De très nombreux dispositifs de communication sans fil fonctionnant dans des bandes de fréquences différentes sont déployés dans le monde du ferroviaire afin de répondre à la multitude des usages et des besoins, des applications de contrôle-commande mettant en jeu la sécurité aux applications non vitales (Information voyageur, vidéo surveillance, télévision embarquée, etc..). Ces applications sont associées à des exigences de Qualité de service qui nécessitent des techniques d’estimation et de synchronisation performantes. Ces systèmes de communications s'appuient sur des standards qui reposent aujourd'hui sur deux technologies clefs: l'OFDM (Orthogonal Frequency-division Multiplexing) et le MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). La combinaison MIMO-OFDM permet d'allier les avantages des deux méthodes. Cependant, l'orthogonalité entre les sous-porteuses du système MIMO-OFDM est mise à mal par les interférences entre porteuses provoquées par l'effet Doppler et l'offset de fréquence et le bruit de phase variant entre les oscillateurs à l'émission et à la réception. Ainsi, les techniques classiquement utilisées pour l'estimation de canal ou l'égalisation dans un environnement statique, fonctionnent de manière très dégradée en présence d'interférences entre sous-porteuses.L'objet de cette thèse vise à développer de nouvelles méthodes et des algorithmes d'estimation et de synchronisation du canal très sélectif en temps et en fréquence afin de permettre l'évolution des systèmes de communication vers des standards mieux adaptés aux liaisons mobiles à grande vitesse. Il convient de distinguer le cas où le canal de propagation ne varie pas pendant la durée d'un symbole OFDM et celui où il varie. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes focalisés sur le deuxième cas. Nous avons d'abord développé un algorithme basé sur le filtre de Kalman étendu et la décomposition QR pour les transmissions MIMO-OFDM. Nous faisons d'abord une approximation du modèle d'expansion de base (BEM) pour les variations temporelles des gains complexes. Notre algorithme modélise l'évolution des coefficients de BEM à l'intérieur d'un symbole OFDM par un modèle auto régressif (AR). Puis, nous présentons un offset de fréquence normalisé appelé CFO normalisé dans la transmission du système OFDM qui introduit les interférences entre porteuse (IEP). Cet offset de fréquence est également modélisé par un modèle AR. La faculté du filtre de Kalman étendu nous permet d’estimer de manière conjointe ce CFO et les coefficients BEM. L'algorithme utilise un détecteur QR pour estimer les symboles de données. Cet algorithme a montré de bonnes performances pour des récepteurs à vitesses très élevées.Notre deuxième contribution consiste en un algorithme qui s'appuie sur le premier algorithme pour résoudre l'IEP dû au bruit de phase existant dans l'oscillateur du récepteur, ainsi que l'IEP dû à l'effet Doppler, mais en se limitant au cadre SISO. Ici, nous considérons que le bruit de phase présente une grande variance à l'intérieur d'un symbole OFDM et également entre les deux symboles OFDM suivants. Le bruit de phase est modélisé par un processus Brownien. Ensuite, le filtre de Kalman étendu estime le vecteur des coefficients de BEM et le vecteur du bruit de phase dans les symboles OFDM. Cet algorithme est très performant et présente un BER remarquable dans les cas où la connaissance du canal et du bruit de phase est mauvaise voire inexistante. / Numerous wireless communication devices operating in different frequency bands are deployed in the railway domain to answer the multitude of uses and needs, from control and command applications involving safety to non-critical applications (passenger information, video surveillance, on board TV, etc.). These applications are associated with quality of service (QOS) requirements that need estimation techniques and synchronization performance.These communications systems are based on standards that rely on two key technologies: OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) and MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). The combination of MIMO and OFDM permits to benefit from the advantages of both methods. However, the orthogonality between subcarriers of OFDM-MIMO system is destroyed by inter-carrier interference caused by the Doppler effect and frequency offset and phase noise varying between oscillators at transmission and at reception. Thus, the performances of the techniques conventionally used for channel estimation and equalization in a static environment are considerably destroyed in the presence of interference between subcarriers.The purpose of this thesis is to develop new methods and algorithms for estimation and synchronization in very selective channel in time and frequency to allow the evolution of communication systems towards standards that will match better with high speed vehicular communications. It is important to distinguish the case where the propagation channel does not vary during the OFDM symbol duration and when it varies. In this thesis, we focused on the latter.We first developed an algorithm based on the Extended Kalman Filter and the QR decomposition for MIMO-OFDM transmissions. We first approximate the Expansion Model as a basis for temporal variations in complex gains. Our algorithm models the evolution of BEM coefficients within an OFDM symbol by an auto regressive model (AR). Then, we present a normalized frequency offset called normalized CFO in OFDM transmission system that introduces interference between carriers (IEP). This frequency offset is modeled by an AR model. Properties of Extended Kalman filter allow us to estimate simultaneously the two unknown variables, a vector of coefficients, the other BEM normalized frequency offset. The QR algorithm uses a detector to estimate the data symbols. This algorithm presented good performance for receivers at very high speeds. Our second contribution consists of an algorithm that uses the first algorithm to solve the IEP due to phase noise existing in the oscillator of the receiver, and the IEP due to the Doppler effect, but limited to SISO case. Here, we consider that the phase noise has a large variance within one OFDM symbol and also between the two following OFDM symbols. The phase noise is modeled by a Brownian process. Then, the Extended Kalman filter estimates the vector of coefficients of BEM and the vector of phase noise in OFDM symbols. This algorithm is very effective and has a remarkable BER performance when knowledge of the channel and phase noise is poor or nonexistent.

