L'utilisation diversifiée des composites renforcés par des fibres, par exemple dans le corps des avions, des bateaux ou des voitures, génère une demande croissante d'analyse de ces matériaux. Le but final de notre étude réside dans l'optimisation de ces matériaux fibreux à l'aide d'un " schème de conception de matériaux virtuels ". De nouveaux matériaux fibreux sont créés virtuellement en tant que réalisations d'un modèle stochastique, puis évalués par rapport à leurs propriétés physiques. De cette manière, les matériaux peuvent être optimisés pour des cas d'utilisation spécifique, sans réellement construire de coûteux prototypes ou faire des tests mécaniques. La reconstruction virtuelle du matériau réel demande une connaissance précise de la géométrie de sa microstructure. La première partie de cette thèse décrit une méthode de quantification de fibres à l'aide de mesures locales de leurs rayons et de leurs orientations. La combinaison de la transformée " chord length " et des moments d'inertie locaux apporte une méthode efficace et précise pour déterminer ces propriétés. Cette approche surpasse les méthodes existantes par rapport à la possibilité de traiter des fibres de rayons variés, possède une précision accrue, et un temps de calcul rapide. Cette méthode de quantification locale peut être appliquée directement sur des images à niveaux de gris en adaptant la transformée en distances directionnelles dans le cadre des images à niveau de gris. Dans ce travail, plusieurs approches de ce type sont développées et évaluées. Une caractérisation supplémentaire des systèmes de fibres requiert la segmentation de chaque fibres. Ce sujet est traité dans la deuxième partie de cette thèse. Grâce à l'utilisation d'opérateurs morphologiques avec des formes explicites d'élément structurant, il est possible de dériver une probabilité pour chaque pixel, de faire partie du cœur de la fibre dans une région où les fibres ne se croisent pas. En traçant des chemins de probabilité élevée, il est possible de reconstruire des parties non connexes du cœur des fibres. Dans un second temps, ces parties sont reconnectées à travers des zones critiques, sous des contraintes assurant que celles ci font effectivement partie de la même fibre. Dans la troisième partie de ce travail, nous développons un nouveau modèle stochastique de système dense de fibres sans intersection avec un niveau de courbure contrôlable. Les approches existantes de la littérature possèdent au moins une des faiblesses suivantes : la fraction volumique produite n'est pas assez élevée, les fibres peuvent se croiser, la distribution d'orientation ainsi que la courbure des fibres n'est pas contrôlable. Ce manque peut effectivement être comblé avec notre modèle, qui fonctionne en deux étapes. Une première étape utilise une marche aléatoire pour définir des fibres dont la courbure est liée à une distribution de von Mises-fisher. Une deuxième étape utilise un algorithme d'empilement pour produire une configuration sans imbrication. En outre, on propose des estimateurs pour tout les paramètres de notre modèle, afin de l'adapter à une microstructure réelle. Dans la dernière partie du manuscrit, on simule numériquement le comportement macroscopique des différentes microstructures étudiées pour obtenir leurs propriétés mécaniques et thermiques. Cette partie est basée sur des logiciels existants et consiste essentiellement à résumer l'état de l'art de la simulation physique de systèmes de fibres aléatoires. L'application à un polymère renforcé par des fibres de verre démontre la qualité des reconstructions de la microstructure réelle obtenues par notre modèle. Cette thèse inclus toutes les étapes nécessaires pour effectuer la conception de matériaux virtuels. Des algorithmes nouveaux et efficaces ont été développés afin d'enrichir les connaissances et les possibilités d'analyse et de modélisation des matériaux composites renforcés par des fibres.

