Cette recherche évalue de nouvelles approches pour améliorer la performance des solutions de navigation pour lanceurs de satellite. La première est l’utilisation des données de la trajectoire de référence. L’idée de cette approche est de pondérer, tout au long de la mission, la confiance sur le fait que le lanceur suit la trajectoire prédite afin d’exploiter les données d’attitude de la trajectoire de référence dans la solution de navigation. La seconde approche est l’ajout d’un modèle stochastique du lanceur à la solution de navigation. Pour ce modèle, l’accélération et la vélocité angulaire sont représentées par une marche aléatoire dont la variance est ajustée en fonction de la connaissance des forces agissantes sur le lanceur. Finalement, l’usage de plusieurs unités de mesures inertielles bas de gamme est comparé à l’usage d’une seule unité de mesures inertielles de meilleure qualité. Le recours à plusieurs unités de mesures inertielles permet de répartir celles-ci sur la structure du lanceur. L’effet du positionnement de ces unités de mesures est évalué en comparant des solutions de navigation dont tous les capteurs sont placés dans la tête du lanceur à une solution où les capteurs sont répartis dans la tête de chacun des étages du lanceur. Quelques approches pour effectuer la fusion des unités de mesures inertielles sont testées ; fusion de toutes les unités de mesures dans une seule centrale inertielle, fusion de plusieurs centrales inertielles et fusion de plusieurs centrales inertielles avec contraintes géométrique. Pour plusieurs des solutions proposées ainsi que pour plusieurs autres déjà existantes, une étude exhaustive de l’observabilité est effectuée. L’observabilité est vérifiée à l’aide de la matrice d’observabilité, de l’étude de la propagation de la matrice de covariance et de l’analyse à la sensibilité à une mesure aberrante. Finalement, une méthode simplifiée pour évaluer les performances des solutions de navigation inertielle sur une trajectoire fixe est présentée. Les résultats montrent que l’usage des données de la trajectoire de référence permet de réduire l’erreur d’estimation du roulis. Cependant, l’ajout de ces données n’améliore pas l’observabilité du modèle de base sur lequel celles-ci sont ajoutées. Le recours à un modèle stochastique de la dynamique du lanceur n’apporte que des gains marginaux sur les estimations d’attitude, de vélocité et de position. Par contre, cette approche améliore substantiellement les estimations d’accélération et de vélocité angulaire. La distribution des capteurs inertiels sur la structure du lanceur n’améliore pas la précision de navigation. Cette dernière est même dégradée lorsque des capteurs sont perdus en raison des largages d’étages. La fusion de plusieurs unités de mesures inertielles à l’aide d’une centrale inertielle offre des performances équivalentes à celles obtenues avec une seule unité de mesure. Par contre, la fusion de plusieurs centrales inertielles permet de réduire l’erreur d’estimation. Qui plus est, des gains additionnels peuvent être obtenus lorsque des contraintes géométriques sur l’attitude, la vélocité et la position relatives entre les centrales inertielles sont ajoutées à cette dernière approche. Les tests d’observabilité ont montré que la modélisation des biais de capteurs par un processus de Markov plutôt que par une marche aléatoire a peu d’impact sur l’observabilité du modèle. De plus, sur une mission de courte durée, le choix du modèle pour représenter les biais de capteurs n’a qu’un effet négligeable sur la précision des estimations. Les analyses d’observabilité ont aussi montré que le recours à un seul récepteur GPS n’est pas suffisant pour assurer l’observabilité du roulis et que le biais de mesure de position du récepteur GPS n’est pas observable. / This research evaluates new approaches to improve the performance of navigation solutions for satellite launchers. The first is the use of data from the reference trajectory. The idea of this approach is to weigh, throughout the mission, the confidence that the launcher follows the predicted trajectory in order to exploit the attitude data of the reference trajectory in the navigation solution. The second approach is to add a stochastic model of the launcher to the navigation solution. For this model, the acceleration and the angular velocity are represented by a random walk whose variance is adjusted according to the knowledge of the forces acting on the launcher. Finally, the use of several low-end inertial measurement units is compared to the use of a single higher quality inertial measurement unit. The use of several inertial measurement units makes it possible to distribute these on the structure of the launcher. The effect of the positioning of these measurement units is evaluated by comparing navigation solutions of which all the sensors are placed in the head of the launcher to