Le collage direct est maintenant utilisé par un nombre croissant d'applications en microélectronique (Elaboration de SOI, technologie imager Back Side Illumination, technologies 3D...). C'est une technique d'assemblage permettant de coller deux surfaces sans apport de matière adhésive. Principalement utilisée pour le collage de wafers, elle vient en complément de techniques telles que l'épitaxie ou le dépôt de couches minces. Ce collage s'effectue sous certaines conditions : il faut que les surfaces soient suffisamment propres, planes et lisses pour qu'il y ait une adhésion spontanée à température et pression ambiante. Enfin, un traitement thermique est appliqué pour augmenter l'énergie d'adhérence. Pendant le processus de fabrication, il peut apparaître des défauts de collage qui sont essentiellement dus à un piégeage de particules. Ces défauts se présentent sous la forme de bulles d'air. Finalement, les défauts de collage et l'énergie de collage sont les deux caractéristiques à partir desquelles est déduite une qualité de collage.Aujourd'hui, la technique utilisée pour la mesure d'énergie de collage est le clivage au coin. C'est une technique qui consiste dans un premier temps à séparer partiellement deux wafers par une lame, et dans un second temps, à calculer l'énergie de collage à partir d'une équation comportementale qui intègre la longueur de décollement. Mis à part le fait qu'elle permette la mesure d'énergie seulement sur quelques points, il se trouve que c'est une technique destructive. Un contrôle non destructif serait très intéressant pour l'industrie microélectronique et spécialement pour les lignes d'inspection. De plus, les procédés de fabrication microélectronique n'étant pas uniforme, avoir la possibilité d'obtenir une cartographie d'énergie de collage serait un atout majeur. A ce jour, aucune technique respectant ces deux exigences n'est connue. L'objectif de cette étude est d'utiliser la microscopie acoustique pour mesurer l'énergie de collage.Dans cette étude, un modèle inspiré de la "méthode des matrices hybrides" a été développé afin de modéliser des collages de différentes qualités. Le résultat de la modélisation montrera que le coefficient de réflexion acoustique de la structure collée est influencé par la qualité d'interface. En se plaçant dans des conditions précises, une méthode expérimentale est alors réalisée pour la mesure de la qualité d'interface. En parallèle, des wafers de Silicium réalisés par collage direct ont été spécialement conçus pour valider la méthode. Sur ce principe, des cartographies bidimensionnelles d'énergie de collage sont réalisées.Dans un second temps, la technique est améliorée afin d'augmenter la résolution latérale. Pour cela, un transducteur ayant une lentille est utilisé pour focalisé les ondes ultrasonores en points du collage. Une étude théorique est tout d'abord menée en utilisant le modèle du "spectre angulaire" afin de simuler la diffraction par la lentille. Enfin, des cartographies expérimentales confirmeront la faisabilité de mesures d'énergie de collage hautes résolutions. / Direct bonding is used for many applications in microelectronics (SOI Silicon-On-Insulator technology, imager back side illumination technology, 3D technology...). It is a processes that consists in an assembly of two surfaces without any adhesive material. It is primarily used to bond silicon wafers and it is complementary with other microelectronics technique such as epitaxy, thin film deposition... Bonding requires special wafer surface conditions and preparations. The surfaces have to be clean, flat and smooth to obtain a spontaneous adhesion at ambient temperature and atmospheric pressure. A heat treatment is applied to increase the adherence energy. During the manufacturing process, bonding defects may appear which are due to trapping of particles. These bonding defects are essentially formed of air. Finally, bonding defects and bonding energy are the two main characteristics from which is deduced the bonding quality.Nowadays, the main technique that is used to measure the direct bonding energy is the double cantilever beam (DCB). The method consists in firstly partially separating the two wafers by a blade, and secondly calculating the bonding energy from an equation that integrates the debonding lenght. The major disadvantage of this technique is its destructiveness. Furthermore it is only possible to make measurements on few points.Thus a non-destructive characterisation could be very interesting especially for an industrial in-line inspection. Moreover, having the possibility to obtain a mapping of the bonding energy could lead to interesting development. Up to know, no technique can reach the both requirements. The aim of this work is to use the acoustic microscopy to measure the direct bonding energy.In this study, a model based on "hybrid matrix method" has been developed to model bonding with different qualities. The results of the modelling show that the acoustic reflection coefficient of the bonded structure is influenced by the quality of the interface. From these results, an experimental method is proposed to perform quality of the interface measurements from the reflection coefficients acquired under normal incidence. In parallel, silicon wafers have been bonded to validate the method. Finally, once the method validated, two-dimensional mappings of the interface quality are realised.Secondly, the technique is improved to increase the lateral resolution. For this, a transducer having a lens is used to focus the ultrasonic waves on the bonded structure. A theoretical study is conducted using the model of the "angular spectrum" to simulate the diffraction lens. Finally, experimental mapping confirm the feasibility of measuring bonding energy of high resolutions.

