La thermographie par courants de Foucault (ECT) est une méthode de thermographie active. L’excitation inductive génère des courants de Foucault dans les spécimens conducteurs. En présence de défauts, la circulation des courants est affectée par ces discontinuités produisant un changement dans la distribution de la température autour des défauts. Ces changements sont observés avec une caméra infrarouge. Dans ce travail, on présente une application robotique de la thermographie par courants de Foucault. Une interface robotique a été développée et tous les capteurs utilisés ont été intégrés à la plateforme. Des simulations ont été achevées avec COMSOL Multiphysics en variant différents paramètres. Des expériences ont été menées sur plusieurs spécimens (de différents matériaux) avec des défauts de différents types et tailles. La linescan thermographie est principalement étudiée et d’autres modes d’inspections ont été explorés. Les images résultantes sont reconstruites avec un algorithme dédié. Finalement, les résultats de la méthode sont comparés à ceux de la thermographie optique (par halogène) pour montrer les capacités de la méthode. / Eddy current thermography (ECT) is an active thermography method. The inductive excitation generates Eddy currents in electrically-conductive specimen. In a presence of defects, the eddy current flow is affected by these discontinuities leading to changes in the temperature distribution in the specimen around the defects. These changes are observed by an infrared camera. In this work, we present a robotic application of the method. A robotic interface is developed and all the sensors needed are integrated to the platform. Simulations are performed using COMSOL Multiphysics by varying different parameters. Experiments are realised on different specimens (made of different materials) with defects of different sizes. The linescan Eddy current thermography is studied and other modes are explored. The resulting images are reconstructed with a dedicated algorithm. Finally, the method’s results are compared to optical thermography to show the capability of the method.

Afin d’obtenir un spectre de haute résolution avec un spectromètre-imageur par transformation de Fourier (IFTS), il est nécessaire que la scène demeure statique pendant l’acquisition. Dans de nombreux cas, cette hypothèse ne peut pas être respecter simplement à cause de la présente d’un mouvement relatif entre la scène et l’instrument pendant l’acquisition. À cause de ce mouvement relatif, les échantillons obtenus à un pixel capturent différentes régions de la scène observée. Dans le meilleurs des cas, le spectre obtenu de ces échantillons sera peu précis et aura une faible résolution. Après une brève description des IFTS, nous présentons des algorithmes de d’estimation du mouvement pour recaler les trames des cubes de données acquises avec un IFTS, et desquelles il sera ensuite possible d’obtenir des spectres avec une précision et une résolution élevées. Nous utilisons des algorithmes d’estimation du mouvement qui sont robustes aux variations d’illumination, ce qui les rend appropriés pour traiter des interferogrammes. Deux scénarios sont étudiés. Pour le premier, nous observons un mouvement relatif unique entre la scène qui est imagée et l’instrument. Pour le second, plusieurs cibles d’intérêts se déplacent dans des directions différentes à l’intérieur de la scène imagée. Après le recalage des trames, nous devons ensuite résoudre un nouveau problème lié à la correction de l’effet hors-axe. Les échantillons qui sont associés à un interférogramme ont été acquis par différents pixels du senseur et leurs paramètres hors-axe sont donc différents. Nous proposons un algorithme de rééchantillonnage qui tient compte de la variation des paramètres de l’effet hors-axe. Finalement, la calibration des données obtenues avec un IFTS lorsque la scène imagée varie dans le temps est traitée dans la dernière partie de la thèse. Nous y proposons un algorithme de calibration apropriée des trames, qui précède le recalage des trames et la correction de l’effet hors-axe. Cette chaine de traitement nous permet d’obtenir des spectres avec une résolution élevée. Les algorithmes proposés ont été testés sur des données expérimentales et d’autres provenant d’un simulateur. La comparaison des résultats obtenus avec la réalité-terrain démontre la valeur de nos algorithmes: nous pouvons obtenir des spectres avec une résolution comparable à celle qui peut être obtenue lorsqu’il n’y aucun mouvement entre l’instrument (IFTS) et la scène qui est imagée. / To obtain a useful or high resolution spectrum from an Imaging Fourier Transform Spectrometer (IFTS), the scene must be stationary for the duration of the scan. This condition is hard to achieve in many cases due to the relative motion between the instrument and the scene during the scan. This relative motion results in multiple data samples at a given pixel being taken from different sub-areas of the scene, and from which (at best) spectra with low accuracy and resolution can be computed. After a review of IFTS, we present motion estimation algorithms to register the frames of data cubes acquired with a moving IFTS, and from which high accuracy and resolution spectra can be retrieved. We use motion estimation algorithms robust to illumination variations, which are suitable for interferograms. Two scenarios are examined. In the first, there is a global motion between the IFTS and the target. In the second, there are multiple targets moving in different directions in the field of view of the IFTS. After motion compensation, we face an off-axis correction problem. The samples placed on the motion corrected optical path difference (OPD) are coming from different spatial locations of the sensor. As a consequence, each sample does not have the same off-axis distortion. We propose a resampling algorithm to address this issue. Finally the calibration problem in the case of moving IFTS is addressed in the last part of the thesis. A calibration algorithm suitable for data cube of moving IFTS is proposed and discussed. We then register the frames and perform the off-axis correction to obtain high resolution spectra. To verify our results, we apply the algorithms on simulated and experimental data. The comparison between the results with the ground-truth shows promising performance. We obtain spectra with resolution similar to the ground truth spectra (i.e., with data acquired when the IFTS and the scene are stationary).

