Résumé : Ce travail de thèse a pour but de développer un dispositif intégré de photodétection pour des applications biomédicales nécessitant une grande sensibilité de détection et une discrimination spectrale (sélectivité). Ce dispositif peut être appliqué, par exemple, à la mesure simultanée de plusieurs marqueurs fluorescents dans les laboratoires sur puce mettant en œuvre de très faibles volumes de réactifs (inférieurs au microlitre). Le travail de thèse se focalise sur la conception, la réalisation et le test de ce dispositif intégré de photodétection. Ce travail se décline selon deux axes principaux : d’une part, la conception d’un photodétecteur CMOS avec préamplificateurs intégrés, et d’autre part la conception, la réalisation et la caractérisation de filtres optiques intégrés performants pour la détection de fluorescence. Le dispositif de détection conçu implémente un photodétecteur à quatre jonctions enterrées (Buried Quad Junction photodetector – BQJ) et un étage de préamplification de charge pour le traitement simultané des quatre sorties de ce photodétecteur. L’ensemble a été fabriqué en technologie Haut-Voltage CMOS Teledyne-DALSA 0,8μm. Son fonctionnement a été démontré et ses performances, notamment en termes de bruit et de sensibilité, ont été caractérisées. En parallèle, des filtres optiques coupe-bande ont été développés à l’aide d’un procédé compatible avec la technologie CMOS utilisée pour le photodétecteur. Ainsi, le dépôt de ces filtres sur le photodétecteur pourra être intégré dans le process de fabrication industriel. Les filtres interférentiels développés sont fabriqués en alternant des dépôts de couches minces de nitrure et d’oxyde de silicium par PECVD. La mesure des indices optiques de ces matériaux a été utilisée pour optimiser ces filtres à partir de simulations. Les filtres déposés sur lame de verre ou sur le photodétecteur BQJ ont été caractérisés. Des méthodes de traitement des signaux spécifiques pour le BQJ sont également proposées pour améliorer la sensibilité et/ou la sélectivité de détection. Leurs performances ont été évaluées. Enfin, des mesures de fluorescence avec le système de photodétection conçu ont été réalisées sur des mélanges de nanocristaux fluorescents (quantum dots) ou de fluorophores organiques. Ces résultats préliminaires permettent de valider le fonctionnement applicatif du système de photodétection développé. // Abstract : This thesis aims to develop an integrated photosensor device for biomedical applications requiring high detection sensitivity and spectral discrimination (selectivity). For example, this system can be applied to mesure simultaneous emissions of several fluorescent labels in lab-on-a-chip implementing very small volumes of reagents (less than one microliter). The thesis focuses on the design, implementation and testing of this integrated photodetector device. The work is divided in two main parts: first, the design of a CMOS photodetector with integrated preamplifiers, and secondly the design, realization and characterization of integrated optical filters for fluorescence detection. The detection device implements a Buried Quad Junction photodetector (BQJ) and charge sensitive preamplifiers for the simultaneous treatment of its four outputs. The chip was made in 0.8μm High Voltage CMOS technology from Teledyne-DALSA. Its operation has been demonstrated and its performances, especially in terms of noise and sensitivity, have been characterized. In parallel, optical notch filters have been developed using a process compatible with the CMOS technology used for the photodetector fabrication. Thus, deposition of these filters on the photodetector can be integrated during industrial process. Developed interference filters are made by alternating deposition of thin layers of nitride and silicon oxide by PECVD. Measurements of refractive index of these materials were used to optimize these filters through simulations. The filters implemented on a glass cover or on the BQJ photodetector were characterized. Signal processing methods specific to BQJ are also proposed to improve the detection’s sensitivity and/or selectivity. Their performances were evaluated. Finally, fluorescence measurements with the designed photodetection device were performed on mixtures of fluorescent nanocrystals (quantum dots) or of organic fluorophores. These preliminary results validate the performances in terms of photodetection of the designed integrated photodetection device.

