L'émergence des formes d'onde numériques en radar et l'engouement de la communauté scientifique pour leur versatilité éprouvée en télécom, soulèvent naturellement chez les ingénieurs radaristes la question de l'amélioration effective des performances opérationnelles par ces nouvelles formes d'onde, notamment en matière de haute-résolution. Les travaux publiés sur le sujet sont prometteurs, à ceci près qu'ils sont le plus souvent basés sur des modèles théoriques un peu éloignés de la réalité opérationnelle ou sur des scénarios simplistes relativement à la capacité haute résolution envisagée (par exemple le faible nombre de sources pris en compte). En effet la prise en compte d'un modèle d'observation réaliste (large bande, à fréquence d'échantillonnage élevée) et de scénario à grand nombre de contributeurs conduit à des estimateurs dont la complexité d'implémentation n'est pas compatible des puissances de calcul actuelles. Une approche alternative, et compatible des puissances de calcul actuelles, pour la qualification des performances haute résolution est l'utilisation des bornes inférieures d'estimation, principalement la borne de Cramèr-Rao déterministe. L'examen de la littérature courante (notamment les monographies de référence) sur la borne de Cramèr-Rao déterministe a fait apparaître des lacunes relatives à sa formulation dans le contexte radar qui nous intéresse, à savoir MIMO large bande, multisources, multiparamètres à observations multiples. En effet dans la littérature courante, les observations multiples sont définies comme des réalisations multiples indépendantes d'un même modèle d'observation, alors qu'en radar il s'agit en général de la combinaison de modèles d'observation différents (variation de la forme d'onde). Ce constat a motivé l'essentiel de ce travail, à savoir l'établissement d'une expression analytique générale de la borne de Cramèr-Rao déterministe MIMO large bande, multisources, multiparamètres à modèles d'observations multiples pour la qualification (asymptotique) des performances en estimation d'un radar actif. Ce travail fournit un outil de comparaison des performances haute-résolution des différentes formes d'onde, dont les nouvelles formes d'onde numériques. De façon générale, l'expression analytique générale de la borne de Cramèr-Rao obtenue fournit la base théorique pour le développement des futurs radars à haute résolution.

L'augmentation de l'efficacité spectrale des transmissions mono-porteuses sur un lien de diffusion par satellite est devenu un défi d'envergure afin de pallier la demande croissante en débits de transmission. Si des techniques émergentes de transmissions encouragent l'utilisation de modulations à ordre élevé telles que les modulations de phase et d'amplitude (APSK), certaines dégradations sont encourues lors du traitement à bord du satellite. En effet, en raison de l'utilisation d'amplificateurs de puissance ainsi que de filtres à mémoires, les modulations d'ordre élevé subissent des distorsions non-linéaires dues à la fluctuation de leur enveloppe, ce qui nécessite des traitements au sein de l'émetteur ou bien au sein du récepteur. Dans cette thèse, nous nous intéressons au traitement de l'interférence non-linéaire au sein du récepteur, avec une attention particulière aux égaliseurs itératifs qui améliorent les performances du système au prix d'une complexité élevée. A partir du modèle temporel des interférences non-linéaires induites par l'amplificateur de puissance, des algorithmes de réception optimaux et sous optimaux sont dérivés, et leurs performances comparées. Des égaliseurs à complexité réduite sont aussi étudiés dans le but d'atteindre un compromis performances-complexité satisfaisant. Ensuite, un modèle des non-linéarités est dérivé dans le domaine fréquentiel, et les égaliseurs correspondants sont présentés. Dans un second temps, nous analysons et dérivons des récepteurs itératifs pour l'interférence entre symboles non linéaire. L'objectif est d'optimiser les polynômes de distributions d'un code externe basé sur les codes de contrôle de parité à faible densité (LDPC) afin de coller au mieux à la sortie de l'égaliseur. Le récepteur ainsi optimisé atteint de meilleures performances comparé à un récepteur non optimisé pour le canal non-linéaire. Finalement, nous nous intéressons à une classe spécifique de techniques de transmissions mono-porteuse basée sur le multiplexage par division de fréquence (SC-OFDM) pour les liens satellites. L'avantage de ces formes d'ondes réside dans l'efficacité de leur égaliseur dans le domaine fréquentiel. Des formules analytiques de la densité spectrale de puissance et du rapport signal sur bruit et interférence sont dérivées et utilisées afin de prédire les performances du système. / Increasing both the data rate and power efficiency of single carrier transmissions over broadcast