Ce mémoire présente l'intégration des appareillages et le développement de procédures expérimentales pour la réalisation d'inspection non destructive effectuée par vibrothermographie stimulée par ultrasons. Le laboratoire de vision et systèmes numériques (LVSN) de l'Université Laval s'est doté, en 2005, de deux sources ultrasonores destinées à l'étude et le développement d'une technique non destructive manquante au laboratoire. Cette technique s'appelle la vibrothermographie stimulée par ultrasons du fait que l'on utilise une caméra infrarouge pour cartographier thermiquement, sans contact, la surface d'un matériau stimulé mécaniquement par ondes mécaniques de fréquences ultrasoniques. Après avoir lu ce mémoire, le lecteur devrait être capable de réaliser une inspection non destructive efficace par vibrothermographie stimulée par ultrasons. Ce dispositif intégré au cours de ma maîtrise est maintenant opérationnel au sein du laboratoire pour des fins d'élargissement des techniques d'inspection non destructive de matériaux.

Dans ces travaux, nous tentons d’améliorer l’aspect comportemental dans les jeux vidéo en utilisant le raisonnement par cas (Case Based Reasoning - CBR), qui simule le comportement humain. Cette technique, provenant du domaine de l’intelligence artificielle, résout de nouveaux problèmes en retrouvant des expériences analogues dans sa base de cas et en les adaptant au nouveau problème considéré. Nous utilisons le CBR pour l’automatisation de décisions prises par des composantes d’un jeu. La construction d’un module CBR nécessite l’accumulation de plusieurs épisodes de jeu pour former la base de cas du module. Cependant, lorsqu’un grand nombre d’épisodes sont emmagasinés dans la base de cas, la réponse en temps du système s’alourdit. Nous sommes alors confrontés au défi d’améliorer le temps de réponse du module CBR tout en gardant un niveau de performance acceptable du système. Dans ce mémoire, nous utilisons le jeu de Tetris pour mener notre étude. Ce jeu présente un intérêt particulier car les décisions à prendre sont contraintes dans le temps. Nous proposons dans ce mémoire de répondre aux questions suivantes : Comment formuler un système CBR pour jouer au jeu Tetris. Quelle est la performance attendue par un système CBR appliqué à ce jeu. Quel est le niveau du jeu qui peut être atteint par l’estimation de la valeur des cas obtenus par apprentissage par renforcement. Comme Tetris est un jeu contraint par le temps, quel est le niveau de dégradation de performances qui peut être perçue par la réduction de la taille de la base de cas. / In this work, we try to improve the behavioral aspects of video games using Case Based Reasoning (CBR), which can reproduce human behavior as reasoning by similarity, as well as remembering and forgetting previous experiences. This technique, coming from the Artificial Intelligence field, solves new problems by retrieving similar past experiences in the case base and adapting solution to solve new problems. We use CBR for the automation of decisions made by the game engine. The construction of a CBR system needs to accumulate many episodes from the gaming environment to create the case base of the CBR engine. However, as the number of episodes being saved in the case base increases, the response time of the CBR system slows down. We are then facing a dilemma: reducing the size of the case base to improve the response of the CBR system while keeping an acceptable level of performance. In this master thesis, we use the game of Tetris to conduct our case studies. This game presents some particular interests, as decisions to be made are limited by time constraints. We propose in this thesis to answer the following questions: How to construct a CBR system to play the game of Tetris. What is the expected performance of the system applied to this game? Wich game level can be reached by estimating case value through reinforcement learning? As time response constraints are inherent to Tetris, which degradation of performance can be expected by removing cases from the case base?

