A key requirement in evaluation of sliding stability of concrete dams is monitoring shear behavior of 1) concrete joints in dam body, 2) concrete-rock interfaces and 3) rock discontinuities in dam foundation. The methodology consisted of creating a database of observed shear behaviors of the mentioned joints using acoustic emission (AE) technique. Joint samples were fabricated by tension splitting of the cores and pouring concrete on rock joint replica for simulating concrete-rock interfaces. Variations of key parameters including joint geometry, normal stress, displacement rate and bonding percentage were incorporated in the analysis. An analysis was also carried out on natural joints from Daniel Johnson (Manic 5) Dam, Quebec, founded on gneiss to granitic rock. Parametric-based and signal-based analysis methods were used to evaluate the potential of AE for monitoring shear behavior of various kinds of joint with different characteristics. Using AE parameters such as amplitude, count, energy, duration and rise time, this study was done as a feasibility study for AE monitoring of sliding surfaces within dam, dam-rock interface or inside rock foundation. It was found that AE has a good capability for showing the initial shear movement of the non-bonded joints. For bonded joints this technique can show that AE activities are occurring before breaking of adhesive bond. This is important because recording AE signals after an initial breakage of the joint would be too late to install stabilization work to be done beforehand. Of course in the eventuality that a rupture includes a sequence of events even recording AE signals of the first break is still useful. It is recommended to use this method combined with other instrumentation methods (e.g. load measuring instruments) to detect the initial shear movement of the bonded joints. Following experimental work and analysis of crack propagation and asperity degradation along shearing process, four different periods were observed in shear stress-displacement behavior of joints. These periods are: 1) Pre-peak linear period in which AE activities are initiated and show the beginning of shear displacement, 2) Pre-peak non-linear period in which AE signals are generated from crack initiation and degradation of the secondary asperities, 3) Post-peak period where first order asperities are sheared off and joints pass their maximum shear strength and 4) Residual period in which AE activities decrease and reach their minimum values. The applicability. of AE localization technique was evaluated using image analysis and scanned surfaces of the joints by laser. The results indicated that this method can locate regions with rupture governing characteristics. This provides the possibility to reinforce support systems and be aware about possible structure failures before any unexpected mechanical disturbance.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du prétraitement des signaux EEG et s'intéresse plus particulièrement aux perturbations dues à la référence de mesure non nulle. Les perturbations induites par une fluctuation électrique de la référence peuvent engendrer des erreurs d'analyse comme on peut aisément le constater sur les mesures de synchronisation inter-signaux (par exemple la cohérence). Donc, la référence idéale serait une référence nulle. Au cours des travaux développés, nous nous sommes concentrés sur l'estimation des potentiels électriques dit absolus (référence nulle) à partir d'une reformulation du problème inverse. Deux cas sont traités, soit la référence est suffisamment éloignée des sources électrophysiologiques cérébrales et de fait elle peut être considérée comme indépendante, sinon, elle est modélisée comme une combinaison linéaire des autres sources. Grâce à cette modélisation, il a été montré explicitement que les meilleures estimations des potentiels absolus sans aucune information a priori sont les potentiels calculés par rapport à une référencemoyenne. D'autre part, le problème inverse de la référence source-indépendante est résolu dans un contexte de type séparation de sources. Il a été démontré que la meilleure estimation des potentiels absolus sans aucune information a priori est équivalente à l'estimateur MPDR/MVDR (Minimum Power Distortionless Response/Minimum Variance Distortionless Response). Concernant le prétraitement de données EEG, on montre sur signaux simulés et réels que les potentiels mesurés transformés en référence moyenne améliorent certaines méthodes d'analyse utilisées en EEG telles que la séparation aveugle des sources (BSS) et la localisation de sources cérébrales. Au delà des problèmes de référence, la méthode peut être appliquée sous contraintes pour estimer de façon plus robuste des sources singulières telles que les artefacts ou une stimulation électrique exogène déterministe.

