L'un des enjeux majeurs pour les systèmes d'imagerie par diffraction acoustique et micro-onde, est l'amélioration des performances obtenues au moment de la reconstruction des objets étudiés. Cette amélioration peut s'effectuer par la recherche d'algorithmes d'imagerie plus performants d'une part et par la recherche d'une meilleure configuration de mesures d'autre part. La première approche (recherche d'algorithmes) permet d'améliorer le processus d'extraction de l'information présente dans un échantillon de mesures donné. Néanmoins, la qualité des résultats d'imagerie reste limitée par la quantité d'information initialement disponible. La seconde approche consiste à choisir la configuration de mesures de manière à augmenter la quantité d'information disponible dans les données. Pour cette approche, il est nécessaire de quantifier la quantité d'information dans les données. En théorie de l'estimation, ceci équivaut à quantifier la performance du système. Dans cette thèse, nous utilisons la Borne de Cramer Rao comme mesure de performance, car elle permet d'analyser la performance des systèmes de mesures sans être influencé par le choix de la méthode d'inversion utilisée. Deux analyses sont proposées dans ce manuscrit. La première consiste en l'évaluation de l'influence des facteurs expérimentaux sur la performance d'inversion. Cette analyse a été effectuée pour différents objets le tout sous une hypothèse de configuration bidimensionnelle. La seconde analyse consiste à comparer les performances de l'estimateur obtenu avec l'approximation de Born aux valeurs de la borne de Cramer Rao (BCR); l'objectif étant d'illustrer d'autres applications possibles de la BCR. / Improving the performance of diffraction based imaging systems constitutes a major issue in both acoustic and electromagnetic scattering. To solve this problem, two main approaches can be explored. The first one consists in improving the inversion algorithms used in diffraction based imaging. However, while this approach generally leads to a significant improvement of the performance of the imaging system, it remains limited by the initial amount of information available within the measurements. The second one consists in improving the measurement system in order to maximize the amount of information within the experimental data. This approach does require a quantitative mean of measuring the amount of information available. In estimation problems, the {appraisal of the} performance of the system is often used for that purpose. In this Ph.D. thesis, we use the Cramer Rao bound to assess the performance of the imaging system. In fact, this quantity has the advantage of providing an assessment which is independent from the inversion algorithm used. Two main analysis are discussed in this thesis. The first analysis explores the influence on the system's performance, of several experimental conditions such as the antennas positions, the radiation pattern of the source, the properties of the background medium, etc. Two classes of objects are considered: 2D homogeneous circular cylindrical objects and 2D cylindrical objects with defect. The second analysis studies the performance of an estimator based on Born approximation with the Cramer Rao Bound as reference. The aim of this second analysis is to showcase other possible applications for the Cramer Rao Bound.

L’objectif de ce mémoire est d’introduire une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics (SPH) implicite purement lagrangienne, pour la résolution des équations de Navier- Stokes incompressibles bidimensionnelles en présence d’une surface libre. Notre schéma de discrétisation est basé sur celui de Kéou Noutcheuwa et Owens [19]. Nous avons traité la surface libre en combinant la méthode multiple boundary tangent (MBT) de Yildiz et al. [43] et les conditions aux limites sur les champs auxiliaires de Yang et Prosperetti [42]. Ce faisant, nous obtenons un schéma de discrétisation d’ordre $\mathcal{O}(\Delta t ^2)$ et $\mathcal{O}(\Delta x ^2)$, selon certaines contraintes sur la longueur de lissage $h$. Dans un premier temps, nous avons testé notre schéma avec un écoulement de Poiseuille bidimensionnel à l’aide duquel nous analysons l’erreur de discrétisation de la méthode SPH. Ensuite, nous avons tenté de simuler un problème d’extrusion newtonien bidimensionnel. Malheureusement, bien que le comportement de la surface libre soit satisfaisant, nous avons rencontré des problèmes numériques sur la singularité à la sortie du moule. / The objective of this thesis is to introduce a new implicit purely lagrangian smoothed particle hydrodynamics (SPH) method, for the resolution of the two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations in the presence of a free surface. Our discretization scheme is based on that of Kéou Noutcheuwa et Owens [19]. We have treated the free surface by combining Yildiz et al. [43] multiple boundary tangent (MBT) method and boundary conditions on the auxiliary fields of Yang et Prosperetti [42]. In this way, we obtain a discretization scheme of order $\mathcal{O}(\Delta t ^2)$ and $\mathcal{O}(\Delta x ^2)$, according to certain constraints on the smoothing length $h$. First, we tested our scheme with a two-dimensional Poiseuille flow by means of which we analyze the discretization error of the SPH method. Then, we tried to simulate a two-dimensional Newtonian extrusion problem. Unfortunately, although the behavior of the free surface is satisfactory, we have encountered numerical problems on the singularity at the output of the die.

