Plusieurs recherches ont démontré les avantages de la réadaptation physique assistée par la robotique ainsi que la réadaptation en environnement virtuel. Les exercices de réadaptation sont fréquemment effectués sur un système coûteux de capture de mouvement basé sur le suivi de marqueurs fixés sur le patient. L'utilisation de ce type de système nécessite du temps et l'expertise d'un clinicien. Le projet que nous proposons a pour but de supporter de tels exercices de réadaptation en plus de pallier aux problèmes des systèmes de capture de mouvement conventionnels très coûteux. Le système développé comprend un mécanisme à câbles intégré en environnement virtuel procurant un retour haptique et visuel au patient. L'estimation de la pose humaine sans marqueur est effectuée en temps réel pour permettre l'analyse du mouvement, l'affichage de l'avatar du patient ainsi que son interaction avec l'environnement virtuel. Le système de vision fait usage de capteurs 3D peu coûteux afin d'offrir un dispositif abordable pour la plupart des cliniques de réadaptation. Un tel système permet une reconfigurabilité importante afin d'optimiser les exercices de réadaptation aux besoins du patient. Ce mémoire couvre les étapes du développement du système, notamment l'approche de fusion de pose selon des points de vue multiples basée sur le filtrage particulaire. L'analyse des résultats présentés est prometteuse à différents niveaux sachant que le système est aussi très flexible et adaptable à différents contextes autres que la réadaptation, comme le milieu du divertissement. / Several works have shown the benefits of robotic assisted physical rehabilitation as well as rehabilitation in a virtual environment. Rehabilitation exercises are often performed using an expensive motion capture system based on markers attached to the patient. The use of this type of system requires time and expertise from a clinician. The project we are introducing aims to support such rehabilitation exercises in addition to avoid some of the problems of an expensive conventional motion capture systems. The developed system includes a cable mechanism integrated into a virtual environment providing haptic and visual feedback to the patient. The estimation of the human pose without marker is carried out in real-time to allow the analysis of the movement, the display of the patient avatar as well as its interaction with the virtual environment. The vision system exploit inexpensive 3D sensors to provide an affordable device for most rehabilitation clinics. That system allows enough reconfigurability to optimize the rehabilitation exercises to the needs of the patient. This thesis covers the stages of the system development, including the fusion approach based on multiple views based on particle filtering. The analysis of the results presented is promising, knowing that the system is also very flexible and adaptable to different contexts other than rehabilitation, such as the entertainment industry.

Avec la venue des lampes aux DELs sur le marché de l'éclairage, une forte tendance pour un éclairage plus efficace, efficient et dirigé est apparue. Le projet se positionne à l'avant garde de cette tendance en développant un prototype de démonstration pour faire l'évaluation de nouveaux algorithmes d'éclairage intelligent. Le coeur du prototype de démonstration est un modulateur lumineux aux cristaux liquides récemment développé pour ouvrir les faisceaux lumineux émis par les DELs. Ces modules sont contrôlés par des signaux électriques et possèdent une plage de fonctionnement très linéaire. Cette propriété permet d'envisager le développement d'applications d'éclairage intelligent en boucle fermée avec une caméra comme capteur. L'utilisation de la vision numérique est une avenue prometteuse pour le développement d'application intelligente. Le prototype de démonstration développé inclut une source de lumière DEL haute puissance, le modulateur lumineux aux cristaux liquides, une caméra et toute l'électronique nécessaire pour implanter une fonctionnalité de boucle fermée par vision numérique. / Since the massive invasion of LED lighting over the illumination market, a clear trend of need appeared for a more efficient and targeted lighting. The project leads this trend by developing an evaluation board to test smart lighting applications with a new liquid crystal light modulator recently developed for broadening LED light beams. These modulator are controlled by electricals signals and they are characterised by a very linear working zone. This feature allows the implementation of a closed loop control with a sensor feedback. We show that the use of computer vision is a promising opportunity for closed loop control. The developed evaluation board integrates the liquid crystal modulator, a camera, a LED light source and all the required electronics to implement a closed loop control with a computer vision algorithm.