Une description des différentes configurations d’interaction ayant lieu dans les matériaux usuellement employés dans le domaine acousto-optique est proposée. Un exemple d’application illustre les caractéristiques déterminantes propres à chaque fonction que permet l’interaction acousto-optique, à savoir la modulation, la déviation, le décalage en fréquence et le filtrage d’un faisceau optique. Cette thèse est plus particulièrement consacrée aux interactions acousto-optiques anisotropes dans le cristal de Paratellurite, matériau majoritairement employé pour les applications de déflexion et de filtrage de par ses qualités photo-élastiques remarquables et son large domaine de transparence optique. Ces propriétés optiques, acoustiques et acousto-optiques sont décrites en détail. Nous nous intéressons plus particulièrement aux caractéristiques de l’interaction NPM (Narrow Phase Mismatch) et TPM (Tangent Phase Mismatch), respectivement employées pour le filtrage et la déflexion. Ceci nous conduit à l’étude de la bande passante spectrale d’un déflecteur et de sa potentielle application en tant que réseau de diffraction à bande passante et périodicité spatiale modulable. Ensuite nous proposons la mise en cascade d’un déflecteur et d’un filtre dans le but de concevoir un décaleur de fréquence variable à faible décalage. Enfin, nous proposons une configuration originale pour répondre aux contraintes d’utilisation rencontrées avec l’interaction NPM pour les applications de filtrage. La conception et la réalisation d’un composant multiélectrodes à interaction double est alors présentée dans la gamme spectrale [400; 650 nm]. La configuration proposée permet à la fois de réduire de 50% l’intensité des lobes secondaires tout en homogénéisant la bande passante optique du filtre sur sa bande spectrale de travail. / The different configurations of acousto-optic interactions taking place in usual employed materials are presented. For each function (modulation, deflection, shifting and filtering), an exemple of application highlights the decisive characteristics of the component. This thesis is particularly devoted to the anisotropic interactions occuring in Paratellurite crystal. Such material is widely used for filtering and deflection applications due to its high figure of merit and also for its large optical transparency domain, from Ultra-Violet to Infra-Red. Optical, acoustical and acoustooptical properties of Paratellurite cristal are detailed. More precisely, we are interested in anisotropic interactions, in particular NPM (Narrow Phase Mismatch) and TPM (Tangent Phase Mismatch), respectively employed for Acousto-Optic Tunable Filters (AOTF) and Acousto-Optic Deflectors (AOD). This leads to the study of the optical bandwidth of a deflector with a potential application as a tunable transmissive grating beam splitter for multiple laser line separation. Then, we propose to cascade an AOTF with an AOD in order to get a wide bandwidth tunable optical low frequency shifter. Finally, we present the design and fabrication of a multi-transducer component based on dual anisotropic interaction in the visble spectral range, from 400 to 650 nm. A significative reduction of sides lobes is observed (-50%) with an homogenisation of the optical bandwidth of the filter on its spectral working range.

