Th. 3e cycle--Inform.--Grenoble--I.N.P., 1985.

On propose dans cette thèse de compresser et de synthétiser un signal audio par inversion de ses motifs d'excitation auditive. On traite l'approche du codage dans le domaine perceptuel et on propose un codeur qui exploite la redondance présente dans ces motifs. On commence par proposer un nouveau filtre auditif à faible complexité qui peut non seulement modéliser les réponses mécaniques de la membrane basilaire, synthétiser les réponses impulsionnelles du nerf auditif mais aussi expliquer les expériences du masquage fréquentiel. Ensuite on détaille l'exploitation de ce même banc de filtres auditifs pour la discipline de la compression des signaux audio. Des modèles de masquage adaptés à ce banc de filtres sont appliqués aux motifs d'excitation auditives pour obtenir des représentations éparses. Des expériences montrent que ce codeur permet de réduire considérablement la redondance dans le domaine perceptuel tout en maintenant une bonne qualité subjective de synthèse.

Dans la conception d’un système en électronique de puissance par exemple dans le cas d’un convertisseur ou d’un filtre CEM, les problèmes de la compatibilité électromagnétique ne sont pris en compte que lors de la phase finale durant des tests de vérification et de certification du système. Ainsi un prototype non-conforme à ces tests va engendrer des surcoûts importants ou l’adoption de solutions de « secours » non nécessairement reproductibles et surtout non satisfaisantes car elles impliquent dans la majorité des cas l’ajout d’éléments initialement non prévus (filtres, blindages, ‘). Aussi, il s’avère important et utile d’étudier les problèmes de la CEM dès la phase de conception, c’est l’objectif principal de ce travail de recherche.L’objectif de ce travail est d’établir des modèles permettant de prédire le couplage en champ proche entre les systèmes ou les sous systèmes, comme par exemple entre les éléments constituant un convertisseur. Cette « brique élémentaire » de modélisation est un élément actuellement manquant pour contribuer à la modélisation globale des systèmes d’électronique de puissance d’un point de vue CEM. Pour ce faire, il suffit de recréer le champ électromagnétique rayonné par chacun des systèmes, qui sera représenté comme une source équivalente.Ces sources équivalentes seront utilisées pour calculer le couplage entre les différents éléments en fonction de la distance et de leur placement respectif. La détermination de ces différents couplages nous aidera à mieux optimiser la position des différents composants au sein de la structure pour minimiser les perturbations et augmenter son efficacité.Le modèle construit qui représente le rayonnement en champ proche des différents éléments nous permettra de fournir des bibliothèques qui seront intégrées par la suite dans un logiciel de type circuit, pour une modélisation « globale » du système. / To design a system in power electronics, for instance a converter or an EMC filter, the problems of electromagnetic compatibility are taken into account during the final phase of testing, verification and certification of the system. The aim of our research is to consider the problems of EMC early in the design flow of a product. The objective of this work is to develop models to predict the near-field coupling between systems or subsystems, such as between elements of a converter. To do this, it is important to re-create the electromagnetic field radiated by each system, which will be represented as equivalent source. These equivalent sources are used to compute the coupling between the different elements depending on the distance and their respective position. The determination of these couplings can allow optimizing the position of the components in the structure to minimize the electromagnetic interferences and increase the performance of the system. The method used for the implementation of this approach is the multipolar expension, it can model the influence of generic structures (coils, capacitors, ...) in a spherical reference (r,θ, φ).This representation allows the construction of equivalent field sources for each element. For information or to validate some of our equivalent models, we used the software Flux3D®which is a calculation tool based on the finite element method, developed by CEDRAT andG2Elab.Furthermore, it was important to use a measurement protocol that allows us to inform or validate our models if we do not know all the electrical and geometrical parameters of the system or when the system have a too complex geometry to be modeled numerically in 3D.A measurement bench that can directly measure the components of the decomposition in spherical harmonics is used. The constructed model which represents the near-field radiation of the different elements will allow providing libraries that will be integrated later in a circuit software.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019. / La formation de biofilms a longtemps été négligée pour expliquer la diminution des performances à long terme des systèmes de filtration industriels à long terme. Les paramètres opératoires de ces systèmes étaient orientés dans le but de maximiser les flux de perméation, sans égard à l’aspect microbien, et les stratégies de nettoyage utilisées ne ciblaient que l’encrassement chimique des membranes. Des biofilms peuvent pourtant se développer à leur surface, et leur tolérance croissante face aux méthodes classiques de nettoyage les rend particulièrement difficiles à contrôler à long terme. Ces travaux de doctorat avaient pour but de mettre en évidence les paramètres qui affectent la croissance des biofilms se formant à la surface des membranes de filtration et ce, afin d’élaborer une stratégie opératoire, applicable en industrie, pour limiter leur développement. Avant ce projet, quelques études avaient démontré la problématique des biofilms, mais celles-ci étaient limitées à des analyses réalisées par des méthodes de culture (microbiologie classique) ou à des observations par microscopie, laissant dans l’ombre la majorité de l’écosystème microbien se développant à la surface des