La reconnaissance d’activités humaines à partir de données vidéo est utilisée pour la surveillance ainsi que pour des applications d’interaction homme-machine. Le principal objectif est de classer les vidéos dans l’une des k classes d’actions à partir de vidéos entièrement observées. Cependant, de tout temps, les systèmes intelligents sont améliorés afin de prendre des décisions basées sur des incertitudes et ou des informations incomplètes. Ce besoin nous motive à introduire le problème de l’analyse de l’incertitude associée aux activités humaines et de pouvoir passer à un nouveau niveau de généralité lié aux problèmes d’analyse d’actions. Nous allons également présenter le problème de reconnaissance d’activités par intervalle de temps, qui vise à explorer l’activité humaine dans un intervalle de temps court. Il a été démontré que l’analyse par intervalle de temps est utile pour la caractérisation des mouvements et en général pour l’analyse de contenus vidéo. Ces études nous encouragent à utiliser ces intervalles de temps afin d’analyser l’incertitude associée aux activités humaines. Nous allons détailler à quel degré de certitude chaque activité se produit au cours de la vidéo. Dans cette thèse, l’analyse par intervalle de temps d’activités humaines avec incertitudes sera structurée en 3 parties. i) Nous présentons une nouvelle famille de descripteurs spatiotemporels optimisés pour la prédiction précoce avec annotations d’intervalle de temps. Notre représentation prédictive du point d’intérêt spatiotemporel (Predict-STIP) est basée sur l’idée de la contingence entre intervalles de temps. ii) Nous exploitons des techniques de pointe pour extraire des points d’intérêts afin de représenter ces intervalles de temps. iii) Nous utilisons des relations (uniformes et par paires) basées sur les réseaux neuronaux convolutionnels entre les différentes parties du corps de l’individu dans chaque intervalle de temps. Les relations uniformes enregistrent l’apparence locale de la partie du corps tandis que les relations par paires captent les relations contextuelles locales entre les parties du corps. Nous extrayons les spécificités de chaque image dans l’intervalle de temps et examinons différentes façons de les agréger temporellement afin de générer un descripteur pour tout l’intervalle de temps. En outre, nous créons une nouvelle base de données qui est annotée à de multiples intervalles de temps courts, permettant la modélisation de l’incertitude inhérente à la reconnaissance d’activités par intervalle de temps. Les résultats expérimentaux montrent l’efficience de notre stratégie dans l’analyse des mouvements humains avec incertitude. / Recognizing human activities from video data is routinely leveraged for surveillance and human-computer interaction applications. The main focus has been classifying videos into one of k action classes from fully observed videos. However, intelligent systems must to make decisions under uncertainty, and based on incomplete information. This need motivates us to introduce the problem of analysing the uncertainty associated with human activities and move to a new level of generality in the action analysis problem. We also present the problem of time-slice activity recognition which aims to explore human activity at a small temporal granularity. Time-slice recognition is able to infer human behaviours from a short temporal window. It has been shown that temporal slice analysis is helpful for motion characterization and for video content representation in general. These studies motivate us to consider timeslices for analysing the uncertainty associated with human activities. We report to what degree of certainty each activity is occurring throughout the video from definitely not occurring to definitely occurring. In this research, we propose three frameworks for time-slice analysis of dyadic human activity under uncertainty. i) We present a new family of spatio-temporal descriptors which are optimized for early prediction with time-slice action annotations. Our predictive spatiotemporal interest point (Predict-STIP) representation is based on the intuition of temporal contingency between time-slices. ii) we exploit state-of-the art techniques to extract interest points in order to represent time-slices. We also present an accumulative uncertainty to depict the uncertainty associated with partially observed videos for the task of early activity recognition. iii) we use Convolutional Neural Networks-based unary and pairwise relations between human body joints in each time-slice. The unary term captures the local appearance of the joints while the pairwise term captures the local contextual relations between the parts. We extract these features from each frame in a time-slice and examine different temporal aggregations to generate a descriptor for the whole time-slice. Furthermore, we create a novel dataset which is annotated at multiple short temporal windows, allowing the modelling of the inherent uncertainty in time-slice activity recognition. All the three methods have been evaluated on TAP dataset. Experimental results demonstrate the effectiveness of our framework in the analysis of dyadic activities under uncertainty

Selon un rapport de l’Agence centrale de renseignement (CIA) ¹, présenté dans un journal NDT ², il y avait un total de 3.3 millions km de pipelines dans 120 pays du monde en 2014. Cela signifie que les pipelines ont un rôle important à jouer dans l’infrastructure de l’énergie pour le transport de liquides ou du gaz naturel. Bien que les pipelines représentent le plus efficace et le plus fiable pour transporter divers liquides allant de l’eau à l’huile, ils sont vulnérables aux défauts externes et internes. Heureusement, une inspection périodique des pipelines peut augmenter leur sécurité et leur fonctionnalité et réduire les catastrophes environnementales ainsi que les pertes économiques causées par les potentielles explosions ou autres dysfonctionnements. Considérant les avantages des capteurs 3D qui permettent de créer une réplique numérique précise de la surface des objets réels en plus des avantages de la technologie d’Evaluation Non Destructive (END) qui fournit un suivi des défauts sous la surface, la présente recherche propose une solution visant à construire un modèle 3D d’un pipeline ou d’autres structures allongées pour suivre leur état. Dans ce but, nous mesurons d’abord la géométrie du pipeline avec des capteurs 3D portables et construisons le modèle 3D de la structure. Ensuite, les informations des défauts sous la surface qui sont estimées efficacement par des approches développées par d’autres membres de l’équipe en utilisant la thermographie infrarouge sont intégrées au modèle 3D reconstruit. Le manuscrit étudie différents défis liés à la modélisation 3D précise de grandes structures allongées et la répétabilité de l’approche de modélisation à des fins de contrôle de qualité et d’entretien à long terme. 