Dans ce rapport, une méthode pour l'implémentation de distributions de champ arbitraires utilisant des metasurfaces tensorielles est présentée. Les metasurfaces modulées sinusoïdalement sont utilisées afin de générer des ondes de fuite avec un contrôle de l'amplitude et de la phase. La distribution de phase du champ d'ouverture désirée est obtenue en utilisant une nouvelle formulation locale du principe de l'holographie. D'autre part, la distribution d'amplitude est contrôlée en faisant varier les indices de modulations ainsi que l'impédance moyenne en fonction de la position. Un contrôle indépendant de l'amplitude et de la phase est obtenu en modulant séparément les composantes du tenseur d'impédance. La formulation théorique est présentée en détails en prenant en compte la méthode d'implémentation ainsi que les contraintes d'adaptation. La méthode proposée est appliquée afin de générer plusieurs types de diagrammes de rayonnement aussi bien en champ lointain qu'en champ proche. La procédure de design a été validée numériquement avec des simulations pour une fréquence de travail de 20GHz. Les résultats obtenus sont en concordances avec les résultats théoriques attendus. Différentes metasurfaces ont ensuite été fabriquées et mesurées pour des fréquences de travail de 10GHz, 12.25GHz et 20GHz. Les résultats de mesures et de simulations démontrent qu'une large variété de distribution d'ouverture avec un contrôle d'amplitude et de phase peut être réalisée avec la méthode proposée. / In this thesis, a method for the implementation of arbitrary aperture field distributions using tensorial metasurfaces is introduced. Sinusoidally modulated metasurfaces are used in order to generate leaky waves with control on both phase and amplitude. The desired aperture phase distribution is obtained using a new local holography formulation. On the other hand, the amplitude distribution is controlled by varying modulation indices and average impedance depending on the position. A separate control of the aperture field components is achieved by modulating the impedance tensor elements independently. The theoretical formulation of the method is presented in details by taking into account the implementation method and antenna adaptation issues. The method is applied to design a wide range of radiation patterns examples both for far-field and near-field applications. The design procedure was first validated with simulations results for a working frequency of 20GHz giving a good agreement with the theoretical results. Several metasurfaces were then manufactured and measured for working frequencies of 10 GHz, 12.25 GHz and 20GHz. The consistency of the measurements and the simulation results proves that a good control of the aperture field phase and amplitude distributions is achieved using the proposed method.

Les méthodes tomographiques habituellement employées en sismologie nécessitent des enregistrements de séisme. Or de larges zones sur Terre sont asismiques : faute de séisme nous ne pouvons les étudier avec une bonne résolution. <br /><br />Nous testons ici une approche radicalement différente : il s'agit d'imager la croute terrestre à partir d'enregistrements de bruit de fond sismique. En effet, la corrélation entre deux points A et B d'un bruit blanc généré en tout point du milieu est la fonction de Green complète du milieu entre A et B. On pourrait ainsi mesurer la vitesse des ondes sismiques entre n'importe quel couple de points de la surface. <br /><br />Nous présentons tout d'abord la théorie formalisant le lien entre corrélation de bruit et fonction de Green. Nous étudions ensuite l'origine du bruit de fond sismique sur la bande de période 5-40s afin de voir si il respecte ou non les exigences de la théorie. Après avoir évalué la précision des mesures de la vitesse des ondes de surface réalisées grace aux corrélations de bruit, nous étudions les Alpes. Enfin nous montrons que nos résultats peuvent etre amélioré en<br />recorrélant les corrélations.