membranes de filtration. C’est pourquoi le premier défi scientifique consistait à développer une méthode d’analyse dressant un portrait global des bactéries composant ces communautés. Une approche métagénomique ciblant le gène codant pour l’ARN ribosomique 16S (amplicon sequencing) a donc été développée à cette fin. Cette méthode a permis de démontrer l’impact de facteurs tels que la nature du fluide filtré, le prétraitement thermique des fluides avant la filtration, la température d’opération, le type de matériau membranaire ou la durée opératoire sur la composition et la vitesse de formation des biofilms. La première partie des travaux a été réalisée à partir de membranes spiralées industrielles échantillonnées en fin de vie utile. Celles-ci ont d’abord révélé l’importance de la nature du fluide filtré sur la composition de l’écosystème bactérien persistant à la surface des membranes de filtration. Ces premières observations industrielles ont ensuite été validées dans un environnement contrôlé à partir de systèmes modèles de filtration tangentielle ou de type « bioréacteur » imitant l’environnement de filtration et le processus d’encrassement microbiologique des membranes. Ces systèmes ont montré comment la réalisation d’une pasteurisation des fluides avant la filtration affecte les proportions des bactéries thermorésistantes et thermophiles à la surface des membranes de filtration. Leur croissance était particulièrement rapide lorsque la filtration était réalisée à haute température (> 40 °C). À ce titre, les systèmes devraient être opérés moins de 10 h consécutives à 50 °C pour éviter la prolifération de ces bactéries. À la lumière de ces travaux, la température et la durée d’opération, ou encore, l’utilisation de membranes présentant une plus faible rugosité pour réaliser l’ultrafiltration de lactosérum sont des paramètres qui présentent un intérêt afin de ralentir le processus de formation des biofilms, voire de favoriser l’implantation d’une microflore « moins nuisible » à la surface des membranes. Cette thèse, réaliste au fait qu’il est probablement impossible d’éradiquer les biofilms des systèmes de filtration, s’inscrit dans un processus de réflexion sur la définition de la qualité microbiologique des produits laitiers industriels à l’ère de la métagénomique. Maintenant que les méthodes de détection moléculaires permettent une caractérisation précise des microorganismes de l’environnement laitier, la quasi-stérilité des systèmes autrefois recherchée n’est possiblement plus la solution la plus judicieuse pour assurer leur innocuité. Cette thèse amène ainsi une nouvelle vision sur les possibles méthodes de prévention des biofilms, lesquels pourraient se transformer en opportunité pour les industriels laitiers. / Biofilm formation was neglected in the past years to explain long-term performance decrease in industrial filtration systems. Indeed, their operating parameters were selected to improve permeation fluxes as a priority without taking into consideration microbial issues, and the cleaning strategies mainly targeted chemical fouling. However, biofilms can be formed at the filtration membrane surface, and their increasing tolerance to classical cleaning solutions makes them difficult to control in a long-term purpose. This doctoral work was done to evidence the parameters that affect the formation of biofilms on filtration membranes, in order to design an industrial strategy limiting their growth. Before this project, few studies had demonstrated the issue, but they were limited to classical culture-based approaches or to microscopy, which certainly overshadowed the major part of the bacterial ecosystem formed on filtration membranes. Solving this analytical issue and to draw a global portrait of the bacteria among these dairy biofilms represented the very first challenge to address. A targeted metagenomic approach targeting the 16S rRNA gene (amplicon sequencing) was developed. This method enabled to characterize the impact of filtration operational parameters such as the nature of the filtered fluid, the heat-treatment of the feed prior filtration, the feed temperature, the membrane type used to perform filtration or the process duration on the formation speed or the composition of biofilms. The first series of experiments consisted in a preliminary study involving industrial spiral-wound filtration membranes sampled at the end of their useful lifetime. These membranes revealed how the nature of the filtered fluid affects the composition of bacterial communities persisting on membranes following membrane cleaning. Industrial observations were later validated in a controlled environment through the conception of model filtration or bioreactor systems imitating the filtration environment and the membrane biofouling phenomenon. It was shown that the pasteurization of the feeds prior filtration increases the proportions of thermoduric and thermophilic bacteria on membranes. Their growth is particularly fast when filtration is performed at higher temperatures (> 40 °C). Consequently, filtration systems should never be operated more than 10 consecutive h at 50 °C to avoid the proliferation of these bacteria. According to the results obtained for this thesis, operational parameters such as the feed temperature, the duration of the filtration process or the use of a smoother membrane surface to perform whey ultrafiltration exhibited potential to reduce the biofilm growth speed, or even to favor the adhesion of “less detrimental” bacteria on membranes. This thesis, realistic to the fact that it may be impossible to eradicate biofilms from filtration systems, is in line with the reflection process to define the microbial quality of dairy products in the metagenomic era. Molecular detection methods now enable an accurate characterization of microorganisms living in the dairy environment. Systems sterility pursued in the past is possibly no longer the best way to ensure food safety. The new vision presented in this thesis introduces a new philosophy to prevent the negative impacts of biofilms, which could be turn into an opportunity for the dairy industry.