On souhaite reconstruire en ligne des signaux à échantillons manquants en utilisant une approche paramétrique. On propose alors des algorithmes adaptatifs d'identification et de reconstruction de processus AR à échantillons manquants. On s'intéresse premièrement à l'extension des algorithmes de gradient au cas des signaux à échantillons manquants. On propose alors deux alternatives à un algorithme existant fondées sur deux autres prédicteurs. Les algorithmes proposés convergent vers une estimation non biaisée des paramètres. Or les algorithmes de gradient souffrent d'une faible vitesse de convergence. Pour cela, on s'intéresse à l'extension de l'algorithme MCR au cas des signaux à échantillons manquants. On utilise alors l'algorithme MCR pseudo-linéaire pour l'identification conjointement avec un filtre de Kalman pour une prédiction optimale du signal au sens des moindres carrés. L'algorithme résultant permet une identification non biaisée des paramètres. De plus, il est rapide et bien adapté à l'identification de processus non stationnaires. Néanmoins, souhaitant contrôler la stabilité du filtre identifié, on s'intéresse ensuite à une identification fondée sur une structure en treillis du filtre. Ainsi, on propose une extension de l'algorithme de Burg adaptatif au cas des signaux à échantillons manquants, en utilisant pour la prédiction un filtre de Kalman. La stabilité du modèle ainsi identifié est garantie. De plus, l'algorithme s'adapte rapidement aux variations des paramètres. Finalement, on propose d'utiliser les algorithmes proposés dans un système à transmission non uniforme. On obtient ainsi l'amélioration simultanée du RSB et du débit de transmission moyen.

Les systèmes de surveillance modernes doivent coordonner leurs stratégies d’observation pour améliorer l’information obtenue lors de leurs futures mesures afin d’estimer avec précision les états des objets d’intérêt (emplacement, vitesse, apparence, etc.). Par conséquent, la gestion adaptative des capteurs consiste à déterminer les stratégies de mesure des capteurs exploitant les informations a priori afin de déterminer les actions de détection actuelles. L’une des applications la plus connue de la gestion des capteurs est le suivi multi-objet, qui fait référence au problème de l’estimation conjointe du nombre d’objets et de leurs états ou trajectoires à partir de mesures bruyantes. Cette thèse porte sur les stratégies de gestion des capteurs en temps réel afin de résoudre le problème du suivi multi-objet dans le cadre de l’approche RFS labélisée. La première contribution est la formulation théorique rigoureuse du filtre mono-capteur LPHD avec son implémentation Gaussienne. La seconde contribution est l’extension du filtre LPHD pour le cas multi-capteurs. La troisième contribution est le développement de la méthode de gestion de capteurs basée sur la minimisation du risque Bayes et formulée dans les cadres POMDP et LRFS. En outre, des analyses et des simulations des approches de gestion de capteurs existantes pour le suivi multi-objets sont fournies / Modern surveillance systems must coordinate their observation strategies to enhance the information obtained by their future measurements in order to accurately estimate the states of objects of interest (location, velocity, appearance, etc). Therefore, adaptive sensor management consists of determining sensor measurement strategies that exploit a priori information in order to determine current sensing actions. One of the most challenging applications of sensor management is the multi-object tracking, which refers to the problem of jointly estimating the number of objects and their states or trajectories from noisy sensor measurements. This thesis focuses on real-time sensor management strategies formulated in the POMDP framework to address the multi-object tracking problem within the LRFS approach. The first key contribution is the rigorous theoretical formulation of the mono-sensor LPHD filter with its Gaussian-mixture implementation. The second contribution is the extension of the mono-sensor LPHD filter for superpositional sensors, resulting in the theoretical formulation of the multi-sensor LPHD filter. The third contribution is the development of the Expected Risk Reduction (ERR) sensor management method based on the minimization of the Bayes risk and formulated in the POMDP and LRFS framework. Additionally, analyses and simulations of the existing sensor management approaches for multi-object tracking, such as Task-based, Information-theoretic, and Risk-based sensor management, are provided.

Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de l'efficacité de la commande CRONE avec effet anticipatif robuste dans les problèmes de poursuite et de régulation pour les systèmes monovariables et multivariables. L'objectif de l'anticipation est de concevoir des algorithmes de commande capables de minimiser un critère quadratique basé sur l'erreur entre la sortie du système et le signal de référence avec modération du niveau du signal de commande. La solution proposée repose sur l'association d'une commande robuste de type feedback à une commande anticipative de type feedforward. L'action feedforward utilise un filtre anticipatif synthétisé dans le domaine fréquentiel en utilisant des critères d'optimalité et de contraintes de type $mathcal{H}_2$ et $mathcal{H}_infty$. La réduction du nombre de paramètres du filtre anticipatif en utilisant une période d'échantillonnage plus lente a été traitée. Des exemples académiques illustrent les développements théoriques. Une application pratique sur un système de régulation hydraulique a montré la pertinence de cette nouvelle approche. / The work presented in this thesis is part of the study of the effectiveness of CRONE control with anticipative effect in the problems of tracking and control for monovariable and multivariable systems. The anticipation objective is to design a control algorithm that minimizes a quadratic error between the reference and the output of the system and at the same time achieve a good level of the control signal. The proposed solution combines a robust feedback control with a feedforward control. The feedforward action uses optimality criteria and an anticipative filter which is designed in the frequency domain using a mix of $mathcal{H}_2$ et $mathcal{H}_infty$ constraints. The reduction of the number of parameters of the anticipative filter by using a slower sampling period for the anticipative filter is treated. Academic examples highlight the theoretical developments. A practical application on a hydraulic control system has shown the efficiency of the developed approach.

Au cours des dernières années, les réseaux de type (NDN) sont devenus une des architectures réseau les plus prometteuses. Pour être adopté à l'échelle d'Internet, NDN doit résoudre les problèmes inhérents à l'Internet actuel. La fuite d’informations fait partie de ces problèmes, et il est très important d’évaluer ce risque pour les réseaux de type NDN. La thèse se propose d'évaluer ce risque. En supposant (i) qu'un ordinateur appartient au réseau d'une entreprise basée sur une architecture NDN, (ii) que l'ordinateur a déjà été compromis par un support malveillant, et (iii) que la société installe un pare-feu, la thèse évalue la situation dans laquelle l’ordinateur infecté tente de divulguer des données à un attaquant externe à l'entreprise. Les contributions de cette thèse sont au nombre de cinq. Tout d'abord, cette thèse propose une attaque par fuite d'informations via un paquet donné et un paquet intérêt propres à NDN. Deuxièmement, afin de remédier à l'attaque fuite d'informations, cette thèse propose un pare-feu basé sur l'utilisation d'une liste blanche et d'une liste noire afin de surveiller et traiter le trafic NDN provenant des consommateurs. Troisièmement, cette thèse propose un filtre de noms NDN pour classifier un nom dans un paquet d'intérêt comme étant légitime ou non. Le filtre de noms peut ainsi réduire le débit par paquet d'intérêt. Cependant, pour adapter la vitesse de l'attaque, les logiciels malveillants peuvent envoyer de nombreux intérêts en très peu de temps. De même, le logiciel malveillant peut exploiter un intérêt avec une information explicite dans le nom (comme peut le faire un message véhiculé par un POST sur HTTP). Cela dépasse alors la portée du filtre de nom proposé et rend le filtre inefficace. Pour prendre en compte le flux de trafic analysé par le pare-feu NDN, cette thèse propose comme quatrième contribution la surveillance du flux NDN à travers le pare-feu. Enfin, afin de traiter les inconvénients du filtre de noms NDN, cette thèse propose un filtre de flux NDN permettant de classer un flux comme légitime ou non. L'évaluation des performances montre que le filtre de flux complète de manière tout à fait performante le filtre de nom et réduit considérablement le débit de fuite d'informations / In recent years, Named Data Networking (NDN) has emerged as one of the most promising future networking architectures. To be adopted at Internet scale, NDN needs to resolve the inherent issues of the current Internet. Since information leakage from an enterprise is one of the big issues even in the Internet and it is very crucial to assess the risk before replacing the Internet with NDN completely, this thesis investigates whether a new security threat causing the information leakage can happen in NDN. Assuming that (i) a computer is located in the enterprise network that is based on an NDN architecture, (ii) the computer has already been compromised by suspicious media such as a malicious email, and (iii) the company installs a firewall connected to the NDN-based future Internet, this thesis focuses on a situation that the compromised computer (i.e., malware) attempts to send leaked data to the outside attacker. The contributions of this thesis are fivefold. Firstly, this thesis proposes an information leakage attack through a Data and through an Interest in NDN. Secondly, in order to address the information leakage attack, this thesis proposes an NDN firewall which monitors and processes the NDN traffic coming from the consumers with the whitelist and blacklist. Thirdly, this thesis proposes an NDN name filter to classify a name in the Interest as legitimate or not. The name filter can, indeed, reduce the throughput per Interest, but to ameliorate the speed of this attack, malware can send numerous Interests within a short period of time. Moreover, the malware can even exploit an Interest with an explicit payload in the name (like an HTTP POST message in the Internet), which is out of scope in the proposed name filter and can increase the information leakage throughput by adopting a longer payload. To take traffic flow to the NDN firewall from the consumer into account, fourthly, this thesis proposes an NDN flow monitored at an NDN firewall. Fifthly, in order to deal with the drawbacks of the NDN name filter, this thesis proposes an NDN flow filter to classify a flow as legitimate or not. The performance evaluation shows that the flow filter complements the name filter and greatly chokes the information leakage throughput

