The work in this dissertation comprises aeroservoelastic simulation development, two modal filter design case studies and theoretical improvement of the modal filter. The modal filter is made robust to sensor bias. Studies have shown that the states estimated by the modal filter can be integrated into active structural control. The integration of modal filters into aircraft structural control systems is explored. Modal filters require distributed sensing to achieve accurate modal coordinate estimates. Distributed sensing technology has progressed to the point, where it is being tested on aircraft such as Ikhana and the upcoming X-56A. Previously, the modal filter was criticized for requiring too many sensors. It was never assessed for its potential benefits in aircraft control. Therefore it is of practical interest to reinvestigate the modal filter. The first case study shows that under conditions of sensor normality, the modal filter is a Gaussian efficient estimator in an aeroservoelastic environment. This is a fundamental experiment considering the fact that the modal filter has never been tested in the airflow. To perform this case study a linear aeroservoelastic code capable of modeling distributed sensing is developed and experimentally validated. From this code, a computational wing model is fitted with distributed sensing. A modal filtering design methodology is developed and applied. With distributed sensing and modal filtering feedback control is achieved. This is also compared and contrasted with a controller using state-of-the-art accelerometers. In addition, new methods of active shape control are introduced for warping an aeroelastic structure utilizing the modal filter and control surfaces. The next case study takes place in a realistic setting for an aircraft. Flexible aircraft bring challenges to the active control community. Increased gust loads, possibility of flutter, and off-design drag may detrimentally affect performance and safety. Aeroservoelastic tailoring, gust load alleviation (GLA) and active flutter suppression (AFS) may be required on future flexible air vehicles. It is found that modal filters can theoretically support these systems. The aircraft case study identifies additional steps required in the modal filtering design methodology. Distributed sensing, the modal filter and modal reference shape control are demonstrated on the X-56A flutter-unstable simulation model. It is shown that control of deformations at potentially millions of points on an aircraft vehicle can be achieved through control of a few modal coordinates. Finally modal filter robustness is theoretically improved and computationally verified. State-of-the-art modal filters have high bias sensitivity. In fact, this is so critical that state-of-the-art modal filters may never be certified for aircraft implementation. This is especially true within a flight critical control system. The solution to this problem is found through derivation of the robust modal filter. The filter combines good properties of concentration algorithms with robust re-descending M-estimation. A new trim criterion specific to the strain based modal sensing system is derived making the filter robust to asymmetric or leverage point outliers. Robust starts are introduced to improve convergence of the modal estimation system to the globally optimal solution in the presence of 100s of biased fiber optic sensors.

L'observation d'exoplanètes et plus généralement de l'environnement proche de jeunes étoiles représente une double difficulté observationnelle : la faible séparation angulaire entre l'étoile et la planète (ou son environnement tel qu'un disque protoplanétaire) et le contraste de flux. L'une des techniques permettant de surmonter ces difficultés est l'interférométrie en frange noire. Deux télescopes pointent un système étoile planète/disque et les pupilles sont recombinées de telle manière que les photons issus de l'étoile interfèrent destructivement alors que ceux issus de la planète/disque interfèrent constructivement. Les contraintes instrumentales sont très fortes pour garantir une extinction suffisante de l'étoile, tant en terme de différence de marche optique (de l'ordre du nanomètre) que d'équilibre photométrique (4% minimum pour obtenir un taux d'extinction de 40dB). La bande L (3.4 - 4.1μm) est adaptée à l'observation de matière froide, car le rapport de flux entre la planète (ou poussière stellaire) et son étoile présente un minimum de l'ordre de 10−4 après 3μm, ce qui rend la bande L particulièrement attractive pour ce genre d'observations. Parce que les silicates et le verre ne permettent pas de construire des guides atteignant la bande L, il n'existe pas aujourd'hui d'instrument mature fonctionnant dans cette bande en optique intégrée. En effet, les contraintes instrumentales concernant l'interférométrie annulante peuvent être relaxées en utilisant un interféromètre intégré monomode, grâce au filtrage modal. Un instrument interférométrique intégré en bande L serait donc le bienvenu, mais cela nécessite un effort technologique de développement pour mettre au point une méthode de production de guides monomodes en bande L ainsi que de recombineurs intégrés. Mon travail de thèse a consisté à développer de tels guides d'onde ainsi que des recombineurs permettant d'obtenir un taux d'extinction de 10−4 sur la bande L. Le matériau choisi est le Niobate de Lithium (LiNbO3) dont la transparence en infrarouge moyen en fait un parfait candidat. Nous avons utilisé deux méthodes pour fabriquer les guides : l'échange protonique et la diffusion de Titane. Cette dernière méthode permet de guider les deux polarisations T E et T M . Comme le Niobate