Certains matériaux ont des modes électromagnétiques confinés à leur surface, qui se<br />propagent le long de celle-ci. Ces modes, qui sont appelés ondes de surface, peuvent être couplés à des ondes propagatives à l'aide d'un réseau.<br />Nous avons utilisé un code de calcul électromagnétique exact, basé sur l'analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA), pour optimiser des structures périodiques dont les dimensions sont de l'ordre ou inférieures au micron. Nous avons ainsi conçu des micro ou nanostructures pour deux types d'applications : l'émission thermique cohérente, et la transmission résonante.<br />En émission, nous avons optimisé des sources thermiques émettant un rayonnement<br />quasi-monochromatique dans une direction privilégiée de l'espace ou bien dans toutes les directions. Nous avons de plus conçu, dimensionné et mis en place un montage de mesure de l'émissivité de telles sources. Nous avons pu retrouver de manière quantitative les résultats que nous avons obtenus numériquement, puis déterminer expérimentalement la longueur de cohérence spatiale de la source.<br />Le second axe de cette thèse a été consacré à la transmission résonante. Nous avons<br />mis en évidence les mécanismes de transmission de structures métalliques en montrant l'existence de modes propres de ces structures qui sont des modes couplant modes de surface et modes de cavité. En remontant aux caractéristiques de ces modes, nous pouvons en particulier retrouver toutes les caractéristiques des pics de transmission, hauteur, largeur et position. Nous avons par ailleurs montré que des effets analogues apparaissent pour des réseaux de cristaux polaires. Finalement, des études de transmission résonante par des cristaux 2D ont montré que des modes d'ordre élevé peuvent être fortement transmis. Ces modes sont faiblement couplés à des ondes planes mais peuvent se coupler fortement à des particules ou molécules.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne le développement d'outils pour le diagnostic non-destructif et sans contact de l'état (dégradation) des matériaux de construction, principalement du béton. La thèse est focalisée sur deux techniques d'évaluation utilisant la propagation des ondes ultra-sonores : l'étude de la propagation des ondes de surface et l'analyse des coefficients de réflexion en fonction de l'angle d'incidence (réflectométrie). La partie théorique du travail présente les bases de la modélisation des phénomènes considérés, ainsi que la mise en oeuvre des modèles décrits dans la résolution des problèmes inverses. Un logiciel utilisant des algorithmes d'optimisation pour l'identification des paramètres du modèle sur la base des données de mesure est développé dans le cadre ce travail. La partie expérimentale présente le développement de deux systèmes de mesures ainsi que leur utilisation en laboratoire et sur le terrain. Le but de cette partie est non seulement de développer des outils expérimentaux mais aussi de les rendre opérationnels pour une utilisation courante. Les applications des outils développés pour le diagnostic sont discutées sur la base d'exemples de résultats obtenus en laboratoire et in situ. Ils permettent de spécifier les paramètres tels que la profondeur de la dégradation, la vitesse des ondes de surface et des ondes transversales en fonction de la profondeur pour le matériau testé ainsi que la perméabilité de surface, la porosité et la tortuosité du matériau testé.

La tectonique actuelle et récente (~40 Ma) de la région Egée-Anatolie en fait un laboratoire naturel privilégié pour l'étude de la déformation continentale. L'analyse de la structure détaillée et de la déformation du manteau de cette zone de collision continentale immature constitue une étape indispensable pour comprendre les relations entre la cinématique de surface et la dynamique du manteau. La structure du manteau supérieur a été étudiée à l'échelle de la région en réalisant un modèle 3-D de la vitesse des ondes S par tomographie télésismique en ondes de surface. Les résolutions latérale (~100-200 km) et verticale (~50 km) des images obtenues, grâce à l'utilisation d'un réseau sismologique large bande composé de ~150 stations (permanentes et temporaires (expérience SIMBAAD), apporte de nouvelles contraintes sur la structure du manteau de la Grèce continentale à l'Anatolie centrale. Cette tomographie révèle notamment des corrélations verticales claires entre les géométries des déchirures affectant le slab Hellénique et celles des zones de cisaillement trans-tensives qui accommodent le mouvement rapide du bloc Egéen vers le SW. Le slab Chypriote est clairement imagé dans le modèle 3-D comme plissé et déchiré en plusieurs segments sous l'Anatolie. L'analyse de l'anisotropie azimutale par méthode de réseau sur les ondes de Rayleigh a permis de proposer l'existence de deux couches anisotropes dans le manteau supérieur. L'étude de variations latérales de l'anisotropie sous la région suggère que la déformation des slabs et la cinématique de surface sont contrôlées par des flux mantelliques toroïdaux de différentes échelles.