Cette thèse a pour but d‘estimer la position et la puissance de sources sonores ponctuelles à l'aide d‘une antenne acoustique. Nous nous intéressons d‘abord à la directivité des antennes acoustiques pondérées. On montre qu‘une telle antenne, appelée antenne conventionnelle, même si elle est à directivité optimale, est inutilisable pour localiser plusieurs sources sonores. Des traitements adaptatifs d‘antenne sont donc exigés et les méthodes dites à haute résolution sont introduites. Elles sont basées sur l‘estimation de la matrice de covariance des signaux issus des capteurs et présentent l‘avantage de s‘affranchir des limitations naturelles du traitement d‘antenne conventionnel. Cependant, ces méthodes nécessitent l‘emploi d‘un modèle de propagation et sont donc par nature peu robustes aux erreurs de modèle, ce qui peut être parfois un handicap et dégrader leurs performances. Par la suite, nous présentons une nouvelle méthode de séparation des sources utilisant une représentation parcimonieuse des signaux. Nous montrons que ses performances sont meilleures que celles obtenues par les méthodes à haute résolution et notre algorithme parvient à une bonne résolution spatiale, même sous des conditions défavorables. Cette méthode est appliquée aux sources corrélées et décorrélées, à bande étroite et à large bande, en champ proche et en champ lointain. Pour finir, nous présentons des méthodes pour estimer la puissance des sources sonores. Des simulations numériques et des expérimentations en chambre anéchoïque sont effectuées afin de vérifier et de valider les analyses et les résultats théoriques / This thesis concerns the problem of sensor array source localization and power estimation by an acoustical array of sensors. In first the acoustical array directivity is treated. It is shown that such array is not useful for the localization of multiple sources. Adaptive arrays and high resolution methods are then introduced. They are based on the estimation of the sensor output covariance matrix and their performances overcome the natural limitations of the weighted beamforming processing. However, these methods require the use of a propagation model and are not robust to model errors. We present a new method which is an application of sparse regularization methodology to acoustical source localization using an acoustical array. Its performances are better than high-resolution methods and this method works very well in the case of correlated or uncorrelated signals, narrow band or wideband signals, near field or far field environments. Finally, a power estimation of sound sources by an acoustical array is presented. Numerical and experimental results in an anechoic room are presented showing the effectiveness of theoretical results

L'attention visuospatiale est un mécanisme de sélection et de traitement d'information qui se manifeste explicitement par l'orientation de la tête ou du regard. En anticipation d'une nouvelle information, le foyer de l'attention s'oriente implicitement en vision périphérique pour dissocier l'orientation du regard et du foyer implicite vers deux emplacements distincts. Dans cette situation, la réaction à une cible qui apparaît à l'emplacement du foyer implicite s'améliore par rapport aux autres cibles qui pourraient s'afficher dans un emplacement non-attendu. La problématique de la thèse est d'étudier comment détecter l'emplacement du foyer de l'attention implicite par décodage de l'activité cérébrale mesurée en électro-encéphalographie (EEG) avant l'affichage d'une cible visuelle dans 3 expériences réalisées chez des sujets sains. La première expérience aborde la problématique dans une condition où l'indication sur l'emplacement de la cible est globalement non-informative pour les sujets. Cependant, leur activité cérébrale suggère que ce type d'indication a tendance à induire un état d'alerte, de préparation ou d'orientation de l'attention dans le temps plutôt que dans l'espace. En lien avec ce résultat, la deuxième expérience aborde la problématique dans une condition ambiguë où l'attention du sujet s'oriente vers un emplacement sans lien systématique avec le contenu des indications. / Visuospatial attention is an information selection and processing mechanism whose overt manifestations consist of head or gaze shifts. In anticipation to new information, the focus of attention can also covertly shift to peripheral vision to share attention between two distinct locations: the overt one (center of gaze) and the covert one in periphery. In such a situation, the reaction to a target appearing at the focus of attention is enhanced with respect to targets appearing at unattended locations. This thesis addresses the problem of detecting the location of covert attention by decoding neural activity measured by electroencephalography (EEG) before target onset in 3 experiments on healthy subjects. The first experiment uses visuospatial cues that are non-informative about the target location. However, the neural activity reflects that non-informative cues tend to bring the subjects into a state related to alertness, motor preparation or temporal expectation rather than a spatial shift of attention. According to this result, the second experiment uses an ambiguous precueing condition in which the sujet's attention is shifted to spatial locations which bear a non-systematic relation to the information contained in the cues. With these ambiguous cues, we find that the proportion of targets displayed at unattended locations is equivalent to a non-informative condition, and that reaction speed and accuracy are dramatically impacted.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du prétraitement des signaux EEG et s'intéresse plus particulièrement aux perturbations dues à la référence de mesure non nulle. Les perturbations induites par une fluctuation électrique de la référence peuvent engendrer des erreurs d'analyse comme on peut aisément le constater sur les mesures de synchronisation inter-signaux (par exemple la cohérence). Donc, la référence idéale serait une référence nulle. Au cours des travaux développés, nous nous sommes concentrés sur l'estimation des potentiels électriques dit absolus (référence nulle) à partir d'une reformulation du problème inverse. Deux cas sont traités, soit la référence est suffisamment éloignée des sources électrophysiologiques cérébrales et de fait elle peut être considérée comme indépendante, sinon, elle est modélisée comme une combinaison linéaire des autres sources. Grâce à cette modélisation, il a été montré explicitement que les meilleures estimations des potentiels absolus sans aucune information a priori sont les potentiels calculés par rapport à une référence moyenne. D'autre part, le problème inverse de la référence source-indépendante est résolu dans un contexte de type séparation de sources. Il a été démontré que la meilleure estimation des potentiels absolus sans aucune information a priori est équivalente à l'estimateur MPDR/MVDR (Minimum Power Distortionless Response/Minimum Variance Distortionless Response). Concernant le prétraitement de données EEG, on montre sur signaux simulés et réels que les potentiels mesurés transformés en référence moyenne améliorent certaines méthodes d'analyse utilisées en EEG telles que la séparation aveugle des sources (BSS) et la localisation de sources cérébrales. Au delà des problèmes de référence, la méthode peut être appliquée sous contraintes pour estimer de façon plus robuste des sources singulières telles que les artefacts ou une stimulation électrique exogène déterministe / This thesis concerns the issue of scalp EEG signals pre-processing and it is focused on signal's disturbances caused by non zero reference measurements. These signals perturbations induced by an electrical fluctuation of reference signal can lead to misinterpretation errors in certains analysis. This can be easily seen in inter-signal synchronization measurements such as in coherence studies. Thus, the ideal reference is a null reference. During this research work, we focused on the absolute (zero-reference) potentials estimation from a inverse problem reformulation. Here, two cases are treated, one deals with the case of a reference signal that is sufficiently distant from electrophysiological brain sources so, it is considered as independent signal ; otherwise, it is modeled as a linear combination of sources. Thanks to this modeling, it was shown explicitly that the best estimates of absolute potentials without any a priori information are the average reference potentials. On the other hand, the source-independent reference inverse problem is resolved in a source separation context. For this case, it has been shown that the best estimate of the absolute potentials without any a priori information is equivalent to Minimum Power Distortionless Response/Minimum Variance Distortionless Response (MVDR/MPDR) estimators. On the pretreatment of EEG data, we show on simulated and real signals that measured potentials transformed into average reference improve certain analytical methods used in EEG such as blind source separation (BSS) and localization of brain sources. Beyond the problems of reference, this method can be applied as a constrained source estimation algorithm in order to estimate in a more robust way, particular sources such as artifacts or deterministic exogenous electrical stimulation