1. The World Factbook, updated 18 May 2015. 2. Materials Evaluation (M.E.), vol. 73, no. 7, July 2015 / According to a Central Intelligence Agency (CIA) report ¹ presented in a flagship NDT journal ², there were a total of 3.3 million km of pipelines present in 120 countries in the world in 2014. This means that pipelines play an important role in the energy infrastructure in order to safely transport liquid or natural gas. Although pipelines are the most efficient and reliable way to carry various liquids ranging from water to oil, they are vulnerable to external and internal damages. Fortunately, a periodic inspection of pipelines can increase their functionality and decrease the environmental disasters as well as economic losses caused by potential spills, explosions or other malfunctions. In this context of the exploitation of pipelines and other similar elongated structures and considering the benefits of 3D sensors which allow us to create an accurate digital replica of the surface of physical objects in addition to the advantages of Non-Destructive Testing (NDT) technology which provides the ability of under-surface monitoring, our research proposes a solution to build a 3D model of pipeline or other elongated structures to monitor their status. For this purpose, we first measure the geometry of the pipeline by handheld 3D scanners and construct the 3D model of the structure. Then, the information of subsurface defects that is estimated efficiently by approaches developed by other team members using infrared thermography is integrated to the reconstructed 3D model. The manuscript investigates different challenges related to the 3D modeling of large elongated structures with high accuracy and repeatability for quality control purposes as well as for long-term maintenance. 1. The World Factbook, updated 18 May 2015. 2. Materials Evaluation (M.E.), vol. 73, no. 7, July 2015

Un système de communication fiable dans un environnement confiné, en particulier les mines souterraines, peut largement accroître la sécurité et la production. Actuellement, les réseaux de communication sans fil en milieu confiné offrent un débit maximal de 1 Gbits/s. Toutefois, la disponibilité de systèmes offrants des débits de l'ordre de 2 à 10 Gbits/s deviendra dans un proche avenir, une nécessité compte-tenu de l'introduction des systèmes 4G avancés et les technologies 5G qui pointent à l’horizon. L’utilisation de fréquences élevées, particulièrement en bandes millimétriques, telle que la bande ISM à 60 GHz offrant 7 GHz de bande passante, est l'une des voies les plus directes et les plus simples pour atteindre un débit souhaitable entre 2-10 Gbits/s. Il est bien connu toutefois que les signaux à 60 GHz se propagent de façon erratique dans les endroits où se trouvent de nombreux obstacles, les composantes réfléchies et diffractées étant considérablement atténuées. Le type de polarisation de l'antenne d'émission et de réception est l'un des critères affectant la qualité de réception du signal, en plus des pertes additionnelles liées à l'absorption par l'oxygène dans l’air et les pertes de propagation associées au parcours. Pour palier partiellement à ces problèmes, les antennes doivent être directionnelles à polarisation circulaire avec un gain élevé et une large bande passante. Ce travail présente une nouvelle approche pour améliorer les propriétés de rayonnement des antennes BIE (Bande Interdite Électromagnétique) en utilisant une combinaison entre les antennes à résonateurs diélectriques DRA (Dielectric Resonator Antenna) et les superstrats métamatériaux pour profiter des avantages individuels de chacun d’eux. L’objectif est de concevoir, étudier analytiquement, numériquement et expérimentalement de nouvelles structures performantes de type BIE et de caractériser leur potentiel en termes de la bande passante, du gain, de l’efficacité et de la polarisation pour un fonctionnement optimal autour de 60 GHz, conformément aux exigences d’un canal minier. Initialement, une antenne émettrice originale BIE fonctionnant à 60 GHz, caractérisée par un gain élevé et une polarisation circulaire à large bande est proposée. Cette antenne est constituée d’un résonateur diélectrique en forme de croix (XDRA) et elle est utilisée comme une source d’alimentation pour générer la polarisation circulaire avec une couche supérieure de type FSS (surface sélective en fréquence) pour améliorer le gain et la bande passante de la source d’excitation. Ensuite, une nouvelle approche analytique pour calculer les propriétés de rayonnement des antennes BIE est développée. Pour satisfaire aux exigences des ondes millimétriques en termes de gain, on présente une autre antenne hybride basée sur la combinaison de la théorie des réseaux et la notion des antennes BIE monosource. Cette nouvelle structure multisources permet d’atteindre une amélioration de gain de 3.5 dB par rapport à l’antenne monosource mais, la bande passante de ces structures reste encore incompatible avec de nombreuses applications à 60 GHz. Pour remédier au problème de la bande passante limitée, une nouvelle approche hybride est subséquemment introduite. Cette technique est basée sur l’excitation de la structure BIE par des antennes à résonateur diélectrique multi segments et, ensuite, le concept du superstrat métamatériau est introduit pour améliorer le produit gain- bande passante. Finalement, pour rendre la communication plus flexible soit que les antennes peuvent être utilisées simultanément en tant qu’émetteur et récepteur, une structure BIE unique à polarisation configurable est conçue. La structure est composée d'une excitation sous la forme d'une antenne à résonateur diélectrique pyramidal DRA recouvert avec un superstrat FSS. Ce dispositif est capable de basculer entre la polarisation circulaire et linéaire par une simple rotation mécanique du résonateur diélectrique de 45 degrés. L'avantage de cette structure réside dans le fait que les propriétés de la bande passante, du gain, de l’efficacité et de la forme des diagrammes de rayonnement sont maintenues stables lors de la commutation entre les deux configurations de polarisation circulaire et linéaire. / A reliable communication system in confined areas, in particular underground mines, can largely increase safety and production output. Today’s, wireless data rates in confined environments are limited to a maximum of about 1 Gbits/s. The demand for wireless 2 to 10 Gbits/s data rate systems will , however, become a necessity due to the introduction of advanced 4G technologies and the foreseeable implementation of 5G. The potential use of millimeter wave communication systems, such as ISM 60 GHz band, which