Nous décrivons dans un premier temps la conception, la fabrication et l'optimisation d'un laser à fibre mode-locked. Ce laser génère une impulsion solitonique de 350 femtosecondes toutes les 32 nanosecondes. Une géométrie de cavité en anneau unidirectionnelle assure l'auto démarrage du régime mode-locked qui repose sur un effet de rotation non-linéaire de polarisation. Nous procédons ensuite à une étude comparative de plusieurs techniques optiques de filtrage visant à altérer le train d'impulsions généré par le laser selon des critères précis. Nous étudions en particulier différentes méthodes de multiplication du taux de répétition basées sur la technologie des réseaux de Bragg. L'atout principal de ces filtres est leur grande polyvalence. En effet, ils permettent de modifier sur mesure l'amplitude ainsi que la phase d'un train d'impulsions. Nous listons les avantages et les inconvénients de chaque méthode de multiplication du taux de répétition. Nous sélectionnons ensuite la plus performante et la mieux adaptée au signal issu de notre laser. La combinaison d'un laser mode-locked passif et de filtrages optiques nous permet d'atteindre des taux de répétition extrêmes, sans faire intervenir de composant électronique rapide. Nous démontrons ainsi un facteur de multiplication maximal de 10240 permettant d'atteindre une cadence de 320 GHz et potentiellement de dépasser le térahertz. Nous montrons aussi les possibilités offertes par l'optique non-linéaire en matière de filtrage, en particulier pour lisser la phase d'un signal. Nous présentons nos résultats sur la construction et l'optimisation d'un miroir non-linéaire fibre permettant également la duplication d'une source laser sur plusieurs fréquences. Finalement, nous étudions les performances de la source avant et après la multiplication du taux de répétition, en terme de bruit d'amplitude et de synchronisation temporelle.

L'un des plus grands défis de la réalité augmentée consiste à aligner parfaitement les informations réelles et virtuelles pour donner l'illusion que ces informations virtuelles font partie intégrante du monde réel. Pour ce faire, il faut estimer avec précision la position et l'orientation de l'utilisateur, et ce, en temps réel. L'augmentation de scènes extérieures est particulièrement problématique, car il n'existe pas de technologie suffisamment précise pour permettre d'assurer un suivi de la position de l'utilisateur au niveau de qualité requis pour des applications en ingénierie. Pour éviter ce problème, nous nous sommes attardés à l'augmentation de panoramas omnidirectionnels pris à une position fixe. L'objectif de ce projet est de proposer une méthode robuste et automatique d'initialisation permettant de calculer la pose de panoramas omnidirectionnels urbains pour ainsi obtenir un alignement parfait des panoramas et des informations virtuelles. / One of the greatest challenges of augmented reality is to perfectly synchronize real and virtual information to give the illusion that virtual information are an integral part of real world. To do so, we have to precisely estimate the user position and orientation and, even more dificult, it has to be done in real time. Augmentation of outdoor scenes is particularly problematic because there are no technologies accurate enough to get user position with the level of accuracy required for application in engineering. To avoid this problem, we focused on augmenting panoramic images taken at a fixed position. The goal of this project is to propose a robust and automatic initialization method to calculate the pose of urban omnidirectional panoramas to get a perfect alignment between panoramas and virtual information.

