Th. doct.--Électronique et communications--Paris--ENST, 1991. / Bibliogr. p. 136-140.

L’objet de ces travaux de thèse a été de réaliser un système compact et non-invasifde mesure vectorielle de champs électriques. Ce système est dédié aux mesures en espacelibre (diagramme de rayonnement d’antennes) ainsi qu’aux mesures en champ proche(diagnostic de circuits électriques par exemple). Pour ce faire, nous avons proposé unsystème de mesure utilisant d’une part des sondes électro-optique fibrées, dont la partietransductrice est composée d’un guide d’onde en LiNbO3, intégrée dans une cavité Fabry-Pérot. Le cristal non-linéaire induit une modulation de phase d’un faisceau laser de sonde,dépendante du champ électrique à mesurer. La cavité, quant à elle, convertit le signal enmodulation d’amplitude et permet de réduire la taille du capteur grâce à l’augmentationde la longueur effective d’interaction entre l’onde optique et le champ électrique à mesurer.D’autre part l’étude d’un filtrage optique de très grand facteur de qualité associé à unepost-amplification est proposée, dans le but d’accroître d’au moins un ordre de grandeurla sensibilité de mesure. / The aim of this work is to design and realize a compact and non-invasive system dedicatedto vectorial characterization of electric field. The field to be measured can be eitherradiated (for antenna radiation pattern) or guided (for on chip measurement). We herepropose a measurement system including pigtailed electro-optic probe. The transducingdevice is based on a Fabry-Pérot (FP) cavity integrating LiNbO3 waveguide. The nonlinearcrystal induces a phase modulation of a laser probe beam depending on the theelectric field to be characterized. The FP cavity converts the signal into a linear amplitudemodulation and leads to a millimeter sized sensor thanks to the enhancement ofthe effective interactive length between the optical wave and the electric field. The sensorexhibits a sensitivity greater than 0.5 V.m−1.Hz−1/2, a spatial resolution as accurate as100 μm and a frequency bandwidth covering [10 Hz-10 GHz]. Moreover, we here suggesta high quality factor post-filtering of the optical carrier in order to increase the sensitivityof one order of magnitude.

Cette thèse porte sur la synthèse des sources électromagnétiques (EM) rayonnantes, par la méthode TLM (Transmission Line Matrix) inverse. Les applications large-bande sont particulièrement visées. L'objectif est d'utiliser la théorie du retournement temporel des ondes EM, afin d'implémenter et développer une nouvelle méthode de synthèse des sources rayonnantes, à partir d'un diagramme de rayonnement connu. La retro-propagation des ondes est réalisée numériquement, par la méthode TLM inverse, en trois dimensions (3D), à nœuds symétriques condensés (SCN). L'algorithme proposé est utilisé pour retrouver des sources EM primaires, ponctuelles et réparties, émettant des signaux à large-bande [26GHz - 34GHz] et placées dans l'espace libre (sans pertes, homogène et non-dispersif). Les bases, le potentiel et les limites de cette approche inverse sont étudiés. Une étape supplémentaire est ajoutée afin d'améliorer la résolution spatiale de la reconstruction des sources ponctuelles et réparties. Une résolution inferieure à la demi-longueur d'onde de l'excitation est ainsi obtenue. La reconstruction des sources secondaires 1D et 2D, induites sur les surface métalliques des antennes est ensuite étudiée. Ces études ont abouti au développement d'un nouvel outil de simulation, basé sur une méthode hybride TLM-analytique. La synthèse des sources induites sur la surface d'une antenne-monopôle est ainsi réalisée, à partir du CL mesuré. L'orientation et la position des sources sont trouvées. Les avantages et les limitations de la technique sont enfin discutés. / This thesis deals with wide-band electromagnetic (EM) source synthesis, by Reversed-TLM (Transmission Line Matrix) method. The work is particularly focused on wide-band applications. The main objective is to use the time reversal wave theory in order to develop a new simulation tool, which can synthesize an unknown source distribution from a far-field radiation pattern. Wave time-reversal is numerically simulated by 3D Reversed-TLM method, in based on symmetrical condensed nodes (SCN). Our method is first applied to lumped sources, transmitting wide band signals in the frequency range [26GHz - 34 GHz], placed in a lossless, homogeneous and non-dispersive 3D free-space. Source reconstruction results show that by using this method, the “classical” half-wavelength resolution limit is overcome. The synthesis of 1D and 2D secondary sources, induced on metallic antenna surfaces are also studied. These studies resulted in the development of a new simulation tool, based on a hybrid TLM-analytical method. Reversed - TLM method is then applied for synthesizing a monopole antenna from its measured far-field radiation pattern. Initial source orientation and localization are found. Advantages and limitations of this technique are discussed.