offers 7 GHz of bandwidth, is one of the most direct and easiest ways to achieve such high data rate of 2–10 Gbits/s. It is well known that 60 GHz signals propagate erratically through in environments with many obstructions, since both the reflected and diffracted waves are significantly attenuated. The polarization of the transmitting and receiving antennas is one of the important parameter to take into account, along with additional losses due to oxygen absorption and propagation path loss in assessing received signal quality. These situations limit the communication achievable distance link and overcoming of these disadvantages requires circular polarization directive antennas with a high gain and broadband capability. This work presents a novel approach to improve the radiation properties of Electromagnetic Band Gap antennas (EBG) using a combination between dielectric resonator and metamaterial superstrate to take advantage of the individual benefits of each of them. The aim is to design, study analytically, numerically and experimentally new performant EBG structures and characterize their potential in terms of bandwidth, gain, efficiency and polarization for an optimum performance around 60 GHz fulfilling the requirements of a mining environment. Initially, an original transmitting 60 GHz antenna with high gain, broadband, circularly polarized Electromagnetic Band Gap (EBG) antenna is presented. The designed antenna is configured with a superstrate based on a frequency selective surface (FSS) placed in front of a Cross Dielectric Resonator (XDRA), installed into a ground plane, which acts as an excitation source. Then, a new analytical approach is developed to derive the radiation properties of the proposed EBG antenna. To satisfy millimeter wave requirements in terms of gain, another hybrid antenna based on the combination of superstrate structures and array technology has been developed. This new multi-source structure has achieved a gain improvement of 3.5 compared to the monosource antenna. However, the bandwidth of these structures remains incompatible with many applications at 60 GHz. To overcome the problem of the limited bandwidth, a new hybrid approach is introduced. This technique is based, on the excitation of the structure by a multilayer cylindrical dielectric resonator antenna, and then, the concept of metamaterial superstrate is introduced for enhancing the gain-bandwidth product. Finally, to make communication more flexible so that the antennas can be used for transmission and reception simultaneously, a new reconfigurable polarisation EBG antenna is designed. The structure is composed of an exciting pyramidal DRA source covered with FSS superstrate. The device can switch between circular and linear polarization by a simple mechanical rotation of the pyramidal DRA by 45°. The advantage of this structure resides in the fact that it maintain stable bandwidth gain, efficiency and radiation properties when switching between the two configurations of circular and linear polarization.

Dans ce mémoire, de nouvelles approches ont été introduites pour concevoir les systèmes de communication fiables, Section 1, et sécurisées, Section 2, où les codes LDPC ont été choisis comme schéma de codage principal. Ce mémoire comprend deux sections : Section 1 : Les codes LDPC réguliers et irréguliers sont définis et différents décodeurs basés sur l’échange de message de décisions fermes et souples sont introduits. Par la suite, quelques définitions, comme le seuil des codes LDPC utilisant l’évolution de la densité de probabilité (ou la propagation de croyance), l’écart multiplicatif et les distributions de degrés de noeuds de parité et de noeuds de variable, sont énoncées. Par après, ces concepts préliminaires sont utilisés pour concevoir des ensembles de code LDPC irréguliers approchant la capacité du canal à l’aide de programmation linéaire et d’un algorithme génétique. Section 2 : Une méthode est introduite pour l’amélioration du secret dans ce genre de système. Cette méthode fonctionne sur la base de demande de retransmission de paquets d’information. Selon cette approche, lorsque le récepteur ne peut pas converger vers le bon message, une demande de retransmission est envoyée. Au lieu d’envoyer le paquet entier dans le cas d’une défaillance à la sortie du décodeur du destinataire, la retransmission des sous-paquets est explorée. Le système proposé dans cette phase est appelé protocole HARQ-Granulaire Adaptatif (AG-HARQ). Il essaie de réduire au minimum le taux requis pour un décodage réussi par les parties légitimes tout en augmentant la sécurité en minimisant les fuites d’information vers un espion éventuel. En outre, pour améliorer encore le niveau de sécurité dans la méthode AG-HARQ proposée, le schéma de contamination d’erreur intra-trame (IntraEC) et le schéma de contamination d’erreur inter-trame (InterEC) sont utilisés en conjonction avec cette méthode. Cette combinaison permet un haut niveau de sécurité dans le système de communication sans fil. / In this memoir, new approaches have been introduced for designing reliable, Section 1, and secure, Section 2, communication systems where the LDPC codes have been chosen as the principal coding scheme. This memoir comprises two sections: Section 1: Regular and irregular LDPC codes are defined and different message passing decoders based on hard and soft decisions are introduced. Afterward, some definitions like the threshold of LDPC codes using Density Evolution (or Belief Propagation), the Multiplicative Gap, and the check node and variable node degree distributions are explained in detail. Later, these preliminary concepts are used to design the channel capacity approaching Irregular LDPC codes combining Genetic Algorithm and Linear Programming. Section 2: A new scheme is introduced for secrecy enhancement for these systems. This method is based on feedback retransmission requests. With this approach, when the intended recipient cannot converge to the right message, a retransmission request is sent back to the transmitter. The retransmission of the sub-packets, instead of sending the whole packet in the case of failure at the intended recipient’s decoder output, is explored in detail. Our proposed scheme is called Adaptive Granular Hybrid Automatic Repeat reQuest (AG-HARQ) protocol, which tries to minimize the required rate for successful decoding of the legitimate parties while amplifying the privacy by minimizing the information leakage to a wiretapper. In addition, to further improve the security level of the proposed AG-HARQ method, Intra-frame error contamination (IntraEC) and Inter-frame error contamination (InterEC) schemes are used in conjunction with this method. This combination can provide a high level of security in wireless communication systems.