A l’aide d’un interféromètre différentiel à quadrature de phase nous mesurons les fluctuations thermiques de la déflexion d’un micro-levier. Il est alors possible de déduire différentes propriétés mécaniques du levier telles que raideur, fréquences de résonance, facteurs de qualité etc. Dans un tel système, la précision maximale sur les mesures est limitée par le bruit de grenaille des photodiodes (shot-noise). Afin d’augmenter le rapport signal sur bruit, nous augmentons l’intensité lumineuse du laser de mesure, diminuant ainsi le bruit de fond des spectres de fluctuations thermique. En revanche, l’augmentation de l’intensité du laser a pour effet de décaler vers les basses fréquences les résonances du levier. Une première partie de ce travail de thèse a pour objectif la compréhension de ce phénomène. Ainsi, nous associons le décalage en fréquence à un échauffement du levier par le laser de l’interféromètre et au flux de chaleur associé le long du levier. Nous développons alors un modèle permettant de relier cet effet à la température de l’extrémité du levier en se basant sur un profil de température linéaire. Une seconde partie de ce travail vise à mesurer la température effective d’un levier à l’aide d’une extension du théorème fluctuation-dissipation. Nous montrons que les fluctuations de ce système hors équilibre sont plus faibles que celles attendues compte tenu du profil de température. Nous cherchons alors à identifier l’origine de ce déficit de fluctuations. Dans une dernière partie nous estimons les profils de température sur des leviers en faisant varier leurs paramètres géométriques ou leur coefficient d’absorption, ainsi que la position du laser chauffant le levier. / Thanks to a home made quadrature phase differential interferometer, we measure the thermal fluctuations ofa cantilever. It is then possible to infer various mechanical properties such as eigenfrequencies, stiffness,quality factor, etc. In such system, the maximal precision on the measure is limited by the shotnoise of thephotodiodes. To increase the signal-noise ratio we raise the light intensity of the laser, lowering thebackground noise. Doing so, the cantilever eigen frequencies shifts to lower values. A fisrt part of this thesiswork has for objective the understanding of this phenomenon. Thus, we associate this frequency shift with aheating of the cantilever by the laser. We develop a model linking this effect to the temperature at the freeend of the cantilever assuming a linear temperature profile.A second part of this thesis leads us to estimate the effective temperature of a cantilever using thefluctuation-dissipation theorem. We show that the fluctuations of our out of equilibrium system are lower thanthe fluctuations expected at equilibrium.In the last part, we estimate the temperature profiles on cantilevers by varying their geometry, absorptioncoefficient and laser position.

Le phénomène d'instabilité de la structure de fluide se produit fréquemment dans le système d'écoulement polyphasé des régimes sous-critiques de Reynolds, et le phénomène de vibrations de câbles de sustentation de ponts provoquées par la pluie (sigle RWIV en anglais) est considéré comme un exemple en génie civil pour caractériser l'instabilité causée par les interactions fluide-structure. Le RWIV est supposée être un nouveau type de vibrations; régulièrement accompagné de deux phénomènes significatifs: le ruisseau supérieur vibre circonférentiellement et la fréquence du vortex de Von Karman se déplace vers une valeur beaucoup plus faible par rapport à la fréquence attendue. Les phénomène est observé habituellement sur les haubans du pont à hauban immobilisé. En raison des mécanismes de couplage complexes, le mécanisme de RWIV n'a pas été complètement décrit par les chercheurs précédents. La plupart ont mis l'accent sur les observations sur le terrain et les aspects expérimentaux en soufflerie, mais rarement sur la simulation numérique. Pour élaborer un cadre numérique systématique, nous abordons le modèle non couplé, le modèle faiblement couplé, le modèle couplé, et le modèle multiphasique multi-échelle (MMM). L'objectif est de mettre en place un modèle numérique avec une grande exactitude et précision pour RWIV, et de reconnaître et clarifier le mécanisme de RWIV, diverses enquêtes numériques ont été réalisés dans cette thèse.Pour simuler les effets de la pluie/l’eau pluviale (eng. rainwater) comme un ruisseau artificiel (fixé / solide mobile attaché / oscillé le long de la circonférence de hauban immobilisé) lorsque RWIV se produit, la méthode séparée est mise en œuvre sur la base des équations incompressibles de Navier-Stokes en combinaison avec la simulation monotone intégré des grandes échelles (MILES) pour évaluer les sous-grille termes de pression. Les effets des ruisseaux artificiels de différentes positions le long de la circonférence de hauban immobilisé sur la structure de formation de tourbillons derrière le hauban, la distribution de pression à travers le hauban, et la force aérodynamique fréquence dominante du hauban sont analysés. Cependant, les enquêtes indiquent les