Nous analysons la structure gibbsienne de la loi de diffusions infini-dimensionnelles de type gradient, modélisant des systèmes continus de particules browniennes en interaction. En représentant les solutions de tels systèmes par des mesures ponctuelles sur l'espace des trajectoires, nous démontrons l'équivalence entre être la loi d'une solution d'un système de type gradient et être un champ de Gibbs sur l'espace des trajectoires continues associé à un hamiltonien local dynamique spécifique. Plus généralement, nous montrons que tout champ de Gibbs, suffisamment régulier, se représente comme une diffusion infini-dimensionnelle dont nous calculons la dérive. Nous donnons également diverses applications de ces résultats ; nous exhibons notamment une formule de retournement du temps pour les systèmes de type gradient et en étudions ainsi la réversibilité et la stationnarité.

Dans le cadre du projet européen AERONEWS pour le développement de méthodes de Contrôle Non Destructif, des structures aéronautiques complexes fissurées sont analysées par spectroscopie ultrasonore d'ondes élastiques des propriétés non linéaires classique et non classique. Le coefficient non linéaire est mesuré dans des échantillons homogènes bi-couches par modulation de phase calibrée en contact. Une approche phénoménologique du comportement hystérétique d'un matériau fissuré est réalisée avec l'espace de Preizach-Mayergoysz. Un algorithme numérique pseudo-spectral 3D, utilisant les notations de Kelvin, valide les méthodes de localisation de défaut, NEWS-TR et TR-NEWS, combinant le retournement temporel acoustique avec le traitement non linéaire des signaux. La signature non linéaire est extraite avec l'inversion d'impulsion ultrasonore. Une instrumentation est créée pour adapter expérimentalement ces méthodes de détection de défaut.

Durant ce travail de thèse, nous avons étudié deux concepts originaux de memristor fondés sur des effets purement électroniques. Un memristor est une nanorésistance variable non-volatile dont la valeur dépend de la quantité de charges qui l'a traversée. Ce composant est particulièrement prometteur pour des applications en tant qu'élément de mémoire binaire multi-niveaux ou en tant que synapse artificielle pour intégration dans des architectures de calculs neuromorphiques. Le premier concept, le memristor spintronique, se base sur une jonction tunnel magnétique dans laquelle une paroi magnétique est introduite. Par l'effet de magnétorésistance tunnel, la résistance de la jonction dépend de la configuration magnétique, et donc de la position de la paroi. La variation de résistance est obtenue en déplaçant la paroi grâce à un courant par effet de transfert de spin. Le deuxième concept, le memristor ferroélectrique, se base sur une jonction tunnel dont la barrière est ferroélectrique. La résistance d'une telle jonction dépend de l'orientation de la polarisation de la barrière ferroélectrique. Nous montrons qu'elle a un fort potentiel en tant qu'élément de mémoire binaire de part la vitesse et l'énergie d'écriture. Le comportement memristif est obtenu par un retournement progressif de la polarisation électrique. Les résultats expérimentaux obtenus apportent la preuve des concepts. Contrairement aux memristors existants basés sur des processus comme l'électromigration ou le changement de phase, ces deux concepts fondés sur des effets purement électroniques sont prometteurs en termes de rapidité et d'endurance.