a solution where the sensors are distributed in the head of each stage of the launcher. Some approaches for merging the inertial measurement units data are tested; fusion of all the inertial measurement units in a single inertial navigation system, fusion of several inertial navigation systems and fusion of several inertial navigation systems with geometric constraints. For many of the proposed solutions as well as for several others already in existence, an exhaustive study of the observability is carried out. The observability is verified using the observability matrix, the study of the propagation of the covariance matrix and the analysis of the sensitivity to measurement outliers. Finally, a simplified method for evaluating the performance of inertial navigation solutions on a fixed trajectory is presented. The results show that the use of the reference trajectory data makes it possible to improve the roll estimate. However, adding these data does not improve the observability of the base model on which they are added. The use of a stochastic model of the launcher dynamics provides marginal gains on attitude, velocity and position estimates. On the other hand, this approach substantially improves the acceleration and angular velocity estimates. The distribution of inertial sensors on the launcher structure does not improve navigation accuracy. The latter is even degraded when sensors are lost due to stage jettisoning. Merging several inertial measurement units with a single inertial navigation system provides performance equivalent to that achieved with a single inertial measurement unit. On the other hand, the fusion of several inertial navigation systems makes it possible to reduce the estimation error. Moreover, additional gains can be obtained when geometric constraints on the relative attitude, velocity and position between inertial navigation systems are added to this latter approach. Observability tests have shown that modelling sensor biases by a Markov process rather than a random walk has little impact on the observability of the model. In addition, on a short-term mission, the choice of the model to represent the sensor bias has only a negligible effect on the precision of the estimates. Observability analyzes have also shown that the use of a single GPS receiver is not sufficient to ensure the observability of the roll and that the position measurement bias of the GPS receiver is not observable.

Cette recherche évalue de nouvelles approches pour améliorer la performance des solutions de navigation pour lanceurs de satellite. La première est l’utilisation des données de la trajectoire de référence. L’idée de cette approche est de pondérer, tout au long de la mission, la confiance sur le fait que le lanceur suit la trajectoire prédite afin d’exploiter les données d’attitude de la trajectoire de référence dans la solution de navigation. La seconde approche est l’ajout d’un modèle stochastique du lanceur à la solution de navigation. Pour ce modèle, l’accélération et la vélocité angulaire sont représentées par une marche aléatoire dont la variance est ajustée en fonction de la connaissance des forces agissantes sur le lanceur. Finalement, l’usage de plusieurs unités de mesures inertielles bas de gamme est comparé à l’usage d’une seule unité de mesures inertielles de meilleure qualité. Le recours à plusieurs unités de mesures inertielles permet de répartir celles-ci sur la structure du lanceur. L’effet du positionnement de ces unités de mesures est évalué en comparant des solutions de navigation dont tous les capteurs sont placés dans la tête du lanceur à une solution où les capteurs sont répartis dans la tête de chacun des étages du lanceur. Quelques approches pour effectuer la fusion des unités de mesures inertielles sont testées ; fusion de toutes les unités de mesures dans une seule centrale inertielle, fusion de plusieurs centrales inertielles et fusion de plusieurs centrales inertielles avec contraintes géométrique. Pour plusieurs des solutions proposées ainsi que pour plusieurs autres déjà existantes, une étude exhaustive de l’observabilité est effectuée. L’observabilité est vérifiée à l’aide de la matrice d’observabilité, de l’étude de la propagation de la matrice de covariance et de l’analyse à la sensibilité à une mesure aberrante. Finalement, une méthode simplifiée pour évaluer les performances des solutions de navigation inertielle sur une trajectoire fixe est présentée. Les résultats montrent que l’usage des données de la trajectoire de référence permet de réduire l’erreur d’estimation du roulis. Cependant, l’ajout de ces données n’améliore pas l’observabilité du modèle de base sur lequel celles-ci sont ajoutées. Le recours à un modèle stochastique de la dynamique du lanceur n’apporte que des gains marginaux sur les estimations d’attitude, de vélocité et de position. Par contre, cette approche