Les exigences de qualité des produits ainsi que des normes environnementales et énergétiques de plus en plus drastiques nécessitent le développement de technologies de fonctionnalisation de surface en particulier celles qui s’appuient sur les procédés de revêtement par dépôt de couches minces. Le contrôle de la qualité de surface revêtue présente un enjeu industriel d’envergure. En effet, il n’existe pas à l’heure actuelle de technique d’inspection non destructive qui allie à la fois rapidité, fiabilité et flexibilité pour le contrôle de l’uniformité de revêtement. Pour répondre à cette problématique, ce travail de thèse porte sur le développement d’une technique d’inspection basée sur la thermographie active. Après étude expérimentale et numérique de la réponse thermique de surfaces bicouches, nous proposons une première méthodologie d’exploitation des mesures issues d’une excitation ponctuelle (laser) et surfacique (flash(s)). L’approche mise en place s’appuie sur l’implantation d’un algorithme des moindres carrés partiels (PLS NIPALS). Celui-ci a été testé sur plusieurs matériaux conducteurs et non conducteurs et dans différentes configurations expérimentales puis comparé à la méthode de contrôle conventionnelle par courants de Foucault (pour les matériaux conducteurs). La méthode développée permet d’extraire la signature thermique intrinsèque de l’hétérogénéité d’épaisseur du revêtement. Une deuxième approche a été explorée, elle s’appuie sur la mise en œuvre des nouveaux outils que nous offre le « Deep Learning ». Les premiers résultats obtenus semblent prometteurs. L’ensemble des résultats ouvre le champ vers une exploitation industrielle de la thermographie infrarouge pour le contrôle non destructif de revêtement. / Product quality requirements as well as increasingly drastic environmental and energy standards require the development of surface functionalization technologies, particularly those based on thin film coating processes. The quality control of coated surface presents an important industrial challenge. Indeed, actually there is any non-destructive inspection technique that combines speed, reliability and flexibility for coating uniformity inspection. To respond this challenge, this work focuses on the development of an inspection technique based on active thermography. After experimental and numerical studies of thermal responses of bilayer surfaces, we propose firstly a measurement methodology based on a point (laser) and surface excitation (flash (s)). The approach is based on the implementation of a partial least squares algorithm (PLS-NIPALS). It was tested on several conductive and non-conductive materials and in various experimental configurations and compared to the conventional eddy current control method (for conductive materials). The developed method makes it possible to extract the intrinsic thermal signature of the coating thickness heterogeneity. A second approach has been explored, based on the classification algorithm based on Deep Learning tool. The first results seem promising. The overall results open the opportunity to an industrial exploitation of infrared thermography for non-destructive coating testing.

Le contrôle non destructif in-situ de durabilité des matériaux cimentaires est essentiel à la prédiction et la prévention des défauts de fonctionnement des constructions. Alors que les dégradations, et donc la perte de durabilité, des matériaux cimentaires sont déclenchées et contrôlées par les caractéristiques et les évolutions de leur microporosité, il n'existe pas à notre connaissance de méthode non destructive d'instrumentation in-situ de la microporosité elle-même. Nous proposons un concept innovant d'évaluation de la durabilité des matériaux cimentaires fondé sur l'instrumentation in-situ de leur microstructure. La méthode repose sur l'investigation ultrasonore haute fréquence de micropores individuels au moyen de micro-transducteurs ultrasoniques capacitifs (μ-cMUT) immergés en grand nombre dans le matériau. Le dispositif proposé pour répondre aux multiples contraintes applicatives et technologiques est un μ-cMUT dont la plaque vibrante est constituée d'une couche mince de nanotubes de carbone monoparoi densément alignés. Nous avons traité la question de la pertinence de ce principe d'instrumentation en modélisant par un problème élasto-acoustique microfluidique l'interaction entre la plaque vibrante d'un μ-cMUT et le fluide, air ou eau, contenu dans un pore de taille micrométrique. La spécificité du modèle réside dans la prise en compte du comportement dissipatif du fluide. La résolution de ce problème couplé a nécessité le développement d'une méthode numérique ad-hoc. Nous avons constaté numériquement que la dissipation cause une diminution des fréquences de résonance. La couche limite a une épaisseur importante par rapport à la taille du domaine. Les amplitudes de vibration des plaques sont particulièrement sensibles au contenu des pores et à la géométrie des pores remplis d'eau. Nous en avons déduit que les μ-cMUT proposés pourraient être pertinents dans les matériaux cimentaires pour le suivi de l'hydratation, pour la détection des dégradations et le suivi de leur évolution. Pour étudier la faisabilité d'un μ-cMUT à nanotubes opérationnel à haute fréquence dans l'air et l'eau, nous avons tout d'abord réalisé par diélectrophorèse des dépôts denses et minces de nanotubes bien alignés. Un des dépôts est monocouche, ce qui constitue une performance remarquable pour un dépôt par diélectrophorèse. Nous avons ensuite suspendu les