Dans cette thèse, nous explorons premièrement la notion de directionnalité lors de la conception de repères d'ondelettes du plan. Cette propriété, qui semble essentielle pour la vision biologique, donne lieu à une meilleure représentation des contours d'objets dans les décompositions d'images utilisant ces repères. Elle génère en outre une redondance supplémentaire qui exploitée à bon escient, permet par exemple de réduire les effets d'un bruit additif (gaussien). Nous montrons également comment cette directionnalité, généralement perçue comme un paramètre figé, peut être adaptée localement aux éléments d'une image. Nous définissons ainsi le concept d'analyse d'images multisélective. Dans ce cadre, des règles de récurrence héritées d'une analyse multirésolution circulaire associent des ondelettes d'une certaine sélectivité angulaire pour générer des ondelettes de plus faible directionnalité jusqu'à l'obtention d'une ondelette totalement isotrope. Dans le cas d'un repère d'ondelettes linéaire, ces différents niveaux de sélectivité ont la possibilité de s'ajuster localement au contenu d'une image. Nous constatons par ailleurs que cette adaptabilité fournit de meilleures reconstructions que les méthodes à sélectivité fixe lors d'approximations non linéaires d'images. Cette thèse traite ensuite du problème de l'analyse de données représentées sur la sphère. Il a été établi précédemment [AV99] que la transformée continue en ondelettes (CWT) s'étend à cet espace par l'emploi d'une dilatation stéréographique respectant la compacité de S2. Dans certain cas, il est utile de réduire la redondance de cette transformée, ne fut ce que pour faciliter le traitement des données dans l'espace multi-échelle généré. Nous étudions par conséquent comment créer des repères sphériques semi-continus, où seule l'échelle est échantillonnée, et totalement discrétisés. Nous tirons parti dans ce dernier cas de grilles sphériques équi-angulaires et des règles de quadrature associées pour obtenir des conditions suffisantes à la reconstruction des fonctions analysées. Les capacités d'analyse et de synthèse de repères d'ondelettes DOG sont également testées sur des exemples de données sphériques. Une dernière partie de ce document est dédiée à l'étude d'un objet physique étonnant : la couronne solaire. Cette couche extérieure du soleil est observée depuis 1996 par l'expérience EIT à bord du satellite SoHO dans différentes longueurs d'onde de l'ultraviolet lointain. La compréhension physique des multiples phénomènes apparaissant dans la couronne solaire passe par le traitement automatique des images EIT. Dans cette tâche, nous nous limitons à deux problèmes particuliers. Nous utilisons premièrement la CWT et sa capacité à analyser la régularité locale d'une image pour gommer les traces laissées par les rayons cosmiques, majoritairement non solaires, sur les enregistrements EIT. Deuxièmement, la couronne solaire contient des éléments de faible taille (<60arcsec) nommés points brillants (ou BPs pur Bright points). Ceux-ci trouvent leur origine dans l'échauffement local du plasma coronal sous l'action du champs magnétique solaire. En abordant une approche similaire à celle développée en [Bij99], nous étudions comment sélectionner et caractériser ces BPS en décomposant une image en ses objets constitutifs. Ces derniers sont issus de tubes de maxima dans la description multi-échelle de l'image, c'est-à-dire d'une généralisation discrète des lignes de maxima de la CWT.

Lorsqu'un champ magnétique est appliqué au cours de la solidification directionnelle, une convection dans la phase liquide peut être induite par l'effet thermoélectrique. En effet la présence d'un gradient de température le long du front de solidification peut provoquer la circulation du courant thermoélectrique, qui interagit avec le champ magnétique appliqué pour créer un écoulement (convection thermo électromagnétique-TEMC). Les conditions de transport de soluté et de l'énergie sont affectées par cette convection, donc il y a influence sur l'espacement des dendrites et la macro-ségrégation des composants de l'alliage. Dans ce travail, l'influence du champ magnétique sur la solidification directionnelle d'alliages métalliques est étudiée. Des travaux expérimentaux de la solidification directionnelle de Sn-Pb et Sn-Bi alliages sont réalisés. La solidification directionnelle dans la configuration Bridgman est effectuée avec ou sans champ magnétique appliqué. L'influence, sur la solidification, du champ magnétique et d'un courant électrique (AC et DC) appliqués est étudiée. Les mouvements du liquide provoquent de fortes macro-ségrégations ainsi qu'un modification des espacements interdendritiques. Les résultats expérimentaux sont interprétés à la lumière d'une modélisation heuristique. Le cas d'un champ magnétique tournant a été aussi étudié. Ainsi, la valeur de la rotation du champ est choisie pour ralentir assez brassage électromagnétique sans pour autant supprimer les effets de TEMC. À faible vitesse de tirage et faible vitesse de rotation faible champ une macro-ségrégation en forme de spirale a pu être obtenue.