Les lasers femtosecondes à modes bloqués révèlent une structure spectrale de peigne de fréquence, couvrant plusieurs dizaines de THz. Mon travail de thèse s'est concentré sur l'étude et la mise en place d'un dispositif optique couplant le peigne laser dans une cavité optique. Le peigne et les résonances de cavités y sont délibérément désaccordés à la manière d'un Vernier, faisant apparaitre dans la transmission spectrale de la cavité un Moiré de fréquence dont la périodicité est inversement proportionnelle à ce désaccord. La première partie présente un formalisme permettant une compréhension fine de ce couplage et identifiant deux régimes en filtrages dits de «haute» résolution, où la structure de peigne est entièrement résolue, et de «basse» résolution où la résolution est donnée par le désaccord. La seconde partie décrit la réalisation expérimentale de ce couplage, détaillant la stratégie d'asservissement employée afin de stabiliser les résonances de la cavité (F=3000) par rapport au peigne laser au kHz. Enfin, ce couplage est appliqué à la spectroscopie moléculaire. Les spectres mesurés de l'air ambiant, dans des temps d'acquisition d'une seconde, exploitent l'intégralité du spectre du laser, soit 40THz (750 850nm), avec une résolution de 2GHz. La sensibilité en absorption atteint 10−9 /cm après moyenne. Cette haute sensibilité résulte d'une immunité aux bruits de conversion fréquence-Amplitude du couplage Vernier «basse» résolution et permet l'obtention d'un rapport signal sur bruit supérieur à 104. Ces performances conduisent à établir une figure de mérite de 4 × 10−11 cm−1/ √ Hz, plaçant ce résultat au troisième rang de l'état de l'art international / Femtosecond mode-Locked lasers are generators of optical frequency ‘combs’, whose distinct frequencies cover many tens or hundreds of THz. My PhD work has focused on the study and construction of a particular coupling scheme in an optical cavity, named Vernier coupling. Here, the laser comb and the cavity resonances are deliberately mismatched, as a Vernier rule. This creates Moiré pattern in the cavity spectral transmission, with a periodicity related to the inverse of the mismatch. The first part details the theory behind the coupling of laser and optical cavity modes. Two regimes are identified, called “high” resolution Vernier filtering, when the laser comb structure is probed mode by mode, and “low” resolution filtering where the linewidth of one Vernier order is given by the mismatch. The second part describes the experimental realization of this coupling scheme. It details the locking strategy used to control the resonance position of the cavity (F=3000) in regards of the laser comb (kHz scale). Finally, I present spectra recorded with this setup, focusing on molecular spectroscopy. The spectra of ambient air are recorded in acquisition times around 1 s, that cover the full bandwidth of the femtosecond laser ( 40 THz, 750-850 nm), at 2 GHz resolution. The sensitivity of the absorption measurement reaches 10−9 /cm, with averaging. This high sensitivity comes from an immunity to the frequency-To-Amplitude noise conversion of the “low” resolution Vernier coupling, leading to a signal to noise ratio better than 104. These performances give the spectrometer figure of merit of 4×10−11 cm−1/√ Hz, currently taking third place in rank international state of the art ranking

Les optiques utilisées pour les expérimentations utilisant la lumière blanche ou des lasers, sont généralement traitées afin de fonctionnaliser optiquement la surface pour, par exemple accroître leur faculté à réfléchir la lumière ou au contraire à la transmettre. Ceci est fait au moyen de machines de dépôt sous vide dans lesquelles différentes techniques de dépôt peuvent être utilisées. Dans tous les cas, de la matière est envoyée sur la surface de l'optique à traiter : des couches minces de différents matériaux sont alternativement déposées à leur surface. Cette amélioration des fonctions optiques exploite l'interférence des rayons lumineux qui sont réfléchis ou transmis par ces couches minces. Mais pour que le traitement soit efficace, il est nécessaire que les épaisseurs de chaque couche déposées respectent un schéma défini à l'avance : le design optique, il s'agit du plan de l'empilement des couches à déposer et de leurs épaisseurs théoriques.Différentes techniques de contrôle in-situ de l'épaisseur des couches minces existent. L'une d'elles, le contrôle quartz, est une technique de