nanotubes, obtenant ainsi des membranes rigides et longues. L'épaisseur de ces membranes suspendues est particulièrement faible et leur facteur de forme particulièrement élevé par rapport à l'état de l'art des cMUT. Nous avons enfin montré par vibrométrie laser que les membranes vibrent à basse fréquence avec des amplitudes atteignant 5 nm pic-à-pic. Il s'agit à notre connaissance de la première mise en évidence de vibrations de nanotubes de carbone monoparoi par vibrométrie laser. Ces résultats démontrent une brique de base essentielle de l'étude complète de faisabilité du dispositif imaginé. Ils indiquent aussi la faisabilité à court terme de microdétecteurs d'air pour le suivi de la microporosité gazeuse des matériaux cimentaires. En regroupant ainsi une étude numérique de pertinence et une étude technologique de faisabilité, la thèse constitue une contribution significative à la mise au point d'une nouvelle méthode de suivi de durabilité de matériaux cimentaires fondé sur l'immersion au coeur du matériau d'un grand nombre de microcapteurs intégrant des nanotechnologies / In-situ non-destructive testing of durability in cementitious materials is essential to the early prediction and prevention of structural failures. Whereas degradations in cementitious materials, and henceforth durability loss, are brought about and controlled by the characteristics and evolutions of microporosity, there isn't to our knowledge any method for the in-situ non-destructive testing of microporosity itself. To evaluate in-situ the durability of cementitious materials, we put forward an innovative concept based on in-situ instrumentation of their microstructure. Individual micropores are to be probed by high-frequency ultrasonic waves generated and detected by capacitive ultrasonic microtransducers (μ-cMUT) embedded in large number within the material. The vibrating plate of the μ-cMUT devices is to be made of a thin layer of densely aligned single-walled carbon nanotubes, in order for the devices to satisfy the applicative and technological requirements. Relevance of this instrumentation method has been studied : we have used an elasto-acoustical model to describe the interaction between the vibrating plate of a μ-cMUT device and the fluid (water or air) filling a pore of micrometric size. The specificity of this model lies in the integration of fluid viscosity. It has required us to develop ad-hoc solving techniques. We have found out numerically that in this problem dissipation leads to a decrease in resonance frequency compared to non-visquous acoustics. The boundary layer is large compared to the domain size. The vibration amplitudes of the plate are very sensitive to pore content and to water-filled pore geometry. We have deduced from these results that the μ-cMUT devices we envision may be relevant to study hydration and to monitor degradations in cementitious materials. Feasibility of a high-frequency, nanotubes-based μ-cMUT device operating in water or air has also be evaluated : using first a dielectrophoretic deposition technique, we have made thin, dense membranes of well-aligned nanotubes. One of our deposition reaches mono-layer thickness, which is remarkable for dielectrophoretic depositions. We have suspended the nanotubes, thus obtaining long and rigid membranes. They are very thin and have a high form factor compared to state-of-the-art cMUT devices. Finally, we have used laser vibrometry to observe membrane vibrations. Membrane vibration amplitudes reach 5 nm at low frequency. As far as we know, it is the first time vibrations of carbon nanotubes have been successfully observed with laser vibrometry. These results prove that we have overcome one of the most significant technological bottle-neck of the whole feasibility study. Moreover, they indicate short-term feasibility of air microdetectors that could be valuably employed to monitor gaseous microporosity in cementitious materials. By associating a numerical study on relevance and a technological study on feasibility, this work contributes significantly to the development of a new durability monitoring method for cementitious materials. Central to this method is the use of a large number of embedded microsensors integrating nanotechnologies

Cette étude s’inscrit dans le cadre de l’inspection en service des soudures des réacteurs nucléaires de génération IV, en vue de contribuer à la démonstration de sûreté. La structure anisotrope et hétérogène des soudures multipasses en acier inoxydable austénitique rend leur contrôle ultrasonore difficile. Ainsi, afin d'interpréter correctement les signaux mesurés et de caractériser les défauts potentiels, une description de la soudure est utilisée. Elle constitue la connaissance a priori introduite dans la méthode de l'Energie Topologique. L’étude réalisée se décline en deux temps : le développement de la méthode en milieu borné et sa comparaison avec le Matched Field Processing, puis son application au cas de soudures réelles. L'extension de la méthode de l'Energie Topologique aux milieux bornés isotropes et homogènes vise à tirer parti des réflexions multiples. Plusieurs solutions du problème numérique de propagation, obtenues pour différentes conditions aux frontières, sont judicieusement associées afin de sélectionner les échos de diffraction porteurs d'information. Selon le type de défaut à imager des énergies topologiques spécifiques sont définies. La technique est introduite analytiquement avant d'être validée numériquement puis expérimentalement.Dans un second temps, la méthode