Le travail de recherche mené lors de cette thèse propose d'améliorer la compréhension et l'utilisation de champs d'ondes complexes issus de la propagation en milieux réverbérants. Dans de tels milieux, la réverbération donne lieu à une répartition spatiale de l'intensité liée à la position de la source. Ce phénomène, appelé rétro-diffusion cohérente, est étudié dans des cavités simples afin de disposer de modèles analytiques permettant de prédire les résultats expérimentaux de surintensité à la source. Les symétries spatiales jouent aussi un rôle dans la répartition de l'intensité, rôle qui est étudié selon la même approche. La réverbération, aussi complexe soit-elle, contient des informations qui peuvent permettre d'imager le milieu de propagation. Ce principe est utilisé pour l'élastographie, l'imagerie de l'élasticité des tissus mous. La problématique et les méthodes d'élastographie sont alors présentées puis appliquées à la détermination de délais électromécaniques dans des muscles squelettiques. Les méthodes d'extraction de l'information contenue dans un champ complexe d'ondes élastiques sont ensuite développées. Basée sur le retournement temporel et la corrélation de bruit, une élastographie passive tirant profit du bruit physiologique est proposée. La faisabilité de cette méthode est démontrée à travers des mesures d'élasticité dans des gels et les premiers résultats in-vivo sont présentés. Finalement, une optimisation des méthodes d'imagerie passive est développée à partir de données sismiques. Le principe de ce filtre inverse passif consiste à mieux prendre en compte une répartition spatiale généralement inhomogène des sources de bruit.

La reconstruction passive des fonctions de Green par corrélation de bruit ambiant suscite aujourd’hui un grand intérêt en contrôle santé intégré (CSI). Dans ce manuscrit, nous proposons une méthode originale reposant sur l’application de cette approche pour détecter et localiser des défauts (fissures, trous, rainures) dans des plaques minces réverbérantes avec un faible nombre de capteurs. Les ondes de flexion qui se propagent sur la plaque sont engendrées soit par un ensemble de sources aléatoirement réparties sur la surface ou un bruit ambiant. Un réseau de capteurs sensibles au déplacement normal permet d’estimer la matrice de corrélations inter-éléments avant et après l’apparition d’un défaut. Un critère d’évaluation de la qualité des corrélations est proposé sous forme d’un niveau de bruit relatif entre les résidus de reconstruction et les fonctions de Green. La matrice différentielle de corrélations avant et après défaut est utilisée pour l’imagerie de défaut. En dépit de la reconstruction imparfaite des réponses impulsionnelles, la technique proposée s’avère comparable aux méthodes actives avec une excellente résolution. On a proposé ensuite une extension de la méthode passive par corrélation de champs pour l’identification des zones de bruit. Un filtrage basé sur la technique de décomposition en valeurs singulières (DORT) est tout particulièrement utilisé pour améliorer les images de localisation. Des sources acoustiques secondaires ont été développées pour la translation du bruit ambiant basses fréquences en composantes hautes fréquences, utilisées pour localiser des défauts dans des plaques. Enfin, on a montré que ce type de méthode pourrait être également utilisé pour caractériser un défaut dans une structure réverbérante, en particulier, il a été souligné que l’intensité des images de localisation obtenues est liée à la section de diffusion de celui-ci. / Green’s functions retrieval from ambient noise correlation has recently drawn a new interest in structural health monitoring. In this manuscript, we propose an original method based on this approach to detect and locate defects (cracks, holes, grooves) in a reverberant thin plate with a limited number of sensors. Flexural waves that propagate on the plate are generated by either a set of sources distributed randomly on the surface or an ambient noise. Covariance matrices are estimated from the sparse array after damage and compared to baseline-correlation matrix recorded from the healthy plate. An evaluation criterion has developed in the form of relative noise level to predict the quality of the GF reconstruction. The differential correlation matrix w/o defect is used to localize the defect. We have shown numerically and experimentally that this technique is exploitable for defect detection and localization, despite a non-perfect estimation of the GF. We have also proposed a passive technique to identify the regions of noise. A filtering technique based on the singular value decomposition is shown to improve the detection. A secondary acoustic sources have been developped to harvesting the LF ambient noise to HF field, used to localize defects in platelike structures. Finally, it was shown that such method could also be used to characterize a defect in a reverberant structure, in particular, it has been drawn that the obtained images intensity is related to the defect cross-section.