de Lithium est électro-optique, nous avons aussi travaillé à piloter le retard de phase entre les voies interférométriques de manière intégrée, sans pièce mécanique mobile, en appliquant un champ électrique au niveau du guide via des électrodes "on chip". L'effet électro-optique nous permet non seulement de faire varier la différence de marche entre les voies mais aussi de régler l'équilibre photométrique, ouvrant la voie à la réalisation d'un interféromètre intégré complet, léger, compact et robuste. J'ai donc cherché à caractériser et optimiser l'efficacité électro-optique du système afin d'obtenir une tension de commande inférieure à 15V. Le résultat est un interféromètre de type Y présentant deux Mach-Zehnders en entrée pour le réglage des photométries et offrant un taux d'extinction de 33dB en lumière monochromatique à 3.39μm. Le pilotage électro-optique étant très rapide (> MHz), il devient alors possible de compenser les perturbations de phase induites par l'atmosphère (1kHz) en temps réel. Nous avons ainsi travaillé à construire un démonstrateur qui permet de compenser des retards de phases de l'ordre du kHz sans pièce mobile, garantissant, à 3.39μm, une différence de marche de l'ordre de 3nm. Nous avons aussi réalisé des coupleurs directionnels dont le taux de couplage peut être modulé via une tension de commande. L'application directe de cette technologie est un composant interférométrique 2TABCD ou 3TAC dont les défauts (déséquilibre des coupleurs) peuvent être corrigés par calibration. / The observation of exoplanets and more generally of the close environment of young stars represents an observational double difficulty : the small angular separation between the star and the planet (or its environment such as a protoplanetary disk) and contrast flux. One technique to overcome these difficulties is the nulling interferometry. Two telescopes target a star planet/disk system and the pupils are recombined in such a way that the photons from the star cause destructive interference while those from the planet/disk cause constructive interference. Instrumental constraints are very strong to ensure sufficient extinction of the star, both in terms of optical path difference (of the order of nanometers) than photometric balance (4% for a minimum extinction ratio 40dB). L-band (3.4-4.1μm) is adapted to the observation of cold matter, because the flux ratio between the planet (or star dust) and the star presents a minimum of 10−4 order after 3μm, making the L-band particularly attractive for such observations. Because silicates and glass are not suitable to build guides reaching the L-band, there is currently no mature instrument in this band in integrated optics. Indeed, instrumental constraints on nulling interferometry can be relaxed by using a single-mode interferometer integrated, thanks to modal filtering. An interferometric instrument integrated L-band would be more than welcome, but needs a technology development effort to develop a method of producing L-band single-mode guides as well as integrated beam combiners. My PhD work was to develop such single mode waveguides as well as beam combiners in order to ob- tain an extinction ratio of 10−4 in the L-band. The selected material is lithium niobate (LiNbO3), the mid-infrared transparency makes it a perfect candidate. We used two methods to make the guides : proton exchange and Titanium diffusion. This latter allows to guide both TE and TM polarizations. As Lithium Niobate is electro-optic, we also worked to internally control the phase delay between channels without mobile mechanical part, applying an electric field at the guide via electrodes "on chip". The electro-optical effect allows us to not only vary the optical path delay between channels but also to settle the photometric balance, paving the way towards the realization of an integrated complete interferometer, lightweight, compact and robust. I therefore sought to characterize and optimize the electro-optical efficiency of the system to obtain a command voltage lower than 15V. The result is a "Y" interferometer presenting two Mach-Zehnders as input for photometric adjustment and offering an extinction ratio of 33dB in monochromatic light (3.39μm). Because the electro-optical drive is very fast (> MHz), it becomes possible to compensate for the phase perturbations induced by the atmosphere (1kHz) in real time. We have worked to build a demonstrator which compensates phase delays of the order of kHz without mechanical mobile part and which guarantees, at 3.39μm, an optical path delay around 3nm. We also realized directional couplers whose coupling ratio can be adjusted via a control voltage. The direct application of this technology is an interferometric component 2TABCD or 3TAC whose defects (unbalanced couplers) can be electrically corrected by calibration.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21091号 / 工博第4455号 / 新制||工||1692(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 五十嵐 晃, 教授 八木 知己, 准教授 古川 愛子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