est appliquée au milieu complexe de la soudure. La procédure est testée expérimentalement sur des soudures réelles afin d'évaluer les performances en localisation. Cependant, en raison de la variabilité de la structure, la qualité de l'image peut se dégrader selon les cas d'étude. La possibilité de générer des sources arbitraires permet de pallier en grande partie cette difficulté. / The present study has been done as part of the in-service inspection of weld structure belonging to generation IV nuclear reactors. It aims at checking both the safety and integrity of these components. The anisotropic and heterogeneous structure of austenitic stainless steel welds disturbs the ultrasonic non destructive testing. Thus, a weld description model is necessary to properly analyze the ultrasonic measured signals and to characterize potential flaws. The weld model makes a priori knowledge up in the Topological Energy method. The study is divided into two parts: development of the method in a bounded medium and comparison with the Matched Field Processing method, and then its application to real weld structures.The work firstly focuses on expanding the Topological Energy method to isotropic and homogeneous bounded medium to take advantage of multiple reflections between the flaw and edges. For that, different conditions are numerically applied to boundaries. By adding up these conditions it becomes possible to select the appropriate scattering signal. Modified topological energies are defined according to the type of analyzed flaws. The approach is analytically demonstrated before being validated firstly from synthetical data and then from experimental data.The second part deals with the application of the method to the complex weld structure. The process is experimentally tested on welds in order to evaluate efficiency of flaws localization. However, the image's quality can be deteriorated because of variability of the structure. By generating arbitrary ultrasonic source this difficulty is mostly overcame.

L'imagerie de la proche surface est essentielle en géotechnique car la caractérisation et l'identification des premiers mètres du sol interviennent dans de nombreuses applications de l'aménagement du territoire. Les méthodes classiques d'imagerie sismique sont appréciées car elles sont simples de mise en oeuvre et d'interprétation. Utilisés en génie civil, ces outils ont généralement été développés initialement en prospection pétrolière. La problématique que nous abordons dans ce travail intéresse réseau de transport d'électricité (RTE) ; il s'agit d'identifier la géométrie des fondations de pylônes électriques très haute tension en utilisant des méthodes d'imagerie sismique qui ont fait leurs preuves dans le contexte de la géophysique de gisement. En particulier, nous évaluons les performances de l'inversion de la forme d'onde (FWI) et de la migration par retournement temporel. Nous présentons le principe de ces méthodes que nous mettons ensuite en oeuvre avec un outil basé sur une modélisation de la propagation d'ondes en milieu élastique 2D ; dans ce cadre, le temps de calcul de l'inversion est aujourd'hui raisonnable, ce qui est loin d'être le cas lorsqu'on considère un milieu élastique 3D. Ensuite, nous présentons les résultats d'imagerie sur données synthétiques puis réelles. Concernant les données synthétiques 2D, l'inversion permet d'identifier les dimensions de la fondation à condition que le rapport de vitesse entre la fondation et l'encaissant ne dépasse pas 3. La migration permet quant à elle d'imager de façon satisfaisante des contrastes beaucoup plus élevés. Sur données réelles, les tests que nous avons faits ne permettent pas d'identifier la géométrie de la fondation avec ces méthodes ; en réalisant l'inversion de données synthétiques 3D avec notre outil 2D, nous montrons que le caractère 3D des données est un obstacle important à l'utilisation de notre outil sur des données réelles contenant une forte signature 3D de la structure à imager. / Near surface imaging is essential for geotechnics purpose. Characterization and identification of the first layers - between 0 and 10m - of the ground is necessary for many applications of national and regional development. Classical methods of imagery arouse a great interest as they are easy to use. In general, these numerical tools used in civil engineering have been first developped by seismic petroleum companies. The issue we are tackling comes to identifying the geometry of the foundations of very high voltage electric pylons using seismic imagery methods for french electricity transport and network. In particular, we assess the performances of the full waveform inversion and the reverse time migration. First, we explain the principle of these methods and then we implement them with a tool based on 2D modelisation which involves a reasonable computing time, contrary to 3D inversion carried out with today's means. Next, we show imagery results on synthetic and real data. Concerning, synthetic data, inversion makes it possible to identify the dimensions of the foundation as long as the velocity ratio between the foundation and the bedrock does not exceed 3. As to migration, it has good results with even much higher contrasts. Concerning real data, these two methods don't succeed in identifying the geometry of the foundation ; we inverted 3D synthetical data with our tool and show that the 3D property of data is prohibitive to 2D-inversion of real data with such an important 3D signature as the one we get on the foundation data.