L’audition est une modalité utile pour aider un robot à explorer et comprendre son environnement sonore. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la tâche de localiser une ou plusieurs sources sonores mobiles et intermittentes à l’aide d’un robot mobile équipé d’une antenne de microphones en exploitant la mobilité du robot pour améliorer la localisation. Nous proposons d’abord un modèle bayésien pour localiser une seule source mobile intermittente. Ce modèle estime conjointement la position et l’activité de la source au cours du temps et s’applique à tout type d’antenne. Grâce au mouvement du robot, il peut estimer la distance de la source et résoudre l’ambiguïté avant-arrière qui apparaît dans le cas des antennes linéaires. Nous proposons deux implémentations de ce modèle, l’une à l’aide d’un filtre de Kalman étendu basé sur des mélanges de gaussiennes et l’autre à l’aide d’un filtre à particules, que nous comparons en termes de performance et de temps de calcul. Nous étendons ensuite notre modèle à plusieurs sources intermittentes et mobiles. En combinant notre filtre avec un joint probability data association filter (JPDAF), nous pouvons estimer conjointement les positions et activités de deux sources sonores dans un environnement réverbérant. Enfin nous faisons une contribution à la planification de mouvement pour réduire l’incertitude sur la localisation d’une source sonore. Nous définissons une fonction de coût avec l’alternative entre deux critères: l’entropie de Shannon ou l’écart-type sur l’estimation de la position. Ces deux critères sont intégrés dans le temps avec un facteur d’actualisation. Nous adaptons alors l’algorithme de Monte-Carlo tree search (MCTS) pour trouver, efficacement, le mouvement du robot qui minimise notre fonction de coût. Nos expériences montrent que notre méthode surpasse, sur le long terme, d’autres méthodes de planification pour l’audition robotique / Robot audition provides hearing capability for robots and helps them explore and understand their sound environment. In this thesis, we focus on the task of sound source localization for a single or multiple, intermittent, possibly moving sources using a mobile robot and exploiting robot motion to improve the source localization. We propose a Bayesian filtering framework to localize the position of a single, intermittent, possibly moving sound source. This framework jointly estimates the source location and its activity over time and is applicable to any micro- phone array geometry. Thanks to the movement of the robot, it can estimate the distance to the source and solve the front-back ambiguity which appears in the case of a linear microphone array. We propose two implementations of this framework based on an extended mixture Kalman filter (MKF) and on a particle filter, that we compare in terms of performance and computation time. We then extend our model to the context of multiple, intermittent, possibly moving sources. By implementing an extended MKF with joint probabilistic data association filter (JPDAF), we can jointly estimate the locations of two sources and their activities over time. Lastly, we make a contribution on long-term robot motion planning to optimally reduce the uncertainty in the source location. We define a cost function with two alternative criteria: the Shannon entropy or the standard deviation of the estimated belief. These entropies or standard deviations are integrated over time with a discount factor. We adapt the Monte Carlo tree search (MCTS) method for efficiently finding the optimal robot motion that will minimize the above cost function. Experiments show that the proposed method outperforms other robot motion planning methods for robot audition in the long run

L’EEG de surface permet l'étude spatio-temporelle de l’activité cérébrale avec une résolution temporelle élevée, cependant elle souffre de la forte atténuation du champ électrique propagée par l'os du crâne et de la présence de sources de bruits externes. De ce fait, nous souhaitons exploiter les mesures issues de la Stéréo-EEG (SEEG). Cette modalité consiste en l'introduction d'électrodes d'enregistrement au plus près des générateurs, bénéficiant ainsi d'un rapport signal à bruit bien supérieur à celui observé en EEG. Nous proposons ainsi dans cette thèse une étude de faisabilité de l'imagerie de sources à partir de ces mesures, basée sur une méthode d'inversion de type dipôle équivalent associée à un modèle de propagation à une sphère, capable d'amener à une précision de localisation de l'ordre de quelques millimètres. A partir d'une implantation clinique usuelle de la SEEG, nous évaluons les performances de localisation lorsque différents sous-ensembles de capteurs sont considérés. En présence de bruit réaliste, nous constatons que l'ajout de capteurs lointains peut amener à une dégradation de la précision de localisation. Ces conclusions nous amènent à proposer une approche de sélection des capteurs locaux dans le but d'optimiser la fiabilité des résultats. Les atouts et faiblesses de cette