Dans ce mémoire, nous présentons de nouvelles architectures de différents biocapteurs électrochimiques discrets et intégrés appelés potentiostats. Tous les potentiostats développés sont basés sur une structure entièrement différentielle pour une meilleure sensibilité et une meilleure précision. Deux conceptions discrètes à un et quatre canaux ont été proposées. La conception discrète à un canal détecte la molécule de dopamine avec un courant de l’ordre du nA et une consommation électrique de 120 mW. Cette architecture a été développée sur une carte de circuit imprimé (PCB) de 20 mm x 35 mm. L’architecture discrète à quatre canaux est la version améliorée de la précédente en termes de superficie, de sensibilité et de consommation électrique. Une autre version du potentiostat, implémentée sur un PCB de 15 mm x 15 mm, peut mesurer les courants d’oxydoréduction dans la plage du pA avec une consommation de puissance de 60 mW. L’avantage de la structure à multicanaux est qu’elle offre des sensibilités différentes allant du pA au mA pour chaque canal. Une chambre microfluidique de 7,5 mm x 5 mm avec deux entrées et une sortie a été déposée sur le PCB. Une solution saline tampon au phosphate (PBS) avec une solution de ferrocyanure a été utilisée pour tester la fonctionnalité du système réalisé. La voltampérométrie cyclique a été utilisée comme technique de détection. Un comportement linéaire a été observé lorsque la concentration des neurotransmetteurs change. De plus, un potentiostat intégré a été proposé et fabriqué en technologie CMOS 180 nm, basé sur une structure entièrement « différentiel de différence » (Fully Differential Diffrence Amplifier FDDA) pour une faible consommation de puissance et un système à haute sensibilité. Cette nouvelle configuration a été conçue pour la détection des neurotransmetteurs en très faible concentration avec un faible bruit et une plage dynamique élevée. Cette architecture intégrée peut détecter les courants dans une plage inférieure au pA avec un bruit d’entrée faible de 6,9 μVrms tout en consommant seulement 53,9 μW. Le potentiostat proposé est dédié aux dispositifs implantables à faible consommation de puissance et à sensibilité et linéarité élevées. / In this thesis, we present different discrete and integrated electrochemical biosensors. All these designed potentiostats are based on fully-differential architecture to enhance sensitivity and accuracy. Two complete single channel and four-channel discrete designs were fabricated. The single channel discrete design imaged the dopamine neurotransmitter with the sensed current of approximately low nano-ampere and power consumption of 120 mW implemented on a 20 x 35 mm PCB. The four-channel discrete design was the improved version of previous one in terms of area, sensitivity and power consumption. The 15 x 15 mm PCB was able to measure the reduction-oxydation currents in the range of high pico-ampere while consuming 60 mW. The advantage of the multichannel architecture is to provide a system with different sensitivity going from pA to mA for each channel. A microfluidic 7.5 x 5 mm chamber with two inlets and one outlet was bonded to the PCB. A phosphate buffered saline (PBS) with ferrocyanide solution was used to test the functionality of the implemented system. Cyclic voltammetry has been used as a detection technique. A linear behavior had been observed when the neurotransmitter concentration changed. An integrated CMOS potentiostat was designed and fabricated in 180 nm technology based on a fully-differential-difference architecture for a low power consumption and also high sensitivity system. This new architecture was designed in order to sense ultra-low concentration of neurotransmitters with low noise and high dynamic range. This integrated design was able to image currents in the range of sub-pA with low input-referred noise of 6.9 µVrms while consuming only 53.9 µW. The proposed potentiostat is dedicated for implantable devices with low power consumption and high sensitivity and linearity.

La compression est un incontournable lorsque des modèles triangulaires 3D massifs doivent être transmis via un réseau de communication. La compression se doit d'être sans perte lorsque les modèles sont utilisés à des fins métrologiques. Cependant, les modèles capturés par scanneurs 3D contiennent généralement des artefacts de numérisation tels que la présence de trous dans le maillage, de petits regroupements distincts de triangles sous forme de surfaces ou de volumes ainsi que de singularités non-manifold (c.-à-d. un sommet appartenant à deux regroupement de triangles distincts). Ces aberrations rendent les techniques de compression standards inaptes à compresser sans échec le modèle. Ce mémoire propose une extension à une technique de compression et décompression sans perte des données topologiques nommée Edgebreaker. Le remplissage des trous par l'addition d'un sommet, l'insertion de faces triangulaires afin de lier les îlots ainsi que la duplication des sommets non-manifold sont proposées comme étapes de prétraitement afin de rendre le modèle compatible avec l'approche standard d'Edgebreaker. Les résultats obtenus démontrent que la solution proposée permet la compression sans perte de modèles hautement bruités à de hauts taux de compression. Les taux de compression résultants obtenus par notre approche se comparent également avec les taux observables pour des modèles sans imperfections compressés par Edgebreaker.