Ces travaux de thèse concernent la mise au point d’une méthodologie de conception de filtres passe-bandes à couplages dispersifs permettant d’optimiser la sélectivité de ces filtres en générant et en contrôlant la position de zéros de transmission supplémentaires. Un état de l’art sur les différentes approches proposées dans la littérature pour la synthèse de filtres hyperfréquences à couplage dispersif est d’abord proposé. Cette analyse est illustrée par plusieurs exemples concrets, et une structure en particulier, comportant un couplage par plot capacitif, constitue le point de départ des travaux. De nouveaux éléments de couplage dispersifs ont été ensuite proposés, capables de générer aussi bien des couplages positifs que négatifs, permettant ainsi de positionner les zéros de transmission dans la bande stoppée supérieure ou inférieure. Ces éléments ont alors été intégrés dans des structures de filtrage plus complexes pour réaliser par exemple des structures en ligne possédant plusieurs zéros de transmission hors bande ou des filtres multibandes à la sélectivité renforcée. Plusieurs des dispositifs conçus ont été fabriqués et mesurés. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les simulations validant ainsi l’approche proposée. / This thesis report deals with the development of a methodology for the design of bandpass filters including dispersive coupling to optimize the selectivity of these filters by generating and controlling the position of additional transmission zeros. A state of the art on the different approaches proposed in the literature for the synthesis of microwave filters with dispersive coupling is first proposed. This analysis is illustrated by several concrete examples, and a structure in particular, comprising a coupling capacitive post, is the starting point of the work. New dispersive coupling elements were then proposed, capable of generating both positive and negative couplings, thus enabling the transmission zeros to be positioned in the upper or lower stopped band. These elements have then been integrated in more complex filtering structures to achieve, for example, on-line structures having several out-of-band transmission zeros or multiband filters with enhanced selectivity. Many of the devices designed have been manufactured and measured. The experimental results are in good agreement with the simulations validating the proposed approach.

Ce travail de thèse a pour but de développer un dispositif basé autour d'un dispositif intégré de photodétection pour des applications biomédicales nécessitant une grande sensibilité de détection et une discrimination spectrale (sélectivité). Ce dispositif peut être appliqué, par exemple, à la mesure simultanée de plusieurs marqueurs fluorescents dans les laboratoires sur puce mettant en œuvre de très faibles volumes de réactifs (inférieurs au microlitre). Le travail de thèse se focalise sur la conception, la réalisation et le test de ce dispositif intégré de photodétection. Ce travail se décline selon deux axes principaux : d'une part, la conception d'un photodétecteur CMOS avec préamplificateurs intégrés, et d'autre part la conception, la réalisation et la caractérisation de filtres optiques intégrés performants pour la détection de fluorescence / This thesis aims to develop a system based around an integrated photosensor device for biomedical applications requiring high detection sensitivity and spectral discrimination (selectivity). For example, this system can be applied to mesure simultaneous emissions of several fluorescent labels in lab-on- a-chip implementing very small volumes of reagents (below the microliter). The thesis focuses on the design, implementation and testing of this integrated photodetector device. The work is divided in two main parts: first, the design of a CMOS photodetector with integrated preamplifiers, and secondly the design, realization and characterization of integrated optical filters for fluorescence detection

