ITC/USA 2007 Conference Proceedings / The Forty-Third Annual International Telemetering Conference and Technical Exhibition / October 22-25, 2007 / Riviera Hotel & Convention Center, Las Vegas, Nevada / Thermocouple measurements require “cold junction” compensation in order to obtain a correct reading. This compensation has traditionally been done with custom circuitry. In flight test applications where volume and power are at a premium (e.g. weapons flight test) it is desirable to have a more flexible solution that uses standard analog data acquisition channels already available as part of the encoder circuitry and performs compensation with remote software. This can be done via digital compensation, but certain measures must be taken to maintain accuracy and minimize noise. This paper describes some of these techniques and their performance tradeoffs.

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La thèse se concentre sur le suivi temporel des vitesses sismiques, notamment dans des zones de faille actives. En corrélant les signaux générés par le bruit ambiant, il est possible d'estimer la fonction de Green du milieu. Par le suivi continu de ces fonctions, des changements de vitesse dans le milieu peuvent être détectés. Les méthodes de suivi temporel sont appliquées aux données provenant d'une zone de faille active à Parkfield, Californie, ce qui permet de détecter deux chutes de vitesse. Ces dernières coïncident avec des évènements sismiques régionaux, la plus importante concernant un évènement proche des stations. Les deux chutes de vitesse sont suivies d'une récupération postsismique progressive. Pour mieux comprendre la fiabilité des mesures on a effectué des expériences en laboratoire. Un résultat intéressant de ces expériences montre que la reconstruction exacte de la fonction de Green n'est pas nécessaire pour le suivi temporel, ce qui ouvre la voie à de nombreuses possibilités d'applications en sismologie. Grâce à cette connaissance, la série de données de Parkfield a été ré-analysée. En améliorant la résolution temporelle à 1 journée, on montre que la chute de vitesse observée est cosismique avec le séisme de Parkfield. On a établi que les fluctuations de vitesse ne sont pas simplement corrélées aux variations de la distribution de sources du bruit obtenue par formation de voies. Enfin, les méthodes développées sont appliquées à un séisme au Japon. Le réseau étant de taille beaucoup plus grande que celui utilisé pour l'étude de Parkfield, ces données sont analysées pour étudier la dépendance entre la distance stations-séisme et la chute de vitesse mesurée. / The thesis concentrates on monitoring seismic speeds, especially in active fault zones. By correlating signals generated by background noise, one can estimate the Green's function of a medium. When continuously following these functions, wave speed changes in the medium can be detected. Monitoring methods are applied to data from an active fault zone in Parkfield, California, where two wave speed drops, which coincide with regional seismic events, are detected. The largest corresponds to an event close to the stations. Both speed drops are followed by a gradual postseismic relaxation. In order to understand the reliability of the measurements, we perform laboratory experiments. One interesting result of these experiments shows that an exact reconstruction of the Green's function is not necessary for monitoring, which opens up many possibilities of applications to seismology. Armed with this knowledge, the Parkfield data is analysed again. By improving the temporal resolution to 1 day, we show that the observed speed drop is coseismic with the Parkfield event. We establish that the speed fluctuations are not simply correlated to variations in noise source distribution obtained by beamforming. Finally, the developed methods are applied to an event in Japan. Since the array is spatially much larger than the one used at Parkfield, this data is analyzed to study the dependence between station-event distance and the measured seismic speed drop. STAR

Cette thèse nous a permis de produire des cartes de vitesse de groupe du mode fondamental des ondes de Rayleigh, en utilisant les séismes et les corrélations du bruit sismique ambiant. En plus de la méthode moindres carrées amortis, nous avons adapté la nouvelle méthode d’inversion, SOLA-Backus-Gilbert dans un contexte régional. À courte période, les cartes de vitesse de groupe présentent des vitesses rapides pour la croûte océanique et des vitesses lentes pour la croûte continentale. Pour les périodes intermédiaires, le bassin de Taoudeni se caractérise par de faibles vitesses par rapport au reste du craton ouest africain en raison de l’épaisseur de la couche sédimentaire. A longue périodes, les racines des dorsales Man-Leo et Reguibat sont caractérisées par des vitesses rapides, montrant une lithosphère froide et épaisse sous le craton, tandis que nous avons trouvé des vitesses de groupe lentes sous les zones de ceinture mobile panafricaine indiquant une lithosphère mince. / This thesis allowed us to produce group velocity maps of the fundamental mode of Rayleigh waves, using both earthquakes and seismic ambient noise correlation. In this study, in addition to the damped least squares method, we adapted for the very first time a new inversion method, called SOLA-Backus-Gilbert in regional context. At short periods, the group velocities maps exhibit fast velocities for the oceanic crust and slow velocities for the continental crust. For the intermediate periods, the Taoudeni Basin is characterized by low velocities compared to the rest of the west african craton due to the thickness of the sedimentary layer. Over long periods, the roots of the Man-Leo and Reguibat shields are characterized by fast velocities, showing a cold and thick lithosphere under the craton, while we found slow group velocities under the Pan-African orogenic belts zones indicating a thin lithosphere.