Les méthodes traditionnelles d'analyse du sous-sol reposent sur l'utilisation de sources sismiques (naturelles ou artificielles). Elles sont ainsi limitées par le nombre, la puissance et le taux d'occurrence de ces sources. Récemment, une alternative à ces méthodes actives a été proposée, basée sur l'utilisation de champs diffus (bruit sismique ambiant ou coda de séismes). Ces méthodes passives permettent de reconstruire des fonctions de Green dans le milieu à partir de l'intercorrélation d'enregistrements entre toutes les paires d'un réseau. L'objectif de cette thèse a été d'étudier les limites de ces techniques passives, afin d'en définir les champs d'application.<br>Ce travail est centré sur les petites échelles de la géophysique (10 m à 1 km) et aux hautes fréquences (5 à 50 Hz), où les propriétés du champ d'onde mettent souvent en défaut l'hypothèse de champ diffus du théoréme de corrélation. A partir de cas expérimentaux où la fonction de corrélation ne converge pas vers la fonction de Green, de nouvelles approches sont définies afin de retrouver malgré tout les propriétés du milieu.<br>L'importance de la distribution des sources de bruit pour les milieux non diffusant est mise en évidence. La caractérisation du champ d'onde est ainsi essentielle avant la mise en place de méthodes passives. Une étude comparative des méthodes l'imagerie active et passive est proposée. Elle montre que la résolution de l'imagerie passive est au moins aussi bonne que celle de l'imagerie active.<br>Enfin, une approche méthodologique est proposée pour l'étude du bruit ambiant, à partir d'outils issus de l'acoustique sous marine. Son application à l'étude de zones hydrothermales est discutée.

Cette thèse porte sur la propagation des ultrasons et des ondes sismiques de la coda en milieu hétérogène. Nous proposons deux méthodes d'analyse de l'information portée par la phase (la forme) des signaux diffus. 1) La localisation faible des ondes sismiques (~rétrodiffusion cohérente) a été observée sur un volcan (Auvergne). Cette expérience démontre la présence de diffusion multiple dans la coda et permet de quantifier le degré d'hétérogénéité du milieu. 2) Une technique d'imagerie passive a été développée : elle permet de faire de l'imagerie "sans source" par corrélation les ondes de la coda ou du bruit ambiant en milieu ouvert et diffusant. Une interprétation physique basée sur une analogie entre les corrélations et le retournement temporel a été proposée. Une étude approfondie du phénomène d'asymétrie temporelle des corrélation a été menée, fondée sur des simulations numériques, sur une expérience de sismologie en Alaska, et sur une expérience analogique en ultrasons (croûte terrestre analogique). L'importance de la position des sources et le rôle de la diffusion ont été démontrés. 3) La technique d'imagerie passive a été appliquée à l'imagerie ultrasonore d'un milieu stratifié par tomographie passive, à l'imagerie d'une interface et de deux diffuseurs isolés, et enfin au bruit sismique enregistré sur la Lune pendant la mission Apollo 17 (1972). La technique d'imagerie passive est donc opérationnelle sur d'autre planètes que la Terre, elle pourra être mise en oeuvre dans les futures missions spatiales, en particulier sur la Lune et sur Mars.

Les méthodes de retournement temporel (RT) en micro-ondes sont appliquées à l'amplification d'impulsions et à l'imagerie. Lors d'une première partie, une chambre réverbérante ouverte sur sa face avant permet d'engendrer un champ diffus tout en laissant s'échapper l'énergie afin de focaliser le champ par RT à l'extérieur. La compression spatiotemporelle après RT produit une impulsion de forte amplitude et confère au dispositif un caractère auto-adaptatif en position et en polarisation. La seconde partie traite expérimentalement et théoriquement de la méthode DORT (décomposition de l'opérateur de RT). Le cas d'un cylindre diélectrique est examiné dans le but de retrouver ses paramètres. L'imagerie de deux cibles séparées d'une distance sub-longueur d'onde est alors abordée. Un critère de résolution déterminant le niveau de bruit à partir duquel la résolution des cibles échoue est notamment extrait. La méthode est ensuite appliquée à la localisation de personnes mobiles derrière un mur. La possibilité de suivre un déplacement est illustrée en prenant en compte la propagation à l'intérieur du mur. L'influence du déplacement d'une cible ponctuelle pendant l'acquisition de la matrice de transfert sur les invariants de l'opérateur de RT est aussi examinée. Enfin, une technique d'imagerie passive fondée sur les corrélations du bruit ambiant est expérimentalement mise en évidence en micro-ondes. Suivant une analogie avec le RT, la corrélation de signaux de bruit large bande mène à la fonction de Green entre deux antennes et ainsi à la localisation de cibles. La localisation passive d'une personne est aussi abordée en « bande étroite » grâce à l'émission d'une borne WIFI.