La thèse porte sur la génération de fronts d’ondes de test en milieu réverbérant pour la mesure d’antennes Ultra Large Bande. L’objectif est de générer des fronts d’ondes déterministes convergents, respectant les standards de mesure d'antennes, dans un milieu diffusif caractérisé par une décohérence spatiale, temporelle et fréquentielle. Les performances intéressantes, visées pour l’application, sont la génération temps réel, l’utilisation d’un nombre limité de sources et l’obtention d’un rendement de conversion d’énergie élevé. Tout d’abord, nous présentons des concepts de mesure d’antennes et montrons, les limites des méthodes actuelles pour la réalisation de caractérisations rapides permettant un niveau de rapport signal à bruit satisfaisant et n'utilisant pas de sources multiples. Puis, nous introduisons notre moyen d’essai, le système Time reversal Electromagnetic Chamber (TREC), constitué notamment d’une chambre réverbérante, dans laquelle un principe non standard de retournement temporel est utilisé pour générer des fronts d’ondes cohérents et convergents d’espace libre. Nous cherchons alors à étendre les capacités de la TREC à la génération des fronts d’ondes de test convergents et localement plans. Dans une phase d'étude préalable, nous développons deux approches pour synthétiser la propagation en espace libre des fronts d’ondes de mesure. Les techniques utilisées reposent sur l’utilisation de l’opérateur Slepian, permettant la résolution des contraintes imposées par les propriétés spécifiques des distributions de champ. La solution optimale de caractérisation a permis de générer des fronts d'ondes comportant une résolution angulaire. La synthèse des fronts d'ondes de test est utilisée dans des simulations électromagnétiques de TREC 2D et 3D. Les résultats ont validé la faisabilité de la génération de fronts d’ondes convergents, localement plans et résolus angulairement. / This contribution corresponds to the generation of test wavefronts in reverberation chamber for antenna Ultra Wide Band characterization. We were interested in generating deterministic convergent wavefronts, fulfilling the antenna measurement standard, in a diffusive medium characterized by a spatial, temporal and frequency decoherence. The interesting performances referred to the application, are the real-time synthesis, the use of a limited number of sources and the high energy conversion efficiency. First we present the concepts of antenna measurement and the limitations of current methods for achieving quick characterization with a sufficient signal to noise ratio without multiple sources. Then, we introduce our system, the Time Reversal Electromagnetic Chamber (TREC), which is mainly constituted by a reverberation chamber, in which a non-standard time reversal principle is used for coherent convergent free space wavefronts generation. Then we try to extend the TREC capacities to the generation of free space convergent and locally plan wavefronts. In a preliminary study, we develop two approaches to synthesize the free space propagation of the wavefronts. The used techniques are based on the utilization of the operator Slepian, allowing the resolution of the constraints determined by the specific properties of the field distribution. The optimal solution allowed generating wavefronts characterized by angular resolution. Test wavefronts synthesis is used in 2D and 3D TREC electromagnetic simulations. Results validated the feasibility of the generation of locally plan convergent wavefronts with angular resolution.

Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous sommes parvenus à introduire une utilisation déterministe des chambres réverbérantes, en proposant un nouveau paradigme de la technique du retournement temporel. Nous sommes capable de réaliser le même type de tests d'immunité rayonnée que dans une chambre anéchoïque, tout en profitant des avantages liés aux propriétés physiques des milieux fortement réverbérants comme la génération de champs de fortes intensités à partir de niveaux de puissances injectées relativement faibles.En effet, les études menées dans cette thèse ont démontré la faisabilité d'un moyen de test d'immunité rayonnée novateur, permettant la génération de fronts d'onde cohérents dans une cavité résonante et dont la direction de propagation et la polarisation sont contrôlées sans aucun déplacement mécanique des sources génératrice du champ ou de l'équipement sous test. Un autre avantage majeur de ce nouveau système, baptisé chambre électromagnétique à retournement temporel (TREC), réside dans le fait de pouvoir générer dans une chambre réverbérante, des champs impulsionnels dont l'extension temporelle est de courte durée alors que cette capacité n'était pas envisageable avant ces travaux.Pour cela, la TREC repose sur la connaissance du champ sur une surface de mesure arbitraire, située entre les sources et l'objet sous test, dans la direction de propagation du front d'onde souhaitée. Cette phase de caractérisation peut être réalisée à l'aide d'une mesure de la fonction de transfert entre le port des antennes sources et une sonde de champ déplacée sur la surface de mesure.Le principe de notre système se base sur l'association de la technique du retournement temporel et du principe d'équivalence. Le retournement temporel permet d'assurer une fenêtre temporelle, dans laquelle les conditions