Le niveau croissant d’automatisation des exploitations minières souterraines vise à en accroitre l’efficacité et s’appuiera sur la venue d’une myriade de dispositifs électroniques au sein des corridors souterrains. Dans d’autre environnements confinés, par exemple les opérations militaires dans les cavernes, ces dispositifs peuvent engendrer un avantage tactique fort important aux utilisateurs. Notre travail de recherche s’inscrit dans la perspective du développement d’un système de communications à haut débit binaire pour les applications comme la surveillance et le transfert de donnée vidéo en temps réel dans la mine. Cette étude est focalisée sur la performance du système de communications sans fil à ondes millimétriques dans une mine souterraine. La première contribution de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés au déploiement de ce système dans la mine. Comme il n’existe pas de travaux qui traitent ce genre de sujet, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal à ondes millimétriques dans la mine CANMET à Val-d’Or située à 500 km au nord de Montréal, Canada. Nous avons mis en oeuvre un montage expérimental de mesures basé sur un robot Velmex. Les mesures ont été effectuées dans la plage fréquentielle du standard IEEE802.15.3c, soit 57.24-59.4 GHz. Nous sommes parvenus à une caractérisation du canal de propagation à ondes millimétriques dans deux galeries de la mine, au niveau 40 et au niveau 70 m et selon plusieurs combinaisons d’antenne, directive-directive, directive-omni et omnidirective et pour deux polarisations, soit verticale-verticale et horizontale-horizontale. Dans le but de comparer les résultats, le même montage est utilisé pour effectuer des mesures dans un milieu interne, soit le laboratoire CANMET. La deuxième contribution de notre étude consiste à calculer la capacité du canal selon les scénarios des mesures. La formule classique de la capacité de Shannon est obtenue pour les canaux ayant des réponses fréquentielles plates. Cette formule ne s’applique pas directement dans notre cas à cause de la sélectivité de la réponse en fréquence du canal. Nous avons divisé la bande de fréquences en un nombre très grand de petites bandes, considérées comme des sous-canaux à réponse plate dans le domaine fréquentiel. Ensuite, nous avons distribué la puissance d’une manière optimale sur les sous-canaux plats. Les résultats obtenus sont comparés aussi avec les résultats obtenus si une distribution uniforme est adoptée à l’émission. Les résultats prouvent la pertinence de la méthode optimale dans ces type des canaux ; cette méthode donne une amélioration importante de la capacité lorsque le SNR est faible. Les deux méthodes donnent les mêmes résultats lorsque le SNR est grand. La troisième contribution de notre étude vise à utiliser les paramètres obtenus de la compagne de mesures, comme la bande de cohérence et l’étalement maximal du canal pour les différents scénarios, pour calculer les paramètres du système OFDM à ondes millimétriques. Dans le but de rendre notre travail plus pertinent, nous avons calculé la limite de Shannon en posant le débit binaire du système OFDM égal à la capacité optimale ou à la capacité uniforme du canal. Plusieurs simulations ont été faites en fonction de la distance, de la longueur du préfixe cyclique et du nombre de sous-porteuses. Nous avons utilisé un code LDPC avec un taux égal à 0.75 pour améliorer le taux d’erreur binaire et aussi s’approcher de la limite de Shannon. Les résultats obtenus montre que les systèmes OFDM avec une combinaison d’antennes directive-directive et une polarisation verticale-verticale ont une meilleure performance aux niveaux 40 m et 70 m et dans le laboratoire CANMET. / The increasing level of automation in underground mining operations in order to improve their efficiency will bring a myriad of electronic devices into the mine shafts. In other confined environment situations, e.g. military operations in caverns, electronic devices can yield a significant tactical advantage. Our research is in the perspective of developing a system of high bit rate communications for applications that require high throughput such as monitoring and transfer of video data in real time in the mine. This thesis is focused on the study of the performance of a wireless communications system in the millimeter wave range in an underground mine. The contribution part of the study is to examine all issues related to the deployment of this system in the mine. As there is no work dealing with this kind of topic, we started our research by a characterization of the millimeter-wave channel in the CANMET mine in Val-d’Or, located 500 km north of Montreal, Canada. We implemented a breadboard measurement system based on a Velmex robot table. The measurements were performed in the frequency range of the standard IEEE802.15.3c or 57.24-59.4 GHz.We have obtained a characterization of the millimeter wave propagation channel in two galleries of the mine, at 40 and 70 m, according to several combinations of antennas, directive-directive, directive-omni and omni-directive and for both vertical-vertical and horizontal-horizontal