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.

<p>Positron Emission Tomography, PET, can be used for dynamic studies in humans. In such studies a selected part of the body, often the whole brain, is imaged repeatedly after administration of a radiolabelled tracer. Such studies are performed to provide sequences of images reflecting the tracer’s kinetic behaviour, which may be related to physiological, biochemical and functional properties of tissues. This information can be obtained by analyzing the distribution and kinetic behaviour of the administered tracers in different regions, tissues and organs. Each image in the sequence thus contains part of the kinetic information about the administered tracer. </p><p>Several factors make analysis of PET images difficult, such as a high noise magnitude and correlation between image elements in conjunction with a high level of non-specific binding to the target and a sometimes small difference in target expression between pathological and healthy regions. It is therefore important to understand how these factors affect the derived quantitative measurements when using different methods such as kinetic modelling and multivariate image analysis.</p><p>In this thesis, a new method to explore the properties of the noise in dynamic PET images was introduced and implemented. The method is based on an analysis of the autocorrelation function of the images. This was followed by proposing and implementing three novel approaches for application of Principal Component Analysis, PCA, on dynamic human PET studies. The common underlying idea of these approaches was that the images need to be normalized before application of PCA to ensure that the PCA is signal driven, not noise driven. Different ways to estimate and correct for the noise variance were investigated. Normalizations were carried out Slice-Wise (SW), for the whole volume at once, and in both image domain and sinogram domain respectively. We also investigated the value of masking out and removing the area outside the brain for the analysis. </p><p>The results were very encouraging. We could demonstrate that for phantoms as well as for real image data, the applied normalizations allow PCA to reveal the signal much more clearly than what can be seen in the original image data sets. Using our normalizations, PCA can thus be used as a multivariate analysis technique that without any modelling assumptions can separate important kinetic information into different component images. Furthermore, these images contained optimized signal to noise ratio (SNR), low levels of noise and thus showed improved quality and contrast. This should allow more accurate visualization and better precision in the discrimination between pathological and healthy regions. Hopefully this can in turn lead to improved clinical diagnosis. </p>

Positron Emission Tomography, PET, can be used for dynamic studies in humans. In such studies a selected part of the body, often the whole brain, is imaged repeatedly after administration of a radiolabelled tracer. Such studies are performed to provide sequences of images reflecting the tracer’s kinetic behaviour, which may be related to physiological, biochemical and functional properties of tissues. This information can be obtained by analyzing the distribution and kinetic behaviour of the administered tracers in different regions, tissues and organs. Each image in the sequence thus contains part of the kinetic information about the administered tracer. Several factors make analysis of PET images difficult, such as a high noise magnitude and correlation between image elements in conjunction with a high level of non-specific binding to the target and a sometimes small difference in target expression between pathological and healthy regions. It is therefore important to understand how these factors affect the derived quantitative measurements when using different methods such as kinetic modelling and multivariate image analysis. In this thesis, a new method to explore the properties of the noise in dynamic PET images was introduced and implemented. The method is based on an analysis of the autocorrelation function of the images. This was followed by proposing and implementing three novel approaches for application of Principal Component Analysis, PCA, on dynamic human PET studies. The common underlying idea of these approaches was that the images need to be normalized before application of PCA to ensure that the PCA is signal driven, not noise driven. Different ways to estimate and correct for the noise variance were investigated. Normalizations were carried out Slice-Wise (SW), for the whole volume at once, and in both image domain and sinogram domain respectively. We also investigated the value of masking out and removing the area outside the brain for the analysis. The results were very encouraging. We could demonstrate that for phantoms as well as for real image data, the applied normalizations allow PCA to reveal the signal much more clearly than what can be seen in the original image data sets. Using our normalizations, PCA can thus be used as a multivariate analysis technique that without any modelling assumptions can separate important kinetic information into different component images. Furthermore, these images contained optimized signal to noise ratio (SNR), low levels of noise and thus showed improved quality and contrast. This should allow more accurate visualization and better precision in the discrimination between pathological and healthy regions. Hopefully this can in turn lead to improved clinical diagnosis.