Le but de ce travail est de quantifier le potentiel et les capacités de la technologie térahertz à contrôler des colis afin de détecter les menaces telles que les armes et les explosifs, sans avoir besoin d'ouvrir le colis.Dans cette étude, nous présentons la spectroscopie térahertz résolue en temps et l'imagerie multi-spectrale pour la détection des explosifs. Deux types d’explosifs, ainsi que leurs mélanges binaires sont analysés. En raison de la complexité de l'extraction des informations face à tels échantillons, trois outils de chimiométrie sont utilisés: l’analyse en composantes principales (ACP), l'analyse des moindres carrés partiels (PLS) et l'analyse des moindres carrés partiels discriminante (PLS-DA). Les méthodes sont appliquées sur des données spectrales térahertz et sur des images spectrales pour : (i) décrire un ensemble de données inconnues et identifier des similitudes entre les échantillons par l'ACP ; (ii) créer des classes, ensuite classer les échantillons inconnus par PLS-DA ; (iii) créer un modèle capable de prédire les concentrations d’un explosif, à l'état pur ou dans des mélanges, par PLS.Dans la deuxième partie de ce travail, nous présentons l'imagerie par les ondes millimétriques pour la détection d'armes dans les colis. Trois techniques d'imagerie différentes sont étudiées : l'imagerie passive, l’imagerie active par des ondes continues (CW) et l’imagerie active par modulation de fréquence (FMCW). Les performances, les avantages et les limitations de chacune de ces techniques, pour l’inspection de colis, sont présentés. En outre, la technique de reconstruction tomographique est appliquée à chacune de ces trois techniques, pour visualiser en 3D et inspecter les colis en volume. Dans cet ordre, un algorithme de tomographie spécial est développé en prenant en considération la propagation gaussienne de l'onde. / The aim of this work is to demonstrate the potential and capabilities of terahertz technology for parcels screening and inspection to detect threats such as weapons and explosives, without the need to open the parcel.In this study, we first present terahertz time-domain spectroscopy and spectral imaging for explosives detection. Two types of explosives as well as their binary mixture is analyzed. Due to the complexity of extracting information when facing such mixtures of samples, three chemometric tools are used: principal component analysis (PCA), partial least square analysis (PLS) and partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA). The analyses are applied to terahertz spectral data and to spectral-images in order to: (i) describe a set of unknown data and identify similarities between samples by PCA; (ii) create a classification model and predict the belonging of unknown samples to each of the classes, by PLS-DA; (iii) create a model able to quantify and predict the explosive concentrations in a pure state or in mixtures, by PLS.The second part of this work focuses on millimeter wave imaging for weapon detection in parcels. Three different imaging techniques are studied: passive imaging, continuous wave (CW) active imaging and frequency modulated continuous wave (FMCW) active imaging. The performances, the advantages and the limitations of each of the three techniques, for parcel inspection, are exhibited. Moreover, computed tomography is applied to each of the three techniques to visualize data in 3D and inspect parcels in volume. Thus, a special tomography algorithm is developed by taking in consideration the Gaussian propagation of the wave.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’imagerie computationnelle active et passive en micro-ondes. L’utilisation d’une cavité chaotique comme composants compressif est étudiée tant théoriquement (modèle mathématique, résolution algorithmique du problème inverse) et expérimentalement. L’idée sous-jacente est de remplacer un réseau d’antennes par une unique cavité réverbérante dont un réseau d’ouvertures sur la face avant permet de coder l’information spatiale d’une scène dans la réponse temporelle de la cavité. La réverbération des ondes électromagnétique à l’intérieur de la cavité fournit les degrés de liberté nécessaires à la reconstruction d’une image de la scène. Ainsi il est possible de réaliser en temps réel une image haute-résolution d’une scène à partir d’une unique réponse impulsionnelle. Les applications concernent la sécurité ou l’imagerie à travers les murs. Dans ce travail, la conception et la caractérisation d’une cavité chaotique ouverte sont effectuées. L’utilisation