Eine Standardformulierung der Randwertaufgabe für die Beschreibung zeitharmonischer elektromagnetischer Phänomene hat die Vektor-Helmholtzgleichung für das elektrische Feld zur Grundlage. Bei niedrigen Frequenzen führt der große Nullraum des Rotationsoperators zu einem instabilen Lösungsverhalten. Wird die Randwertaufgabe zum Beispiel mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente in ein lineares Gleichungssystem überführt, äußert sich die Instabilität in einer schlechten Konditionszahl ihrer Koeffizientenmatrix. Eine stabilere Formulierung wird durch die explizite Berücksichtigung der Kontinuitätsgleichung erreicht. Zur numerischen Lösung der Randwertaufgaben wurde eine Finite-Elemente-Software erstellt. Sie berücksichtigt unter anderem unstrukturierte Gitter, räumlich variable, anisotrope Materialparameter sowie die Erweiterung der Maxwell-Gleichungen durch Perfectly Matched Layers. Die Software wurde anhand von Anwendungen in der marinen Geophysik erfolgreich getestet. Insbesondere demonstriert die Einbeziehung von Seebodentopographie in Form einer stetigen Oberflächentriangulierung die geometrische Flexibilität der Software. / The physics of time-harmonic electromagnetic phenomena can be mathematically described by boundary value problems. A standard approach is based on the vector Helmholtz equation in terms of the electric field. The curl operator involved has a large, non-trivial kernel which leads to an instable solution behaviour at low frequencies. If the boundary value problem is solved approximately using, e. g., the finite element method, the instability expresses itself by a badly conditioned coefficient matrix of the ensuing system of linear equations. A stable formulation is obtained by taking the continuity equation explicitly into account. In order to solve the boundary value problem numerically a finite element software package has been implemented. Its features comprise, amongst others, the treatment of unstructured meshes and piecewise polynomial, anisotropic constitutive parameters as well as the extension of Maxwell’s equations to the Perfectly Matched Layer. Successful application of the software is demonstrated with examples from marine geophysics. In particular, the incorporation of seafloor topography by a continuous surface triangulation illustrates the geometric flexibility of the software.

