Remotely-sensed hyperspectral imagery has become one the most advanced tools for analyzing the processes that shape the Earth and other planets. Effective, rapid analysis of high-volume, high-dimensional hyperspectral image data sets demands efficient, automated techniques to identify signatures of known materials in such imagery. In this thesis, we develop a framework for automatic material identification in hyperspectral imagery using adaptive similarity measures. We frame the material identification problem as a multiclass similarity-based classification problem, where our goal is to predict material labels for unlabeled target spectra based upon their similarities to source spectra with known material labels. As differences in capture conditions affect the spectral representations of materials, we divide the material identification problem into intra-domain (i.e., source and target spectra captured under identical conditions) and inter-domain (i.e., source and target spectra captured under different conditions) settings. The first component of this thesis develops adaptive similarity measures for intra-domain settings that measure the relevance of spectral features to the given classification task using small amounts of labeled data. We propose a technique based on multiclass Linear Discriminant Analysis (LDA) that combines several distinct similarity measures into a single hybrid measure capturing the strengths of each of the individual measures. We also provide a comparative survey of techniques for low-rank Mahalanobis metric learning, and demonstrate that regularized LDA yields competitive results to the state-of-the-art, at substantially lower computational cost. The second component of this thesis shifts the focus to inter-domain settings, and proposes a multiclass domain adaptation framework that reconciles systematic differences between spectra captured under similar, but not identical, conditions. Our framework computes a similarity-based mapping that captures structured, relative relationships between classes shared between source and target domains, allowing us apply a classifier trained using labeled source spectra to classify target spectra. We demonstrate improved domain adaptation accuracy in comparison to recently-proposed multitask learning and manifold alignment techniques in several case studies involving state-of-the-art synthetic and real-world hyperspectral imagery.

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Le développement des détecteurs de rayons X en comptage à base de semiconducteurs est en plein essor depuis une dizaine d’années, et des applications aussi bien dans le domaine médical que dans le domaine du contrôle non destructif sont envisagées. Ces détecteurs permettent en effet de réaliser des mesures à des énergies multiples en une seule acquisition, et ce avec une excellente séparation énergétique. Depuis les années 2008-2009, il semble qu’une véritable course se soit lancée pour le développement de détecteur permettant des mesures multi-énergies sur un nombre toujours plus nombreux de bandes d’énergies. Cependant, à ce jour, parmi l’ensemble des travaux qui ont été réalisés, l’intérêt de réaliser des mesures sur un grand nombre d’énergies n’a pas été démontré pour l’identification de matériaux. Dans le cadre d’une étude en sécurité, nous avons évalué l’intérêt lié à l’utilisation de détecteurs de rayons X en comptage permettant la réalisation de mesures sur plusieurs bandes d’énergies. Le domaine applicatif étudié concerne l’identification de matériaux dans les bagages des voyageurs. Nous avons tout d’abord développé une méthode originale d’identification de matériaux homogènes applicable à tout type de détecteur multi-énergies. Dans un premier temps, nous avons étudié, en simulation, l’évolution des performances d’identification de matériaux avec l’augmentation du nombre de bandes d’énergies de comptage. Un processus d’optimisation a été réalisé dans le but de déterminer, pour certaines configurations, une géométrie optimale des bandes d’énergies de comptage. Dans un second temps, les conséquences résultant de la prise en compte de la fonction de réponse du détecteur ont été quantifiées par la simulation de différents effets détecteurs (partage de charge, résolution en énergie). Une validation expérimentale a enfin pu être effectuée en utilisant un détecteur spectrométrique en comptage. À partir des mesures réalisées avec un tel détecteur, un regroupement des données nous a permis d’évaluer les performances d’identification de détecteurs possédant un nombre de bandes d’énergies de comptage différent. Enfin, nous avons mené une étude préliminaire sur la transposition à la tomographie multi-énergies de la méthode d’identification de matériaux homogènes développée initialement en radiographie. Cette modalité d’imagerie permet alors l’identification de matériaux superposés. / The development of X-ray photon counting detectors based on semiconductors has grown up over the last ten years, and applications in medicine, in security and in nondestructive testing are under study. These detectors make it possible to perform measurements at multiple energies in a single acquisition, with an excellent energetic separation. Since the years 2008-2009, it seems that a real race started for the development of detectors performing multi-energetic measurements on an increasing number of energy bands. However, today, within the works already done, the interest of performing measurements on a large number of energies has not been demonstrated for material identification. As part of a study in homeland security, we assessed the interest of using Xray counting detectors that perform measurements on multiple energy bands. The considered field of interest is material identification in the luggage of travelers. We first developed an original method for identifying single materials. This method is applicable to any type of multi-energy detector. In a first time, we studied in simulation the evolution of the performance for identifying materials with the increasing number of energy bands. An optimization process was carried out to determine, for certain configurations, an optimal geometry of the energy bands.In a second step, the consequences of taking into account the detector response function were quantified by simulating different sensors effects (charge sharing, energy resolution). An experimental validation has been performed by using a counting spectrometric detector. From the measurements experimentally obtained with such a detector, combining the data allowed us to evaluate the identification performance that would have detectors possessing a different number of energy bands. Finally, we conducted a preliminary study on the transposition of the identification method initially developed for radiography to the multi-energy computed tomography. This imaging modality allows to identify superimposed materials.