L’électronique de puissance a pénétré depuis quelques décennies les applications à forte puissance dans de nombreux domaines de l’industrie électrique. Au-delà de l’apparition des technologies d’interrupteur à forte puissance commutable en moyenne tension, ces applications imposaient également des avancées dans le domaine des topologies de convertisseurs statiques : les principaux défis à affronter concernaient l’atteinte de niveaux de tension compatibles avec le domaine de puissance des applications, l’augmentation de la fréquence de commutation apparente en sortie afin d’augmenter la bande passante de la commande, de réduire la taille des éléments de filtrage et de limiter les harmoniques de courant injectés dans le réseau d’alimentation. Les topologies de convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC) sont issues de cette problématique de recherche : elles permettent grâce à l’association de cellules de commutation d’atteindre des niveaux de tension exploitables en grande puissance avec les technologies d’interrupteurs existantes, de limiter les fréquences et les pertes de commutation des interrupteurs élémentaires tout en maîtrisant la distorsion harmonique totale (THD). La modularité, la redondance, les degrés de liberté et les fonctionnalités des MMC leur permettent aussi d’augmenter la tolérance aux défauts. Ils pénètrent à présent une large gamme d'applications comme le transport à courant continu en haute tension (HVDC), les systèmes d'énergie renouvelable, les entraînements à vitesse variables de grande puissance, la traction ferroviaire et maritime ainsi que des applications spécifiques très contraignantes en matière de performance dynamique comme les systèmes d’alimentation des électro-aimants dans les accélérateurs de particules. Les topologies MMC sont composées de cellules de commutation élémentaires utilisant des interrupteurs électroniques tels que le Thyristor à Commande Intégrée (IGCT) standard ou les dernières génération d’IGBT. Les convertisseurs MMC ont fait l’objet de nombreux travaux de recherche et de développement en ce qui concerne les topologies, la modélisation et le calcul du fonctionnement en régime permanent et transitoire, le calcul des pertes, le contenu harmonique des grandeurs électriques et les systèmes de commande et de régulation. Par contre le dimensionnement de ces structures est rarement abordé dans les travaux publiés. Comme la grande majorité des topologies de convertisseurs statiques, les convertisseurs MMC sont composés non seulement d’interrupteurs mais aussi d’organes de stockage d’énergie de type composants diélectriques (condensateurs) et magnétiques (inductances, coupleurs) qui sont essentiels pour assurer la conversion des grandeurs électriques en entrée et en sortie. Ces composants ont une forte influence sur la taille, le volume et le rendement des convertisseurs et le dimensionnement optimal de ces derniers résulte souvent de compromis entre la taille des composants passifs, la fréquence et la puissance commutable par les interrupteurs élémentaires. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire concerne le développement d’une méthodologie de dimensionnement optimal et global des MMC intégrant les composants actifs et passifs, respectant les contraintes des spécifications de l’application et maximisant certains objectifs de performance. Cette méthodologie est utilisée pour analyser divers compromis entre le rendement global du convertisseur et sa masse, voire son volume. Ces divers scénarios peuvent être également traduits en termes de coût si l’utilisateur dispose du prix des composants disponibles. Diverses solutions concurrentes mettant en œuvre un nombre de cellules spécifique adaptées à des interrupteurs de caractéristiques différentes en termes de calibre de tension, de courant et de pertes associés peuvent ainsi être comparées sur la base de spécifications d’entrée-sortie identiques. La méthodologie est appliquée au dimensionnement d’un convertisseur MMC utilisé comme étage d’entrée (« Active Front-end » : AFE) d’une alimentation d’électro-aimant pulsée de grande puissance. Dans une première partie, une méthode de calcul rapide, précise et générique du régime permanent du convertisseur MMC est développée. Elle présente la particularité de prendre en compte la fréquence de commutation contrairement aux approches conventionnelles utilisant la modélisation en valeurs moyennes. Cet outil se révèle très utile dans l’évaluation du contenu harmonique qui est contraint par les spécifications, il constitue le cœur de l’environnement de conception du convertisseur. Contrairement aux convertisseurs conventionnels, il existe des courants de circulation dans les convertisseurs MMC qui les rendent complexe à analyser. Les inductances de limitation incorporées dans les bras de la topologie sont généralement volumineux et pénalisants en termes de volume et de masse. Il est courant d’utiliser des inductances couplées afin de réduire l'ondulation , la THD et la masse. Dans le travail présenté, un circuit équivalent des inductances couplée tenant compte de l'effet de saturation est développé et intégré à l’environnement. L’utilisation d’inductances couplée augmente la complexité de l'analyse du fonctionnement et la précision de leur méthode de dimensionnement est critique pour l’optimisation globale du convertisseur. Un modèle analytique de dimensionnement de ces composants a été développé et intégré dans l’environnement ainsi qu’un modèle de complexité supérieure qui utilise le calcul des champs par éléments finis. La méthodologie de conception optimale et globale proposée utilise une procédure d’optimisation non linéaire avec contraintes qui pilote l’outil de calcul de régime permanent, le modèles de dimensionnements à plusieurs niveaux de complexité des composants passifs ainsi que d’autres modules permettant de quantifier les régimes de défaut. Pour pallier à la précision réduite des modèles analytiques, une approche d'optimisation hybride est également implantée dans l’environnement. Dans la boucle d'optimisation hybride, le modèle de dimensionnement des inductances peut être corrigé par le modèle de complexité supérieure qui utilise le calcul des champs. On obtient ainsi un meilleure compromis entre la précision de la solution optimale et le temps de convergence de la méthode itérative d’optimisation globale. / In the last decades, power electronics has penetrated high