de propagation du champ dans la chambre réverbérante sont identiques à celles en espace libre, et permet d'obtenir une propagation d'un front d'onde convergent vers une source ponctuelle qui aurait initialement créé un front d'onde divergent. Le principe d'équivalence permet de passer d'une source ponctuelle à une source de rayonnement étendue, permettant de créer une distribution spatiale du champ arbitraire et de contrôler ainsi sa direction de propagation et sa polarisation.Ce nouveau système à été validé, dans un premier temps, à l'aide d'un ensemble de simulations numériques exploratoires pour déterminer les paramètres influents sur ses performances. Puis il a été étudié à partir de mesures réalisées dans la chambre réverbérante du Département de Recherche en Électromagnétisme, à Supélec, démontrant ainsi de façon expérimentale la faisabilité et l'intérêt du développement de ce moyen de test, complémentaire à l'utilisation actuelle des chambres réverbérantes à brassage de modes pour la génération de front d'onde cohérents pulsés. / In the framework of our research work, we present an innovative system which allows to control the spatio-temporal distribution of a coherent field in an strongly reflecting environment. This system called " Time reversal electromagnetic chamber" (TREC), makes possible the generation of high intensity pulsed wavefront, in a reverberating chamber, and whose direction of propagation and polarisation are modifieable in real time without any mechanical mouvement of neither the sources generating the field, here radio antennas, nor the equipment under test.For this, the TREC is based on knowledge of the field on an arbitrary surface of measurement, located between the sources and the object under test, in the direction of propagation of the wavefront desired. This phase of characterization may be performed with the help of a measurement of the transfer functions between the port of the antennas and a field probe moved on the arbitrary surface of measurement.The principle of the TREC is based on the association of the technique of time reversal and of the principle of equivalence. Time reversal allows to ensure a temporal window in which the conditions of propagation of the field in the reverberation chamber are identical to those in free space and which allows to obtain a propagation of a wavefront converging towards a punctual source which would initially have created a diverging wavefront. The equivalence principle allows to go from a punctual source to a an extended source of radiation, thus allowing to create an arbitrary spatial distribution of the field and thereby to control its direction of propagation.This new system was validated with the help, at first, of a set of numerical exploratory simulations in order to determine the influential parameters on its performance and then studied from measurements carried out in the reverberation chamber of the ``Département de recherche en électromagnétisme'', at Supélec, thus demonstrating experimentally the feasibility and the interest of the development of this testing facility for the generation of pulsed coherent wavefronts, complementary to the current use mode-stirred reverberation chambers.

Le retournement temporel exploite la réversibilité temporelle de l’équation d’onde dans les milieux sans perte. Cela implique qu’une onde émise par une source peut rebrousser chemin et se focaliser sur sa source originale par le biais d’un miroir à retournement temporel. Cette focalisation permet de situer l’emplacement de cette source. Le but de cette thèse est d’exploiter le phénomène de retournement temporel d’ondes électromagnétiques en vue de la localisation et la caractérisation partielle d’objets diffractants enfouis dans un milieu sans perte. Notre étude est menée dans le domaine temporel large bande en se basant sur une modélisation numérique par la technique d’intégration finie.Le domaine temporel est un domaine assez peu exploré dans la littérature contrairement au domaine fréquentiel. La principale problématique est la détermination de l’instant de focalisation qui nous permet de choisir la distribution des champs à partir de laquelle les objets diffractants seront localisés. Nous introduisons dans ce manuscrit un critère de choix d’instant de focalisation qui est comparé tout au long des études entreprises au critère du minimum d’entropie.La démarche empruntée exploite l’analyse de cartographies d’énergie électromagnétique en deux et trois dimensions. Elle est validée dans un premier temps par l’analyse de configurations canoniques exploitant des données synthétiques obtenues par simulation. L’influence de divers paramètres relatifs aux objets diffractants est étudiée de même que l’impact du nombre d’émetteurs récepteurs du miroir à retournement temporel. Dans une seconde étape une expérimentation contrôlée en chambre anéchoïque à SUPELEC est réalisée en utilisant des antennes en régime harmonique et en régime impulsionnel. / Time reversal is, as is now well-known, exploiting the temporal reversibility of the wave equation in assumed lossless media. To summarize, it implies that a wave emitted by a given source may turn back and thereupon focus onto its original source by means of a so-called Time Reversal Mirror (TRM), which operation, properly simulated from field data acquired in a given measurement domain, could