contrôle largement répandue pour sa simplicité de mise en œuvre mais possède une précision limitée à seulement quelques pourcents. Le sujet de cette thèse porte sur le développement et l'installation dans une machine de dépôt, prévue pour de grandes optiques, d'un système de contrôle basé sur l'analyse spectrale d'une lumière réfléchie par l'optique en cours de dépôt. Il s'agit d'un contrôle optique large-bande, technique mise en place dans la grande machine de dépôt du laboratoire afin de remplacer le contrôle quartz.Nous commencerons cette thèse par un aperçu des différentes techniques de dépôts utilisées au laboratoire puis des techniques de contrôle d'épaisseur les plus répandues dans le domaine des couches minces. Ensuite, nous continuerons sur le design et l'installation du système optique qui permet d'effectuer la mesure des couches en cours de dépôt. Enfin, nous monterons que les spécifications fixées sur les empilements de couches minces ont été atteintes avec précision et répétabilité / The optics that are generally used for the experiments using white light or lasers, have their surfaces usually treated in order to enhance their optical characteristics. This is done inside vacuum coating machines with different possible techniques. With all these techniques, some matter is deposited on the optical surface: several thin films of different materials are deposited in a stack. These improvements use the light interference properties of the beams that are reflected or transmitted by the thin films. But in order to make this effect the most efficient, it is necessary that the layer thicknesses respect an optical design: the layer stack and their theoretical thicknesses.Different in-situ thickness monitoring techniques exist. One of them, the quartz crystal microbalance technique, is widely used for its simplicity but it only allows an accuracy of a few percent. The thesis topic was the development and the installation of a thickness monitoring, in a large coating chamber used for large optics coating, in order to replace th quartz microbalance monitoring. . This is a broadband optical system performing a spectral analysis of the reflected beam from the optic during the coating. We will start this manuscript with a quick overviewof the deposition techniques available at the laboratory. Then, we will review the most widely used thickness monitoring methods in the domain of thin films. We will continue with the design and the installation of the optical system inside the coating chamber. Finally, we will show that the success criteria of the deposition tests were met with accuracy and repeatability

Cette thèse propose de prédire le bruit émis par des ventilateurs à basse vitesse et sa diffraction par des obstacles liés aux contraintes d’installation dans les applications industrielles. Les composantes tonale et à large bande du bruit sont étudiées. Les méthodes existant dans la littérature considèrent des hypothèses et des simplifications afin de traiter le problème du bruit des ventilateurs de façon analytique, comme par exemple l’approximation de champ lointain. Tout d’abord, l’hypothèse de champ lointain dans la formulation du bruit tonal est relaxée. En utilisant des sources artificielles, une comparaison entre deux expressions analytiques et une simulation numérique est effectuée pour la validation en champ libre. Ensuite, la diffraction du bruit tonal est étudiée par des techniques numériques et analytiques. Le champ acoustique d’un rotor fonctionnant dans un conduit fini est d’abord pris comme exemple en combinant les formulations analytiques avec la méthode d’éléments de frontière (BEM). Etant donné que cette dernière serait trop coûteuse en temps de calcul pour des applications haute fréquence, des techniques analytiques pour le problème de diffraction sont également présentées. La réflexion et la diffraction des ondes sonores par une plaque infinie sont d’abord considérées en remplaçant la plaque par une source image. Ensuite, une solution analytique exacte pour la diffraction du bruit tonal par un coin rigide est formulée. Un autre point abordé dans cette thèse est la prévision du bruit à large bande produit par un ventilateur axial à basse vitesse évoluant dans un écoulement turbulent. La théorie d’Amiet pour le bruit d’interaction de turbulence sur un profil fixe est considérée. Nous en proposons dans cette thèse une extension permettant de prédire le bruit du profil dans son champ proche géométrique