Les régions de montagne sont parfois le siège de phénomènes dévastateurs brutaux, tels que les éboulements, les glissements de terrains, ou encore les avalanches. Fondamentalement, ces phénomènes sont issus de la rupture d’un volume de matériau qui va alors s’écouler sous l’effet de son poids propre. Prévoir ces phénomènes impose donc de mieux décrire la phase initiale de rupture. Ce travail de thèse s’inscrit dans cette volonté, en considérant le cas très général de la rupture dans un milieu granulaire. Pour cela, des simulations numériques utilisant une méthode aux éléments discrets ont été mises en œuvre, afin de vérifier la pertinence des critères usuels de rupture et d’instabilité. Dans un second temps, des analyses plus fines basées sur le travail du second ordre calculé à partir des variables microscopiques ont été menées afin de cerner comment évolue la microstructure de l’assemblage granulaire juste avant et pendant la rupture. Finalement, l’influence du chemin de chargement et des paramètres de contrôle sur la nature (effective ou non effective) et le mode (diffus ou localisé) de rupture a été examinée à travers une série d’essais biaxiaux sur deux échantillons numériques bidimensionnels (dense et moyennement dense). / Landslides and avalanches are the most common brutal and devastating natural hazards in mountain regions. Basically, these phenomena are derived from the failure of a material volume which will then flow under the effect of its own weight. Therefore, predicting these phenomena requires a better description of the initial phase of failure. This work comes within this willingness, considering the very general case of failure in granular media. For this purpose, numerical simulations using a discrete element method were carried out in order to investigate the relevance of the common failure and instability criteria. In a second step, more detailed analyses based on the second order work computed from the microscopic variables were conducted in order to describe the evolution of the microstructure of a granular assembly just before and during the failure. Finally, the influence of the loading path and the control parameters on the nature (effective or non-effective) and the mode (diffuse or localized) of failure was discussed through a series of biaxial tests performed on two-dimensional numerical samples depicting respectively a dense and a medium dense dry sand.

Lorsqu'un champ magnétique est appliqué au cours de la solidification directionnelle, une convection dans la phase liquide peut être induite par l'effet thermoélectrique. En effet la présence d'un gradient de température le long du front de solidification peut provoquer la circulation du courant thermoélectrique, qui interagit avec le champ magnétique appliqué pour créer un écoulement (convection thermo électromagnétique-TEMC). Les conditions de transport de soluté et de l'énergie sont affectées par cette convection, donc il y a influence sur l'espacement des dendrites et la macro-ségrégation des composants de l'alliage. Dans ce travail, l'influence du champ magnétique sur la solidification directionnelle d'alliages métalliques est étudiée. Des travaux expérimentaux de la solidification directionnelle de Sn-Pb et Sn-Bi alliages sont réalisés. La solidification directionnelle dans la configuration Bridgman est effectuée avec ou sans champ magnétique appliqué. L'influence, sur la solidification, du champ magnétique et d'un courant électrique (AC et DC) appliqués est étudiée. Les mouvements du liquide provoquent de fortes macro-ségrégations ainsi qu'un modification des espacements interdendritiques. Les résultats expérimentaux sont interprétés à la lumière d'une modélisation heuristique. Le cas d'un champ magnétique tournant a été aussi étudié. Ainsi, la valeur de la rotation du champ est choisie pour ralentir assez brassage électromagnétique sans pour autant supprimer les effets de TEMC. À faible vitesse de tirage et faible vitesse de rotation faible champ une macro-ségrégation en forme de spirale a pu être obtenue. / If magnetic field is applied during directional solidification, liquid phase convection can be induced by means of thermoelectromagnetic effect. Temperature gradient at the solidification front can cause thermoelectric current circulation, which then interacts with field and creates convection (Thermoelectromagnetic convection-TEMC). Solute and energy transport conditions are affected by this convection, thus it influences dendrite spacing and macrosegregation of the alloys. In this work magnetic field influence on the directional solidification of metallic alloys is studied. Experimental work of directional solidification of Sn-Pb and Sn-Bi alloys is done. Alloys are directionally solidified in Bridgman setup without or with applied magnetic field. Influence on the structure by magnetic field and applied electric current (AC and DC) is studied in this work. Analytical and experimental results are compared and interpreted. Bridgman solidification under rotating transverse magnetic field is studied as well, field rotation value is chosen to be slow enough that electromagnetic stirring does not fully suppress effects of TEMC. At low pulling velocity and low field rotation velocity spiral shaped component macrosegregation can be achieved.