positions de ruisseau artificiel le long de la circonférence du hauban affectent très faiblement la fréquence du vortex de Von Karman proche le sillage du hauban.Pour capturer l'évolution dynamique de la morphologie de l’eau pluviale , le modèle semi-couplé simplifie les équations incompressibles de Navier-Stokes avec la théorie de lubrification sur l'hypothèse qu'un mince film d'eau environnante autour du hauban. Les enquêtes indiquent que l’eau pluviale rassemble aux endroits près des points de séparation, et forme deux ruisseaux symétriques le long de la circonférence du hauban. Cependant, la vibration circonférentielle du ruisseau supérieur et les phénomènes de décalage de fréquence accompagnant RWIV ne peuvent être résolus et expliqués clairement.Afin d'améliorer le modèle de semi-couplé à suivre l'évolution de la morphologie de l’eau pluviale, la méthode du Volume-de-Fluide (VOF) combinée avec les équations incompressibles de Navier-Stokes est utilisée dans le modèle couplé. L ‘évolution hautement non linéaire du ruisseau de la pluie le long de la circonférence du hauban immobilisé et les caractéristiques aérodynamiques du hauban de séjour peuvent être obtenus et analysés. Les résultats indiquent que le ruisseau de la pluie est formé près des points de séparation le long de la circonférence du hauban; la zone de pression négative le long de la circonférence du hauban est pré-requise pour la formation de ruisseau supérieur. / A fluid structure instability phenomenon frequently occurs in the subcritical Reynolds regimes multiphase flow system, and rain--wind-induced vibration (RWIV) is taken as an example in civil engineering to characterize the aeroelastic instability caused by fluid-structure interactions. RWIV is hypothesized to be a new type of vibration; regularly accompanied by two significant phenomena: the circumferentially vibrating upper rivulet and the Von Karman vortex shedding frequency shift to a much lower value compared with the convectional evaluation; and customarily observed from the stay cables of cable--stayed bridge. Due to the complicated interactions mechanisms in the liquid-gas-solid system, the mechanism of RWIV has not been thoroughly solved and recognized by the previous researchers. Most have focused on the research topic from the field observation, the analytical dynamic model, and the wind tunnel experiment aspects, but rarely on numerical investigation aspect. To develop a systematic numerical framework, including the separated model, the semi-coupled model, the coupled model, and the multiphase multi-scale model (MMM) distinguished by different ways to simulate the rain effects when RWIV occurs, to establish highly accurate and precise numerical model for RWIV, and to recognize and clarify the mechanism of RWIV, various numerical investigations have been made in this thesis.To simulate the rain effects as an artificial rivulet (fixed/moving solid attaching/oscillating along the circumference of stay cable) when RWIV occurs, the separated method is implemented based on the incompressible Navier-Stokes equations in combination with the monotone integrated large eddy simulation (MILES) to evaluate the sub-grid stress terms. The effects of various artificial rivulet positions along the circumference of stay cable on the vortex shedding structure behind the cable, pressure distribution around the cable, and the aerodynamic force of the cable are analyzed. However, investigations indicate the positions of artificial rivulet along the circumference of cable extremely weakly affect Von Karman vortex shedding frequency near the wake of the cable.To capture the dynamic rainwater morphology evolution, the semi-coupled model simplifies the incompressible Navier-Stokes equations with the lubrication theory on the assumption that a thin water film surrounding around the cable. The investigations indicate the rainwater gathers at the locations near the separation points, and forms two symmetrical rivulets along the circumference of cable. However, both the circumferentially vibrating upper rivulet and the frequency shift phenomena accompanying RWIV cannot be solved and explained detailedly and clearly. To improve the semi-coupled model on tracking the rainwater morphology evolution, volume-of-fluid (VOF) method combined with incompressible Navier-Stokes equations is employed in the coupled model. Both the high-nonlinear rainwater rivulets evolution along the circumference of cable and the aerodynamic characteristics of stay cable can be obtained and analyzed. The results indicate rainwater rivulet are formed near the separation points along the circumference of cable; the negative pressure zone along the circumference of cable provides a prerequisite for the formation of upper rivulet. However, the computational efficiency is reduced due to the smaller droplets scatter in the surrounding air, furthermore, the assumptions, surrounding the stay cable with the constant volume of rainwater, cannot reflect the real physical conditions (i.e., rain infall process) and cannot obtain the real aerodynamic force from physical aspect.