l’aide d’outils semi-analytiques. La nouvelle formulation est comparée à solution classique d’Amiet et à une solution de référence obtenue par intégration numérique sans hypothèse de champ lointain géométrique. Des expériences sont également menées dans une soufflerie anéchoide où la turbulence est générée en amont du profil par une grille. Une autre hypothèse du modèle d’Amiet concerne l’écoulement uniforme arrivant sur le profil. Cette hypothèse n’est pas vérifiée dans la plupart des applications industrielles. Différentes méthodes existent dans la littérature pour traiter ce problème. Nous proposons une nouvelle approche pour prendre en compte des conditions d’écoulement variables en envergure. En intégrant toutes ces améliorations, la réponse acoustique large bande d’un profil fixe placé dans un jet turbulent et d’un ventilateur axial à basse vitesse placé dans un écoulement turbulent est étudiée et validée par comparaison avec l’expérience. Dans une dernière partie, la diffraction des ondes acoustiques générées par le profil et le ventilateur par des obstacles est déterminée numériquement et analytiquement. Puisque la méthode BEM n’est pas prévue pour résoudre directement le champ d’une source aléatoire, une approche innovante obtenue par la reformulation de la méthode déterministe de BEM est utilisée. Le modèle final est comparé aux solutions numériques, analytiques et expérimentales pour la validation. / This thesis proposes to predict the sound emitted from low-speed fans and its scattered-field by installation effects related to industrial applications. Both tonal and broadband components of fan noise are investigated. Methods existing in the literature contain assumptions and simplifications in order to deal with fan noise problems in analytical manner, such as consideration of an observer located in the far-field of the source. Firstly, the effect of far-field assumption in the tonal fan noise formulation is addressed. Using artificial blade sources, a comparison between two closed-form analytical solutions and a numerical technique is performed for validation in free-field. Secondly, the scattered field of the tonal fan noise is investigated using numerical and analytical techniques. The acoustic field of a rotor operating in a finite duct is first investigated combining the closed-form analytical formulations with the Boundary Element Method (BEM). Since BEM would be computationally demanding for high frequency applications, analytical scattering techniques are also introduced. Reflection and scattering of sound waves by a large plane are first addressed replacing the plane with an image source. Secondly, an exact analytical solution considering scattering of the tonal fan noise by a rigid corner is derived. Another point addressed in this thesis is the prediction of the broadband noise generated by a low-speed axial fan operating in turbulent stream. Amiet’s theory of turbulence-interaction noise for a stationary air foil is considered. One of the key points proposed in this thesis is an extension of Amiet’s method, allowing prediction of the acoustic field of the airfoil in its geometrical near-field in a semi-analytical perspective. The extended formulation is compared with Amiet’s classical solution and a reference solution obtained with numerical integration involving no geometrical far-field assumption. Experiments are also performed in anechoic chamber using an isolated airfoil located in grid generated turbulence. Another assumption made in Amiet’s theory is the consideration of uniform flow impinging onto the airfoil. However this assumption is not valid for most industrial applications. Different methods exist in literature to deal with this problem. A new approach is proposed in order to take the span wise varying flow conditions into account. Including all the improvements, the broadband acoustic responses of a stationary airfoil located in the developing region of a jet and of a low-speed axial fan operating in a turbulent stream are investigated and validated against measurements. Finally, scattering of the sound generated by the considered airfoil and fan by benchmark obstacles is addressed numerically and analytically. Since BEM is not capable to handle statistical source fields directly, an innovative approach obtained by re-formulating the deterministic BEM method is employed. The final model is compared to the numerical, analytical and experimental solutions for validation purposes.

Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation d'une antenne Ultra Large Bande, de faibles dimensions, destinée à une application géoradar fonctionnant dans un milieu complexe pour une bande fréquentielle comprise entre 70 MHz et 1GHz. Cette étude était inscrite dans le cadre d’un projet Européen dénommé NeTTUN (New Technologies for Tunnelling and Underground works) qui a pour but d’améliorer la sécurité du creusement des tunnels. Dans ce projet, le travail demandé était de réaliser un système géoradar comportant une antenne ULB intégrable sur une tête de coupe d’un tunnelier tout en fonctionnant en basses fréquences.Pour réaliser cette antenne en répondant aux différentes contraintes à la fois de dimensions, d’intégration et de rayonnement, une étude d’insertion de l’antenne dans un matériau diélectrique a été effectuée. Ainsi des analyses ont été menées à fois sur la nature des sous-sols rencontrées, du compromis entre fréquences basses et dimensions minimales mais surtout de l’intégrabilité de l’antenne dans une cavité. Cette étude a permis de concevoir une antenne innovante nommé Khorn étant une association de l’antenne K et de la forme « Horn » d’une antenne cornet. Afin d’évaluer la performance de l’antenne Khorn dans son environnement, la tache de rayonnement et la portée de l’ensemble, antenne et source ont été analysées. Des mesures de validation des prototypes fabriquées ont aussi été effectuées. / This work presents the design and the realization of an antenna Ultra Wide Band, of low dimensions, for a GPR application working in a complex environment in a frequency band between 70 MHz and 1GHz. This study was registered within the framework of a European project mentioned NeTTUN (New Technologies for Tunnelling and Underground works) who aims at improving the security of the tunnel driving. In this project, the wanted work was to realize a GPR system containing an integrable antenna ULB on a TBM cutter head while working in low frequencies.To realize this antenna by answering the various constraints of dimensions, integration and radiation, a study of antenna insertion in a dielectric material was realized. So analyses were led for time on the subsoil nature encountered, of the compromise between low frequencies and minimal dimensions and especially the integrability of the antenna in a cavity. This study allowed to realize an innovative antenna named Khorn. The Khorn is an association of the K antenna and the Horn antenna. To estimate the performance of the Khorn in its environment, the footprint and the radar range were studied. Measures of validation of the realized prototypes were also made.

Ces travaux portent sur le développement d'une technique de compression appliquée à la simplification des systèmes d'imagerie dans le domaine microonde. Cette approche repose sur le développement de composants passifs capables de compresser les ondes émises et reçues, autorisant ainsi une réduction du nombre de modules actifs nécessaires au fonctionnement de certaines architectures de radars. Ce principe est basé sur l'exploitation de la diversité modale présente dans les composants développés, le rendant compatible avec l'utilisation de très larges bandes passantes. Plusieurs preuves de concept sont réalisées au moyen de différents composants étudiés dans cet ouvrage, permettant d'adapter cette technique à de nombreuses spécifications d'architectures et de bandes passantes. / This work is focused on the development of a compressive technique applied to the simplification of microwave imaging systems. This principle is based on the study of passive devices able to compress transmitted and received waves, allowing for the reduction of the hardware complexity required by radar systems. This approach exploits the modal diversity in the developed components, making it compatible with ultra wide bandwidth. Several proofs of concept are presented using different passive devices, allowing this technique to be adapted to a large variety of architectures and bandwidths.

Ce mémoire présente une étude numérique du bruit aéroacoustique large bande d'une roue de ventilateur centrifuge. La recherche bibliographique démontre qu'il existe peu de méthod~s pour identifier les zones responsables de la propagation du bruit large bande des centrifuges due à la complexité de la géométrie du ventilateur. La connaissance de ces zones responsables de ce type de bruit orientera la conception d'un ventilateur silencieux. Afin d'accroître la gamme de méthode pour la localisation de ces zones, un code spécifique a été développé et présenté dans ce mémoire. L'approche utilisée vise à simuler d'une part, l'écoulement dans le ventilateur par la LES (Large Eddy Simulation) sous le logiciel Fluent. En effet, la LES permet d'avoir accès aux petites échelles responsables du bruit large bande. Ensuite, les fluctuations de pression pariétales émanant de cette simulation sont récupérées pour alimenter l'analogie acoustique. D'autre part, la puissance acoustique rayonnée est calculée par le biais du code spécifiquement développé. Ce code s'appuie sur la méthode de la décomposition modale (DOP). Finalement, on extrait les modes et les zones qui rayonnent le plus sur les pales de la roue (principale source de bruit large bande). Les résultats de validation numériques entre le code développé et le logiciel Fluent sont convaincants. En effet, les variations des champs acoustiques des deux codes sont comparables avec une différence en moyenne de 2.5dB. De plus, on obtient une atténuation du bruit par la distance qui correspond à la décroissance d'une onde plane en fonction de la distance. Les résultats d'identification des zones de la pale qui contribuent le plus au rayonnement acoustique sont également présentés dans ce mémoire. Cette technique permettra aux concepteurs d'aiguiller les modifications à faire pour rendre la roue de ventilation plus silencieuse.