Pendant ce travail de thèse, j'ai tout d'abord finalisé le développement d'un système expérimental unique dédié aux études de transport électronique de nanostructures multi-terminaux de faible impédance. Ce dispositif permet des mesures de conductance et de bruit à très basse température (30 mK), avec une résolution du pico-ampère en utilisant des SQUIDs comme amplificateurs de courant. Dans le chapitre 5, je fournis une description du fonctionnement de la mesure. De plus, je décris la calibration du dispositif et la manière de déduire des quantités physiques à partir des mesures.Au Chapitre 6, je décris des mesures de transport avec des jonctions diffusives à trois terminaux (trijonctions). Dans une géométrie, que l'on appelle T-shape, des électrodes supraconductrices d'Aluminium sont connectées entre-elles par une partie centrale métallique non-supraconductrice de Cuivre. Pour ces nanostructures, on observe des anomalies de conductance à basse tension qui n'ont jamais été observées expérimentalement. Ces anomalies de résistance/conductance ressemblant fortement à l'effet Josephson apparaissant lorsque deux des potentiels appliqués à la trijonction ont une somme nulle. Les anomalies sont présentes sur une large échelle de tension sans perte d'amplitude. De-même, elles montrent une grande robustesse en température. Des expériences sous champ magnétique appliqué montrent une forte suppression des anomalies pour un champ magnétique correspondant à flux magnétique dans la partie normale de l'ordre d'un quantum de flux. Ceci indique qu'un mécanisme cohérent de phase doit être à l'origine des anomalies. Dans la littérature, deux mécanismes sont proposés pour expliquer ces effets.Le premier, nommé "mode-locking", est un accrochage dynamique des courants Josephson ac, qui est induit par l'environnement expérimental (circuit). Cette situation a été étudiée dans les années soixante sur des microstructures Josephson couplées à base de liens faibles. Pour tester cette explication, nous avons mesuré un échantillon composé de deux jonctions Josephson spatialement séparées. Les anomalies n'apparaissent pas dans une telle géométrie, pas même avec une amplitude réduite. Ceci indique qu'une synchronisation par l'environnement expérimental ne peut pas être à l'origine des anomalies observées. Le deuxième mécanisme théorique évoqué est nommé "mode de quartet" et a été proposé récemment par Freyn et collaborateurs. L'une des électrodes supraconductrices distribue alors des doublets de paires de Cooper. Chacune de ces deux paires se scindent alors en deux quasiparticles se propageant chacune vers deux contacts supraconducteurs différents. Dans un tel mécanisme deux quasiparticules, issues de deux paires de Cooper différentes, arrivent sur chacun des deux contacts supraconducteurs. Lorsque les tensions appliquées entre le contact supraconducteurs émetteur et les deux autres contacts sont exactement opposés, les phases des fonctions d'ondes électroniques des quasiparticules arrivant sur un même contact supraconducteur sont telles que ces deux quasiparticules peuvent se recombiner pour former une paire de Cooper. Par ce mécanisme le doublet de paires de Copper émis se distribue de manière cohérente en deux paires de Cooper chacune dans un contact supraconducteur différent.Ce mécanisme est favorable, car il est robuste envers le désordre et peut ainsi exister sur une large échelle de tensions.Au cours de cette thèse, j'ai montré que ces anomalies sont effectivement présentes pour des tensions appliquées correspondant à des énergies bien supérieures à l'énergie de Thouless. A contrario, les effets cohérents responsables de l'effet Josephson ac doivent être fortement atténués sur cette même échelle d'énergie, ce qui rend peu probable le mécanisme de mode-locking. / During this PhD, I have first finished the development of a unique experimental set-up, dedicated for studies of electronic transport of low impedance multi-terminal nanostructures. This set-up allows conductance and noise measurements at very low temperature (30 mK), with a resolution of a few pico-ampere by using SQUIDs as current amplifiers. In chapter 5, I give some explanation of the measurement working principle. Furthermore, I explain the calibration of the experimental set-up as well as how to extract physical quantities from the measurements.In chapter6, I explain transport measurements on diffusive tri-terminal junctions (tri-junction). In a T-shape called geometry, the superconducting Al-electrodes are connected via a common metallic, non-superconducting part of Copper. For these nanostructures, we observe features in the