polarizations. In order to compare the results, the same measuring setup was used to perform measurements in an internal environment in the CANMET laboratory. The second contribution of the thesis was to compute the channel capacity according to the measurement scenarios. The classical formula for the Shannon capacity is used for flat channels. This formula does not directly apply in this case because of the selectivity of the channel frequency response. Thus, we divided the whole frequency band into many sub-bands, in which the sub-channel can be considered frequency-flat. Then we distributed the power optimally on the flat sub-channels. The results were also compared with the results obtained if a uniform distribution was adopted. The results prove the relevance of the optimal method in these types of channels. This method gives a significant improvement of the capacity when the SNR is low. Both methods give the same results when the signal to noise ratio is high. The third contribution of this thesis focused on how to use the parameters obtained from the measurement campaign such as the coherence bandwidth and the maximum spread of the channel for the different scenarios, to calculate the parameters of the OFDM millimeter wave system. In order to make our work relevant, we calculated the Shannon limit by setting the bit rate of the OFDM system equal to the optimal capacity or to the uniform channel capacity. Many simulations were made based on the distance between the antennas, the cyclic prefix length and the number of sub-carriers. We used an LDPC code with a rate equal to 0.75 to improve the bit error rate and hence to approach the Shannon limit. The results show that the OFDM millimeter wave system with D-D combination and VV polarization has better performance at 40 m, 70 m and in the CANMET laboratory.

Le développement rapide de la technologie des télécommunications à entrées et à sorties multiples MIMO met la caractérisation et modélisation de canaux sans fil dans une nouvelle perspective. Des recherches additionnelles sur la caractérisation et la modélisation de canaux sont nécessaires pour les déploiements de ces systèmes MIMO. En outre, de nouvelles techniques de caractérisation et de modélisation des canaux sont nécessaires pour faciliter la recherche sur la caractérisation et modélisation du canal MIMO. Trois contributions majeures sont présentées dans cette thèse. Tout d'abord, nous proposons une représentation généralisée et systématique des systèmes et des canaux sans fil dans les domaines spatio-temporels. Celle-ci peut être interprétée comme une extension des travaux de Bello [1, 2] et une généralisation des concepts introduits dans la littérature récente sur les canaux multiples. Dans ce cadre théorique, on propose un ensemble de seize fonctions noyau (kernel) et huit fonctions système et un ensemble de huit fonctions noyau dans le contexte de systèmes pratiques : ceux-ci sont définis dans le temps, la fréquence, l'espace et le vecteur d'onde pour la caractérisation du canal et du système MIMO. L'utilisation du cadre pratique est illustrée par une série d'exemples en utilisant des mesures basées sur des signaux de télévision numérique ATSC aux fréquences UHF. Les résultats étudiés comprennent les fonctions noyau spatiales mesurées, les spectres reçus dans le vecteur d'onde pour les canaux de liaison descendante et les fonctions de corrélation spatiale pour les canaux de liaison montante Deuxièmement, une nouvelle technique de mesure du signal dans l'espace et dans le temps, ainsi qu'une technique d'estimation du spectre dans le domaine des vecteurs d'onde et en fréquence sont proposées. La technique proposée permet de caractériser un grand réseau d'antenne virtuel à partir d'un nombre limité d'éléments d'antenne en déplaçant les éléments d'antenne le long d'une trajectoire prédéfinie. Une technique d'étalonnage est également proposée pour estimer le spectre de vecteur d'onde des signaux mesurés. Le compromis de cette technique est une faible précision de l'estimation si l'étalement des angles d'arrivée est trop grande. Les performances d'estimation du spectre sont évaluées par une série de simulations. Troisièmement, une vision globale du phénomène Doppler est présentée du point de vue de la technique de caractérisation proposée. Les spectres de Doppler, provoques par la mobilité des diffuseurs sous différentes distributions de vitesse de diffuseur, sont étudiés en profondeur. Ces résultats s'appliquent au scénario sans fil fixe pour lesquel l'émetteur et le récepteur sont fixes, tandis que les diffuseurs sont mobiles. Les modèles analytiques sont comparés avec les courbes empiriques, extraites d'autres publications dans la littérature, afin de valider la méthode proposée. Les résultats obtenus montrent que notre modèle théorique, pour un distribution exponentielle de vitesse de diffuseur, suit de près les courbes mesurées dans les canaux à variations lentes. En outre, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour les canaux à variations rapides, par exemple, lorsque les voitures en mouvement sont considérées comme des diffuseurs mobiles.