Dans cette étude de microzonage sismique, des essais d’analyse spectrale des ondes de surface (SASW) ont été exécutés dans quarante sites de la ville des Cayes, située à 154 km de Port-au-Prince à Haïti. Le système d’acquisition des données in situ est composé de trois géophones L4C de Marc Product, d’un analyseur HP6567 et des sources d’impact constituées d’un marteau de 12 lb (5,45 kg) et d’une masse de 88,2 lb (40 kg) tombant d’une hauteur de chute pouvant aller jusqu’à 2,50 m. Les signaux collectés sont traités à l’aide d’une méthode d’inversion simplifiée (SIM). Cette technique, évaluée à partir des simulations, fournit des profils de vitesse des ondes de cisaillement avec une bonne précision. Ainsi, quarante profils de vitesse ont été établis, au cours de ces travaux, au moyen de la SIM. À-côté des essais SASW, des études géotechniques constituées d’essais SPT, de pénétromètre dynamique (PD) et de MASW ont été compilées pour la caractérisation des sols de la ville des Cayes. Ces mesures ont été exécutées dans la région plaine à des profondeurs d’investigation atteignant 10 à 30 m. Des corrélations de la littérature, entre SPT et PD et entre SPT et V[indice inférieur s] ont permis d’établir des profils de vitesse des ondes de cisaillement. Les profils obtenus par corrélations et ceux évalués directement par SASW sont en accord dans les sites proches considérés. Ce constat prouve que les profils de vitesse obtenus par SASW correspondent à la rigidité réelle du sol. La catégorisation des sols, sur la base du paramètre V[indice inférieur s30], indique deux classes de sol dominantes dans la ville des Cayes. Il s’agit des sols de classe C, en région montagneuse, et des sols de classe D en plaine. Dans certaines zones très altérées et friables des faciès montagneux du miocène moyen, le sol est de catégorie D. Dans certains espaces marécageux et proches des côtes, la catégorie E peut être obtenue en plaine. La prise en compte des effets de site a été envisagée au moyen des facteurs d’amplification fixés pour différentes catégories de sol et pour des accélérations spectrales telles que définies par l’analyse d’aléa sismique probabiliste suivant les données de l’USGS. Les spectres d’accélération à la surface, établis dans les diverses zones, indiquent de forts mouvements pour des structures de moins de 0,5 s, représentant la majorité des structures des Cayes. Le centre-ville, se trouvant au plus faible niveau d’aléa sismique, présente des accélérations spectrales allant de 0,897 g à 1,127 g pour les bâtiments de périodes inférieures à 0,5 s. D’autres essais SASW, munis d’une source d’impact plus énergétique, devraient être effectués dans les plaines pour atteindre le rocher. Au voisinage des lacs, au nord des Cayes, d’autres mesures devraient, également, être exécutées pour confirmer la classe D ou C du sol. De plus, d’autres tests comme les rapports H/V et SPT, CPT peuvent s’avérer aussi nécessaires pour une plus grande définition des dépôts meubles caractérisant les Cayes. Ils permettront de réaliser une estimation plus précise du mouvement à la surface, de réaliser des analyses dynamiques et de préciser éventuellement, la catégorie F du sol en zone côtière ou marécageuse.