Par l’utilisation de seringues souillées (i.e. qui ont déjà été utilisées par soi-même ou quelqu’un d’autre), les usagers de drogues par injection (UDI) s’exposent à différents types d’infections qui peuvent s’avérer graves. Dans le but de mieux cibler les objectifs d’une intervention visant à promouvoir l’utilisation d’une seringue neuve à chaque injection (i.e. qui n’a jamais été utilisée ni par soi ni par quelqu’un d’autre), une première étude a été réalisée. L’utilisation d’un modèle théorique intégrateur a permis d’identifier les facteurs associés à l’intention des UDI d’adopter ce comportement. Seulement 39 % des 105 répondants avaient une ferme intention d’adopter ce comportement dans la semaine suivante. La perception du contrôle comportemental (RC : 17,83; IC95 % 5,75-55,15) et l’attitude (RC : 13,43; IC95 % 3,54-50,87) étaient les principaux facteurs associés à l’intention. L’intervention a été développée à l’aide du cadre de planification appelé Intervention Mapping. Ce modèle propose de tenir compte des données scientifiques, des fondements théoriques ainsi que de la participation des communautés visées dans l’élaboration des programmes. L’intervention a pris forme à travers une stratégie appelée le Computer Tailoring. Cette stratégie utilise les technologies de l’information pour communiquer des messages sur mesure, c’est-à-dire choisis en fonction des caractéristiques individuelles. Cette intervention a été implantée dans le cadre d’une recherche évaluative. Un protocole expérimental a été utilisé. Les variables comportementales ont été mesurées avant l’intervention (T0), un mois après le début de l’intervention (T1) et trois mois plus tard (T2). Un total de 260 UDI a été recruté. Au départ, 52,3 % des participants ont rapporté ne pas avoir toujours utilisé des seringues neuves dans la semaine précédente. Les analyses ont montré un effet à court terme, puisque un mois après le début de l’intervention, les participants du groupe expérimental utilisaient moins de seringues souillées en proportion (p = 0,004), et étaient plus nombreux à adopter un comportement sécuritaire (p = 0,04) que les participants du groupe contrôle. Ces effets n’étaient plus observables après trois mois. Les résultats de cette étude s’ajoutent à ceux déjà publiés démontrant l’efficacité de l’approche Computer Tailoring pour la modification de comportements liés à la santé. Dans la mesure où ils sont exposés à des messages éducatifs ciblés, les UDI qui fréquentent les programmes d’échange de seringues (PES) adoptent des comportements sécuritaires. / The use of soiled syringes exposes injection drug users (IDUs) to serious infections. To better target objectives of an intervention aimed at promoting the use of a new syringe at each injection, a preliminary study was realized. The use of an integrative theoretical model has permitted to identify factors associated with the intention of IDUs to adopt this behaviour. Only 39% of the 105 respondents had a firm intention to adopt this behaviour in the next week. Perceived behavioural control (OR : 17.83; CI95% 5.75-55.15) and attitude (OR : 13.43; CI95% 3.54-50.87) were the principal factors associated with intention. Intervention mapping served as the conceptual framework to guide the development of the intervention. At each developmental step, this model integrates theory, empirical data and information collected among populations. More specifically, the intervention emerges through a strategy named Computer Tailoring. This strategy uses information technologies to present messages customized according to individual characteristics. This intervention was implemented within the framework of an evaluative research. A two-group randomized control trial design was adopted. Behavioural outcomes were measured at baseline (T0), one week after the intervention (T1) and three months later (T2). A total of 260 IDUs were recruited. At baseline, 52.3% of the participants reported not always using new syringes in the previous week. The analysis showed a short term effect. One month after the implementation of the intervention, participants in the experimental group were using fewer soiled syringes (p = 0.004), and a higher number reported adopting safe behaviour (p = 0.04). These effects were not significant three months later. The results of this study add weight to those already published demonstrating the efficacy of Computer Tailoring intervention to modify behaviour. When they are exposed to tailored educational messages, IDUs who visit needle exchange programs (NEPs) adopt safer injection practices.