Ce mémoire présente une nouvelle méthode permettant de caractériser la phase spectrale d'impulsions courtes se propageant dans de la fibre optique. L'information sur la phase des impulsions est extraite de l'analyse du signal temporel généré par l'interférence entre deux bandes spectrales sélectionnées par un réseau de Bragg. L'accord du réseau de Bragg, par l'application d'une contrainte sur la fibre optique, permet de déterminer la phase relative de toutes les composantes spectrales. Afin d'obtenir une bonne résolution spectrale, le réseau de Bragg est constitué d'une structure de type Fabry-Perot distribué qui transmet deux bandes spectrales distinctes selon la polarisation du signal indicent. Nous traitons le cas d'une modulation en amplitude périodique du signal analysé, avec une validation expérimentale, et nous menons des simulations pour une modulation en amplitude pseudoaléatoire. Nous discutons des limites de cette méthode de caractérisation et nous mettons en évidence l'importance de bien contrôler la polarisation du signal incident. Finalement, nous expliquons pourquoi cette méthode ne s'applique pas à une modulation en amplitude pseudo-aléatoire.

Le persillage (gras intramusculaire) dans la viande de boeuf est l'un des critères les plus importants pour l'évaluation de la qualité, notamment sa jutosité, dans les systèmes de classification de la viande. Le processus chimique, méthode destructive, est l'unique moyen officiellement utilisé pour évaluer la proportion du persillage dans la viande. C'est une méthode destructive, complexe et qui n'offre aucune information sur la distribution du persillage dans la viande. Cette thèse porte sur le développement d'une méthode originale destinée à l'évaluation non-destructive de la proportion volumétrique du persillage dans la viande du boeuf. Cette nouvelle méthode, qui pourrait être intégrée dans un système de vision artificielle (machine vision), est une première expérience pour ce genre d'application. À notre meilleure connaissance, aucune méthode semblable n'a été élaborée. De ces travaux de doctorat quatre contributions sont identifiées: la technique proposée, deux méthodes de segmentation d'images et une méthode non-destructive pour estimer la proportion volumétrique du persillage. La technique proposée permet d'avoir deux types d'images : une visible qui illustre la surface de la viande et une proche infrarouge qui est la projection orthogonale de l'échantillon de la viande (3D) en une image d'ombre (2D). Compte tenu de la complexité d'analyse des images, nous avons développé une méthode efficace de segmentation permettant d'identifier les régions homogènes les plus (ou les moins) claires dans une image à niveaux de gris. Cette méthode, qui est relativement générale, est basée sur un modèle mathématique permettant d'évaluer l'homogénéité des régions, qui lui-même a été introduit dans cette thèse. La généralisation de cette méthode pour la segmentation du persillage a démontré des résultats satisfaisants face aux objectifs attendus. Étant donné, que la forme volumétrique du persillage est aléatoire et que celle-ci dépend de la façon dont le persillage est déposé entre les fibres musculaires, ce qui est imprévisible, nous avons combiné les résultats de la segmentation de deux types d'images pour estimer le volume du persillage. L'intégration de l'ensemble des approches précédentes nous a permis de développer une nouvelle méthode non-destructive pour estimer la proportion volumétrique du persillage. Les résultats obtenus par la méthode proposée (non-destructive) ont été comparés aux résultats obtenus par une méthode chimique (destructive) comme étant la vérité-terrain (gold standard). Les résultats expérimentaux confirment les propriétés attendues de la méthode proposée et ils illustrent la qualité des résultats obtenus.