conductance at low voltage, which have been never observed yet experimentally. These features in conductance/resistance have a striking resemblance with a dc-Josephson effect, appearing when two applied potentials on the tri-junction compensate exactly each other.In literature, two mechanisms are proposed to explain this effect.The first mechanism, called "mode-locking", corresponds to a dynamic locking of ac-Josephson currents, which is induced by the experimental environment (circuit). This situation has been extensively studied in the 60's on coupled microstructures, based on weak links. In order to test this explanation, we have measured a junction, which is composed of two spatially separated Josephson junctions. The anomalies does not show up in such a geometry, even not with strongly reduced amplitude. This indicates, that synchronization via the experimental environment can't be the origin of the observed features. The second theoretical mechanism is named "quartet-mode" and has been recently proposed by Freyn and Co-workers. In this process, one superconducting electrode emits doublets of Cooper-pairs. Each of the two pairs splits into two quasi particles propagating toward different superconducting contacts. In such a mechanism, two quasi-particles originating of two different Cooper-pairs, arrive each in the two superconducting contacts. If the applied voltage between the emitting superconducting contact and the two other contacts is exactly opposite, the phase of the electronic wave functions of the arriving quasi-particles on the same superconducting contact are such, that these two quasi-particles can recombine by forming a Cooper-pair. Due to this mechanism, the emitted doublet of Cooper-pairs is coherently distributed as two Cooper-pairs, each of them in a different superconducting contact. This mechanism is favored, since it is robust with respect to disorder and can hence also exist over a large range of voltage. During this PhD, I have shown that these anomalies are indeed present for applied voltage corresponding to energies well above the Thouless energy. Argumentum a contrario, the coherent effects responsible for the ac Josephson-effect have to be strongly attenuated over the same range of energy, which makes low probable the effect of mode-locking.

Ce travail vise à améliorer la compréhension des signaux sismiques dérivés des fonctions de corrélation inter-récepteur du bruit sismique, ce qui est critique pour une imagerie fiable de la Terre profonde basée sur le bruit. La thèse comprend sept chapitres. Le chapitre 1 introduit les connaissances de base sur le bruit sismique, de la terminologie à ses origines diverses. Le chapitre 2 fournit une vue d'ensemble de la littérature sur l'historique et le développement de la méthode récente de corrélation de bruit, et passe en revue diverses techniques pour le prétraitement des données de bruit sismique et le post-traitement des fonctions de corrélation de bruit. Des méthodes de traitement du bruit basées sur les statistiques et un schéma modifié pour calculer la fonction de corrélation sont développés dans ce chapitre. Le chapitre 3 propose plusieurs techniques basées sur la transformée de Radon pour mesurer les lenteurs des champs d'ondes corrélés et analyser en termes de phases sismiques les signaux dérivés du bruit. Le chapitre 4 montre que les ondes de volume sondant la Terre profonde peuvent être extraites des corrélations de bruit à des distances télésismiques, avec des enregistrements de bruit provenant de deux réseaux sismiques régionaux. Le chapitre 5 applique les techniques proposées au chapitre 3 aux corrélations de bruit entre deux réseaux calculées au chapitre 4, et permet de comprendre l’origine de la phase précoce non-physique observée dans les données. Le chapitre 6 discute des conditions dans lesquelles apparaissent des phases sans correspondance dans la réponse physique de la Terre qui peuvent fausser les analyses des structures profondes basées sur le bruit.. Le dernier chapitre fournit un résumé sur les contributions de cette thèse et une perspective de plusieurs travaux soit en cours soit envisagés pour le futur. / This work aims toward an improved understanding of the seismic signals derived from the inter-receiver correlation functions of seismic noise, which is valuable and critical for a reliable noise-based deep Earth imaging. The thesis consists of seven chapters. Chapter 1 introduces background knowledge on seismic noise, from its classifications to various origins. Chapter 2 provides a literature overview on the history and development of the emerging noise correlation