L’encrassement microbiologique des membranes de filtration constitue une problématique majeure au sein de l’industrie laitière. La présence de bactéries sporulantes dans les biofilms se formant à la surface des membranes d’ultrafiltration (UF) peut engendrer une contamination des co-produits de la transformation laitière ayant des répercussions négatives sur leur conservation. L’environnement, la température de filtration ainsi que les propriétés de surface des membranes influencent l’adhésion des microorganismes sur celles-ci. Des travaux précédents ont suggéré qu’une plus grande rugosité du matériau membranaire favoriserait la présence de bactéries sporulantes du genre Bacillus. L'objectif de cette étude était de caractériser l'influence de l’usure membranaire sur la performance du procédé d’UF du lactosérum et sur la persistance des bactéries sporulantes à la surface des membranes. Des filtrations de lactosérum inoculé par Bacillus licheniformis ont été réalisées à l’échelle pilote, afin d’étudier l’adhésion de la bactérie à la surface de deux membranes d’UF en polyéthersulfone (PES) présentant un stade d’usure différent. Par la suite, une méthode qPCR ciblant le gène spo0A de la bactérie a été développée pour quantifier B. licheniformis à la surface des membranes. Les résultats de ces travaux ont montré que l’état d’usure des membranes à l’étude n’a pas d’impact sur la baisse de performance en cours de filtration du lactosérum. Bien qu’il eût été suggéré que B. licheniformis persiste à la surface des membranes suivant un cycle de nettoyage standard après une filtration de lactosérum sur une période de 20h à 50°C, il n’a pas été possible de démontrer une relation entre la rugosité membranaire et la rétention de bactéries sporulantes.Cependant, nos travaux ont permis la mise au point et l’optimisation de méthodologies de caractérisation des surfaces membranaires et de l’adhésion de bactéries sporulantes à la surface des membranes représentant des avancées importantes visant le développement de stratégies efficaces pour prévenir la contamination des spores dans les produits laitiers. / Biofouling of filtration membranes is a major issue in the dairy industry. Bacterial spores in biofilms adhering on membrane surfaces can induce a contamination of dairy fluids and ingredients. The presence of sporulating bacteria in biofilms is influenced by the dairy plant environment, the nature of the dairy fluid, the filtration parameters, and characteristics of membrane surfaces. Recent studies suggested a potential adhesion of sporulating Bacillusgenus to rougher membrane materials after whey ultrafiltration.The objective of the present study was to evidence the impact of membrane ageing on the persistence of sporulating bacteria on the surface of aged membranes. Ultrafiltration experiments with whey inoculated with Bacillus licheniformis were then performed to evaluate the impact of two polyethersulfone membranes at different state of ageing on bacterial adhesion. A real-time PCR method was developed targeting the sporulating gene spo0A of B. licheniformis to quantify the bacteria on membrane surface. Results suggest that membrane aging did not impact the filtration performance during whey processing. Although it was suggested that the persistence of the bacteria on membrane surfaces was observed following a cleaning-in-place procedure performed after 20h of filtration at 50°C,it was not possible to evidence that membrane roughness influenced the persistence of bacterial spores at the membrane surface.Moreover, the present study enabled the development and optimization of methods for characterization of surface properties and bacterial spore adhesion which will help to develop and improve strategies to prevent spore contamination in dairy fluids and products.

Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet de recherche consistent en la modélisation, l'optimisation et la réalisation expérimentale de filtres optiques périodiques. Les filtres étudiés sont des réseaux de Bragg photo induits par illumination ultraviolette, lesquels présentent un spectre périodique menant à la formation de filtres optiques multicanaux. La principale application des filtres périodiques proposés est la compensation de la dispersion chromatique encourue par des signaux optiques lors de leur propagation dans des liens de fibre optique. Les critères de conception ont été établis afin de démontrer une application concrète de ces filtres multicanaux. Afin de faciliter la conception de filtres optiques particuliers la modélisation et l'optimisation employées dans cette étude utilisent des éléments théoriques de traitement de signal dont, plus particulièrement, la transformée en Z. La faisabilité expérimentale des composants est aussi étudiée et quelques résultats expérimentaux sont exposés dans ce mémoire. Plusieurs techniques d'écriture ont été considérées, dont la superposition de réseaux par écriture successive et l'encodage, dans un masque de phase complexe, de la phase du réseau complexe avec apodisation de l'amplitude de la modulation d'indice. L'introduction du design du réseau de Bragg dans le masque de phase est aussi traitée afin d'améliorer les performances de ce nouveau type de compensateurs de dispersion chromatique. Finalement, la performance système des composants développés est évaluée par différentes mesures de taux d'erreur binaire à 10 Gbit/sec, afin de comparer les pénalités introduites par le compensateur avec celles d'une fibre compensatrice.

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L'utilisation de filtre mosaïque hyperspectral semble être la solution idéale pour alléger les imageurs spectraux utilisés lors des missions spatiales. Les contraintes liées à ce type d'utilisation imposent l'emploi de filtres interférentiels multicouches. Ces travaux ont pour but de trouver des solutions pour réaliser un filtre mosaïque hyperspectral avec des filtres interférentiels et non avec les résines colorées traditionnellement utilisées. Pour ce faire une étude théorique sur la simplification des designs des empilements interférentiels a été effectuée. Il en ressort que les empilements restent épais, ce qui complique leur structuration. Plusieurs méthodes de structurations ont été étudiées. En particulier le lift-off qui est la technique actuellement utilisé aujourd'hui et le lift-up. Cette dernière présente l'avantage de ne pas mettre en série le risque technologique associé à chaque réalisation de filtre. Un trade-off entre ces deux techniques a été fait ainsi que des réalisations expérimentales. Celles-ci ont ensuite été caractérisées par un banc de mesure développé dans ce but qui a permis de valider expérimentalement la technique utilisée. / Hyperspectral mosaic filter appears to be the perfect solution to lighten the spectral imagers used in space missions. Such applications require the use of multilayer interference filters. This work aims to find solutions to achieve hyperspectral mosaic filter with interference filters rather than the conventionally used coloured resins. In order to achieve this, a theoretical study on the simplification of multilayer designs was performed. It appears that the stacks are thicker, which makes them difficult to pattern. Several methods of patterning were studied, especially the lift-off technique which is traditionally used and the lift-up. The latter has the advantage to avoid adding the technological risk associated with each filter production. A trade-off between these two techniques was done as well as experimental productions. These were then characterized by a bench developed for this purpose which has experimentally validate the technique used.

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.