In this report, we study how finite differences can be used to simulate acoustic wave propagation originating from a point source in the ocean using the Helmholtz equation. How to model sediment layers and the vast size of the ocean is studied in particular. The finite differences are implemented with summation by parts operators with boundary conditions enforced with simultaneous approximation terms and projection. The numerical solver is combined with the WaveHoltz method to improve the performance. Sediment layers are handled with interface conditions and the domain is artificially expanded using absorbing layers. The absorbing layer is implemented with an alternative approach to the super-grid method where the domain expansion is accomplished by altering the wave speed rather than with coordinate transformations. To isolate these issues, other parameters such as variations in the ocean floor are neglected. With this simplification, cylindrical coordinates are used and the angular variation is assumed to be zero. This reduces the problem to a quasi-three-dimensional system. We study how the parameters of the alternative absorbing layer approach affect its quality. The numerical solver is verified on several test cases and appears to work according to theory. Finally, a semi-realistic simulation is carried out and the solution seems correct in this setting.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la construction d'éléments finis d'ordre élevé adaptés aux maillages hybrides, pour la résolution de systèmes hyperboliques linéaires en régimes harmonique et temporel. L'accent est plus particulièrement porté sur la construction d'éléments pyramidaux. On étudie trois formulations pour lesquelles on cherche des éléments finis "optimaux" au sens de la convergence dans la norme de l'espace considéré pour la formulation. Pour les formulations H^1 et H(rot), on construit des éléments finis "optimaux" nodaux et hp. Les matrices élémentaires sont évaluées grâce à des formules de quadrature adaptées et des estimations d'erreur sont effectuées pour vérifier la convergence des éléments optimaux construits. Pour la formulation discontinue LDG (Local Discontinuous Galerkin), on présente des éléments utilisant des fonctions de base orthogonales permettant de mettre au point une construction de la matrice de masse et un produit matrice-vecteur rapides. Dans le cas des trois formulations, on étudie les propriétés numériques des éléments construits, on vérifie que l'on retrouve bien numériquement la convergence théorique et on compare nos éléments avec d'autres éléments trouvés dans la littérature. Finalement, on présente des expériences numériques en 3D avec l'équation des ondes ou de Helmholtz, et les équations de Maxwell dans le cas des régimes temporels et harmoniques. On montre ainsi l'efficacité des maillages hybrides par rapport aux maillages purement tétraédriques ou aux maillages hexaédriques obtenus en découpant chaque tétraèdre d'un maillage purement tétraédrique en quatre hexaèdres.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la résolution des <br />équations de Maxwell en régime fréquentiel, afin de calculer<br />précisément la signature radar de cibles diverses. Pour avoir<br />une grande précision nécessaire pour des expérience de grande taille,<br /> nous utilisons des méthodes d'ordre élevé.<br /><br />Dans le cas scalaire, les éléments finis spectraux hexaédriques<br />avec condensation de masse, permettent d'obtenir un produit matrice vecteur <br />rapide et peux coûteux en stockage. Dans le cas vectoriel, les hexaèdres<br />de la première famille ne réalisent pas la condensation de masse, mais on peut<br />écrire un algorithme rapide de produit matrice-vecteur. Des résultats<br />numériques 3-D montrent la performance de l'algorithme proposé.<br /><br />Nous traitons également le cas où la géométrie présente<br />une symétrie de révolution. On est alors ramenés à une succession<br />de problèmes 2-D indépendants.<br />Nous proposons une méthode éléments finis d'ordre élevé <br />couplée à des équations intégrales d'ordre élevé.

This thesis describes a combined model and laboratory investigation of the generation and mutual interactions of fluid waves whose characteristic scales differ by an order of magnitude or more. The principal aims are to study how waves on one scale can generate waves on another, much shorter scale, and to examine the subsequent nonlinear feedback of the short waves on the long waves. The underlying motive is to better understand such interactions in rotating, stratified, planetary fluids such as atmospheres and oceans. The first part of the thesis describes a laboratory investigation using a rotating, two-layer annulus, forced by imposing a shear across the interface between the layers. A method is developed for making measurements of the two-dimensional interface height field which are very highly-resolved both in space and time. The system's linear normal modes fall into two distinct classes: 'slow' waves which are relatively long in wavelength and intrinsic period, and 'fast' waves which are much shorter and more quickly-evolving. Experiments are performed to categorize the flow at a wide range of points in the system's parameter space. At very small background rotation rates, the interface is completely devoid of waves of both types. At higher rates, fast modes only are generated, and are shown to be consistent with the Kelvin-Helmholtz instability mechanism based on a critical Richardson number. At rotation rates which are higher still, baroclinic instability gives rise to the onset of slow modes, with subsequent localized generation of fast modes superimposed in the troughs of the slow waves. In order to examine the generation mechanism of these coexisting fast modes, and to assess the extent of their impact upon the evolution of the slow modes, a quasi-geostrophic numerical model of the laboratory annulus is developed in the second part of the thesis. Fast modes are filtered out of the model by construction, as the phase space trajectory is confined to the slow manifold, but the slow wave dynamics is accurately captured. Model velocity fields are used to diagnose a number of fast wave radiation indicators. In contrast to the case of isolated fast waves, the Richardson number is a poor indicator of the generation of the coexisting fast waves that are observed in the laboratory, and so it is inferred that these are not Kelvin-Helmholtz waves. The best indicator is one associated with the spontaneous emission of inertia-gravity waves, a generalization of geostrophic adjustment radiation. A comparison is carried out between the equilibrated wavenumbers, phase speeds and amplitudes of slow waves in the laboratory (which coexist with fast modes), and slow waves in the model (which exist alone). There are significant differences between these wave properties, but it is shown that these discrepancies can be attributed to uncertainties in fluid properties, and to model approximations apart from the neglect of fast modes. The impact of the fast modes on the slow modes is therefore sufficiently small to evade illumination by this method of inquiry. As a stronger test of the interaction, a stochastic parameterization of the inertia-gravity waves is included in the model. Consistent with the laboratory/model intercomparison, the parameterized fast waves generally have only a small impact upon the slow waves. However, sufficiently close to a transition curve between two different slow modes in the system's parameter space, it is shown that the fast modes can exert a dominant influence. In particular, the fast modes can force spontaneous transitions from one slow mode to another, due to the phenomenon of stochastic resonance. This finding should be of interest to the meteorological and climate modelling communities, because of its potential to affect model reliability.