enable us to locate the source indeed. The aim of this thesis is to exploit the phenomenon of time reversal for the localization and the partial characterization, whenever possible, of diffracting objects (dielectric and conducting scatterers, in which sources are induced by given antennas, usually dipole-like) that are buried in a lossless medium (it can be a free space or a half-space) within a fully 3-D transient electromagnetic context. Time-domain certainly is a less explored area in the literature than frequency-domain, and this 3-D context (even if some 2-D validation studies are led also in the present work) is particularly demanding, computatinally speaking as well as at the level of real laboratory experiments. In addition, it requires that we be able to accurately compute the vector electromagnetic field in this time domain in an appropriate wideband situation, as well as whatever field is time reversed during the experiments, which are tasks performed via a full-wave Finite Integration Technique (FIT) developed at LGEP as is validated and discussed in some length in the manuscript. The main problem however is the determination of the moment of focus which would enable us determine the location of the scatterers at least to some extent. Here, to that effect, we introduce and discuss in depth a new criterion of choice of the instant of focus, which is in particular compared throughout the studies undertaken to the usually employed minimum entropy criterion. Influences of the various parameters of the scatterers themselves and of the measurement set-ups are thoroughly discussed on the way. Let us emphasize that what matters to us is the behavior of the (time-reversed) electromagnetic energy and not only of the electric field as standard, that is, the approach taken builds and uses the analysis of energy maps obtained by the aforementioned 3-D numerical modeling. Beyond the modeling of pure synthetic field data and discussions thereof, much attention is also given to leading controlled experiments on canonical targets using both transient and frequency-diverse time-harmonic sources within an anechoic chamber which was made available to us in SUPELEC.

L’essor spectaculaire des systèmes de communications sans fil a entrainé une forte augmentation du trafic des données qui ne devrait cesser de croître au cours des prochaines années. La future génération de réseaux cellulaires (5G) doit être capable de supporter cette croissance du trafic, tout en présentant une consommation énergétique réduite par rapport aux réseaux existants. Parmi les différentes technologies étudiées, le retournement temporel (RT) se présente comme un sérieux candidat pour répondre à ces contraintes. En effet, les nombreuses études théoriques sur le sujet ont montré que la combinaison du RT et de l’OFDM possède des performances intéressantes, notamment grâce à ses propriétés de compression temporelle et de focalisation spatiale. Cependant, les hypothèses prises dans les études théoriques ne sont pas toujours compatibles avec la réalisation pratique d’un tel système. L’objectif de ces travaux de thèse est donc de proposer des solutions aux hypothèses non réalistes, afin de les mettre en oeuvre dans la réalisation d’un prototype combinant RT et OFDM dans un contexte MISO. Dans un premier temps, la mise en oeuvre de l’estimation du canal au niveau de l’émetteur et de la synchronisation du système MISO RT-OFDM est étudiée. Ensuite, une solution de calibration au niveau de l’émetteur est proposée pour compenser le caractère non réciproque du canal de propagation vu de la bande de base. L’ensemble de ces solutions ainsi que les propriétés de focalisation du RT sont validés à partir de mesures expérimentales sur le prototype réalisé. Enfin, la mise en oeuvre du premier prototype de modulation spatiale à la réception utilisant le RT est présentée. / The spectacular growth of wireless communications systems has led to a sharp increase in data traffic, which should continue to grow over the next few years. The future generation of cellular networks (5G) must be able to support this growth of traffic, while presenting reduced energy consumption compared to existing networks. Among the different studied technologies, time reversal (TR) is a serious candidate to meet these constraints. Indeed, the numerous theoretical studies on the subject have shown that the combination of TR and OFDM has interesting performance, specifically thanks to its temporal compression and spatial focusing properties. However, the assumptions made in the theoretical studies are not always compatible with the practical implementation of a real system. The objective of this thesis is to propose solutions to unrealistic theoritical hypotheses, in order to implement them in a real hardware prototype combining TR and OFDM in a MISO context. First, the implementation of the channel estimation at the transmitter side, and the synchronization of the MISO TR-OFDM system is studied. Then, a calibration solution at the transmitter is proposed to compensate for the non-reciprocal nature of the baseband propagation channel. All these solutions as well as the focusing properties of TR are validated by experimental measurements using the developed prototype. Finally, the implementation of the first TR prototype of spatial modulation at the receiver side is presented.