La technique de Georadar (GPR) est actuellement largement utilisée comme une technique non-destructive de sondage et d'imagerie dans plusieurs applications du génie civil qui concernent principalement: l'inspection des structures et des matériaux de construction, la cartographie des réseaux enterrés et des cavités, la caractérisation des fondations souterraines et du sol ainsi que l'estimation de la teneur en eau volumique du sous-sol. Le radar GPR est une technique en continuelle évolution en raison de l'intégration toujours plus poussée des équipements électroniques, des performances des calculateurs numériques, et des traitements du signal avancés. La promotion de cette technologie repose sur le développement de nouvelles configurations de systèmes et d'outils de traitement des données en vue de l'interprétation des images du sous-sol. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse présentent tout d'abord le système GPR ULB (Ultra large bande) à double polarisation couplé au sol, lequel a été développé récemment au laboratoire. Par la suite, les traitement des données ont été focalisés sur le développement d'outils d'analyse en vue d'obtenir à partir des images brutes des images plus facilement lisibles par l'utilisateur afin d'améliorer l'interprétation des données GPR, en particulier dans le cadre de la détection de canalisations urbaines et la caractérisation des sols. Les moyens de traitement utilisés concernent l'élimination du clutter au cours d'une étape de prétraitement en utilisant des adaptations et des extensions des algorithmes fondés sur les techniques PCA et ICA. De plus, une technique de traitement d'image ‘'template matching” a été proposée pour faciliter la détection d'hyperbole dans une image Bscan de GPR. La diversité de polarisation est enfin abordée, dans le but de fournir des informations supplémentaires pour la détection d'objets diélectriques et des discontinuités du sous-sol. Les performances de nos outils d'analyse sont évaluées sur de données synthétiques (simulations 3D FDTD) et des données de mesures obtenues dans des environnements contrôlés. Pour cela, nous avons considéré différentes configurations de polarisation et des objets à caractéristiques diélectriques variées. Le potentiel de discrimination des cibles a été quantifié en utilisant le critère statistique fondé sur les courbes ROC / The Ground Penetrating Radar technique (GPR) is now widely used as a non destructive probing and imaging tool in several civil engineering applications mainly concerning inspection of construction materials and structures, mapping of underground utilities and voids, characterization of sub-structures, foundations and soil and estimation of sub-surface volumetric moisture content. GPR belongs to a continuously evolving field due to electronic integration, high-performance computing, and advanced signal processing. The promotion of this technology relies on the development of new system configurations and data processing tools for the interpretation of sub-surface images. In this context, the work presents first the dual polarization UWB ground coupled GPR system which has been developed recently. Then, the data processing has focalized on the development of analysis tools to transform the raw images in a more user-readable image in order to improve the GPR data interpretation especially within the scope of detection of urban pipes and soil characterization. The processing means used concern clutter removal in the pre-processing step using adaptations and extensions of the PCA and ICA algorithms. Moreover, a template matching image processing technique is presented to help the detection of hyperbola within GPR raw B-scan images. The dual polarization is finally shown to bring additional information and to improve the detection of buried dielectric objects or medium discontinuities. The performances of our analysis approaches are illustrated using synthetic data (3D FDTD simulations) and field-measurement data in controlled environments. Different polarization configurations and dielectric characteristics of objects have been considered. The potential for target discrimination has been quantified using statistical criteria such as ROC