approche sont analysés dans un cadre de simulation réaliste afin d'explorer de façon pertinente les différents paramètres pouvant influer sur la qualité de résolution du problème inverse. Les approches sont appliquées sur des enregistrements SEEG récoltés au CHRU de Nancy afin de confronter les méthodes de localisation proposées à des mesures réelles / The surface EEG makes it possible to study the brain activity with a high temporal resolution, however it suffers from the severe attenuation of the electrical propagation through the skull bone as well as the addition of external artifacts. As an alternative, we would like to exploit the Stereo-EEG (SEEG) recordings, consisting in shaft electrodes implanted in the brain volume in the direct vicinity of the brain generators. These data benefit from a high signal to noise ratio compared to this observed in surface EEG. We propose in this thesis a feasibility study of source imaging from the SEEG, based on an equivalent current dipole inversion method associated with an analytical One-Sphere propagation model, able to bring localization precision of the order of a few millimeters. Using a typical clinical electrode implantation, we evaluate the localization performance when different subsets of sensors are considered. In the presence of realistic noise, we observe that the addition of distant sensors with respect to the source can lead to a degradation of the localization accuracy. These conclusions lead us to propose a local sensor selection approach in order to optimize the reliability of the results. The strengths and weaknesses of this approach are analyzed on a realistic simulation framework, for a relevant exploration of the different parameters impacting on the quality of the SEEG source imaging. The approaches are applied on SEEG recordings collected at the CHRU of Nancy to evaluate their performance when facing real measurements

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux méthodes de traitement d'antennes pour la localisation de sources dans le cas des antennes linéaires non uniformes. Le travail porte principalement sur les méthodes à haute résolution qui sont particulièrement adaptées aux antennes linéaires non uniformes afin de s'affranchir des problématiques associées aux lobes secondaires. Nous démontrons que Root-MUSIC peut être directement appliquée dans le cas des antennes non uniformes lacunaires. De plus, nous montrons que la suppression d'un certain nombre de capteurs d'une antenne linéaire uniforme ne dégrade que très légèrement les performances grâce à l'utilisation des méthodes à haute résolution comme Root-MUSIC. Ensuite, nous proposons une nouvelle méthode EM-ESPRIT qui peut être utilisée pour n'importe quel type de géométrie d'antenne non uniforme. Cette méthode itérative est basée sur les deux algorithmes : Expectation-Maximization (EM) et ESPRIT. L'étude des performances de EM-ESPRIT montre qu'elle présente de meilleures performances que la plupart des méthodes, en particulier pour des niveaux de bruit importants. De plus, deux variantes : EM-ESPRIT stochastique et EMRoot- MUSIC sont proposées afin d'améliorer les aspects de convergence et de consistance de EM-ESPRIT. Finalement, nous considérons une application liée à la localisation de sources aéroacoustiques sur la carrosserie d'une voiture. La mise en oeuvre d'une méthode de type Zero-Forcing MUSIC a permis d'obtenir de bons résultats sur des données simulées et réelles, en particulier pour des sources proches et de puissance différente.

Les systèmes de télécommunications modernes exigent des débits de transmission très élevés. Dans ce cadre, le problème d'identification de canaux est un enjeu majeur. L'utilisation de techniques aveugles est d'un grand intérêt pour avoir le meilleur compromis entre un taux binaire adéquat et la qualité de l'information récupérée. En utilisant les propriétés des cumulants d'ordre 4 des signaux de sortie du canal, cette thèse introduit de nouvelles méthodes de traitement du signal tensoriel avec des applications pour les systèmes de communication radio-mobiles. En utilisant la structure symétrique des cumulants de sortie, nous traitons le problème de l'identification aveugle de canaux en ntroduisant un modèle multilinéaire pour le tenseur des cumulants d'ordre 4, basé sur une décomposition de type Parafac. Dans le cas SISO, les composantes du modèle tensoriel ont une structure de Hankel. Dans le cas de canaux MIMO instantanés, la redondance des facteurs tensoriels est exploitée pour l'estimation des coefficients du canal. Dans ce contexte, nous développons des algorithmes d'identification aveugle basés sur une minimisation de type moindres carrés à pas unique (SS-LS). Les méthodes proposées exploitent la structure multilinéaire du tenseur de cumulants aussi bien que les relations