Le développement des spectromètres par transformée de Fourier (FTS) a connu un essor important en bénéficiant de l'attention de nombreux groupes de recherche à travers le monde depuis les années 1960 (bien que cet instrument existait déjà bien avant), résultant dans la connaissance approfondie que nous en avons aujourd'hui. Dans les années 1990 et 2000, l'augmentation grandissante des performances des caméras à intégration (de type «charge-coupled device» (CCD) ou autre) a permis la croissance accélérée de la technologie FTS imageur, combinant ainsi l'information spatiale à l'information spectrale, et ouvrant la porte à de nouvelles applications pour cet instrument de pointe. Mise à part la quantité phénoménale de données produite par un tel instrument, certains aspects fondamentaux de l'appareil, bien caractérisés pour les instruments mono-pixel, méritent une nouvelle analyse lorsqu'un détecteur de type intégrateur est utilisé. Ce mémoire de maîtrise se concentre sur l'un de ces éléments : la minimisation de la gigue d'échantillonnage des données acquises en présence de perturbations mécaniques. Cette gigue étant principalement due aux variations de vitesse du chariot du miroir en mouvement dans l'instrument, la qualité de l'information de position et de vitesse est tout d'abord améliorée afin d'obtenir un estimé plus précis de l'état du chariot. Puis, sur la base de cette connaissance fiable, deux approches générales sont analysées. Dans un premier temps, une approche de réduction de la gigue d'échantillonnage a priori (soit avant l'intégration intrinsèque à l'acquisition avec une caméra) est abordée et les performances de trois méthodes de génération des instants d'échantillonnage sont comparées, à la fois en simulation et via leur implantation dans un système réel. Dans un deuxième temps, deux algorithmes de ré-échantillonnage sont utilisés afin de corriger la grille d'échantillonnage a posteriori, soit avec la connaissance de la position d'échantillonnage du signal telle qu'estimée par le laser de référence. Pour terminer, l'analyse combinée des résultats fait ressortir la meilleure approche globale et les ressources technologiques requises pour l'implémenter.

Ce projet a pour objectif d'étudier les aspects relatifs au suivi de piétons dans le projet MONNET. Pour ce faire, nous adoptons une approche hybride où le suivi est effectué indépendamment pour les images des caméras infrarouge et visible avant d'être combiné. Le suivi se fait à 3 niveaux : au niveau des blobs, au niveau des objets (groupe de blobs) et au niveau des objet fusionnés (détectés dans les deux images). De plus, une méthode robuste de gestion des occultations adaptée à l'environnement intérieur est utilisée pour assurer un suivi adéquat en présence de plusieurs piétons.

La plupart des études d'estimation de signal modulé par multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) et parcourant un canal avec évanouissement impliquent un nombre constant de trajets multiples. Cependant, dans un milieu souterrain, le nombre de trajets significatifs varie selon une distribution spécifique. Nos travaux tentent de résoudre l'estimation d'un canal minier souterrain à large bande, où le nombre de trajets significatifs répond à une distribution de Poisson modifiée et dont les amplitudes sont affectées par des évanouissements de Rayleigh ou de Rice. L'estimation de canal pour un système OFDM s'effectue via un signal comprenant des fréquences pilotes distribuées en peigne. Les fréquences pilotes comprises dans le signal sont tout d'abord estimées par un détecteur de moyenne quadratique logarithmique ou par la méthode des moindres carrés. Par la suite, des méthodes d'interpolation du canal sont étudiées. Les performances de différentes approches, inspirées des modulations spécifiées par la norme IEEE802.11, sont analysées selon le taux d'erreur binaire (BER). / Most analytical studies of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) channel estimation for fading channels assume a constant number of multiple paths. However, in an underground environment, the number of significant multipath components can be variable and follow a specific distribution. This thesis addresses the problem of channel estimation based on a wideband statistical channel model in a mining environment, where the number of arrival paths follows a modified Poisson distribution and their amplitudes undergo Rayleigh or Rician fading. Channel estimations for OFDM Systems are based on a comb-type pilot arrangement, which is divided into pilot signal estimation and channel interpolation. The pilot signal estimation based on Least Mean Square (LMS) or Least Square (LS) criteria, together with a variety of interpolation schemes, is studied. Performances for ail conditions are presented and compared by measuring the Bit Error rate (BER) with different modulation schemes derived from the IEEE802.il WLAN standard.