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leur bonne tenue mécanique et de leur faible densité. La diversité des domaines d’application des matériaux composites donne lieu à une grande variété de modes de sollicitation et d’endommagement. De ce fait, l’évaluation de leurs propriétés et le contrôle de leur état présentent un grand intérêt industriel. Dans ce travail, une nouvelle méthode d’évaluation et de contrôle non destructif dite par sonothermographie est explorée. Cette méthode est basée sur l'analyse du champ thermique induit par des ondes ultrasonores de puissance dans les matériaux absorbants tels que les composites. Deux applications complémentaires sont étudiées, d’une part l’évaluation des propriétés thermiques du matériau et d’autre part le contrôle non destructif de structures par thermographie infrarouge. Dans ce cadre, le problème direct de la sonothermographie est résolu numériquement à partir d’un modèle par éléments finis. Ce modèle permet de simuler le champ thermique induit par la propagation d’ondes ultrasonores dans un matériau absorbant dont les propriétés sont connues. Les simulations réalisées permettent de montrer l’applicabilité de la sonothermographie à la détection de défauts. Une nouvelle approche de caractérisation thermique est également développée. Cette approche basée sur la formulation faible de l’équation de conduction de la chaleur permet une estimation robuste de la diffusivité thermique du matériau à partir du champ thermique induit par les ondes ultrasonores de puissance. Des résultats expérimentaux sont présentés pour le cas de plaques minces. / The composite materials are widely used in industry because of their high mechanical resistance and low density. The diversity of composite materials application fields gives rise to a large variety of solicitation and damage conditions. For this reason, the evaluation of their properties and their health monitoring are of great industrial interest. In this work, a new method of evaluation and non-destructive testing named sonothermography is explored. This method is based on the analysis of thermal fields induced by ultrasonic waves in absorbent materials such as composites. Two additional applications are studied: the evaluation of the thermal properties of the material and the non-destructive testing of structures by infrared thermography. In this framework, the direct problem of sonothermography is solved numerically using a model based on the finite element method. This model allows to simulate the thermal field induced by the propagation of ultrasonic waves in absorbent material whose properties are known. The simulations carried out show the applicability of the sonothermography for the detection of defects. An innovative approach for thermal characterization is also developed. This approach based on the weak formulation of the heat conduction equation allows a robust estimate of the thermal diffusivity of the material from the thermal field induced by ultrasonic waves. Experimental results are presented for thin plates.