satellite links has become a challenging issue to comply with the urging demand of higher transmission rates. If emerging transmission techniques encourage the use of high order modulations such as Amplitude and Phase Shift Keying (APSK) and Quadrature Amplitude Modulation (QAM), some channel impairments arise due to onboard satellite processing. Indeed, due to satellite transponder Power Amplifiers (PA) as well as transmission filters, high order modulations incur non linear distortions due to their high envelope fluctuations which require specific processing either at the transmitter or at the receiver. In this thesis, we investigate on non linear interference mitigation at the receiver with a special focus on iterative equalizers which dramatically enhance the performance at the cost of additional complexity. Based on the time domain model of the non linear interference induced by the PA, optimal and sub-optimal receiving algorithms are proposed and their performance compared. Low complexity implementations are also investigated for the sake of a better complexity-performance trade-off. Then, a non linear frequency domain model is derived and the corresponding frequency equalizers are investigated. In the second part, we analyse and design an iterative receiver for the non linear Inter Symbol Interference (ISI) channel. The objective is to optimize an outer Low Density Parity Check (LDPC) code distribution polynomials so as to best fit the inner equalizer Extrinsic information. The optimized receiver is shown to achieve better performance compared to a code only optimized for linear ISI channel. Finally, we investigate on a specific class of single carrier transmissions relying on Single Carrier Orthogonal Frequency Division Multiplexing (SCO-FDM) for satellite downlink. The advantage of such waveforms lies in their practical receiver implementation in the frequency domain. General analytical formulas of the power spectral density and signal to noise and interference ratio are derived and used to predict the bit error rate for frequency selective multiplexers.

L’émergence des formes d'onde numériques en radar et l’engouement de la communauté scientifique pour leur versatilité éprouvée en télécom, soulèvent naturellement chez les ingénieurs radaristes la question de l’amélioration effective des performances opérationnelles par ces nouvelles formes d’onde, notamment en matière de haute-résolution. Les travaux publiés sur le sujet sont prometteurs, à ceci près qu’ils sont le plus souvent basés sur des modèles théoriques un peu éloignés de la réalité opérationnelle ou sur des scénarios simplistes relativement à la capacité haute résolution envisagée (par exemple le faible nombre de sources pris en compte). En effet la prise en compte d’un modèle d’observation réaliste (large bande, à fréquence d’échantillonnage élevée) et de scénario à grand nombre de contributeurs conduit à des estimateurs dont la complexité d’implémentation n’est pas compatible des puissances de calcul actuelles. Une approche alternative, et compatible des puissances de calcul actuelles, pour la qualification des performances haute résolution est l’utilisation des bornes inférieures d’estimation, principalement la borne de Cramèr-Rao déterministe. L’examen de la littérature courante (notamment les monographies de référence) sur la borne de Cramèr-Rao déterministe a fait apparaître des lacunes relatives à sa formulation dans le contexte radar qui nous intéresse, à savoir MIMO large bande, multisources, multiparamètres à observations multiples. En effet dans la littérature courante, les observations multiples sont définies comme des réalisations multiples indépendantes d’un même modèle d’observation, alors qu’en radar il s’agit en général de la combinaison de modèles d’observation différents (variation de la forme d’onde). Ce constat a motivé l’essentiel de ce travail, à savoir l’établissement d’une expression analytique générale de la borne de Cramèr-Rao déterministe MIMO large bande, multisources, multiparamètres à modèles d’observations multiples pour la qualification (asymptotique) des performances en estimation d’un radar actif. Ce travail fournit un outil de comparaison des performances haute-résolution des différentes formes d’onde, dont les nouvelles formes d’onde numériques. De façon générale, l’expression analytique générale de la borne de Cramèr-Rao obtenue fournit la base théorique pour le développement des futurs radars à haute résolution. / The emergence of digital waveforms in radar and the enthusiasm of the scientific community for their versatility proven in telecom raise the question for radar engineers about improving operational performance by using these new waveforms, particularly in high-resolution scenarios. The results on the subject in open literature are promising, except that they