En géophysique, les réseaux denses améliorent la caractérisation spatiale et fréquentielle des différents types d’ondes dans le milieu. Bien entendu, l’acquisition en surface est sujette aux ondes de surface qui sont très fortes. Les ondes de surface ont un fort impact sur les données géophysiques acquises au niveau du sol. Elles peuvent être considérées comme du bruit et être sujettes à la suppression puisqu’elles cachent l’information de sous-surface. Cependant, elles peuvent être utiles pour l’imagerie de proche surface si elles sont convenablement récupérées.Dans tous les cas, leur caractérisation est cruciale en géophysique d’exploration active et passive. Dans la surveillance microsismique passive, le bruit de surface ambiant est composé d’ondes de surface. L’objectif principal de la surveillance passive est de minimiser l’impact des ondes de surface sur les données microsismiques. Le fort bruit de surface diminue la sensibilité etl’efficacité des méthodes de détection et de localisation. De plus, les méthodes actuelles de localisation et de détection nécessitent généralement la connaissance d’informations telles qu’un un modèle de vitesse ou un modèle d’événement. Dans la sismique active, de fortes ondes de surface sont générés par des sources actives. Les stratégies actuelles de traitement sont généralement basées sur une sélection manuelle des ondes de surface afin de choisir lesquelles garder. Il s’agit là d’une tâche complexe, coûteuse et sujette à interprétation. Cependant, cette tâche est nécessaire pour l’imagerie de proche-surface et de sous-surface. Les ondes de surface peuvent être particulièrement difficiles à récupérer dans des acquisitions clairsemées.Nous proposons d’appliquer les techniques d’interférométrie et de formation de voies (telles que le Matched Field Processing) dans le contexte des réseaux denses. Une densité de traces importante ouvre de nouvelles possibilités dans les traitements géophysiques, qu’ils soient actifs ou passifs. Nous montrons que le bruit ambiant peut être utilisé dans le traitement microsismique pour extraire des informations importantes sur les propriétés du milieu. De plus, nous développons une approche de débruitage qui permet de supprimer les sources de bruit à la surface et détecter les événements microsismiques. Nous proposons également une méthode automatique de détection et de localisation qui se base sur une quantité minimale d’information préalable qui permet de récupérer la distribution des hétérogénéités du réservoir, dans le voisinage du puits. En ce qui concerne la sismique active, nous proposons une approche interférométrique et automatique de caractérisation des ondes de surface. Nous récupérons les noyaux de sensibilité de phase des ondes de surface entre deux points quelconques de l’acquisition. Ces noyaux de sensibilité sont par conséquent utilisés pour obtenir les courbes de dispersion multimodales. Ces courbes de dispersion permettent la séparation des différents modes des ondes de surface, et fournissent l’information de proche surface suite à une simple inversion.Le réseau dense permet l’amélioration des méthodes présentées ci-dessus: elle permet des applications alternatives et innovantes dans le traitement du signal géophysique. / In geophysics, spatially dense arrays enhance the spatial and frequential characterization of the various waves propagating in the medium. Of course, surface array is subject to strong surface waves. Surface waves highly impact the processing of geophysical data acquired at ground level. They can be considered as noise and subject to suppression as they mask sub-surface information.However, they can be useful for near-surface imaging if they are well retrieved. In any case, their characterization is crucial in active and passive exploration geophysics. In passive microseismic monitoring, ambient surface noise consists of surface waves. The main goal of passive monitoring is to minimize the impact of surface waves on the actual microseismic data. The strong ambient surface noise lowers the sensitivity and the efficiency ofdetection and location methods. Moreover, current location and detection methods usually require strong a priori information (e.g., a velocity model or a template).Active sources generate strong surface waves. In active seismic, current processing strategies often consist in manually picking surface wave arrivals in order to use or remove them. This is often a complex, time consuming, and an ambiguous task. However, it is needed for near- and sub-surface imaging. Surface waves can be particularly difficult to retrieve in sparse arrays. We propose to apply the techniques of interferometry and beamforming (Matched Field Processing in particular) in the context of dense arrays. High trace density opens new possibilities in geophysical processing in both passive and active surveys. We show that the ambient noise can be explored in the case of microseismic monitoring to extract important information about the medium properties. Moreover, we develop a denoising approach to remove the noise sources at the surface and detect the microseismic event. Furthermore, we propose an automatic detection and location method with a minimum a priori information to retrieve the distribution of heterogeneities in the reservoir, in the well vicinity.In active survey, we propose an interferometric, automatic approach to characterize the surface waves. We retrieve phase-sensitivity kernels of surface waves between any two points of the acquisition. These kernels are consequently used to obtain multi-mode dispersion curves. These dispersion curves make it possible to separate different modes of surface waves and provide near-surface information if inverted.The above presented methodologies benefit from spatially dense arrays.Dense arrays of sources or receivers enable alternative, innovative applications in geophysical processing.