Ce travail de thèse rentre dans le cadre d'une collaboration entre l'université de Sfax et l'université du Maine. La thèse intitulée "Influence des conditions d’interfaces d’un milieu poreux saturé sur la propagation des ondes ultrasonores : analyse acoustique et diélectrique". Le travail présenté dans ce mémoire de thèse étudie les mécanismes pouvant se reproduire dans un milieu poreux saturé par un fluide incompressible, lorsqu'il est soumis à un gradient de pression pour l'étude acoustique, et un gradient de champs électromagnétique pour l'analyse diélectrique.De ce fait le présent mémoire s'intéresse à présenter deux techniques de caractérisation :i) La caractérisation acoustique où la théorie de Biot a été adoptée pour comprendre les mécanismes de la propagation des ondes ultrasonores dans les matériaux poreux saturés et étudier l'influence de changement des conditions d'interfaces sur les coefficients de réflexion et de transmission. Le cas de présence d'un défaut plan dans le volume du matériau a été traité. Dans le même objectif, l'étude de l'influence de la présence de plusieurs inclusions sphériques sur lamodification des lignes de champs de vitesses a été présentée en proposant un modèle de tortuosité adapté selon la nature de l'inclusion et le milieu poreux hôte (homogénéité et l'anisotropie).ii) L'analyse diélectrique qui permet de décrire la structure interne et l'interaction entre le solide et le fluide saturant. Des mesures diélectriques ont été effectuées sur des céramiques de silice poreuse identiques à celle utilisée lors de la caractérisation ultrasonore, afin d’étudier l'influence de l'état des surfaces latérales de l'échantillon sur l'interaction entre le fluide saturant et les surfaces intérieures de la structure poreuse.Les résultats permettent de mettre en évidence une analogie entre les comportements de l'inclusion dans le champ de vitesse du fluide et celui d'une sphère diélectrique dans un champs électrique uniforme. Des expériences acoustiques et des mesures diélectriques (spectroscopie) ont été réalisées et comparées aux simulations numériques et aux modèles théoriques dans les deux parties d'étude. / This work is part of a collaboration between the University of Sfax and the University of Maine. The thesis entitled "Influence of the interface conditions of a saturated porous medium on the propagation of ultrasonic waves: acoustic and dielectric analysis". The work presented in this dissertation examines theme chanisms that can be reproduced in a porous medium saturated by an incompressible fluid when subjected to a pressure gradient for the acoustic studyand an electromagnetic field gradient for the dielectricstudy. Consequently, the present paper is interested in presenting two techniques of characterization:i) Acoustic characterization where Biot's theory was adopted to understand the mechanisms of propagation of ultrasonic waves in saturated porous materials and to study the influence of changing interface conditions onreflection and transmission coefficients. The presence of a flat defect in the volume of the material has be entreated. The study of the influence of the presence of several spherical inclusions on the modification of the lines of velocity fields was presented by proposing a model of tortuosity adapted according to the nature of the inclusion and the porous medium host (homogeneityand anisotropy).ii) The dielectric analysis which allows to describe the internal structure and the interaction between the solidand the saturating fluid. Dielectric measurements were carried out on porous silica ceramics identical to thoseused in ultrasonic characterization in order to study the influence of the state of the lateral surfaces of the sample on the interaction between the saturating fluid and the surfaces of the porous structure.The results make it possible to demonstrate an analogy between the behavior of the inclusion in the velocity field of the fluid and that of a dielectric sphere in a uniformelectric field. Acoustic experiments and dielectric measurements (spectroscopy) were carried out and compared with numerical simulations and theoretical models in both parts of the study.

La tomographie en 2D et 3D sont largement utilisée dans l’imagerie médicale ainsi que dans le Contrôle Non Destructif (CND) pour l’industrie. Dans toutes les deux applications, il est nécessaire de réduire le nombre de projections. Dans certains cas, la reconstruction doit être faite avec un nombre d’angle de projections limité. Les données mesurées sont toujours avec des erreurs (erreurs de mesure et de modélisation). Nous sommes donc presque toujours dans la situation de problèmes inversés mal posés. Le rôle des méthodes probabilistes et de la modélisation a priori devient crucial. Pour la modélisation a priori, en particulier dans les applications NDT, l’objet à l’examen est composé de plusieurs matériaux homogènes, avec plusieurs blocs continus séparés par des discontinuités et des contours. Ce type d’objet est dit continu par morceaux. L’objet de cette thèse est sur la reconstruction des objets continu ou constante par morceaux, ou plus généralement homogène par morceaux. En résumé, deux méthodes principales sont proposées dans le contexte de l’inférence bayésienne. La première méthode consiste à reconstruire l’objet en imposant que sa transformée de Haar soit parcimonieuse. Un modèle bayésien hiérarchique est proposé. Dans cette méthode, les variables et les paramètres sont estimés et les hyper-paramètres sont initialisés selon la définition des modèles antérieurs. La deuxième méthode reconstruit les objets en estimant simultanément les contours. L’objet continu par morceaux est modélisé par un modèle markovien non-homogène, qui dépend du gradient de l’objet, et le gradient dépend aussi de l’estimation de l’objet. Cette méthode est également semi-supervisé, avec les paramètres estimés automatiquement. Ces méthodes sont adaptées aux reconstructions de grande taille de données 3D, dans lesquelles le processeur GPU est utilisé pour accélérer les calculs. Les méthodes sont validées avec des données simulées et des données réelles, et sont comparées avec plusieurs méthodes classiques. / 2D and 3D X-ray Computed Tomography (CT) is widely used in medical imaging as well as in Non Destructive Testing (NDT) for industrial applications. In both domains, there is a need to reduce the number of projections. In some cases we may also be limited in angles. The measured data are always with errors (measurement and modelling errors). We are consequently almost always in the situation of ill-posed inverse problems. The role of the probabilistic methods and the prior modelling become crucial. For prior modelling, in particular in NDT applications, the object under examination is composed with several homogeneous materials, with several continuous blocs separated by some discontinuities and contours. This type of object is called the piecewise-continuous object. The focus of this thesis on the reconstruction of the picewise continuous or constant, or more generally piecewise homogeneous objects. In summary two main methods are proposed in the context of the Bayesian inference. The first method consists in reconstructing the object while enforcing the sparsity of the discrete Haar transformation coefficients of the object. A hierarchical Bayesian model is proposed. In this method, the unknown variables and parameters are estimated and the hyper-parameters are initialized according to the definition of prior models. The second method reconstruct objects while the contours are estimated simultaneously. The piecewise continuous object is modeled by a non-homogeneous Markovian model, which depends on the gradient of the object, while the gradient also depends on the estimation of the object. In this methods, the semi-supervised system model is also achieved, with the parameters estimated automatically. Both methods are adapted to the 3D big data size reconstructions, in which the GPU processor is used to accelerate the computation. The methods are validated with both simulated and real data, and are compared with several conventional state-of-the-art methods.

