopiles. Après avoir constaté l’empoisonnement de la cathode dans les biopiles à compartiment unique, les travaux se sont poursuivis en réalisant des biopiles à compartiment double. Par souci de rentabilité pour les futures biopiles commerciales, des cathodes maisons à base d’acier inoxydable plaqué par galvanoplastie avec du platine ont été développées. De même, pour augmenter le potentiel des biopiles, du peroxyde d’hydrogène a été retenu comme milieu oxydant dans le compartiment cathodique. Ces biopiles ont fourni en service continu une sortie de puissance volumique moyenne de 63 W•m-3, ce qui figure parmi les meilleurs résultats présentés à date dans la littérature avec une eau usée comme carburant. Les essais réalisés avec ces biopiles ont permis d'observer un abattement de la DCO de 60 %. De plus, les odeurs dégagées par un lisier traité dans une biopile sont, en moyenne, huit fois moins intenses que celles émises par un lisier brut et on note qu’un lisier traité contient dix fois moins de bactéries pathogènes qu’un lisier brut. / Microbial fuel cell (MFC) is a new green technology that converts energy available in a bio-convertible substrate directly into electricity while decreasing its chemical oxygen demand (COD). As MFC seemed to be very promising, this Ph.D. project was devoted to investigate, at laboratory scale, how this technology could perform if swine liquid manure was used as fuel. A first generation, single chamber MFC (SCMFC), has been designed. Various support media were brought into SCMFCs anodic chamber to increase surface area on which bacteria may grow. Through this project, best electrical results were achieved using activated coal pellets as bacterium support medium. Bacterial communities extracted from selected support media were analyzed. These analyzes revealed that only few bacterium genera coming from raw liquid manure are responsible for electrical activities and Desulfuromonas genera was particularly involved in the process. With these bacteria, an internal sulphur cycle is involved to explain electron transfer mechanisms. While platinum based electrode was used as cathode in SCMFC, electrode poisoning yielded only weak power outputs. To overcome this problem, dual-chamber MFCs (DCMFC) were designed. Economical concerns for future commercial DCMFCs led to development of cathodes built around stainless steel wire meshes electro-plated with platinum. In addition, to increase DCMFC potential, hydrogen peroxide solution was retained as oxidizing medium in cathodic chamber. In continuous operation, 63 W•m-3 power output was provided with these 350 mL capacity DCMFCs, which appears to be among best results presented so far in literature with waste water as fuel. Tests carried out with these DCMFCs showed COD reduction of 60 %. Moreover, treated liquid manure odour emissions are, on average, 8 times weaker than those released by raw liquid manure. Finally, it was noted that treated liquid manure contained 10 times less pathogenic bacteria than raw liquid manure.

L'objectif d'un générateur de nombres aléatoires (RNG) est de produire une séquence binaire aléatoire indépendante, imprédictible et uniformément répartie. Les RNG sont nécessaires dans toutes sortes d'applications telles que la cryptographie, les télécommunications, les simulations numériques, le test de circuits VLSI ou encore les algorithmes probabilistes. Ainsi, le nombre d'applications embarquées nécessitant des RNG matériels augmente constamment, spécialement au sein des circuits reconfigurables. En vue de la conception matérielle d'un RNG, la solution est d'utiliser un générateur hybride composé d'un générateur vraiment aléatoire (TRNG) et d'un générateur pseudo-aléatoire (PRNG). Prouver mathématiquement qu'un générateur est aléatoire est généralement difficile, voire impossible. Les RNG sont souvent évalués via des tests statistiques. L'évaluation d'un TRNG est beaucoup plus complexe que celle d'un PRNG car la qualité d'un TRNG est fonction de la source de bruit utilisée, de l'environnement extérieur et de la qualité d'implantation au sein du circuit ciblé. Fischer et al. [1] ont proposé l'un des premiers TRNG totalement implantable au sein d'un circuit FPGA. Depuis, un grand nombre de générateurs a été présenté dans la littérature. Un des objectifs de cette thèse a été de proposer une méthodologie objective analysant la qualité des TRNG sélectionnés au sein de circuits reconfigurables. La méthode d'évaluation, rapide et efficace est basée sur l'utilisation de tests statistiques matériels proposés par l'AIS 31 [2]. L'intérêt de la méthode est d'évaluer les TRNG au sein du même circuit FPGA afin d'analyser ceux-ci dans des conditions similaires d'utilisation. La version matérielle de l'AIS 31 permet d'évaluer des TRNG présentant un débit maximal de 84.2 Mbits/s. Le coût matériel de celle-ci est de 4042 LUT, soit environ 10% d'un FPGA Xilinx Virtex 5 SX50. La méthode proposée permet de trouver facilement le débit optimal des TRNG au sein d'un circuit reconfigurable. Ainsi, l'intérêt d'une pré-caractérisation du fonctionnement d'un TRNG est prouvé. À partir de l'étude précédente, un TRNG est sélectionné pour ses propriétés statistiques. Une architecture de générateur hybride permettant de produire des nombres aléatoires uniformes à très haut débit est ensuite proposée. Cependant, malgré la qualité du générateur sélectionné, l'aléa en sortie du TRNG peut varier au cours du temps à cause d'attaques externes possibles sur le circuit, de la variation des conditions extérieures