La turbulence d’onde cherche à apporter une description statistique des interactions d’un ensemble d’ondes faiblement non-linéaires. Initiée dans les années 1960 par les travaux de Zakharov et de Hasselmann, cette théorie est régulièrement mise en défaut par les observations expérimentales, en particulier dans le régime d’ondes de gravité ainsi qu’aux abords de la transition gravito-capillaire. L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement ces deux régimes en analysant directement les interactions résonantes qui sont le cœur de la théorie de la turbulence faible. Une première expérience concerne le régime gravito-capillaire. Une cascade d’énergie constituée d’ondes faiblement linéaires est observée en accord avec la phénoménologie de la turbulence faible. L’utilisation d’outils statistiques d’ordre supérieur a permis de montrer que ce sont des interactions à 3-ondes essentiellement colinéaires qui gouvernent la cascade. La seconde expérience explore le régime gravitaire dans la plateforme de Coriolis. Le spectre de puissance montre la présence systématique d’une branche harmonique qui reste faible devant la composante linéaire. Les corrélations indiquent la présence d’interactions à 3-ondes entre la branche linéaire et la branche harmonique. Aucune interaction à 4-ondes comme le prévoit la théorie n’est observée. La dernière partie rapporte les résultats d’une expérience sur des ondes internes ainsi qu’une campagne de mesure in-situ de la mer Noire dont les données ont été mises à disposition par F. Ardhuin. Ces deux expériences confirment les résultats de la partie précédente et soulèvent la question de l’importance des interactions à 3-ondes avec la branche harmonique pour la génération de la cascade en régime de gravité… / The wave turbulence provides a statistical description of the interactions of a large set of weakly non-linear waves. Introduced in the 1960s by the works of Zakharov and Hasselmann, this theory often fails against experiments, particularly for gravity waves and at the crossover for capillary-gravity waves. The objective of this PhD is to study experimentally these two regimes by looking directly at the resonant interactions that are the heart of the weak turbulence theory. The first experiment focuses on the capillary-gravity regime. An energy cascade composed of weakly linear waves is observed in agreement with the phenomenology of the theory. The use of higher order statistical tools shows that it is essentially 3-waves collinear interaction that govern the cascade. The second experiment explores the pure gravity regime thanks to the large dimensions of the Coriolis platform. The full energy spectrum shows the systematic presence of the harmonic branch, although it remains small compared to the linear component. The correlations indicate the presence of strong 3-waves interactions between the linear branch and the harmonics branches. No 4-waves interaction as assumed by the theory is observed. The last section reports the results from an experiment on internal waves and from in situ data of the Black Sea made available by F. Ardhuin. These two experiments confirm the results of the previous section and raise the question of the importance of the 3-wave interaction with the harmonic branch for generating the energy cascade in the gravity wave regime…

Le projet de recherche consiste à observer en laboratoire la radiation de Hawking, cette prédiction stupéfiante de l'astrophysicien anglais Stephen Hawking faite en 1974 : les trous noirs ne sont pas noirs. Autrement dit, ils n'absorbent pas tout ce qui est à leur portée mais émettent un rayonnement. En plus des complications du fait que ces objets célestes sont à des milliers d'années-lumière, ce rayonnement est tellement faible que cela reviendrait à essayer d'entendre un murmure dans un concert de rock. Mais William Unruh, en 1981, a proposé une solution : utiliser des systèmes hydrodynamiques qui présentent les mêmes équations mathématiques qu'en astrophysique. Plus précisément, dans notre cas, nous utilisons la correspondance entre la propagation des ondes lumineuses au voisinage d'un trou noir et celles des ondes de surface dans un contre-courant rendu inhomogène par la présence d'un obstacle immergé. Pour cela, une compréhension approfondie de la mécanique des ondes de surface est nécessaire (bathymétrie variable, vorticité, non-linéarités…). Du côté technique, une méthode de mesure de surface libre a été développée et optimisée. / The aim of the PhD is the observation the Hawking radiation in the laboratory, this astounding prediction of the English astrophysicist Stephen Hawking made in 1974: black holes are not black. In other words, they do not absorb anything within reach but emit a radiation. In addition to the complications of the fact that these celestial objects are thousands of light years away, this radiation is so weak that it would be like trying to hear a whisper in a rock concert. But William Unruh, in 1981, proposed a solution: to use hydrodynamic systems which have the same mathematical equations as in astrophysics. More precisely, in our case, we use the correspondence between the propagation of light in the vicinity of a black hole and surface waves propagation on a inhomogeneous countercurrent (due to the presence of a submerged obstacle). For this, a thorough understanding of the surface waves physics is necessary (variable bathymetry, vorticity, non-linearities ...). On the technical side, a free surface measurement method has been developed and optimized.