power applications in many areas of the electrical industry. After the emergence of high-voltage semiconductor switch technologies these applications also required advances in the field of static converter topologies: The main challenges were to achieve voltage levels compatible with the application power domain, to increase the apparent switching frequency at the output, to increase the control bandwidth, to reduce the size of the elements of filtering and of limiting the current harmonics injected into the supply network. The topologies of multi-level modular converters (MMC) are based on this research problem: they enable the use of switching cells to achieve high power levels that can be used with existing switch technologies, frequencies and switching losses of the elementary switches while controlling the total harmonic distortion (THD). Modularity, redundancy, degrees of freedom and MMC functionality also allow them to increase fault tolerance. They now penetrated a wide range of applications, such as high-voltage DC (HVDC), renewable energy systems, high-speed variable speed drives, rail and marine traction, and very specific applications in terms of dynamic performance such as electromagnet power systems in particle accelerators. MMC topologies are composed of elementary switching cells using electronic switches such as the standard Integrated Control Thyristor (IGCT) or the latest generation of IGBTs. MMC converters have been the subject of extensive research and development work on topologies, modeling, and calculation of steady-state and transient operation, loss calculation, the harmonic content of electrical quantities and systems control and regulation functions. On the other hand, the dimensioning methodology of these structures is rarely addressed in the published works. Like most static converter topologies, MMC converters are composed not only of switches but also passive components of energy storage devices (capacitors) and magnetic (inductors, couplers) that are essential to ensure the conversion of the input and output electrical quantities. These components have a strong influence on the size, the volume and the efficiency of the converters and the optimal dimensioning of the latter often result from a compromise between the size of the passive components, the frequency and the power switchable by the elementary switches. The research presented in this thesis concerns the development of an optimal and comprehensive design methodology for MMCs integrating active and passive components, respecting the constraints of the application specifications and maximizing certain performance objectives. This methodology is used to analyze the various trade-off between the overall efficiency of the converter and its mass, or even its volume. These various scenarios can also be translated into cost if the user has the price of the available components. Various competing solutions using a specific number of cells adapted to switches with different characteristics in terms of voltage, current, and associated losses can thus be compared on the basis of identical input-output specifications. The methodology is applied to the dimensioning of an MMC converter used as an active front-end (AFE) input of a high-power pulsed solenoid power supply. In the first part, a fast, precise and generic method for calculating the steady-state model of MMC converter is developed. It has the particularity of taking into account the switching frequency as opposed to conventional approaches using modeling in mean values. This tool is very useful in evaluating the harmonic content that is constrained by the specifications, it is the heart of the design environment of the converter. Unlike conventional converters, there are circulation currents in MMC converter structure that make it complex to analyze. The inductors which are used in the arms of the topology are generally bulky and expensive in terms of volume and mass. It is common to use coupled inductors to reduce ripple, THD, and mass. In the presented work, an equivalent circuit of coupled inductances considering the saturation effect is developed and integrated. The use of coupled inductors increases the complexity of the analysis and the precision of its sizing method is critical for the overall optimization of the converter. An analytical model for the dimensioning of these components has been developed and integrated as well as a higher complexity model which uses the finite element method calculation. The proposed optimal and global design methodology uses a nonlinear optimization procedure with constraints that drive the steady-state computing tool, multi-level design models of passive component complexity, and other modules to quantify the fault state. To compensate the low precision of the analytical models, a hybrid optimization approach is also implemented. In the hybrid optimization loop, the inductance-sizing model can be corrected by the higher complexity model that uses finite element computation. A better compromise is thus obtained between the precision of the optimal results and convergence time of the iterative global optimization method.

Thèse en cotutelle : Université Laval Québec, Canada et Université Rennes 1 / ENSSAT Lannion, France / 337931\u La diffusion Brillouin stimulée se manifeste, à partir d’une certaine intensité lumineuse, par la génération d’une onde « Stokes » rétrodiffusée, suite à l’interaction entre la lumière incidente de la « Pompe » et les ondes « acoustiques » présentes dans le milieu diffusant. À partir de ce seuil, toute la puissance supplémentaire peut être transférée à l’onde Stokes. Si dans ce sens, la diffusion Brillouin stimulée constitue une limitation majeure pour les télécommunications par fibres optiques, elle revêt néanmoins une importance particulière pour bien d’autres domaines. En effet, lors de sa génération, l’onde Stokes subit un décalage de fréquence (que l’on appelle décalage Brillouin ou encore fréquence Brillouin), qui est directement proportionnel entre autres à l’indice de réfraction effectif du milieu diffusant et à la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans ce milieu. Le décalage Brillouin dépend des propriétés chimiques et physiques des fibres optiques. Il présente une grande sensibilité à tous les effets qui peuvent modifier la vitesse de l’onde acoustique (variation de température, contraintes, concentration de dopants, …). Cette propriété permet d’étudier la composition des fibres et confère à la diffusion Brillouin stimulée la potentialité pour la réalisation de capteurs à fibres optiques. Le processus de diffusion Brillouin stimulée s’accompagne aussi d’un gain pour l’onde Stokes rétrodiffusée. Il peut donc être utilisé pour la réalisation d’amplificateurs et de lasers à fibres optiques. Les premiers travaux sur le laser à fibre Brillouin ont permis de montrer que celui-ci peut être très cohérent et très peu bruité, favorisant ainsi son utilisation dans de multiples domaines comme la défense, la métrologie et les télécommunications. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié expérimentalement les propriétés statiques et dynamiques du laser à fibre Brillouin multi-Stokes, obtenu en cascadant l’effet non-linéaire Brillouin dans la fibre optique. En effet, l’onde Stokes générée (que nous appelons désormais l’onde Stokes d’ordre 1), placée dans une cavité doublement résonante, peut créer, lorsque la puissance est suffisante, une deuxième onde Stokes (l’onde Stokes d’ordre 2) dans la cavité Brillouin, pouvant donner naissance à un laser à fibre Brillouin à 2 ordres de Stokes. On peut imaginer, en augmentant la puissance de Pompe incidente, reproduire le même effet pour obtenir un laser à fibre Brillouin à plusieurs ordres d’ondes Stokes. Notre objectif est d’abord de caractériser correctement la diffusion Brillouin stimulée dans une fibre optique, ensuite de placer cette fibre dans une cavité Brillouin en vue d’en réaliser un laser à fibre Brillouin et enfin de caractériser celui-ci en termes de puissance de sortie, de bruit de fréquence et de bruit d’intensité. Nous montrons expérimentalement que : toute onde circulant dans la cavité Brillouin et qui atteint la puissance (critique) de seuil Brillouin peut générer une onde Stokes dans la cavité. L’onde génératrice voit alors sa puissance clampée au profit de l’onde Stokes créée ; le bruit de fréquence de la Pompe (incidente à la cavité Brillouin) est toujours plus fort que celui du laser Brillouin. La génération d’une onde Stokes d’ordre N+1 fait diminuer le bruit de fréquence du laser Brillouin d’ordre N tandis que la présence d’une onde Stokes d’ordre N+2 le fait augmenter ; le bruit d’intensité du laser Brillouin d’ordre N peut devenir inférieur à celui de la Pompe incidente lorsque la puissance de l’onde Stokes d’ordre N circulant dans la cavité est verrouillée à la puissance de seuil Brillouin. Un réglage de l’asservissement du laser est alors nécessaire pour minimiser les effets de « mode-pulling », qui peut faire varier l’intensité du laser / 337932\u La diffusion Brillouin stimulée se manifeste, à partir d’une certaine intensité lumineuse, par la génération d’une onde « Stokes » rétrodiffusée, suite à l’interaction entre la lumière incidente de la « Pompe » et les ondes « acoustiques » présentes dans le milieu diffusant. À partir de ce seuil, toute la puissance supplémentaire peut être transférée à l’onde Stokes. Si dans ce sens, la diffusion Brillouin stimulée constitue une limitation majeure pour les télécommunications par fibres optiques, elle revêt néanmoins une importance particulière pour bien d’autres domaines. En effet, lors de sa génération, l’onde Stokes subit un décalage de fréquence (que l’on appelle décalage Brillouin ou encore fréquence Brillouin), qui est directement proportionnel entre autres à l’indice de réfraction effectif du milieu diffusant et à la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans ce milieu. Le décalage Brillouin dépend des propriétés chimiques et physiques des fibres optiques. Il présente une grande sensibilité à tous les effets qui peuvent modifier la vitesse de l’onde acoustique (variation de température, contraintes, concentration de dopants, …). Cette propriété permet d’étudier la composition des fibres et confère à la diffusion Brillouin stimulée la potentialité pour la réalisation de capteurs à fibres optiques. Le processus de diffusion Brillouin stimulée s’accompagne aussi d’un gain pour l’onde Stokes rétrodiffusée. Il peut donc être utilisé pour la réalisation d’amplificateurs et de lasers à fibres optiques. Les premiers travaux sur le laser à fibre Brillouin ont permis de montrer que celui-ci peut être très cohérent et très peu bruité, favorisant ainsi son utilisation dans de multiples domaines comme la défense, la métrologie et les télécommunications. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié expérimentalement les propriétés statiques et dynamiques du laser à fibre Brillouin multi-Stokes, obtenu en cascadant l’effet non-linéaire Brillouin dans la fibre optique. En effet, l’onde Stokes générée (que nous appelons désormais l’onde Stokes d’ordre 1), placée dans une cavité doublement résonante, peut créer, lorsque la puissance est suffisante, une deuxième onde Stokes (l’onde Stokes d’ordre 2) dans la cavité Brillouin, pouvant donner naissance à un laser à fibre Brillouin à 2 ordres de Stokes. On peut imaginer, en augmentant la puissance de Pompe incidente, reproduire le même effet pour obtenir un laser à fibre Brillouin à plusieurs ordres d’ondes Stokes. Notre objectif est d’abord de caractériser correctement la diffusion Brillouin stimulée dans une fibre optique, ensuite de placer cette fibre dans une cavité Brillouin en vue d’en réaliser un laser à fibre Brillouin et enfin de caractériser celui-ci en termes de puissance de sortie, de bruit de fréquence et de bruit d’intensité. Nous montrons expérimentalement que : toute onde circulant dans la cavité Brillouin et qui atteint la puissance (critique) de seuil Brillouin peut générer une onde Stokes dans la cavité. L’onde génératrice voit alors sa puissance clampée au profit de l’onde Stokes créée ; le bruit de fréquence de la Pompe (incidente à la cavité Brillouin) est toujours plus fort que celui du laser Brillouin. La génération d’une onde Stokes d’ordre N+1 fait diminuer le bruit de fréquence du laser Brillouin d’ordre N tandis que la présence d’une onde Stokes d’ordre N+2 le fait augmenter ; le bruit d’intensité du laser Brillouin d’ordre N peut devenir inférieur à celui de la Pompe incidente lorsque la puissance de l’onde Stokes d’ordre N circulant dans la cavité est verrouillée à la puissance de seuil Brillouin. Un réglage de l’asservissement du laser est alors nécessaire pour minimiser les effets de « mode-pulling », qui peut faire varier l’intensité du laser