ou encore du vieillissement des composants. La qualité aléatoire de la séquence de germes produite par un TRNG est primordiale pour assurer l'imprédictibilité d'un PRNG. Afin d'améliorer la robustesse d'un TRNG, des mécanismes de tests statistiques en ligne doivent être mis en œuvre. Ainsi, une évaluation en temps réel du comportement du générateur est réalisée et les séquences défaillances générées par celui-ci sont évitées. Cette étude propose d'utiliser une implantation efficace de la batterie du FIPS 140-2. La surface négligeable du circuit au sein des FPGA actuels et les performances obtenues par le composant permettent de contrôler la qualité du TRNG sélectionné en temps réel. Un RNG hybride à très haut débit implanté sur une cible reconfigurable et au sein d'un circuit VLSI est proposé. L'étude menée sur le RNG hybride a débouché sur un partenariat industriel réalisé avec une entreprise spécialisée en cryptographie à travers le projet pôle images et réseaux SPRING (Shelf Proof Random Integrated Number Generator). Dans certaines applications, il est parfois nécessaire de générer des nombres aléatoires suivant une distribution de probabilité différente d'une loi uniforme. À partir de l'utilisation du RNG hybride proposé, l'implantation d'un générateur de nombres aléatoires gaussiens à très haut débit est présenté. Par ailleurs, le circuit implanté permet de générer efficacement des nombres aléatoires suivant une loi de Rayleigh. Après sélection d'un excellent TRNG, un PRNG à débit très élevé est recherché. La structure parallèle des automates cellulaires fait de ces PRNG une architecture très intéressante en vue d'une implantation matérielle. La seconde partie de la thèse est consacrée à la recherche de la règle optimale d'un automate cellulaire à cinq voisins. Le chapitre étudie, entre autres, le coût matériel engendré par l'implantation de tests statistiques très performants. / The purpose of a random number generator (RNG) is to produce a random binary sequence independent, unpredictable and uniformly distributed. A RNG is needed in all kinds of applications such as cryptography, telecommunications, computer simulations, testing of VLSI circuits or probabilistic algorithms. The number of embedded applications requiring hardware RNG is constantly increasing, especially in the reconfigurable circuits. In view of the physical design of a RNG, the solution is to use a hybrid generator composed of a truly random generator (TRNG) and a pseudo-random number generator (PRNG). Proving mathematically that a generator is random is usually difficult or impossible. RNGs are often evaluated using statistical tests. Evaluation of a TRNG is much more complex than PRNG testing as the TRNG quality is a function of the noise source used in the external environment and the implementation quality within the target circuit. Fischer et al. have proposed one of the first TRNG totally embedded within an FPGA. Then, a large generator number has been presented in the literature. One objective of this thesis was to propose an objective methodology for analyzing the quality of recognized TRNGs in reconfigurable circuits. The evaluation method, fast and efficient, is based on the use of hardware statistical tests proposed by the AIS 31 and the FIPS 140-2. The advantage of the method is to evaluate the TRNGs in the same FPGA chip to analyze them in similar conditions of use. The hardware version of AIS 31 allows the TRNG evaluation with a maximum throughput of 84.2 Mb/s. The material cost of it is 4042 LUTs, about 10 % of a Xilinx Virtex 5 FPGA SX50. Moreover, the method is used to find the optimal TRNG data rate for the targeted reconfigurable circuit, showing the TRNG pre-characterization interest. From the previous study, a TRNG is selected for its statistical properties. A high data rate hybrid generator is then proposed. However, despite the quality of the selected generator, the TRNG randomness can vary in time due to possible external attacks on the circuit, changes in external conditions or aging components. The quality of the seed sequences provided by a TRNG is important to ensure the unpredictability of a PRNG. To improve the robustness of a TRNG, online statistical tests must be implemented. Thus, a real-time evaluation of the generator behavior is performed and the TRNG weaknesses are filtered. This study proposes to use an efficient implementation of the FIPS 140-2 battery. The negligible area and the performance allow to control the TRNG quality in real time. A hybrid RNG implemented on a reconfigurable target and within a VLSI circuit is then proposed. The study conducted on the RNG hybrid resulted in an industry partnership. Then, in some applications, it is sometimes necessary to generate random numbers following a probability distribution different from a uniform distribution. From the use of the proposed hybrid RNG, a very high data rate Gaussian random number generator is proposed. Furthermore, the circuit can generate random numbers according to a Rayleigh law. From previous studies, a hybrid RNG is proposed for FPGA implementation and is embedded into the cryptography solution proposed by a French company. The RNG generates uniform random bits and his innovating by the TRNG real time monitoring realized by embedded the FIPS 140-2 tests. Then, the realization of two ASIC in 130 nm technology are described. The chips will allow to evaluate the performance of ASIC TRNGs. Moreover, the second circuit embeds high throughput Gaussian and Rayleigh noise generators.