La détermination du diagramme de rayonnement d’une antenne installée sur un porteur est indispensable pour la validation des systèmes RF auxquels sont associées ces antennes. Lorsque l’antenne est placée sur le porteur, la structure rayonnante est formée par l’antenne et le porteur. Le diagramme doit être déterminé à grande distance de la source dans la zone de champ lointain. Suivant la fréquence de travail et la taille de la source rayonnante, cette distance peut être grande. Elle est par exemple de l’ordre 85m lorsque l’on cherche à caractériser à 88MHz une source rayonnante de dimension maximale 12m. Actuellement, cette distance de champ lointain, est obtenue lors des essais en vol au cours desquels l’aéronef est à 80km de la station sol relevant le diagramme. Cette méthode de caractérisation n’est pas tenable à long terme, en raison de son coût et des temps de mesure. C’est pourquoi Airbus Helicopter veut mettre en œuvre une mesure au sol mais ce dernier perturbe grandement le rayonnement. La méthode de caractérisation retenue permet d’effectuer les mesures au sol dans un espace réduit et permet de s’affranchir de l’influence du sol. La méthode retenue repose sur la caractérisation en champ proche dans une géométrie cylindrique, associée à une technique de correction de diagramme de rayonnement basée sur la décomposition de modes. La mesure champ proche requiert l’acquisition des données de champ proche sur une surface cylindrique, puis un algorithme de transformation développé en environnent MATLAB effectue le passage en champ lointain. Le champ lointain est décomposé en modes cylindriques, puis un filtrage modal est appliqué pour s’affranchir de l’influence du sol. / Aircraft antennas radiation pattern must be measured before radiofrequency systems deployment. When an antenna is on the aircraft, radiating structure is not only antenna element but it’s the set antenna and aircraft. Radiation pattern have to be determined at great distance from the radiating structure. This distance is located in area called far field area depending on the frequency of operation and the maximal size of the aircraft. For example, to measure an antenna on an aircraft of 12 m of long at 88 MHz; the far field area is at 85m.To get this distance, flight measurement is performed. During flight test, radiation pattern is determined by a ground station which is at 80 km of the aircraft. This method is very expensive and takes much time and causes serious delays on aircraft delivery. For these reasons Airbus Helicopters explores new innovative solution, like as radiation pattern measurement on the ground. The last one disturbs the radiation pattern. The proposed method allows to perform measurement in compact volume and cancel out the ground influence. Proposed solution is based on cylindrical near field measurement, and cylindrical modes decomposition. Near field data are scanned on cylinder surface, then an algorithm developed on MATLAB environment do near field to far field transformation. Cylindrical modes decomposition and modal filtering rid of ground reflections. Proposed solution has been validated numerically through comparison with electromagnetic simulator software results. Antenna measurement range in the laboratory has served to validate experimentally the proposed solution on a prototype in scale size.

Ce manuscrit présente des expériences d’imagerie par diffraction réalisées en utilisant une source de rayonnement cohérent basée sur la génération d’harmoniques d’ordre élevé d’un laser Ti:Sa. Elles démontrent que cette source extrême-UV de laboratoire produit un nombre suffisant de photons par impulsion pour enregistrer une figure de diffraction d’objets tests en « simple tirs ». Le signal ainsi enregistré permet l’obtention d’une image de l’objet avec une résolution d’une centaine de nanomètres. Deux schémas sont utilisés pour reconstruire l’objet : le premier utilise un algorithme itératif de reconstruction de la phase perdue pendant la détection de la figure de diffraction ; le second utilise une configuration holographique par transformée de Fourier. Les travaux réalisés comportent deux parties. La première concerne l’optimisation de la source harmonique et inclut une étude expérimentale d’un dispositif de filtrage spatial du faisceau laser de génération par propagation dans une fibre creuse. La seconde partie présente les expériences d’imagerie par diffraction, et notamment une démonstration du schéma holographique HERALDO qui est une extension de l’holographie par transformée de Fourier à des références en forme de polygones. L’utilisation de ces références « étendues » a pour avantage d’optimiser l’enregistrement holographique tout en conservant une reconstruction directe et sans ambigüité de l’objet. Une analyse signal-sur-bruit ainsi qu’une comparaison des reconstructions d’hologramme pour différentes formes de références sont effectuées. / This manuscript presents diffraction imaging experiments performed using a source of coherent radiation based on high order harmonics generation of a Ti:Sa laser. They demonstrate that this laboratory size XUV source produces a number of photons per pulse sufficient to record the diffraction pattern of test objects in « single shot ». The signal thus recorded allows obtaining an image of the object with a resolution of around 100 nanometers. Two schemes are used to reconstruct the object: the first one uses an iterative algorithm to retrieve the phase lost during the detection of the diffraction pattern; the second uses a configuration of Fourier transform holography. The work presented here is separated in two parts. The first one concerns the optimization of the harmonic source, including an experimental study of a spatial filtering device for laser beams by propagation in a hollow core fiber. The second part deals with the diffraction imaging experiments. In particular, I present a demonstration of the holographic scheme HERALDO, which is an extension of the Fourier transform holography with polygonal references. The use of these « extended » references allows the optimization of the holographic recording while maintaining a direct and non-ambiguous reconstruction of the object. An analysis of signal-to-noise ratio and a comparison of hologram reconstructions for different types of references are performed.