method, and reviews various techniques for the pre-processing of seismic noise data and post-processing of noise correlation functions. Statistics-based noise processing methods and a modified scheme for computing correlation function are developed in this chapter. Chapter 3 proposes several Radon-based techniques to analyze the slownesses of correlated wavefields and to unveil the origin of noise-derived seismic signals. Chapter 4 shows that body waves penetrating into deep Earth can be extracted from noise correlations at teleseismic distances, with noise records from two regional seismic networks. Chapter 5 applies the techniques proposed in chapter 3 to the double-array nose correlations computed in chapter 4, and accordingly reveals the origin of an early spurious phase observed in chapter 4. Chapter 6 discusses several situations that bring ambiguities into the noise-derived seismic signals and can potentially bias the noise-based imaging of subsurface structure. The last chapter provides a summarization over the contributions of this thesis and an outlook of several ongoing and prospected works.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont basés sur des études précédentes réalisées à l’Institut d’Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) de l’Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis (UVHC). Ils concernent le développement d’un système de surveillance embarqué destiné au contrôle des matériaux et des structures utilisés dans différents domaines de transport (fluidique, tubulaire, aéronautique, ferroviaire…). Il s’agit du principe de Contrôle Santé Intégré CSI (ou SHM en anglais pour Structural Health Monitoring). L’idée est d’intégrer des capteurs sur les surfaces des structures à contrôler pour aboutir à un système de contrôle non destructif de ces dernières durant la totalité de leurs fonctionnements. Tout d’abord, les travaux réalisés à l’IEMN dans ce domaine sont illustrés, quelques définitions comme celles des ondes ultrasonores, du Contrôle Non Destructif et du Contrôle Santé Intégré sont rappelées, avant d’aborder l’explication du passage d’un contrôle actif à un contrôle passif. Dans un deuxième temps, un algorithme de comparaison d’images basé sur les minimums locaux présents dans ces images a été proposé et testé sur des images simples de seize pixels, et a permis de tester le degré de ressemblance entre elles. L’explication de l’algorithme développé est divisée en deux grandes parties. Dans la première nous expliquons comment extraire les minimums locaux d’une image. La deuxième partie expose la procédure pour déterminer le taux de ressemblance entre les images. La simulation de la propagation d’un signal dans une plaque réverbérante et l’obtention des images temps-fréquence correspondantes à des corrélations filtrées (autocorrélation) ont été décrites. L’algorithme proposé a été validé sur ces images, permettant ainsi la localisation d’une position inconnue de la source. / The works presented in this manuscript are based on previous studies conducted at the Institute of Electronics Microelectronics and Nanotechnology of the University of Valenciennes and Hainaut Cambrésis. They concern the development of an embedded monitoring system for the control of materials and structures used in different transport domains (pipeline, aerospace, railway ...). This is the Structural Health-Monitoring principle. The idea is to integrate sensors into the surfaces of the controlled structures in order to achieve a non-destructive control system for the control of the latter during their entire lifetime. First the work done at the laboratory in this domain, are illustrated, some definitions such as ultrasonic waves, the Non Destructive Testing and the Structural Health Monitoring are recalled, to switch later to the explanation of the passage from an active control to a passive control. In a second step, an images comparison algorithm based on the local minima present in these images has been proposed and tested on simple images of sixteen pixels and was used to test the degree of resemblance between them. The explanation of the developed algorithm is divided into two parts. In the first one, we explain how to extract the local minima of an image. The second part describes the procedure for determining the rate of resemblance between the images. The simulation of the propagation of a signal in a reverberant plate and the obtaining of the frequency time images corresponding to filtered correlation (autocorrelation) has been described. The algorithm was validated on those images allowing the localization of an unknown source position.