Le multiplexage par division de mode (MDM) a reçu une attention considérable de la part des chercheurs au cours des dernières années. La principale motivation derrière l'utilisation de différents modes de fibre optique est d'augmenter la capacité des réseaux de transport. Les expériences initiales ont montré une grande complexité dans le traitement de signal (DSP) du récepteur. Dans cette thèse, nous étudions la viabilité et les défis de la transmission de données sur des fibres à quelques modes (FMF) pour des systèmes MDM à complexité de DSP réduite. Nos études comprennent à la fois une transmission de données cohérente et non cohérente. Dans notre première contribution, nous démontrons, pour la première fois, la transmission de données sur 4 canaux dans une nouvelle fibre OAM sans démultiplexage de polarisation optique. Nous utilisons une complexité de DSP réduite: deux jeux d'égaliseurs MIMO (multiple-input multiple-output) 2 × 2 au lieu d'un bloc égaliseur MIMO 4 × 4 complet. Nous proposons un nouveau démultiplexeur de mode permettant de recevoir simultanément deux polarisations d'un mode et de réaliser électriquement un démultiplexage de polarisation dans le récepteur DSP. Nous étudions également la pénalité OSNR due aux imperfections dans le démultiplexeur de mode et nous examinons la vitesse de transmission maximum accessible pour notre système. Dans notre deuxième contribution, nous étudions les dégradations modales dans les systèmes OAM-MDM, en nous concentrant sur leur effet sur la performance et la complexité du récepteur. Dans notre étude expérimentale, nous discutons pour la première fois de l'impact de deux modes non porteurs de données sur les canaux de données véhiculés par les modes OAM. Deux types différents de fibres OAM sont étudiés. Nous caractérisons notre liaison MDM en utilisant les techniques de mesure du temps de vol et de réponse impulsionnelle. Nous discutons des conclusions des résultats de caractérisation en étudiant l'impact des interactions modales sur la complexité de l'égaliseur du récepteur pour différents scénarios de transmission de données. Dans le troisième chapitre, nous étudions un nouveau FMF à maintien de polarisation et conduisons deux séries d'expériences de transmission de données cohérentes et de radio sur fibre (RoF). Nous démontrons pour la première fois, la transmission de données sans MIMO sur six et quatre canaux dans les systèmes cohérents et RoF, respectivement. Nous démontrons également, pour la première fois, la transmission de données RoF sur deux polarisations d'un mode dans une FMF. Nous discutons de la dégradation des performances due à la diaphonie dans de tels systèmes. Nous étudions également l'impact de la courbure sur cette fibre dans un contexte de RoF. La propriété de maintien de polarisation de cette fibre sous courbure est étudiée à la fois par des expériences de caractérisation et de transmission de données. / Mode division multiplexing (MDM) has received extensive attention by researchers in the last few years. The main motivation behind using different modes of optical fiber is to increase the capacity of transport networks. Initial experiments showed high complexity in DSP of the receiver. In this thesis, we investigate the viability and challenges for data transmission over specially designed few mode fibers (FMF) for MDM systems with reduced DSP. Our studies include both coherent and non-coherent data transmission. In our first contribution, we demonstrate, for the first time, data transmission over 4 channels in a novel OAM fiber without optical polarization demultiplexing. We use reduced DSP complexity: two sets of 2×2 multiple-input multiple-output (MIMO) equalizers instead of a full 4×4 MIMO equalizer block. We propose a novel mode demultiplexer enabling us to receive two polarizations of a mode simultaneously and conducting polarization demultiplexing electrically in receiver DSP. We also investigate the OSNR penalty due to imperfections in the mode demultiplexer and we examine the maximum reachable baud rate for our system. In our second contribution, we study the modal impairments in OAM-MDM systems, focusing on their effect on receiver performance and complexity. In our experimental study, for the first time, we discuss the impact of two non-data carrying modes on data channels carried by OAM modes. Two different types of OAM fibers are studied. We characterize our MDM link using time-of-flight and impulse response measurement techniques. We discuss conclusions from characterization results with studies of the impact of modal interactions on receiver equalizer complexity for different data transmission scenarios . In the third contribution, we study a novel polarization-maintaining FMF and conduct two sets of coherent data transmission and non-coherent radio over fiber (RoF) experiments. We demonstrate for the first time, MIMO –Free data transmission over six and four channels in coherent and RoF systems, respectively. We also demonstrate, for the first time, RoF data transmission over two polarizations of a mode in a FMF. We discuss the performance degradation due to crosstalk in such systems. We also study the impact of bending on this fiber in RoF context. The polarization maintaining property of this fiber under bending is studied both via characterization and data transmission experiments.