Imager des objets non-périodiques à une échelle nanométrique et à une échelle femto seconde est un vrai challenge à notre époque. Les techniques d’imagerie « sans lentille » sont des moyens puissants pour répondre à ce besoin. En utilisant des sources ultrarapide (~fs) et cohérente (ex. laser à électron libre ou harmoniques d’ordres élevés), ces techniques nous permettent de reconstruire des objets à partir de leur figure de diffraction, remplaçant les optiques conventionnelles du système d’imagerie par un algorithme informatique. Dans ce travail de thèse, je présent des expériences d’imageries en utilisant un rayonnement extrême-UV (15~40 nm) produit par la génération d’harmoniques d’ordre élevé d’un laser infrarouge puissant. Ce manuscrit est constitué d’une introduction, un chapitre de background théorique, trois chapitres de travail de thèse et une conclusion générale avec perspectives. La première partie du travail de thèse porte sur les développements et caractérisations de la ligne de lumière avec l’objectif de générer maximum de photons harmoniques cohérents avec un front d’onde plat. La deuxième partie est consacrée aux expériences et analyses de trois techniques d’imageries « sans lentille » : Imagerie par diffraction cohérente (CDI), Holographie par la transformée de Fourier (FTH) et Holographie avec références étendues (HERALDO). Ces derniers nous permettent de reconstruire des objets avec une résolution spatiale de 78 nm dans le cas de CDI et de 112 nm dans le cas de HERALDO, tous les deux avec une résolution temporaire de 20 fs. La troisième partie est une première application physique de l’imagerie sur la ligne harmonique. Il s’agit des études statiques et dynamiques de nano-domaines magnétique avec une résolution spatiale sub-100 nm à l’échelle femto seconde. Perspective des techniques d’imagerie 3D et développement potentiel de la ligne d’harmoniques sont présentés à la fin. / Ultrafast imaging of isolated objects with nanometric spatial resolution is a great challenge in our time. The lensless imaging techniques have shown great potential to answer this challenge. In lensless imaging, one can reconstruct sample images from their diffraction patterns with computational algorithms, which replace the conventional lens systems. Using ultrafast and coherent light sources, such as free electron laser and high order harmonics, one can investigate dynamic phenomena at the femtosecond time scale. In this thesis work, I present the lenless imaging experiments using XUV radiation provided by a laser driven high order harmonic beamline. The manuscript is composed of an introduction, a chapter of theoretical background, three chapters of main research work and a general conclusion with perspectives. The first part of this work concerns the development of the harmonic beamline to optimize the illumination condition for lensless imaging. The second part concentrates on the imaging techniques: the Coherent Diffraction Imaging (CDI), the Fourier Transform Holography (FTH) and the Holography using extended references (HERALDO). The reconstructions have achieved 78 nm spatial resolution in case of CDI and 112 nm resolution in case of HERALDO, both in single-shot regime corresponding to a temporal resolution of 20 fs. The third part presents the first physical application on the harmonic beamline using the lensless imaging. Samples with magnetic nano-domains have been studied with sub-100 nm spatial resolution, which paves the way for ultrafast magnetic dynamic studies. At the end, single-shot 3D imaging and further beamline development have been discussed.