Les mesures utilisées actuellement en chambres anéchoïque, pour la caractérisation de la surface équivalente radar (SER) sont généralement perturbées, en particulier en basse fréquence lorsque les parois de la chambre génèrent des trajets multiples. En basse fréquence l’épaisseur des matériaux absorbants devient faible devant la longueur d’onde et ceux-ci ne peuvent plus être considère comme parfaitement absorbants. Dans ce cas, le champ total incident sur la cible sous test est ainsi la somme du champ incident direct et des champs réfléchis par les parois. Basé sur le principe de retournement temporel qui permet de focaliser spatialement et temporellement une onde électromagnétique, l’objectif de la thèse est de présenter une nouvelle méthode d’imagerie microonde qui profite des degrés de liberté spatio-temporels de la propagation au sein d’un milieu diffusant afin de détecter une cible avec une haute résolution. / The currently used methods for radar cross section (RCS) measurements at low frequencies encounter several disturbing phenomena, such as the multipath propagation caused by reflections from the walls. Descending in frequency, the thickness of absorbent materials becomes small compared with the wavelength and they are no longer perfectly absorbent. Therefore, the total incident field on the target becomes the sum of the incident wave and the reflected waves from the walls of the chamber. Inspired by time reversal technique which allows spatial and temporal focusing of an electromagnetic wave, the objective of the thesis is to present a novel imaging method in the microwave range which benefits from the spatio-temporal degrees of freedom provided by the transmission through a random medium in order to detect a target with high resolution.

L'objectif de cette thèse était d'explorer de nouvelles applications cardiaques pour l'histotripsie et de développer les outils permettant leur mise en place non-invasive. La thérapie ultrasonore cardiaque est en effet encore assez peu développée aujourd’hui, à cause de la difficulté à traiter un organe en mouvement permanent, et très bien protégé derrière la cage thoracique.Nous avons d'abord montré in vivo, sur un modèle ovin, que l’on pouvait sectionner les cordages mitraux de manière non-invasive ainsi que traiter la sténose aortique calcifiée. Engendrer de la cavitation sur les feuillets valvulaires permet effectivement d’agir à distance sur les calcifications, et de globalement assouplir la valve.Simultanément, nous avons développé un dispositif pour la thérapie cardiaque non invasive, fondé sur le concept de cavité à retournement temporel. Ce dispositif permet l'émission d'impulsions ultrasonores de haute intensité dans un très grand volume d’intérêt. L’on peut ainsi déplacer le point de thérapie en 3 dimensions de manière entièrement électronique, et sans déplacer mécaniquement l’appareil. Après optimisation, ce dispositif a permis de créer des lésions mécaniques bien contrôlées dans une région d'intérêt de 2 000 cm3.Pour faire face au défi que représente la cage thoracique, nous avons développé une méthode de focalisation adaptative et l'avons mise en œuvre dans un prototype 2D du dispositif. Avec cette méthode, nous pouvons non seulement construire un front d'onde ultrasonore adaptatif qui se propage de manière préférentielle à travers les espaces intercostaux, mais grâce aux propriétés des cavités à retournement temporel, nous pouvons également augmenter la pression focale obtenue sur la cible de thérapie.Enfin, pour approfondir ce travail sur la focalisation adaptative, et nous avons considéré le cas de l'imagerie transcrânienne. Pour cette application, nous avons choisi d’utiliser la focalisation par retournement temporel dans le bruit de speckle, pour corriger les aberrations induites par le crâne. En simulations numériques, nous avons pu calculer les modulations de phase et d'amplitude induites par les os et améliorer le contraste et la résolution d'une image B-mode. / The objective of this thesis was to explore new applications for cardiac histotripsy, and to develop the tools making it possible non-invasively. Cardiac ultrasound therapy indeed still remains limited due to the tremendous challenge of treating a constantly and rapidly moving organ, well protected behind the ribcage.We first showed in vivo, on a large animal model, that histotripsy could be used non-invasively to cut mitral chordae, and to treat calcified aortic stenosis