Les données de télédétection dans l'infrarouge thermique (IRT) sont une source indispensable d'information pour estimer les flux de surface et suivre le fonctionnement des agro-écosystèmes. Cependant, les mesures de température de surface sont sujettes à des effets directionnels très importants (présence de 'hot spot') pouvant entraîner une erreur allant jusqu'à une dizaine de degrés Celsius. Ils doivent être pris en compte en vue des applications opérationnelles. Le travail proposé ici vise à modéliser l'anisotropie directionnelle des couverts végétaux pour mettre au point des méthodes opérationnelles de correction des mesures satellitaires de température de surface. Il est largement motivé par les projets du CNES visant à élaborer une mission spatiale nouvelle combinant une haute résolution spatiale et des capacités fortes de revisite dans l'IRT. Deux étapes de travail ont été menées. La première repose sur l'utilisation du modèle déterministe de transfert Sol-Végétation-Atmosphère SCOPE (Soil Canopy Observation, Photochemistry and Energy fluxes), capable de simuler les radiances directionnelles dans l'optique et l'IRT. Dans ce manuscrit, il est validé par rapport à des mesures de terrain et sa capacité à simuler correctement les effets d'anisotropie démontrée. Il est ensuite utilisé pour étudier de façon systématique la sensibilité de l'anisotropie directionnelle à la structure de la canopée, à son état hydrique, au forçage météorologique et aux configurations angulaires solaire et de visée. Les conséquences en terme d'impact combiné des caractéristiques orbitales des satellites, de la position géographique des sites observés et de la date d'acquisition sur l'anisotropie sont discutées. La seconde étape vise à proposer un modèle paramétrique simplifié (dit RL). SCOPE est ici utilisé en tant que générateur de données. Le modèle RL se révèle robuste et capable de restituer avec succès les signatures directionnelles sur le plan géométrique (position du hot spot) comme pour l'amplitude des effets directionnels. Une comparaison avec le seul autre modèle paramétrique utilisé jusqu'alors en télédétection IRT (le modèle de Vinnikov) confirme les qualités du modèle RL, ce qui en fait un candidat potentiel pour les chaines de traitement des futures données satellitaires. / Remotely-sensed data in thermal infrared (TIR) are an essential source of information to estimate surface fluxes and to monitor the functioning of agro-ecosystems. However, surface temperature measurements are prone to directional effects ('hot spot' phenomenon)which may result in an error up to 10°C. They have to be taken into account in the framework of operational applications. The work proposed here aims at modelling the directional anisotropy of continuous vegetated canopies in order to develop operational methods for correcting land surface temperature measurements carried out by TIR satellites. This work is mainly motivated by the CNES projects aiming at developing a new TIR spatial mission combining both high spatial resolution and high revisit time capacities. Two steps were carried out. The first is based on the use of the deterministic SVAT model SCOPE (Soil Canopy Observation, Photochemistry and Energy fluxes), able to simulate directional radiances at top of canopy in both optical and TIR domains. In this thesis, it is validated against experimental measurements and its ability to successfully simulate TIR directional anisotropy demonstrated. Then it is used to study the sensitivity of anisotropy to canopy structure, water status of soil and vegetation, meteorological forcing and solar and observer angular configurations. The consequences of the combined features of satellites orbits, geographical position of the scanned sites and acquisition date on anisotropy are discussed. In the second part, we propose a simplified parametric model (called 'RL'). SCOPE is used as a data generator. The RL model is deemed suitable and able to correctly reproduce directional signatures both in terms of geometry (hot spot position) and amplitude of these effects. A comparison with the only one parametric model previously used in TIR remote sensing (Vinnikov's approach) confirms the good capacities of the RL model. The RL model is thus a potential candidate to the future satellite processing chains.