Cette thèse s'articule autour de deux thématiques : les méthodes numériques pour la propagation d'ondes acoustiques sous écoulement et les méthodes de réduction de modèles. Dans la première thématique, nous développons une méthode de couplage d'éléments finis et d'éléments de frontière pour résoudre l'équation d'Helmholtz convectée, lorsque l'écoulement est uniforme à l'extérieur d'un domaine borné. En particulier, nous proposons une formulation bien posée à toutes les fréquences de la source. Dans la deuxième thématique, nous proposons une solution au problème classique d'accumulation d'arrondis machine qui survient en calculant l'estimateur d'erreur a posteriori dans la méthode des bases réduites. Par ailleurs, nous proposons une méthode non intrusive pour calculer une approximation sous forme séparée des systèmes linéaires résultant de l'approximation en dimension finie de problèmes aux limites dépendant d'un ou plusieurs paramètres / This thesis has two topics : numerical methods for acoustic wave propagation in a flow and reduced order models. In the first topic, we develop a coupled finite element and boundary element method to solve the convected Helmholtz equation, when the flow is uniform outside a bounded domain. In particular, we propose a formulation that is well-posed at all the frequencies of the source. In the second topic, we propose a solution to the classical problem of round-off error accumulation that occurs when computing the a posteriori error bound in the reduced basis method. Furthermore, we propose a non intrusive method for the approximation, in a separated representation form, of linear systems resulting from the finite-dimensional approximation of boundary-value problems depending on one or several parameters

Dans cette thèse on calcule la fonction de Green des équations de Laplace et Helmholtz en deux et trois dimensions dans un demi-espace avec une condition à la limite d'impédance. Pour les calculs on utilise une transformée de Fourier partielle, le principe d'absorption limite, et quelques fonctions spéciales de la physique mathématique. La fonction de Green est après utilisée pour résoudre numériquement un problème de propagation des ondes dans un demi-espace qui est perturbé de manière compacte, avec impédance, en employant des techniques des équations intégrales et la méthode d'éléments de frontière. La connaissance de son champ lointain permet d'énoncer convenablement la condition de radiation dont on a besoin. Des expressions pour le champ proche et lointain de la solution sont données, dont l'existence et l'unicité sont discutées brièvement. Pour chaque cas un problème benchmark est résolu numériquement. On expose étendument le fond physique et mathématique et on inclut aussi la théorie des problèmes de propagation des ondes dans l'espace plein qui est perturbé de manière compacte, avec impédance. Les techniques mathématiques développées ici sont appliquées ensuite au calcul de résonances dans un port maritime. De la même façon, ils sont appliqués au calcul de la fonction de Green pour l'équation de Laplace dans un demi-plan bidimensionnel avec une condition à la limite de dérivée oblique.

L'objectif de cette thèse est, d'une part, de fournir des méthodes de planification de mouvements pour les systèmes non-holonomes, et d'autre part, d'étudier la contrôlabilité spectrale pour les équations de Schrödinger linéarisées. Nous avons apporté une double contribution au problème de la planification de mouvements pour les systèmes non-holonomes. Fondé sur la géométrie sous-riemannienne, nous avons conçu un nouvel algorithme qui résout complètement le problème dans un cadre général. Nous avons également proposé une implémentation numérique de la méthode de continuation qui fournit des solutions satisfaisantes au problème de la planification du roulement sur le plan, un exemple classique de systèmes non-holonomes à deux entrées. Nous avons donné des conditions nécessaires et suffisantes de contrôlabilité spectrale en temps fini des équations de Schrödinger linéarisées en dimension 2 et 3. Leur généricité par rapport au domaine a été étudiée par une technique originale basée sur les équations intégrales.