Ce travail présente un système de vision par ordinateur capable de faire un suivi du mouvement en 3D de la tête d’une personne dans le cadre de la conduite automobile. Ce système de vision par ordinateur a été conçu pour faire partie d'un système intégré d’analyse du comportement des conducteurs tout en remplaçant des équipements et des accessoires coûteux, qui sont utilisés pour faire le suivi du mouvement de la tête, mais sont souvent encombrants pour le conducteur. Le fonctionnement du système est divisé en quatre étapes : l'acquisition d'images, la détection de la tête, l’extraction des traits faciaux, la détection de ces traits faciaux et la reconstruction 3D des traits faciaux qui sont suivis. Premièrement, dans l'étape d'acquisition d'images, deux caméras monochromes synchronisées sont employées pour former un système stéréoscopique qui facilitera plus tard la reconstruction 3D de la tête. Deuxièmement, la tête du conducteur est détectée pour diminuer la dimension de l’espace de recherche. Troisièmement, après avoir obtenu une paire d’images de deux caméras, l'étape d'extraction des traits faciaux suit tout en combinant les algorithmes de traitement d'images et la géométrie épipolaire pour effectuer le suivi des traits faciaux qui, dans notre cas, sont les deux yeux et le bout du nez du conducteur. Quatrièmement, dans une étape de détection des traits faciaux, les résultats 2D du suivi sont consolidés par la combinaison d'algorithmes de réseau de neurones et la géométrie du visage humain dans le but de filtrer les mauvais résultats. Enfin, dans la dernière étape, le modèle 3D de la tête est reconstruit grâce aux résultats 2D du suivi et ceux du calibrage stéréoscopique des caméras. En outre, on détermine les mesures 3D selon les six axes de mouvement connus sous le nom de degrés de liberté de la tête (longitudinal, vertical, latéral, roulis, tangage et lacet). La validation des résultats est effectuée en exécutant nos algorithmes sur des vidéos préenregistrés des conducteurs utilisant un simulateur de conduite afin d'obtenir des mesures 3D avec notre système et par la suite, à les comparer et les valider plus tard avec des mesures 3D fournies par un dispositif pour le suivi de mouvement installé sur la tête du conducteur. / This work presents a computer vision module capable of tracking the head motion in 3D space for drivers. This computer vision module was designed to be part of an integrated system to analyze the behaviour of the drivers by replacing costly equipments and accessories that track the head of a driver but are often cumbersome for the user. The vision module operates in five stages: image acquisition, head detection, facial features extraction, facial features detection, and 3D reconstruction of the facial features that are being tracked. Firstly, in the image acquisition stage, two synchronized monochromatic cameras are used to set up a stereoscopic system that will later make the 3D reconstruction of the head simpler. Secondly the driver’s head is detected to reduce the size of the search space for finding facial features. Thirdly, after obtaining a pair of images from the two cameras, the facial features extraction stage follows by combining image processing algorithms and epipolar geometry to track the chosen features that, in our case, consist of the two eyes and the tip of the nose. Fourthly, in a detection stage, the 2D tracking results are consolidated by combining a neural network algorithm and the geometry of the human face to discriminate erroneous results. Finally, in the last stage, the 3D model of the head is reconstructed from the 2D tracking results (e.g. tracking performed in each image independently) and calibration of the stereo pair. In addition 3D measurements according to the six axes of motion known as degrees of freedom of the head (longitudinal, vertical and lateral, roll, pitch and yaw) are obtained. The validation of the results is carried out by running our algorithms on pre-recorded video sequences of drivers using a driving simulator in order to obtain 3D measurements to be compared later with the 3D measurements provided by a motion tracking device installed on the driver’s head.