de ce dispositif pour réaliser en actif des images de cibles de diverses formes est démontrée. Le nombre de degrés de liberté est ensuite amélioré en modifiant les conditions aux limites grâce à l’ajout lampes fluorescentes. L’interaction des ondes avec ces éléments plasma permet de créer de nouvelles configurations de la cavité, améliorant ainsi la résolution des images. L’imagerie compressive est ensuite appliquée à la détection et localisation passive du rayonnement thermique naturel de sources de bruit, à partir de la corrélation des signaux reçus sur deux voies. Enfin, une méthode novatrice d’imagerie interférométrique de cibles est présentée. Elle est basée sur la reconstruction de la réponse impulsionnelle entre deux antennes à partir du bruit thermique micro-ondes émis par un réseau de néons. Ces travaux constituent une avancée vers les systèmes d’imagerie futurs. / The broad topic of the presented Ph.D focuses on active and passive microwave computational imaging. The use of a chaotic cavity as a compressive component is studied both theoretically (mathematical model, algorithmic resolution of the inverse problem) and experimentally. The underlying idea is to replace an array of antennas with a single reverberant cavity with an array of openings on the front panel that encodes the spatial information of a scene in the temporal response of the cavity. The reverberation of electromagnetic waves inside the cavity provides the degrees of freedom necessary to reconstruct an image of the scene. Thus it is possible to create a high-resolution image of a scene in real time from a single impulse response. Applications include security or imaging through walls. In this work, the design and characterization of an open chaotic cavity is performed. Using this device, active computational imaging is demonstrated to produce images of targets of various shapes. The number of degrees of freedom is further improved by changing the boundary conditions with the addition of commercial fluorescent lamps. The interaction of the waves with these plasma elements allows new cavity configurations to be created, thus improving image resolution. Compressive imaging is next applied to the passive detection and localization of natural thermal radiation from noise sources, based on the correlation of signals received over two channels. Finally, an innovative method of interferometric target imaging is presented. It is based on the reconstruction of the impulse response between two antennas from the microwave thermal noise emitted by a network of neon lamps. This work constitutes a step towards for future imaging systems.

Les travaux présentés dans cette thèse sont une contribution à l'étude des systèmes d'imagerie passive à courte portée pour la détection d'objets faiblement dissimulés en vue d'applications pour la sécurité des personnes. Ces travaux ont été menés au cours d'une collaboration de deux équipes de l'IETR : le département "Antennes & dispositifs Hyperfréquences" ainsi que le département "Progagation - localisation & Télédétection". Le cadre de cette collaboration a concerné donc l'étude d'un dispositif ayant un coût faible et une complexité réduite permettant l'imagerie 2D pour une portée relativement faible, et étudier les éléments nécessaires à la mise en place d'un démonstrateur complet. En s'abstenant d'éléments émetteurs, nous assurons l'inoffensivité du dispositif. L'imagerie s'effectue donc par la synthèse d'ouverture interférométrique. Un des points durs du travail concerne donc la définition de l'architecture du système et son optimisation. Nous apportons donc à travers ces travaux de recherche une réponse pour minimiser le nombre de récepteurs présents dans le système. Un nouveau concept basé sur l'utilisation de la commutation par l'approche de sous-matrices de switchs est présenté. Pour améliorer le rapport coût-performances des systèmes d'imagerie, le nombre de récepteurs est réduit au minimum (deux récepteurs), tout en conservant des performances suffisantes. La synthèse du réseau d'antennes afin d'optimiser et de simplifier le processus de commutation démontre la possibilité de mettre en oeuvre un système bas coût et facilement intégrable. Cette approche a été adaptée donc dans un système antennaire actif complet, en bande X et en bande millimétrique. L'objectif de ces prototypes est de valider dans un premier temps cette approche de manière expérimentale, puis de valider le principe de calibration du système afin de traiter les données réelles pour la reconstruction d'images.