are often based on theoretical models which are a little away from the operational reality or used in simplistic scenarios (e.g. the low number of sources taken into account). Indeed, taking into account a realistic observation model (wideband, high sampling frequency and multisource scenario) leads to estimators whose implementation complexity is not compatible with the computation power available nowadays. An alternative approach is the use of lower bounds on the mean square error of estimators, mainly the deterministic Cram´er-Rao bound. The review of the open literature (including reference books) on the deterministic Cramér-Rao bound reveals lacks in its formulation in the context of radar that interests us, namely MIMO wideband, multisource, multiparameter and multiple observations. Indeed, in the current literature, multiple observations are defined as multiple independent realizations of the same observation model, whereas in radar it is usually a combination of different observation models (waveforms change). This has motivated much of our work, namely the derivation of a general analytical expression for the Cram´er-Rao bound for deterministic MIMO wideband active radar. This work provides a tool for comparing the performance of different highresolution waveforms, including new digital waveforms. In general, the analytical expression of the general Cramér-Rao bound obtained provides the theoretical basis for the development of future high-resolution radar.

Dans cette thèse, un algorithme d'inversion de formes d'ondes (FWI) est développé pour l'imagerie 3D des paramètres élastiques de la lithosphère à partir des enregistrements télésismiques dans le but d'accroître la résolution des images lithosphériques. La modélisation sismique est effectuée par un méthode hybride d'injection de champ d'ondes. Une première modélisation est effectuée dans une Terre globale avec le logiciel AxiSEM pour déterminer les champs d’ondes aux bords de la cible lithosphérique. Ces solutions sont ensuite propagées dans cette cible par une méthode aux éléments finis spectraux. Le problème inverse est résolu avec un algorithme d’optimisation locale de type quasi-Newton (l-BFGS). La sensibilité de la méthode à la configuration expérimentale (paramétrisation du milieu, modèle initial, géométrie et échantillonnage du dispositif de capteurs) est tout d’abord analysée avec un modèle synthétique réaliste des Alpes Occidentales. L’algorithme est finalement appliqué à neuf événements de la campagne CIFALPS dans les Alpes occidentales jusqu’à une fréquence de 0.2Hz. Les modèles de vitesses P et S et de densité révèlent les grandes structures lithosphériques de la chaîne alpine, en particulier le corps d’Ivrée et la géométrie des Moho européen et adriatique. Plus profondément, deux anomalies de vitesses lentes sont imagées dans le manteau et sont interprétées comme la signature d’une remontée asthénosphérique et la localisation du détachement du panneau plongeant européen. Ces résultats corroborent l’hypothèse d’une subduction continentale de la croûte européenne et d’une éventuelle déchirure du panneau plongeant européen lors de la phase de collision. / In this thesis, a full-waveform inversion (FWI) algorithm is developed with the aim to image the elastic properties (Vp, Vs and density) of 3D lithospheric models from teleseismic recordings with a spatial resolution of the order of the wavelength. Seismic modeling is performed with a wavefield injection hybrid approach. A first simulation is performed in a global radially symmetric Earth with the AxiSEM code to compute the wavefields on the borders of the lithospheric target. Then, these wavefields are propagated in the target with the spectral finite-element method. After linearization, the inverse problem is solved with a quasi-Newton (1-BFGS) optimization algorithm. The sensitivity of the teleseismic FWI to the experimental setup (subsurface parameterization, initial model, sampling and geometry of the station layout) is first assessed with a realistic synthetic model of the Western Alps. The method is finally applied to nine events of the CIFALPS experiment carried out in the Western Alps, up to a frequency of 0.2Hz. Reliable models of P and S wave speeds and density reveal with an unprecedented resolution the crustal and lithospheric structures of the Alpine Belt, in particular the geometry of the Ivrea body, and the European and Adriatic Mohos. Deeper, two slow velocity anomalies beneath the Western Alps are imaged in the mantle. The first, to the west of the chain, is interpreted as the signature of an asthenospheric upwelling, the second near the location of the Ivrea body indicates the European slab break-off. The study supports the hypothesis of the European continental crust subduction and confirms the possible tearing of the European slab.