Dans cette thèse, nous utilisons différentes nanostructures plasmoniques pour contrôler l'émission de lumière excitée électriquement. Notre émission électrique provient d'une "nanosource STM" qui utilise le courant tunnel inélastique entre la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM) et un échantillon métallique, pour exciter localement les plasmons polaritons de surface localisés et propagatifs. L’interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique circulaire (une série de fentes concentriques gravées dans un film d'or épais) produit une microsource radialement polarisée de faible dispersion angulaire (≈ ± 4 °). L'influence des paramètres structuraux sur la propagation angulaire de la microsource résultante est également étudiée. En outre, une faible dispersion angulaire (<± 7 °) pour une grande plage de longueurs d'onde (650-850 nm) est obtenue. Ainsi, cette microsource électrique de lumière presque collimatée a une réponse spectrale large et est optimale sur une large plage d'énergie, en particulier en comparaison avec d'autres structures plasmoniques résonantes telles que les nanoantennes Yagi-Uda. L'interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique elliptique (une seule fente elliptique gravée dans un film d'or épais) est également étudiée. Lorsque l'excitation STM est située au point focal de la lentille plasmonique elliptique, un faisceau lumineux directionnel à faible divergence est acquis. De plus, expérimentalement, nous trouvons qu'en changeant l'excentricité de la lentille plasmique elliptique, l'angle d'émission varie. On constate que plus l'excentricité de la lentille elliptique est grande, plus l'angle d'émission est élevé. Cette étude permet de mieux comprendre comment les nanostructures plasmoniques façonnent l'émission de lumière. L'interaction de SPP excités par STM et d'une structure de pile multicouche planaire plasmonique est également étudiée. Il est démontré qu'en utilisant l'excitation STM, nous pouvons sonder la structure de bande optique de la pile Au-SiO₂-Au. Nous trouvons que l'épaisseur du diélectrique joue un rôle important dans la modification du couplage entre les modes. Nous comparons également les résultats obtenus par excitation laser et STM de la même structure de pile. Les résultats indiquent que la technique STM est supérieure en sensibilité. Ces résultats mettent en évidence le potentiel de la STM en tant que technique de nanoscopie optique sensible pour sonder les bandes optiques des nanostructures plasmoniques. Enfin, l'interaction d'une nanosource STM et d'une plaque triangulaire individuelle est également étudiée. Nous trouvons que lorsque l'excitation STM est centrée sur la plaque triangulaire, il n'y a pas d'émission de lumière directionnelle. Cependant, lorsque la nanosource STM est située sur le bord du triangle, on obtient une émission de lumière directionnelle. Cette étude nous fournit une nouvelle voie pour atteindre l'émission de lumière directionnelle. Nous étudions également l'exploration du LDOS optique du triangle avec la nanosource STM. Ainsi, nos résultats montrent que la manipulation de la lumière est réalisée par des interactions SPP-matière. En utilisant des nanostructures plasmoniques, nous contrôlons la collimation, la polarisation et la direction de la lumière provenant de la nanosource STM. / In this thesis, we use different plasmonic nanostructures to control the emission of electrically-excited light. Our electrical emission is from an “STM-nanosource” which uses the inelastic tunnel current between the tip of a scanning tunneling microscope (STM) and a metallic sample, to locally excite both localized and propagating surface plasmon polaritons. The interaction of our STM-nanosource and a circular plasmonic lens (a series of concentric slits etched in a thick gold film) produces a radially polarized microsource of low angular spread (≈±4°). The influence of the structural parameters on the angular spread of the resulting microsource is also investigated. In addition, a low angular spread (<±7°) for a large wavelength range (650-850 nm) is achieved. Thus this electrically-driven microsource of nearly collimated light has a broad spectral response and is optimal over a wide energy range, especially in comparison with other resonant plasmonic structures such as Yagi-Uda nanoantennas. The interaction of our STM-nanosource and an elliptical plasmonic lens (a single elliptical slit etched in a thick gold film) is also studied. When the STM excitation is located at the focal point position of the elliptical plasmonic lens, a directional light beam of low angular spread is acquired. Moreover, in the experiment we find that by changing the eccentricity of the elliptical plasmonic lens, the emission angle is varied. It is found that the larger the eccentricity of the elliptical lens, the higher the emission angle. This study provides a better understanding of how plasmonic nanostructures shape the emission of light. The interaction of STM-excited SPPs and a planar plasmonic multi-layer stack structure is also investigated. It is demonstrated that using STM excitation we can probe the optical band structure of the Au-SiO₂-Au stack. We find that the thickness of the dielectric plays an important role in changing the coupling between the modes. We also compare the results obtained by both laser and STM excitation of the same stack structure. The results indicate that the STM technique is superior in sensitivity. These findings highlight the potential of the STM as a sensitive optical nanoscopic technique to probe the optical bands of plasmonic nanostructures. Finally, the interaction of an STM-nanosource and an individual triangular plate is also studied. We find that when the STM excitation is centered on the triangular plate, there is no directional light emission. However, when the STM-nanosource is located on the edge of the triangle, directional light emission is obtained. This study provides us a novel avenue to achieve directional light emission. We also study probing the optical LDOS of the triangle with the STM-nanosource. Thus, our results show that the manipulation of light is achieved through SPP-matter interactions. Using plasmonic nanostructures, we control the collimation, polarization, and direction of the light originating from the STM-nanosource.