améliore substantiellement les estimations d’accélération et de vélocité angulaire. La distribution des capteurs inertiels sur la structure du lanceur n’améliore pas la précision de navigation. Cette dernière est même dégradée lorsque des capteurs sont perdus en raison des largages d’étages. La fusion de plusieurs unités de mesures inertielles à l’aide d’une centrale inertielle offre des performances équivalentes à celles obtenues avec une seule unité de mesure. Par contre, la fusion de plusieurs centrales inertielles permet de réduire l’erreur d’estimation. Qui plus est, des gains additionnels peuvent être obtenus lorsque des contraintes géométriques sur l’attitude, la vélocité et la position relatives entre les centrales inertielles sont ajoutées à cette dernière approche. Les tests d’observabilité ont montré que la modélisation des biais de capteurs par un processus de Markov plutôt que par une marche aléatoire a peu d’impact sur l’observabilité du modèle. De plus, sur une mission de courte durée, le choix du modèle pour représenter les biais de capteurs n’a qu’un effet négligeable sur la précision des estimations. Les analyses d’observabilité ont aussi montré que le recours à un seul récepteur GPS n’est pas suffisant pour assurer l’observabilité du roulis et que le biais de mesure de position du récepteur GPS n’est pas observable. / This research evaluates new approaches to improve the performance of navigation solutions for satellite launchers. The first is the use of data from the reference trajectory. The idea of this approach is to weigh, throughout the mission, the confidence that the launcher follows the predicted trajectory in order to exploit the attitude data of the reference trajectory in the navigation solution. The second approach is to add a stochastic model of the launcher to the navigation solution. For this model, the acceleration and the angular velocity are represented by a random walk whose variance is adjusted according to the knowledge of the forces acting on the launcher. Finally, the use of several low-end inertial measurement units is compared to the use of a single higher quality inertial measurement unit. The use of several inertial measurement units makes it possible to distribute these on the structure of the launcher. The effect of the positioning of these measurement units is evaluated by comparing navigation solutions of which all the sensors are placed in the head of the launcher to a solution where the sensors are distributed in the head of each stage of the launcher. Some approaches for merging the inertial measurement units data are tested; fusion of all the inertial measurement units in a single inertial navigation system, fusion of several inertial navigation systems and fusion of several inertial navigation systems with geometric constraints. For many of the proposed solutions as well as for several others already in existence, an exhaustive study of the observability is carried out. The observability is verified using the observability matrix, the study of the propagation of the covariance matrix and the analysis of the sensitivity to measurement outliers. Finally, a simplified method for evaluating the performance of inertial navigation solutions on a fixed trajectory is presented. The results show that the use of the reference trajectory data makes it possible to improve the roll estimate. However, adding these data does not improve the observability of the base model on which they are added. The use of a stochastic model of the launcher dynamics provides marginal gains on attitude, velocity and position estimates. On the other hand, this approach substantially improves the acceleration and angular velocity estimates. The distribution of inertial sensors on the launcher structure does not improve navigation accuracy. The latter is even degraded when sensors are lost due to stage jettisoning. Merging several inertial measurement units with a single inertial navigation system provides performance equivalent to that achieved with a single inertial measurement unit. On the other hand, the fusion of several inertial navigation systems makes it possible to reduce the estimation error. Moreover, additional gains can be obtained when geometric constraints on the relative attitude, velocity and position between inertial navigation systems are added to this latter approach. Observability tests have shown that modelling sensor biases by a Markov process rather than a random walk has little impact on the observability of the model. In addition, on a short-term mission, the choice of the model to represent the sensor bias has only a negligible effect on the precision of the estimates. Observability analyzes have also shown that the use of a single GPS receiver is not sufficient to ensure the observability of the roll and that the position measurement bias of the GPS receiver is not observable.