Le gisement de gaz de Lacq est exploité depuis 1957 et la sismicité induite a débuté en 1969. De magnitude modérée (M <= 4.4), cette sismicité est induite par l'extraction des fluides. Après nettoyage de la base de données disponible (1989-1997), un Pointé Automatique dont les paramètres sont optimisés par Recuit Simulé a permis la mise à jour de la base de données. Ajoutés aux données pointées entre 1974 et 1988 et grâce à un modèle de vitesse 3D, plus 1600 évènements ont été localisés, la plupart dans et au dessus du réservoir. La confrontation des localisations des hypocentres et des mécanismes aux foyers avec des informations apportées par les forages et la sismique 3D a permis de localiser les différents essaims de séismes au niveau de failles relativement importantes et orientées préférentiellement pour accommoder la perturbation de contrainte. Alors que le gisement présente une orientation WNW-ESE, la sismicité est localisée selon<br />un axe préférentiel SSW-NNE sur les failles principales d'orientation WNW-ESE. Les zones WNW et ESE du gisement sont quant à elles déformées de manière asismique, comme le montre les profils de nivellement. La confrontation de la sismicité avec l'historique et le modèle de réservoir a permis de mettre en avant (i) un essaim déclenché par une injection d'eau involontaire, (ii) une connexion importante entre le centre du réservoir et les réserves de gaz au nord-est et la déplétion associée, (ii) ainsi qu'une réinterprétation du modèle de réservoir dans certaines zones mal connues. La seconde voie d'étude a été portée sur l'analyse des formes d'ondes par décomposition atomique en chirplets, généralisation de la transformée en ondelettes et de la transformée de Gabor. Après une généralisation à 7D des paramètres de construction des chirplets pour une adaptation aux ondes sismologiques et l'utilisation d'algorithme de séparation d'ondes, il a été possible de décomposer les sismogrammes en un nombre limité d'atomes. Chacun des atomes est qualifié de 9-tuplet, caractérisé par des attributs morphologiques : (i) un temps d'arrivée, (ii) un fréquence centrale, (iii) une énergie, (iv) une phase, (v) une durée, (vi) un taux de modulation de fréquence, (vii) un type de modulation de fréquence, (viii) une asymétrie d'enveloppe et (ix) une plateau constant de l'enveloppe. Grâce à cette caractérisation poussée des ondes, il a été possible de pratiquer des classifications des sismogrammes. La classification et la représentation en dendrogramme ont montré une différenciation nette entre les séismes déclenchés par surpression de fluide des autres, révélant que la source des évènements déclenchés est plus courte et impulsive. En se basant uniquement sur les attributs morphologiques et en filtrant la composante de temps et fréquence des arrivées des ondes, nous avons montré qu'il était possible de comparer des séismes de localisations différentes.