Les travaux menés dans cette thèse concernent le développement d’un dispositif de vision permettant l’estimation de caractéristiques géométriques d’un feu de végétation en propagation. Ce dispositif est composé de plusieurs systèmes de stéréovision multimodaux générant des paires d’images stéréoscopiques à partir desquelles des points tridimensionnels sont calculés et les caractéristiques géométriques de feu tels que sa position, vitesse, hauteur, profondeur, inclinaison, surface et volume sont estimées. La première contribution importante de cette thèse est la détection de pixels de feu de végétation. Tous les algorithmes de détection de pixels de feu de la littérature ainsi que ceux développés dans le cadre de cette thèse ont été évalués sur une base de 500 images de feux de végétation acquises dans le domaine du visible et caractérisées en fonction des propriétés du feu dans l’image (couleur, fumée, luminosité). Cinq algorithmes de détection de pixels de feu de végétation basés sur la fusion de données issues d’images acquises dans le domaine du visible et du proche-infrarouge ont également été développés et évalués sur une autre base de données composée de 100 images multimodales caractérisées. La deuxième contribution importante de cette thèse concerne l’utilisation de méthodes de fusion d’images pour l’optimisation des points appariés entre les images multimodales stéréoscopiques. La troisième contribution importante de cette thèse est l’estimation des caractéristiques géométriques de feu à partir de points tridimensionnels obtenus depuis plusieurs paires d’images stéréoscopiques et recalés à l’aide de relevés GPS et d’inclinaison de tous les dispositifs de vision. Le dispositif d’estimation de caractéristiques géométriques à partir de systèmes de stéréovision a été évalué sur des objets rigides de dimensions connues et a permis d’obtenir les informations souhaitées avec une bonne précision. Les résultats des données obtenues pour des feux de végétation en propagation sont aussi présentés. Mots clefs : Feux de forêt, stéréovision, traitement d’images, segmentation, multimodal. / This thesis presents the geometrical characteristics measurement of spreading vegetation fires with multimodal stereovision systems. Image processing and 3D registration are used in order to obtain a three-dimensional modeling of the fire at each instant of image acquisition and then to compute fire front characteristics like its position, its rate of spread, its height, its width, its inclination, its surface and its volume. The first important contribution of this thesis is the fire pixel detection. A benchmark of fire pixel detection algorithms of the litterature and of those that are developed in this thesis have been on a database of 500 vegetation fire images of the visible spectra which have been characterized according to the fire properties in the image (color, smoke, luminosity). Five fire pixel detection algorithms based on fusion of data from visible and near-infrared spectra images have also been developed and tested on another database of 100 multimodal images. The second important contribution of this thesis is about the use of images fusion for the optimization of the matching point’s number between the multimodal stereo images. The second important contribution of this thesis is the registration method of 3D fire points obtained with stereovision systems. It uses information collected from a housing containing a GPS and an IMU card which is positioned on each stereovision systems. With this registration, a method have been developed to extract the geometrical characteristics when the fire is spreading. The geometrical characteristics estimation device have been evaluated on a car of known dimensions and the results obtained confirm the good accuracy of the device. The results obtained from vegetation fires are also presented. Key words: wildland fire, stereovision, image processing segmentation, multimodal.