La simulation opérationnelle a déjà été développée pour diverses activités dont l'exercice en conditions réelles peut s'avérer coûteux voire dangereux : le pilotage d'avion, les interventions chirurgicales, etc. L'idée consiste à remplacer la réalité par une simulation suffisamment réaliste pour donner l'impression aux utilisateurs qu'ils réalisent réellement l'activité.Le Contrôle Non-Destructif (CND) regroupe l'ensemble des méthodes mises en œuvre pour tester l'intégrité des pièces mécaniques sans les altérer. Dans ce domaine, la simulation opérationnelle n'a été introduite que très récemment par un brevet déposé par Airbus. Cette approche permet de simuler numériquement la présence de défauts sans avoir à les ajouter réellement dans les pièces. Les pièces aéronautiques étant coûteuses, la simulation opérationnelle permet de réduire les coûts liés à la formation des opérateurs, à l'évaluation des performances des méthodes ou aux tests en conditions réelles de nouvelles procédures.La présente thèse vise à développer les outils scientifiques et technologiques nécessaires à donner vie au concept de simulation opérationnelle en CND. Pour remplacer la réalité par la simulation, les défis à relever sont de trois ordres : le réalisme de la simulation, la rapidité des calculs et l'instrumentation. Nous avons choisi d'illustrer ces trois aspects dans le cadre de l'inspection par ultrasons de pièces en matériaux composites. Les modèles de simulation couramment employés --- basés sur la résolution des équations de la physique --- n'offrent pas des temps de calculs suffisamment courts pour satisfaire les pré-requis de la simulation opérationnelle. Par ailleurs, le réalisme des simulations souffre parfois de la difficulté à paramétrer correctement les modèles. Nous explorons donc une autre approche : les modèles sont construits à partir de données expérimentales. Cette stratégie est exploitée pour traiter différents types de phénomènes tels que l'endommagement par impact, le trou à fond plat ou encore les perturbations de la micro-structure des matériaux. Par ailleurs, une solution matérielle et logicielle sont proposées et un premier prototype de simulateur opérationnel est mis au point. Ce système permet d'exploiter les modèles développés et de montrer que les signaux synthétiques peuvent sembler aussi réalistes que la réalité. Cette thèse court ainsi du concept jusqu'au prototype. / Several fields have already adopted the concept of operational simulation to limit risks and costs. For instance, part of the training phase of airline transport pilots or surgerons can now rely on simulations instead of real-life situations.Non-Destructive Testing (NDT) assesses the integrity of structural and mechanical components without damaging them. Operational simulation has drawn attention of the NDT community only recently through an Airbus patent. In this field, the operational simulation can be used to simulate the presence of a defect in a component without actually inserting the defect. For expensive parts such as aeronautical structures, this approach can reduce the costs of training operators, evaluating NDT method performances or testing new procedures in real-conditions.This thesis work aims to apply the concept of operational simulation to NDT. Three main scientific and technological challenges are to be tackled: the simulation realism, the computation speed and the instrumentation. We chose to focus this study on the ultrasound NDT technique applied to composite materials. Classical simulation approaches based on physical equations are not fast enough for a real-time synthesis of ultrasound signals. Moreover, the realism is often limited by the fidelity of the inspection set-up description. For instance, the material properties are not always well-known and bring to a drop of realism. Thus, we investigate an alternative way: the models are built directly from experimental data. This strategy is applied to model the effect of several phenomena such as impact damages, flat bottom holes or material micro-structure. Hardware and software solutions are also studied to propose a first prototype. We have shown that the replacement of real signals by on-the-fly simulated ones is achievable: the simulation is realistic enough to be considered as reality by operators. thus, this thesis work brings the concept to a first prototype dedicated to ultrasound NDT.