Cette etude traite de l'utilisation de methodes de filtrage pour du suivi dans des sequences d'images. Ces algorithmes reposent sur une representation du systeme dynamique par une chaine de Markov cachee, decrite par une loi dynamique et une vraisemblance des donnees. Pour construire une methode generale, une loi dynamique estimee sur les images est consideree. Ce choix met en evidence les limitations du modele simple de chaine de Markov cachee, qui ne decrit pas la dependance des elements du systeme aux images.<br />Nous proposons d'abord une modelisation originale du probleme. Celle-ci rend les images explicites et permet de construire des algorithmes sans information a priori. Les filtres associes a cette nouvelle representation sont derives sur la base des filtres classiques, en considerant un conditionnement par rapport a la sequence. Il est egalement presente comment ce nouveau schema permet de considerer des modeles simples, pour lesquels la fonction d'importance optimale est disponible.<br />Ensuite, nous nous interessons a la validation pratique de la modelisation proposee sur une application de suivi de points caracteristiques. Les systemes mis en oeuvre sont entierement estimes sur la sequence. Ils associent des mesures de similarite a une dynamique definie a partir d'un mouvement instantane estime par une methode differentielle robuste. Afin de controler l'importance des differents elements du systeme, les matrices de covariance de bruit des modeles sont estimees. Trois algorithmes de suivi de points sont ainsi construits et valides sur de nombreuses sequences reelles. Enfin, cette approche est etendue au suivi de motifs plans textures. Le modele considere introduit une information geometrique par homographie et amene a un algorithme robuste aux occultations totales.

La modélisation hydrologique Pluie - Débit compte parmi les outils incontournables pour prévoir les crues, car elle permet d'atteindre des horizons plus lointains que de nombreuses autres méthodes. Pour tenter d'améliorer la qualité des prévisions, les hydrologues ont proposé de nombreuses approches d'assimilation de données. Cette thèse s'intéresse à un modèle Pluie - Débit fonctionnant au pas de temps horaire. Elle propose une comparaison de nombreuses méthodes de mise-à-jour de ce modèle par l'assimilation de la donnée de débit observé à l'exutoire du bassin versant, dans le but de fournir des prévisions de crue à des horizons allant de quelques heures à quelques jours. Les mises-à-jour étudiées portent sur les paramètres du modèle, ses états et ses sorties. Certaines sont déterministes, d'autres probabilistes. Ce travail a permis de mettre en avant l'interaction qui existe entre la structure du modèle hydrologique et les mises-à-jour. Ces deux éléments se caractérisent par des dynamiques temporelles différentes. Nos résultats plaident pour que le modèle soit considéré comme un tout et non comme la juxtaposition d'un modèle hydrologique et d'une procédure de mise-à-jour. Il nous paraît préférable d'optimiser la structure et de caler le modèle en tenant compte des mises-à-jour qui seront appliquées. Le modèle donnant les meilleures prévisions associe une structure hydrologique très proche de celle obtenue au pas de temps journalier et deux mises-à-jour du modèle, l'une modifiant un état crucial du modèle, l'autre corrigeant ses sorties par un réseau de neurones artificiels. Cette combinaison a été évaluée à l'aide d'une sélection de critères de performance adaptés à l'objectif du modèle, sur un vaste ensemble de bassins versants français. Ses performances sont robustes et se comparent favorablement à d'autres modèles de prévision.

Les modèles aléatoires basés sur l'observation bruitée de diffusions discrétisées sont couramment utilisés en biologie ou en finance pour rendre compte de la présence d'erreur (ou bruit) entâchant la mesure d'un phénomène dont le comportement est dirigé par une équation différentielle stochastique. Deux questions statistiques sont liées à ces modèles : l'estimation d'un paramètre theta déterminant le comportement de la diffusion cachée, et le calcul du filtre optimal, ou d'une approximation. La première partie de cette thèse porte sur l'étude d'un modèle d'Ornstein-Uhlenbeck bidimensionnel partiellement observé et bruité, en lien avec l'estimation de paramètres de microvascularisation pour un modèle pharmacocinétique stochastique. Plusieurs résultats sur données médicales sont présentés. Dans la seconde partie, des estimateurs pour les paramètres de la diffusion cachée, sont obtenus dans un contexte de données haute fréquence, comme minima de fonctions de contraste ou comme zéros de fonctions d'estimation basées sur des moyennes locales d'observations bruitées. On montre en particulier la consistence et la normalité asymptotique de ces estimateurs. Enfin, la troisième partie étudie la tension de la suite des variances asymptotiques obtenues dans le théorème central limite associé à l'approximation particulaire du filtre et de la prédiction dans un modèle de Markov caché.