Dans les régions nordiques, l’une des conséquences du réchauffement climatique est le dégel du pergélisol. En plus de favoriser la libération de quantités importantes de méthane et de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, le dégel du pergélisol entraînera une modification des conditions hydrologiques locales et régionales, affectant ainsi les écosystèmes. Ce dégel pourra aussi conduire à un affaissement des sols et endommager ainsi les infrastructures routières. Dans le cadre de cette étude, des simulations numériques couplant l’écoulement des eaux souterraines et le transport de chaleur ont été réalisées dans le but de mieux appréhender les interactions entre l’écoulement des eaux souterraines et la dynamique thermique relative au dégel du pergélisol sur les pistes de l’Aéroport d’Iqaluit, Nunavut, Canada. Un modèle conceptuel du site est d’abord développé et le modèle numérique bidimensionnel correspondant est calé à partir des températures observées du sol. Les impacts futurs du réchauffement climatique sur le régime thermique et le système d’écoulement, aussi que le tassement dû au dégel, sont ensuite simulés sur la base des scénarios climatiques proposés par le Groupe Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC). Dans le cadre d’un réchauffement climatique, la couverture neigeuse de surface est identifiée comme le facteur principal affectant la dégradation du pergélisol, y compris par son rôle dans l’accroissement de la sensibilité de la dégradation du pergélisol aux changements de divers facteurs hydrogéologiques. Dans ce cas, le transfert de chaleur par advection joue un rôle relativement mineur, quoique non négligeable, vis-à-vis du transfert de chaleur par conduction, du fait de l’extension importante d’un sol de faible perméabilité à proximité de la surface. Le transfert de chaleur par convection, qui est fortement influencé par la couche de neige superficielle, contrôle la libération de l’eau non gelée et la profondeur de la couche active aussi bien que l’amplitude du tassement et du soulèvement par le dégel. L'effet de la zone non saturée sur le dégel du pergélisol est plus important dans les sols fins, recouverts de neige en surface. De plus, l’ampleur du tassement dû au dégel augmente considérablement en présence d’une couverture neigeuse. Enfin, les simulations ont montré que, le long de routes, les zones les plus vulnérables au tassement sont les accotements recouverts de neige ainsi que les zones de transition adjacentes au bloc de pergélisol. Les simulations numériques ont également montré l’importance d’utiliser les fonctions de gel appropriées pour les types de sols impliqués. En effet, la position du front de gel (couche active) varie en fonction des caractéristiques du sol. Les résultats des simulations ont également mis en évidence les effets d'une distribution stochastique de la conductivité hydraulique sur l’advection thermique. Les taux de dégel du pergélisol sont relativement plus élevés dans des zones de haute perméabilité, trouvées dans la structure du sol d'un système hétérogène, que dans le cas d’un sol homogène. Paradoxalement, les résultats ont montré que dans les zones de décharge, le transport de chaleur par advection a pour conséquence d'augmenter le plafond du pergélisol. En effet, l'eau froide s'écoulant dans ce secteur annule le gain de chaleur résultant du processus de conduction. / At high northern latitudes, climate warming will induce permafrost degradation that will modify local and regional hydrogeological systems and ecosystem functionality, as well as increase the release of carbon and methane to the environment. Northern infrastructure, in particular roads and embankments, will also experience significant degradation. In this study, numerical simulations of coupled groundwater flow and heat transport have been developed to assess the effects of realistic combinations of hydrogeological parameters and surface conditions on the temporal and spatial evolution of permafrost degradation in a cold-region paved terrain, at the Iqaluit airport, Nunavut. A conceptual model is first developed for the site and a corresponding 2D numerical model is calibrated to the observed groundwater flow and thermal regime. Future climate warming impacts on the thermal regime and flow system, as well as thaw settlements are then simulated based on climate scenarios proposed by the IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Under climate warming, the surface snow cover is identified as the leading factor affecting permafrost degradation, and significantly contributes to positive feedback between the hydrogeological flow system and the frozen ground. In this case, advective heat transport plays a relatively minor, but non-negligible role compared to conductive heat transport, due to the significant extent of low-permeability soil close to surface. Conductive heat transport, which is strongly affected by the surface snow layer, controls the release of unfrozen water and the depth of the active layer as well as the magnitude of thaw settlement and frost heave. The effect of the unsaturated zone on permafrost thaw was most important in finer soil where overlain by snow. The magnitude of thaw settlement also significantly increases with a snow cover. The most vulnerable areas to permafrost thaw settlement along a road or taxiway embankment would be the snow-covered shoulders, as well as the transition zones at the adjacent margins of the permafrost block. The simulation results also showed the importance of selecting the appropriate freezing function based on the type of soil, when frequent freezing and thawing cycles occur in a permafrost setting. The thaw front simulated with a smooth (low slope) freezing function, was deeper compared to that for a steeper freezing function. The simulation results also highlighted the contributing effects of a stochastic hydraulic conductivity distribution on thermal advection. Permafrost thaw rates in high permeability zones, found in the soil structure of a heterogeneous system, are larger than rates for a homogeneous soil. Advective heat transport can paradoxically also increase the permafrost table in downgradient areas where the flowing cold water negates heat gain from conduction alone.