Ce travail de thèse porte sur l'étude et le développement de stratégies innovantes pour la résolution, basée sur l'utilisation de la simulation et de la théorie de l'apprentissage statistique, de problèmes inverses dans le domaine contrôle non destructif (CND) par méthodes électromagnétiques. L’approche générale adoptée consiste à estimer un ensemble des paramètres inconnus, constituant un sous-ensemble des paramètres décrivant le scénario de contrôle étudié. Dans les cas de CND, les trois applications classiquement visées sont la détection, la localisation et la caractérisation de défauts localisés dans le matériau inspecté. Ce travail concerne d’une part la localisation et la caractérisation des fissures et d’autre part l'estimation de certains paramètres de sonde difficiles à maîtriser ou inconnus. Dans la littérature, de nombreuses méthodes permettant de remonter aux paramètres inconnus ont été étudiées. Les approches d'optimisation standard sont basées sur la minimisation d'une fonction de coût, décrivant l'écart entre les mesures et les données simulées avec un solveur numérique. Les algorithmes les plus répandus se fondent sur des approches itératives déterministes ou stochastiques. Cette thèse considère le problème de l'estimation de paramètres inconnus dans une perspective d'apprentissage statistique/automatique. L’approche supervisée adoptée est connue sous le nom de d’apprentissage par l'exemple (LBE en anglais). Elle se compose d’une première phase, dite hors ligne, pendant laquelle un « modèle inverse » est construit sur la base de la connaissance d’un ensemble de couples entrée/sortie connu, appelé ensemble d’entraînement. Une fois la phase d’apprentissage terminée et le modèle généré, le modèle est utilisé dans une phase dite en ligne pour prédire des sorties inconnues (les paramètres d'intérêt) en fonction de nouvelles entrées (signaux CND mesurés appartenant à un second ensemble dit de test) en temps quasi-réel. Lorsqu’on considère des situations pratiques d'inspection, en raison du grand nombre de variables impliquées, la création d'un modèle précis et robuste n’est pas une tâche triviale (problème connu comme la malédiction de la dimensionnalité). Grâce à une étude approfondie et systématique, l’approche développée dans cette thèse a conduit à la mise en place de différentes solutions capables d’atteindre une bonne précision dans l’estimation des paramètres inversés tout en conservant de très bonnes performances en temps de calcul. Le schéma LBE proposé dans cette thèse a été testé avec succès sur un ensemble des cas réels, en utilisant à la fois des données synthétiques bruitées et des mesures expérimentales. / The research activity of the PhD thesis focuses on the study and development of innovative strategies for the solution of inverse problems arising in the field of Non-Destructive Testing and Evaluation (NDT-NDE), based on the use of statistical learning theory. Generally speaking, the objective of the optimization stage is the retrieval of the unknown parameters within the studied electromagnetic scenario. In the case of NDT-NDE, the optimization problem, in terms of parameters to estimate, is divided into three stages, namely detection, localization and characterization. This work mainly addresses localization and characterization of crack(s) and/or estimation of probe(s) parameters. Unknown parameters, constituting a subset of the parameters set describing the electromagnetic scenario, are robustly estimated using several approaches. Standard optimization approaches are based on the minimization, by means of iterative approaches like stochastic and/or deterministic algorithms, of a cost function describing the discrepancy between measurements and prediction. This thesis considers the estimation problem in a machine learning perspective, adopting well known Learning-By-Example (LBE) paradigm. In a so-called offline phase, a surrogate inverse model is first fitted on a set of known input/output couples, generated through numerical simulations. Then, in a so-called online phase, the model predicts unknown outputs (the parameters of interest) based on new inputs (measured NDT signals) in quasi-real time. When considering practical inspection situations, due to the large number of variables involved (known as curse of dimensionality), obtaining an accurate and robust model is not a trivial task. This thesis carries out a deep and systematic study of different strategies and solutions to achieve simultaneously good accuracy and computational time efficiency in the parameters estimation. Moreover, a particular emphasis is put on the different approaches adopted for mitigating the curse of dimensionality issue. The proposed LBE schema has been tested with success on a wide set of practical problems, using both synthetic noisy data and experimental measurements.