Le vieillissement dit "naturel", affecte physiologiquement les structures auditives périphériques; il en va de même du collicule supérieur (CS) lors du traitement des signaux auditifs et visuels. Chez le rat âgé, la sensibilité auditive périphérique diminue et l’extraction des attributs des signaux auditifs est modifiée, et ce, dès les noyaux cochléaires (premiers relais centraux de la voie auditive ascendante). De plus, les propriétés spectrales, temporelles et directionnelles des neurones auditifs du CS sont altérées lors du vieillissement. Ceci se manifeste aussi au niveau de l’organisation topographique de la sensibilité à la direction qui est abolie au sein des couches profondes du CS. Dans la même optique, l’extraction des attributs des fréquences spatiales concentriques mobiles (en présence ou en absence d’objet sonore modulé en amplitude) est altérée aussi au niveau des neurones audiovisuels du CS lors du vieillissement. En effet, au niveau spatial, chez l’animal âgé, la présence de déficits visuels est particulièrement marquée par une diminution de la sensibilité aux stimuli visuels et audiovisuels mobiles et rapides lors du déplacement de l’organisme dans son environnement. Compte tenu de l’ampleur des changements qui s’installent avec le vieillissement au niveau des structures périphériques et centrales, inévitablement, les mécanismes nerveux de la plasticité audiovisuelle de bas niveau, i.e. au niveau des neurones du CS, sont perturbés. En outre, chez l’animal âgé, le gain audiovisuel induit par l’activité des neurones du CS ne produit pas d’amélioration notable par rapport à la modalité unisensorielle. Dans l’ensemble, ces résultats montrent que le vieillissement perturbe l’activité neuronale du CS permettant de détecter les informations sensorielles pertinentes dans un environnement audiovisuel complexe. / Age-related physiological changes affect the peripheral auditory structures; this also applies to the superior colliculus (SC) auditory and visual processes. In aged rats, the peripheral hearing sensitivity decreases and at more central regions, particularly the first central node, in the ascending auditory projections, auditory processing of sounds is altered. Furthermore, at the level of the SC, spectral, temporal and directional properties of auditory neurons are also altered during aging. In addition, no systematic directional spatial arrangement is encountered among the neurons of aged rats, implying that the topographical organization of the auditory directional map is abolished in the deep layers of the SC. Moreover, in a condition where SC visual neurons are stimulated with looming concentric sinusoidal gratings (in the presence or in the absence of modulated audio signals), visual deficits in aged animals are particularly marked by a decrease in sensitivity to fast moving visual and audiovisual stimuli during self-motion. Given the links of age-related changes in the peripheral and in the central structures, inevitably, the mechanisms underlying the neuronal audiovisual plasticity, in the low-level (SC), are somehow disrupted. Specifically, in aged animals, the presence of the auditory stimulus when coupled with the visual signal did not enhance the response activity of the visual neurons. This seems to suggest that the mechanism that may serve to amplify the visual signal under weak or ambiguous and noisy conditions thus improving greater behavioral relevance of detecting rapidly approaching visual and audiovisual moving objects during self-motion is altered with aging. Overall, these results show that aging disrupts the SC neuronal activity that enables detection of relevant sensory information in a complex audiovisual environment.