La 5ème génération de réseaux mobiles (5G), actuellement en cours de standardisation, prévoit de nouveaux scénarios de communication dans l’évolution vers un monde entièrement connecté et communicant. Dans ce contexte, un nombre très important de techniques avancées sont en cours d’exploration pour répondre aux nombreux défis imposés en termes de débit, de latence, de consommation énergétique, et de capacité à faire communiquer entre eux, efficacement, des milliards d'objets très différents. Parmi les techniques les plus prometteuses de la couche physique, de nouvelles formes d'ondes multiporteuses filtrées sont proposées. Bien qu’elles offrent un meilleur confinement spectral et une meilleure localisation en temps et en fréquence par rapport à l’OFDM de la 4G, elles présentent des limitations soit en termes de complexité soit en termes de performance et d’intégration. De plus, ces formes d’ondes sont évaluées d’un point de vue théorique et les résultats ne sont pas toujours validés sur des plateformes matérielles de preuve de concept reproduisant les conditions réelles des scénarios de la 5G.Dans ce contexte, les travaux de cette thèse proposent plusieurs contributions originales aussi bien au niveau algorithmes de traitement qu’au niveau architectures matérielles. Dans le domaine algorithmique,les travaux réalisés ont mené aux contributions suivantes : (1) Un nouveau filtre prototype court est proposé pour la forme d’onde FBMC/OQAM. Des analyses analytiques, complétées par simulation,montrent que le filtre proposé permet d’améliorer la résistance aux erreurs de synchronisation temporel et de réduire la complexité du récepteur FBMC de type « frequency-spread » comparé aux autres filtres de la littérature, (2) Un nouveau type de récepteur FBMC adapté pour les filtres courts est proposé. Ce récepteur a la particularité d’améliorer sensiblement la résistance aux canaux doublement dispersifs pour des filtres courts, et de supporter les communications asynchrones, (3) Un émetteur UF-OFDM original de complexité significativement réduite par rapport à la littérature est proposé. Contrairement aux techniques existantes, l’émetteur proposé n’introduit aucune approximation dans le signal généré, et préserve ainsi le confinement spectral de la forme d’onde. Dans le domaine de la conception matérielle, les travaux réalisés durant cette thèse ont mené aux contributions suivantes : (4) Une architecture matérielle optimisée des émetteurs FBMC et UF-OFDM de complexité comparable à OFDM, (5) Une architecture matérielle optimisée de l’étage de filtrage du récepteur FBMC « frequency-spread », avec une complexité comparable à celle d’un récepteur « polyphase-network », et (6) Une des premières plateformes matérielles de preuve de concept de la 5G, pouvant évaluer les performances des formes d’ondes pour les différents services de la 5G. / The 5th generation of mobile communications is fore seen to cope with a high degree of heterogeneity in terms of services: enhanced mobile broadband, massive machine, vehicular and mission critical communications, broadcast services. Consequently, diverse and often contradicting key performance indicators need to be supported, such as high capacity/user-rates, low latency, high mobility, massive number of devices, low cost and low power consumption. 4G is not designed to efficiently meet such a high degree of heterogeneity: the OFDM waveform exhibits several limitations in terms of spectrum usage and robustness to frequency and timing synchronization errors. In order to overcome these limitations and to cope with the new 5G requirements,several research initiatives have been conducted to design new waveforms. Proposed candidates, such as FBMC/OQAM or UF-OFDM,are mainly based on multicarrier modulation with specific filtering scheme used on the top of the OFDM basis. However, most of the proposed new waveforms are often studied and analyzed at the algorithmic level considering mainly the quality of the communication link. Therefore, the investigation of low-complexity implementations and the availability of real hardware prototypes are of high interest for performance validation and proof-of-concept of the diverse proposed communication techniques. In the above context, this thesis work proposes several original contributions in the algorithm and the hardware design domains. In the algorithm domain, this work leads to the following contributions: (1) Anovel short prototype filter for FBMC allowing for near perfectreconstruction and having the same size as one OFDM symbol is proposed. Using the Frequency Spread implementation for the FBMC receiver, analytical studies and simulation results show that the proposed filter exhibits better robustness to several types of channel impairments when compared to state-of-the-art short prototype filters and OFDM modulation. (2) A novel FBMC receiver technique suitable for short filters is proposed. This receiver enables to greatly improve the robustness against double dispersive channels for short