La croissance constante et exponentielle de la demande de trafic de données Internet conduit nos réseaux de télécommunications optiques, principalement composés de liaisons de fibre monomode, à une pénurie imminente de capacité. La limite non linéaire de la fibre monomode, prédite par la théorie de l'information, ne laisse aucune place à l'amélioration de la capacité de communication par fibre optique. Dans ce contexte, la prochaine technologie de rupture dans les transmissions optiques à haute capacité devrait être le multiplexage par répartition spatiale (SDM). La base du SDM consiste à utiliser différents canaux spatiaux d'une seule fibre optique pour transmettre des données indépendantes. Le SDM fournit ainsi une augmentation de la capacité de transport de données d'un facteur qui dépend du nombre de chemins spatiaux qui sont établis. Une façon de réaliser le SDM consiste à utiliser des fibres faiblement multimodes (FMF) spécialisées, conçues pour présenter un couplage faible entre les modes guidés. Un traitement MIMO réduit peut alors être utilisé pour annuler le couplage résiduel des modes. Dans cette thèse, nous donnons tout d'abord un aperçu des progrès récents du multiplexage par répartition de modes (MDM). Les modes à polarisation linéaire (LP), les modes de moment angulaire orbital (OAM) et les modes vectoriels représentent différentes bases de modes orthogonaux possibles dans la fibre. Nous comparons les travaux utilisant ces modes en termes de conception de fibre proposée, nombre de modes, complexité MIMO et résultats expérimentaux de transmission de données. Ensuite, nous introduisons la modélisation de la fibre optique réalisée avec les solveurs numériques de COMSOL Multiphysics, et nous discutons de quelques travaux utilisant cette modélisation de fibre. Nous proposons une nouvelle FMF, composée d'un noyau hautement elliptique et d'une tranchée adjacente ajoutée pour réduire la perte de courbure des modes d'ordre supérieur. La fibre est conçue et optimisée pour prendre en charge cinq modes spatiaux avec une dégénérescence de polarisation double, pour un total de dix canaux. La fibre proposée montre une différence d'indice effectif entre les modes spatiaux supérieure à 1 × 10-3sur la bande C. Ensuite, nous fabriquons la fibre avec un procédé standard de dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD), et nous caractérisons la fibre en laboratoire. La caractérisation expérimentale a révélé que la fibre présente une propriété de maintien de polarisation. Ceci est obtenu grâce à la combinaison de la structure centrale asymétrique et de la contrainte thermique introduite lors de la fabrication. Nous mesurons la biréfringence avec une technique de réseau de Bragg inscrit dans la fibre (FBG). En incluant la contrainte thermique dans notre modélisation de fibre, un bon accord est obtenu entre la biréfringence simulée et mesurée. Nous avons réussi à effectuer la première transmission de données sur la fibre proposée, en transmettant deux signaux QPSK sur les deux polarisations de chaque mode spatial, sans utiliser de traitement MIMO. Enfin, nous présentons une amélioration d'une technique d'interférométrie hyperfréquence (MICT) précédemment proposée, afin de mesurer expérimentalement la perte en fonction du mode (MDL) des groupes de modes FMF. En conclusion, nous résumons les résultats et présentons les perspectives d'avenir de cette recherche. En résumé, de nouveaux FMF doivent être étudiés si nous voulons résoudre la pénurie imminente de capacité de nos technologies système. Les résultats de cette thèse indique que le FMF à maintien de polarisation proposée dans cette recherche représente une amélioration significative dans le domaine des systèmes de transmission MDM sans MIMO pour des liaisons de communication courtes ; c’est-à-dire distribuant des données sur une longueur inférieure à 10 km. Nous espérons que ce travail conduira au développement de nouveaux composants SD Mutilisant cette fibre, tels que de nouveaux amplificateurs à fibre, ou de nouveaux multiplexeurs/démultiplexeurs, comme par exemple des coupleurs en mode fibre fusionnée ou des dispositifs photoniques au silicium. / The constant and exponential growth of Internet data traffic demand is driving our optical telecommunication networks, mainly composed of single-mode fiber links, to an imminent capacity shortage. The nonlinear limit of the single-mode fiber, predicted by the information theory, leave no room for optical fiber communication capacity improvements. In this direction, the next disruptive technology in high-capacity communication transmissions is expected to be Space Division Multiplexing (SDM). The basic of SDM consists of using different spatial channels of a single optical fiber to transmit information data. SDM thus provides an increase in the data-carrying capacity by a factor that depends on the number of spatial paths that are established. A way to realize SDM is through the use of specialty few-mode fibers (FMFs), designed to have a weak coupling between the guided modes. A reduced MIMO processing can be used to undo the residual mode coupling. In this thesis, we firstly give an overview of the recent progress in mode division multiplexing (MDM). Linearly polarized (LP) modes, orbital angular momentum (OAM) modes and vector modes represent the possible orthogonal modes guided into the fiber. We compare works, making use of those modes, in terms of proposed fiber design, number of