With a rising drive towards greener means of transportation, electrical machines for propulsion are becoming a scientific field of major interest. In particular, part of the research studying these devices focuses its efforts on axial-flux machines, which compared to radial-flux machines can offer a better length-to-diameter ratio and higher torque arm for similar ratings. The analysis carried out throughout this degree project deals with the development and testing of an electromagnetic sizing algorithm for double-stator axial-flux induction machines (DS-AFIM). The designs produced by the algorithm are simulated via finite-element method (FEM) and validated through a comparison with measurements taken upon a real machine. The FEM simulated designs show agreement with the experimental values obtained from physical measurements, although material identification procedures are performed to assess the stator lamination’s magnetic properties. The results obtained validate the sizing algorithm and the designs produced by it, thus allowing to fill a gap in the literature regarding this particular machine topology. / Med en stigande drivkraft mot grönare transportmedel blir elektriska maskiner för framdrivning ett vetenskapligt ämne av stort intresse. Mer specifikt så fokuserar en del av forskningen som studerar dessa enheter på axialflödesmaskiner, som jämfört med radiella flussmaskiner erbjuder ett bättre förhållande mellan längd och diameter och högre vridmomentarm för liknande resultat. Analysen som genomfördes under hela detta examensarbete handlar om att utveckla och testa en elektromagnetisk dimensioneringsalgoritm för dubbel statoriska axiella flödesinduktionsmaskiner (DS-AFIM). Designen som skapas av algoritmen simuleras genom den finita-element-metoden (FEM) och valideras genom en jämförelse med mätningar på en verklig maskin. De FEM-simulerade konstruktionerna visar överensstämmelse med de experimentella värden som erhållits från fysiska mätningar, även om material-identifieringsprocedurer utförs för att bedöma statorlamineringens magnetiska egenskaper. Resultaten som erhållits validerar storleksalgoritmen och de producerade konstruktioner gör det möjligt att producera ny information som saknades i litteraturen angående just denna maskintopologi.

La diffraction des rayons X apparait comme une modalité prometteuse pour l'inspection non invasive de bagages. Par comparaison aux techniques traditionnelles d'imagerie par transmission, cette technique permet de révéler davantage d'informations caractéristiques sur les matériaux, comme les distances inter-réticulaires pour les matériaux cristallins ou la fonction d'interférence moléculaire pour les matériaux amorphes. La méthode de diffraction par énergie dispersive (EDXRD), qui travaille à angle fixe avec un faisceau polychromatique et un détecteur résolu en énergie, est plus particulièrement adaptée à la problématique de contrôle de bagages, car elle permet d'envisager une architecture parallélisée pour imager un bagage complet en un temps raisonnable. Les travaux proposés dans cette thèse ont donc pour but d'étudier un système EDXRD utilisant un détecteur spectrométrique CdZnTe multi pixels pour l'identification des matériaux illicites dans les bagages. Une première étape a consisté à prendre en main cette technique à la fois expérimentalement avec un banc de diffraction mis à disposition et théoriquement par le biais du développement d'un outil de simulation élaboré. La confrontation entre l'expérimentation et la simulation a permis de bien comprendre la physique d'un tel système et de mieux analyser ses faiblesses pour pouvoir les corriger. En nous appuyant sur ces deux outils, nous avons ensuite étudié et mis en oeuvre de nouveaux concepts pour améliorer les performances du système EDXRD, en termes de résolution, d'intensité et de stabilité des pics de diffraction. Ainsi, une architecture novatrice, s'appuyant sur un traitement des signaux transitoires délivrés par les détecteurs CdZnTe, est proposée afin d'améliorer le compromis entre la résolution des pics de diffraction et leur intensité. Cette architecture est basée sur la sur-pixellisation du détecteur par la méthode de localisation barycentrique et sur une adaptation géométrique du système collimateur/détecteur. Enfin, le problème d'instabilité des pics de diffraction, due à l'effet d'orientation des grains des matériaux cristallins, est également traité. / X-ray diffraction is becoming a prevailing technique for non invasive inspection of luggage. Compared to traditional techniques of transmission imaging, the diffraction technique can extract more characteristic information of materials, such as the Bragg peaks for crystalline materials or the molecular interference function for amorphous materials. The method of energy dispersive X Ray diffraction (EDXRD), which works at a fixed low scatter angle but with a polychromatic X-ray beam and a energy resolved detector, is particularly suited to the problem of luggage control as it allows parallelized architectures to inspect an entire object in a reasonable time. The work proposed in this thesis is to study an EDXRD system using a multi-pixelated CdZnTe detector to identify illicit materials in baggage. A first step has been to take control of this technique both experimentally with a diffraction bench and theoretically through the development of an elaborate simulation tool. The comparison between experiment and simulation has allowed to understand the physics of such a system and to better analyze its weaknesses to correct them. Relying on these two tools, we studied and implemented new concepts to improve performances of EDXRD systems, in terms of resolution, intensity and stability of the diffraction peaks. Thus, an innovative architecture, based on a dedicated treatment of transient signals delivered by the CdZnTe detectors, is proposed to significantly improve the compromise between the resolution of the diffraction peaks and their intensity. This architecture is based on an over-pixelation (1D) of the detector by an electronic positioning method and on a geometric adaptation of the system collimator/detector. The problem of instability of the diffraction peaks due to the effect of grain orientation in crystals is also handled.