filters, and enables the support of asynchronous communications, (3) A novel low complexityUF-OFDM transmitter without any signal quality loss isproposed. For small subband sizes, the complexity becomescomparable to OFDM regardless of the number of allocated subbands.In the hardware design domain, this thesis work leads to the following contributions: (4) An efficient pipelined hardware architecture of the FBMC/OQAM transmitter capable of supporting several filter lengths and targeting low complexity is proposed and compared to typical FBMC/OQAM and OFDM implementations, (5) An optimized frequency spread based hardware architecture of the filtering stage is proposed for the designed short prototype filter, showing lower complexity than the classical Poly Phase-Network-based implementation, (6) One of the first flexible and efficient hardware platforms for 5G waveform design, allowing the support of several communication scenarios as foreseen in 5G.

L'inversion des formes d'ondes (FWI) est une méthode d'imagerie sismique quantitative multiparamètre actuellement en plein essor. La prise en compte de l'ensemble des phénomènes de propagation enregistrés, en particulier des ondes de surface, en font une technique prometteuse pour des applications de la subsurface sur des problématiques géotechniques ou environnementales. Cependant, l'adaptation au contexte de la subsurface d'une méthode sismique validée numériquement ou sur des applications d'imagerie profonde est une tâche difficile. Nous proposons ici une approche par modélisation physique à échelle réduite à l'aide d'un laboratoire de Mesures laser-Ultrasonore Sans Contact (MUSC) mis en place dans le cadre de cette thèse. Les différents éléments du laboratoire ont été caractérisés pour la modélisation sismique à échelle réduite et une attention particulière a été portée à la simulation de la source. Les données acquises ont été validées par confrontation avec des données obtenues par modélisation numérique à l'aide des codes fournis par Géoazur dans le cadre du projet ANR SEISCOPE. Dans un deuxième temps, le potentiel de la FWI pour des applications de la subsurface a été évalué par l'approche conjointe de la modélisation numérique et de la modélisation expérimentale. Nous avons ainsi pu montrer par cette double approche que la FWI permet d'obtenir une information sur la morphologie de cavités souterraines grâce à la prise en compte des ondes de surface. Par ailleurs, sur les différents modèles multicouches étudiés, l'information sur les zones les plus superficielles fournie par les ondes de surface dispersives a pu être exploitée par la FWI.

La détermination des paramètres d'un milieu poreux, notamment de la porosité, de la perméabilité et des propriétés du fluide saturant est un enjeu important pour des problèmes hydrologiques, pétroliers ou de risques naturels. L'objectif principal de ce travail est d'estimer ces propriétés à partir des ondes sismiques réfléchies.<br />Les théories poro-élastiques (Biot,1956) nécessitent de nombreux paramètres pour caractériser les milieux poreux et conduisent à des propriétés particulières des ondes sismiques (deux ondes de compression, atténuation intrinsèquement définies,...). Ces équations sont résolues pour un milieu poreux stratifié plan saturé par un fluide homogène par une méthode de réflectivité associée à une intégration en nombre d'ondes discrets. Ce programme de simulation est tout d'abord utilisé pour estimer la sensibilité des ondes réfléchies à la localisation et à la concentration du dioxyde de carbone dans le cas d'un stockage dans un aquifère marin profond. La sensibilité de la réponse sismique aux différents paramètres du milieu poreux est ensuite établie de manière plus systématique par le calcul analytique des dérivées de Fréchet des sismogrammes et leur mise en oeuvre numérique. Les applications numériques réalisées indiquent que les paramètres primordiaux à déterminer sont la porosité et la consolidation.<br />Ces opérateurs de sensibilité ont ensuite été intégrés dans un code d'inversion de formes d'ondes complètes (algorithme de Quasi-Newton). Les calculs d'inversion réalisés à partir de données synthétiques indiquent que les distributions de porosité et les paramètres caractérisant le solide et le fluide (densité et modules mécaniques) peuvent être correctement reconstruits lorsque les autres paramètres sont bien déterminés.<br />Cependant, l'inversion de plusieurs paramètres reste un problème difficile du fait des couplages sismiques existant entre eux. Il est cependant possible de résoudre des problèmes complexes en ne considérant qu'un seul paramètre pour le fluide (saturation) et un pour les minéraux (lithologie), ou en effectuant des inversions différentielles pour suivre des variations du fluide.<br />La méthode d'inversion est finalement appliquée à un jeu de données réelles acquis sur le site côtier de Maguelonne dans l'Hérault. Les variations du milieu peuvent être reconstruites en utilisant de l'information a priori venant de forages.