modes, MIMO complexity and data transmission experiments. After that, we introduce the optical fiber modelling performed with the numerical solvers of COMSOL Multiphysics, and we discuss some works making use of this fiber modelling. Next, we propose a novel FMF, composed of a highly elliptical core and a surrounding trench added to reduce the bending loss of the higher order modes. The fiber is designed and optimized to support five spatial modes with twofold polarization degeneracy, for a total of ten channels. The proposed fiber shows an effective index difference between the spatial modes higher than 1×10-3 over the C-band. Afterwards, we fabricate the fiber with standard modified chemical vapor deposition (MCVD) process, and we characterize the fiber in the laboratory. The experimental characterization revealed the polarization maintaining properties of the fiber. This is obtained with the combination of the asymmetric core structure and the thermal stress introduced during the fabrication. We measure the birefringence with a fiber Bragg grating (FBG) technique, and we included the thermal stress in our fiber modelling. A good agreement was found between the simulated and measured birefringence. We successfully demonstrate the first data transmission over the proposed fiber, by transmitting two QPSK signals over the two polarizations of each spatial mode, without the use of any MIMO processing. Lastly, we present an improvement of a previously proposed microwave interferometric technique (MICT), in order to experimentally measure the mode dependent loss (MDL) of FMF mode groups. Finally, we present the conclusions and the future perspectives of this research. To conclude, novel FMFs need to be investigated if we want to solve the imminent capacity shortage of our system technologies. We truly believe that the polarization-maintaining FMF proposed in this research represents a significant improvement to the field of MIMO-free MDM transmission systems for short communication links, distributing data over length less than 10 km. We hope that this work will drive the development of new SDM components making use of this fiber, such as new fiber amplifiers, or new mux/demux, as for example fused fiber mode couplers or silicon photonic devices.

Nous avons étudié la dynamique de Glauber sur les pavages de domaines finies du plan par des losanges ou par des dominos de taille 2 × 1. Ces pavages sont naturellement associés à des surfaces de R^3, qui peuvent être vues comme des interfaces dans des modèles de physique statistique. En particulier les pavages par des losanges correspondent au modèle d'Ising tridimensionnel à température nulle. Plus précisément les pavages d'un domaine sont en bijection avec les configurations d'Ising vérifiant certaines conditions au bord (dépendant du domaine pavé). Ces conditions forcent la coexistence des phases + et - ainsi que la position du bord de l'interface. Dans la limite thermodynamique où L, la longueur caractéristique du système, tend vers l'infini, ces interfaces obéissent à une loi des grand nombre et convergent vers une forme limite déterministe ne dépendant que des conditions aux bord. Dans le cas où la forme limite est planaire et pour les losanges, Caputo, Martinelli et Toninelli [CMT12] ont montré que le temps de mélange Tmix de la dynamique est d'ordre O(L^{2+o(1)}) (scaling diffusif). Nous avons généralisé ce résultat aux pavages par des dominos, toujours dans le cas d'une forme limite planaire. Nous avons aussi prouvé une borne inférieure Tmix ≥ cL^2 qui améliore d'un facteur log le résultat de [CMT12]. Dans le cas où la forme limite n'est pas planaire, elle peut être analytique ou bien contenir des parties “gelées” où elle est en un sens dégénérée. Dans le cas où elle n'a pas de telle partie gelée, et pour les pavages par des losanges, nous avons montré que la dynamique de Glauber devient “macroscopiquement proche” de l'équilibre en un temps L^{2+o(1)} / We studied the Glauber dynamics on tilings of finite regions of the plane by lozenges or 2 × 1 dominoes. These tilings are naturally associated with surfaces of R^3, which can be seen as interfaces in statistical physics models. In particular, lozenge tilings correspond to three dimensional Ising model at zero temperature. More precisely, tilings of a finite regions are in bijection with Ising configurations with some boundary conditions (depending on the tiled domain). These boundary conditions impose the coexistence of the + and - phases, together with the position of the boundary of the interface. In the thermodynamic limit where L, the characteristic length of the system, tends toward infinity, these interface follow a law of large number and converge to a deterministic limit shape depending only on the boundary condition. When the limit shape is planar and for lozenge tilings, Caputo, Martinelli and Toninelli [CMT12] showed that the mixing time of the dynamics is of order (L^{2+o(1)}) (diffusive scaling). We generalized this result to domino tilings, always in the case of a planar limit shape. We also proved a lower bound Tmix ≥ cL^2 which improve on the result of [CMT12] by a log factor. When the limit shape is not planar, it can either be analytic or have some “frozen” domains where it is degenerated in a sense. When it does not have such frozen region, and for lozenge tilings, we showed that the Glauber dynamics becomes “macroscopically close” to equilibrium in a time L^{2+o(1)}