de symétrie et de redondance, ce qui permet d'éviter toute sorte de traitement au préalable. En effet, l'approche SS-LS induit une solution basée sur une seule et unique procédure d'optimisation, sans les étapes intermédiaires requises par la majorité des méthodes existant dans la littérature. En exploitant seulement les cumulants d'ordre 4 et le concept de réseau virtuel, nous abordons aussi le problème de la localisation de sources dans le cadre d'un réseau d'antennes multiutilisateur. Une contribution originale consiste à augmenter le nombre de capteurs virtuels en exploitant un arrangement particulier du tenseur de cumulants, de manière à améliorer la résolution du réseau, dont la structure équivaut à celle qui est typiquement issue de l'utilisation des statistiques d'ordre 6. Nous traitons par ailleurs le problème de l'estimation des paramètres physiques d'un canal de communication de type MIMO à trajets multiples. Dans un premier temps, nous considérons le canal à trajets multiples comme un modèle MIMO convolutif et proposons une nouvelle technique d'estimation des coefficients. Cette technique non-paramétrique généralise les méthodes proposées dans les chapitres précédents pour les cas SISO et MIMO instantané. En représentant le canal multi-trajet à l'aide d'un formalisme tensoriel, les paramètres physiques sont obtenus en utilisant une technique combinée de type ALS-MUSIC, basée sur un algorithme de sous-espaces. Enfin, nous considérons le problème de la détermination d'ordre de canaux de type RIF, dans le contexte des systèmes MISO. Nous introduisons une procédure complète qui combine la détection des signaux avec l'estimation des canaux de communication MISO sélectifs en fréquence. Ce nouvel algorithme, basé sur une technique de déflation, est capable de détecter successivement les sources, de déterminer l'ordre de chaque canal de transmission et d'estimer les coefficients associés.

L’objectif de cette thèse est de développer de nouvelles solutions pour détecter et localiser des sources électromagnétiques radar au niveau d'une unique station de réception en exploitant les signaux directs et indirects reçus. Dans le cadre de notre étude, nous avons dans un premier temps développé une modélisation du signal reçu au niveau d'un récepteur en tenant compte des caractéristiques des émetteurs et de la zone environnante. L'évaluation de cette modélisation a été effectuée en s'appuyant sur un cas particulier de détection et de localisation des réflecteurs. Ce dernier, traité dans la littérature, repose sur l’exploitation des trajets multiples. Ces derniers peuvent être également utilisés pour localiser des sources d’émission. Néanmoins, la plupart des méthodes existantes se basent sur des réflexions dites spéculaires. Les techniques employant les réflexions non spéculaires sur un réflecteur quelconque pour localiser des sources d'émission dans un environnement inconnu font l'objet de peu de publications dans la littérature ouverte. La méthode de localisation que nous proposons a l'avantage de n'employer qu'un récepteur fixe mesurant seulement deux types de grandeurs : les angles d'arrivée (AOA) et les différences de temps d'arrivée (TDOA). En pratique, un problème d'affectation doit être résolu avant de procéder à la localisation des émetteurs et des réflecteurs. Le problème consiste à affecter chaque paire de mesures TDOAAOA à un réflecteur donné, en supposant que chaque paire a déjà été affectée à un émetteur.La méthode que nous avons développée a été testée et évaluée, d'une part grâce à des données simulées et d'autre part en utilisant des mesures réelles. / The purpose of this work is to develop new methods for the detection and the location of radar sources. The developed approach exploits the direct and indirect signals received at the receiving point. In our study, we first develop a model of these signals that takes into account the characteristics of the transmitters and the reflectors. We evaluate this model by simulating a particular case of reflectors detection and location, defined in the literature. Our goal is to use the multipaths to locate emission sources. Most existing methods are based on specular reflections. Methods based on non-specular reflections, to locate emission sources in an unknown environment, are rarely studied in the literature. In our study, we propose a new location method that uses a fixed receiver measuring the Angle of Arrival (AOA) and Time Difference of Arrival (TDOA). In practice, an assignment problem must be solved before locating the emitters and reflectors. The problem is to assign each pair of TDOA-AOA measurements to a given reflector, assuming that each pair has already been assigned to a transmitter. The method developed has been tested and evaluated by using simulated data and real measurements.