Pour produire des images couleurs nous devons obtenir l'information relative aux trois couleurs primaires (généralement Rouge, Vert et Bleu) à chaque pixels de l'image. Pour capturer cette information la plupart des caméras numériques utilisent une matrice de filtres couleurs (CFA – Color Filter Array en anglais), c'est-à-dire qu'une mosaïque de couleurs recouvre le capteur de manière à ce qu'une seule couleur soit mesurée à chaque position dans l'image.Cette méthode de mesure est similaire à celle du système visuel humain (HVS – Human Visual System en anglais) pour lequel les cônes LMS (sensibles aux longues L, moyenne M et courte S (short en anglais)) forment également une mosaïque à la surface de la rétine. Pour le système visuel, l'arrangement est aléatoire et change entre les individus alors que pour les caméras nous utilisons des arrangements réguliers. Dans les caméras, on doit interpoler les couleurs manquantes pour retrouver une image couleur totalement résolue, méthode appelée démosaïçage. A cause de l'arrangement régulier ou périodique des filtres couleurs, l'image démosaïçée peut faire apparaître des fausses couleurs ou des artefacts. Dans la littérature, les algorithmes de démosaïçage adressent principalement les mosaïques régulières.Dans cette thèse, nous proposons un algorithme de démosaïçage par apprentissage statistique, qui peut être utilisé avec n’importe quelle mosaïque régulière ou aléatoire. De plus, nous optimisons l’arrangement des couleurs dans la mosaïque et proposons des mosaïques qui, avec notre méthode, offrent des performances supérieures aux meilleures méthodes appliquées aux mosaïques régulières. Les images démosaïçées à partir de ces mosaïques ne présentent pas de fausses couleurs ou artefacts.Nous avons étendu l’algorithme pour qu’il ne soit pas limité à trois couleurs mais puisse être utilisé pour un arrangement aléatoire d’un nombre quelconque de filtres spectraux. Avoir plus de trois couleurs permet non seulement de mieux représenter les images mais aussi de mesurer des signatures spectrales de la scène. Ces mosaïques sont appelées matrice de filtres spectraux (SFA – Spectral Filter Array en anglais). Les technologies récentes nous offrent une grande flexibilité pour définir les filtres spectraux et par démosaïçage nous pouvons obtenir des couleurs plus justes et une estimation de la radiance spectrale de la scène. Le substrat silicium dans lequel les photodiodes du capteur sont réalisées est sensible aux radiations proche infra-rouge et donc des filtres visibles et proche infra-rouge peuvent-être combinés dans la même mosaïque. Cette combinaison est particulièrement utile pour le nouveau challenge des caméras numérique d’obtenir des images couleurs en vision de nuit à basse lumière.Nous démontrons l'application de notre algorithme pour plusieurs exemples de cameras récentes équipées d'une matrice de filtres spectraux. Nous montrons que notre méthode est plus performante que les algorithmes actuels en terme de qualité d'image et de vitesse de calcul. Nous proposons également d'optimiser les transmissions des filtres et leur arrangement pour améliorer les résultats selon des métriques ou applications choisies.La méthode, basée sur la minimisation de l'erreur quadratique moyenne est linéaire et par conséquent rapide et applicable en temps réel. Finalement, pour défier la nature linéaire de notre algorithme, nous proposons un deuxième algorithme de démosaïçage par réseaux de neurones qui à des performances légèrement meilleures mais pour un coût de calcul supérieur. / To produce color images we need information of three primary colors (notably Red, Green and Blue) at each pixel point. To capture this information most digital cameras utilize a Color Filter Array (CFA), i.e. a mosaic arrangement of these colors is overlaid on the sensor such that only one color is sampled at one pixel.This arrangement is similar to the Human Visual System (HVS) wherein a mosaic of LMS cones (for sensitivity to Long, Medium and Short wavelength) forms the surface of the retina. For HVS, the arrangement is random and differs between individuals, whereas for cameras we use a regular arrangement of color filters. For digital cameras one needs to interpolate the missing colors to recover the full color image and this process is known as demosaicing. Due to regular or periodic arrangement of color filters the output demosaiced image is susceptible to false colors and artifacts. In literature, the demosaicing algorithms proposed so far cater mainly to regular CFAs.In this thesis, we propose an algorithm for demosaicing which can be used to demosaic any random or regular CFA by learning statistics of an image database. Further, we optimize and propose CFAs such that they outperform even the state of art algorithms on regular CFAs. At the same time the demosaiced images from proposed CFAs are free from false colors and artifacts.We extend our algorithm such that it is not limited to only three colors but can be used for any random arrangement of any number of spectral filters. Having more than three colors allows us to not only record an image but to record a spectral signature of the scene. These mosaics are known as Spectral Filter Arrays (SFAs). Recent technological advances give us greater flexibility in designing the spectral filters and by demosaicing them we can get more accurate colors and also do estimation of spectral radiance of the scene. We know that silicon is inherently sensitive to Near-Infrared radiation and therefore both Visible and NIR filters can be combined on the same mosaic. This is useful for low light night vision cameras which is a new challenge in digital imaging.We demonstrate the applicability of our algorithm on several state of the art cameras using these novel SFAs. In this thesis, we demonstrate that our method outperforms the state of art algorithms in image quality and computational efficiency. We propose a method to optimize filters and their arrangement such that it gives best results depending on metrics and application chosen.The method based on minimization of mean square error is linear in nature and therefore very fast and suitable for real time applications. Finally to challenge the linear nature of LMMSE we propose a demosaicing algorithm using Neural Networks training on a small database of images which is slightly better than the linear demosaicing however, it is computationally more expensive.