Les sujets de recherche que j'ai choisi de traiter ces dix dernières années sont relativement éclectiques, couvrant des aspects relatifs tant aux sources sismiques qu'à la structure de la Terre. Un thème fédérateur qui émerge cependant est mon intérêt pour les nombreuses méthodes utilisées en sismologie pour extraire l'information pertinente des sismogrammes. Dans cette thèse d'habilitation, je parcours le fil conducteur des idées qui ont contribué à former ma pensée sur ce thème, décrivant avec plus de détails deux méthodes que j'ai développées et qui ont abouti récemment: FLEXWIN, qui permet d'identifier automatiquement dans un sismogramme complexe les fenêtres temporelles de mesure les plus appropriées dans un certain contexte, et WaveLoc, qui détecte et localise automatiquement les phénomènes sismiques à partir de formes d'ondes continues en exploitant la cohérence de l'information sur un réseau de stations sismologiques. De tels outils, basés au départ sur l'intégration du savoir-faire "artisanal" et son automatisation, permettent en fait d'aller plus loin dans l'exploitation des sismogrammes, et sont devenus indispensables au sismologue pour faire face au volume de données gigantesque produit par les réseaux sismologiques modernes.

Actuellement, le principal obstacle à la mise en œuvre de la FWI élastique en trois dimensions sur des cas d'étude réalistes réside dans le coût de calcul associé aux taches de modélisation sismique. Pour surmonter cette difficulté, je propose deux contributions. Tout d'abord, je propose de calculer le gradient de la fonctionnelle avec la méthode de l'état adjoint à partir d'une forme symétrisée des équations de l'élastodynamique formulées sous forme d'un système du premier ordre en vitesse-contrainte. Cette formulation auto-adjointe des équations de l'élastodynamique permet de calculer les champs incidents et adjoints intervenant dans l'expression du gradient avec un seul opérateur de modélisation numérique. Le gradient ainsi calculé facilite également l'interfaçage de plusieurs outils de modélisation avec l'algorithme d'inversion. Deuxièmement, j'explore dans cette thèse dans quelle mesure les encodages des sources avec des algorithmes d'optimisation du second-ordre de quasi-Newton et de Newton tronqué permettait de réduire encore le coût de la FWI. Finalement, le problème d'optimisation associé à la FWI est mal posé, nécessitant ainsi d'ajouter des contraintes de régularisation à la fonctionnelle à minimiser. Je montre ici comment une régularisation fondée sur la variation totale du modèle fournissait une représentation adéquate des modèles du sous-sol en préservant le caractère discontinu des interfaces lithologiques. Pour améliorer les images du sous-sol, je propose un algorithme de débruitage fondé sur une variation totale locale au sein duquel j'incorpore l'information structurale fournie par une image migrée pour préserver les structures de faible dimension.