in a beating heart. Cavitation on the valve leaflets can indeed locally and remotely act on the calcifications, and globally soften the valve. Simultaneously, we developed a therapeutic device allowing completely non-invasive cardiac shock-wave therapy based on the time reversal cavity concept. In particular, this device allows the emission of high intensity ultrasound pulses, and provides 3D electronical steering of the therapy focal spot in a large volume. After a thorough optimisation process, this device was capable of creating well controlled mechanical lesions over a 2 000 cm3 region of interest. To tackle the challenge of ultrasound propagation through the rib cage, we developed an adaptive focusing method (DORT method through a time reversal cavity), and implemented it in a 2D prototype of the device. With this method, we not only could build an adaptive ultrasonic wavefront propagating preferentially through the intercostal spaces, but due to time reversal cavities properties, we could also increase the peak pressure obtained on target.Finally, we pushed our work on adaptive focusing further, and considered the case of transcranial imaging. For this application, we chose to use the time reversal of speckle noise technique, to correct the aberrations induced by the skull. In numerical simulations, we were able to derive the phase and amplitude modulations induced by the bones, and could improve the contrast and resolution of a B-mode image.

En transports guidés, la localisation précise des trains s’avère vitale pour une exploitation nominale du système de transport. Dans un environnement de propagation tel que celui d’une emprise ferroviaire, un capteur de localisation efficace est complexe à concevoir et à valider lorsqu’il doit opérer en présence de nombreux obstacles fixes et mobiles constitués par l’infrastructure et les trains. Afin de concevoir un tel capteur, nous proposons dans ce travail de thèse l’emploi de techniques innovantes dites de diversité spectrale que l’on retrouve également sous la dénomination de radio Ultra Large Bande (ULB). Dans ce travail, cette dernière est également associée à la technique de Retournement Temporel (RT) afin de tirer partie de cet environnement de propagation complexe. L’objectif visé est d’obtenir une localisation fiable et robuste des véhicules ferroviaires par focalisation de signaux ULB en direction des antennes sol ou trains. Des études théoriques alliées à des simulations ont été effectuées portant sur les propriétés de focalisation d’énergie de la technique de retournement temporel en tenant compte de plusieurs paramètres liés aux configurations antennaires, aux canaux de propagation rencontrés et à l’électronique utilisée. L’apport du retournement temporel sur la précision du système de localisation Ultra Large Bande a été quantifié en comparant le système de localisation ULB conventionnel, sans retournement temporel puis, en associant le RT. Les résultats théoriques et de simulations de la solution proposée ont été validés par des expérimentations menées en chambre anéchoïque ainsi qu’en environnement indoor. / In guided transport, the precise location of trains is vital for nominal operation of the transport system. In a propagation environment such as a railway line, an effective location sensor is complex to design and validate since it must operate in the presence of many fixed and mobile obstacles constituted by the infrastructure and the trains. In this thesis, to design such a sensor, we propose the use of so-called spectral diversity techniques also found under the name of Ultra Wideband radio (UWB). In this work, the latter is also associated with the Time Reversal (TR) technique to take advantage of the complex propagation environment. The objective is to obtain a reliable and robust location of rail vehicles by focusing UWB signals to antennas or ground trains. Theoretical studies combined with simulations were performed on the properties of energy focusing of TR technique taking into account several parameters related to antennal configurations, propagation channels and the railway environment. The contribution of TR on the accuracy of the positioning system was quantified by comparing the conventional UWB positioning system alone and then, combining it with TR. The theoretical results and simulations of the proposed solution have been validated by experiments carried out in an anechoic chamber and in indoor environment.