Durant cette thèse, nous appliquons la méthode de la corrélation de bruit ambiant dans la région particulièrement hétérogène des Pyrénées et des ses alentours (socle rocheux affleurant et bassin sédimentaires épais). Le jeu de données utilisé est une combinaison de deux réseaux temporaires large-bande français et espagnol (PYROPE et IBERARRAY) et de stations des réseaux permanents large-bande français et catalan. Le bruit sismique, enregistré pendant un an par les 158 stations est utilisé pour calculer les corrélations dans la gamme de période 5-55 s. Les vitesses de groupe de l'onde de Rayleigh et de l'onde de Love entre paires de stations sont inversées de manière linéarisée et nous obtenons, pour chaque période, des cartes de vitesses de groupe avec une résolution latérale d'environ 40 km. La comparaison entre les deux types d'ondes montre qu'il existe une anisotropie radiale à courtes périodes, alors que peu ou pas d'anisotropie radiale n'est visible aux périodes plus longues. Nous avons développé une nouvelle stratégie d'inversion des courbes de dispersion en modèle de vitesse d'onde S que nous avons appliqué sur les vitesses de groupe de l'onde de Rayleigh. Cette approche d'inversion est basée sur une exploration complète de l'espace des modèles et une inversion linéarisée. Le modèle obtenu, validé par la comparaison avec des résultats provenant d'autres méthodes, est le premier modèle 3-D crustale en vitesse d'onde S de la région et il permet d'apporter des contraintes sur la géodynamique des Pyrénées et de ses alentours. Deux points importants sont soulevés : (1) Des profils de vitesses atypiques sous l'Est du Massif Central, avec une croûte amincie et des vitesses anormalement faibles dans le manteau supérieur. (2) Deux anomalies de vitesses rapides sous la zone du Labourd-Mauléon et dans le prolongement du bassin de Parentis. Ces anomalies, situées à 25 km de profondeur, sont interprétées comme les traces de l'hyper-extension qui aurait précédée la phase de collision amenant à la formation des Pyrénées. La forte hétérogénéité de la zone permet également de faire l'analyse de l'influence de la non prise en compte des déviations de rais lors de l'inversion. Les premiers résultats montrent que le modèle obtenu en utilisant la théorie des rais droits ne permet pas d'expliquer les déviations calculées par la méthode de formation de voie. Ces déviations observées peuvent donc apporter une amélioration du modèle en considérant l'utilisation d'une inversion combinée. / In this thesis, we applied the ambient noise correlation method in the very heterogeneous region of the Pyrenees and the surrounding areas (mountain belt and thick sedimentary basins). The dataset used is a combination of two temporary broadband arrays from France and Spain (PYROPE and IBERARRAY) and stations of the French and Catalan permanent broadband arrays. Seismic noise recorded over years by the 158 stations was used to calculate correlations in a period range of 5-55 s. Observed Rayleigh and Love wave group velocities between pairs of stations were used as input to a linearized inversion scheme, where we obtained for each period group velocities maps, with a lateral resolution of approximately 40 km. The comparison between the two type of waves demonstrates radial anisotropy at short periods, while little or no radial anisotropy is present at long periods. We developed a new strategy for the inversion of dispersion curves to shear wave velocity models and applied it to the Rayleigh waves group velocity. This approach is based on the combination of a full exploration of the model space and a linearized inversion. The obtained model, validated by the comparison of our results with the results of other methods, is the first complete 3-D crustal Vs model of the region. We in particular note : (1) Atypical S-waves profiles in the Eastern part of the Massif Central which indicate a thinned crust and low velocities in the uppermost mantle. (2) High-velocity anomalies at 25 km depth beneath the Labourd-Mauléon area and the on-land continuation of the Parentis basin. We suggest that they are the traces of the hyper-extension which might have preceded the collision phase which lead to the formation of the Pyrenees. The strong heterogeneity of our study region is also well-adapted to analyze the influence of the ray deviations on the reconstruction of the model. First results show that the reconstructed model, using great-circle paths, does not explain the ray deviations as observed by beamforming. Observed deviations therefore carry the potential of improving the model in a combined inversion scheme.