Afin d’étudier le cerveau humain dans le but d’aider les patients souffrant de maladies neurologiques, on a besoin d’une interface cérébrale entièrement implantable pour permettre l’accès direct aux neurones et enregistrer et analyser l’activité neuronale. Dans cette thèse, des interfaces cerveau-machine implantables (IMC) à très faible puissance basées sur plusieurs circuits et innovations de systèmes ont été étudiées pour être utilisées comme analyseur neuronal. Un tel système est destiné à recueillir l’activité neuronale émise par centaines de neurones tout en les activant à la demande en utilisant des moyens d’actionnement tels que l’électro- et / ou la photo-stimulation. Un tel système doit fournir plusieurs canaux d’enregistrement, tout en consommant très peu d’énergie, et présente une taille extrêmement réduite pour la sécurité et la biocompatibilité. Typiquement, un microsystème d’interfaçage avec le cerveau comprend plusieurs blocs, tels qu’un bloc analogique d’acquisition (AFE), un convertisseur analogique-numérique (ADC), des modules de traitement de signal numérique et un émetteur-récepteur de données sans fil. Un IMC extrait les signaux neuronaux du bruit, les numérise et les transmet à une station de base sans interférer avec le comportement naturel du sujet. Cette thèse se concentre sur les blocs analogiques d’acquisition à très faible consommation à utiliser dans l’IMC. Cette thèse présente des frontaux avec plusieurs stratégies innovantes pour consommer moins d’énergie tout en permettant des données de haute résolution et de haute qualité. Premièrement, nous présentons une nouvelle structure frontale utilisant un schéma de réutilisation du courant. Cette structure est extensible à un très grand nombre de canaux d’enregistrement, grâce à sa petite taille de silicium et à sa faible consommation d’énergie. L’AFE à réutilisation de courant proposée, qui comprend un amplificateur à faible bruit (LNA) et un amplificateur à gain programmable (PGA), utilise une nouvelle topologie de miroir de courant entièrement différentielle utilisant moins de transistors et améliorant plusieurs paramètres de conception, tels que la consommation d’énergie et du bruit, par rapport aux mises en oeuvre de circuit d’amplificateur de réutilisation de courant précédentes. Ensuite, dans la deuxième partie de cette thèse, nous proposons un nouveau convertisseur sigmadelta multicanal qui convertit plusieurs canaux indépendamment en utilisant un seul amplificateur et plusieurs condensateurs de stockage de charge. Par rapport aux techniques conventionnelles, cette méthode applique un nouveau schéma de multiplexage entrelacé, qui ne nécessite aucune phase de réinitialisation pour l’intégrateur lors du passage à un nouveau canal, ce qui améliore sa résolution. Lorsque la taille des puces n’est pas une priorité, d’autres approches peuvent être plus attrayantes, et nous proposons une nouvelle stratégie d’économie d’énergie basée sur un nouveau convertisseur sigma-delta à très basse consommation conçu pour réduire la consommation d’énergie. Ce nouveau convertisseur utilise une architecture basse tension basée sur une topologie prédictive innovante qui minimise la non-linéarité associée à l’alimentation basse tension. / Studying brain functionality to help patients suffering from neurological diseases needs fully implantable brain interface to enable access to neural activities as well as read and analyze them. In this thesis, ultra-low power implantable brain-machine-interfaces (BMIs) that are based on several innovations on circuits and systems are studied for use in neural recording applications. Such a system is intended to collect information on neural activity emitted by several hundreds of neurons, while activating them on demand using actuating means like electro- and/or photo-stimulation. Such a system must provide several recording channels, while consuming very low energy, and have an extremely small size for safety and biocompatibility. Typically, a brain interfacing microsystem includes several building blocks, such as an analog front-end (AFE), an analog-to-digital converter (ADC), digital signal processing modules, and a wireless data transceiver. A BMI extracts neural signals from noise, digitizes them, and transmits them to a base station without interfering with the natural behavior of the subject. This thesis focuses on ultra-low power front-ends to be utilized in a BMI, and presents front-ends with several innovative strategies to consume less power, while enabling high-resolution and high-quality of data. First, we present a new front-end structure using a current-reuse scheme. This structure is scalable to huge numbers of recording channels, owing to its small implementation silicon area and its low power consumption. The proposed current-reuse AFE, which includes a low-noise amplifier (LNA) and a programmable gain amplifier (PGA), employs a new fully differential current-mirror topology using fewer transistors. This is an improvement over several design parameters, in terms of power consumption and noise, over previous current-reuse amplifier circuit implementations. In the second part of this thesis, we propose a new multi-channel sigma-delta converter that converts several channels independently using a single op-amp and several charge storage capacitors. Compared to conventional techniques, this method applies a new interleaved multiplexing scheme, which does not need any reset phase for the integrator while it switches to a new channel; this enhances its resolution. When the chip area is not a priority, other approaches can be more attractive, and we propose a new power-efficient strategy based on a new in-channel ultra-low power sigma-delta converter designed to decrease further power consumption. This new converter uses a low-voltage architecture based on an innovative feed-forward topology that minimizes the nonlinearity associated with low-voltage supply.

La demande toujours croissante pour la capacité du réseau conduit au développement de systèmes de communication optique pour couvrir les normes Terabit Ethernet récemment proposées. Les applications de courte distance nécessitent une solution peu coûteuse et peu complexe avec détection directe. Cependant, le coût de la détection cohérente diminue chaque jour et en fait un bon candidat pour les applications à courte distance futures afin d'accroître l'efficacité spectrale et d'utiliser des formats de modulation avancés. Dans cette thèse, nous étudions des solutions pour les applications court-courrier actuelles et futures. Dans la première partie, nous nous concentrons sur des solutions pour les applications de courte distance. Le premier chapitre est la première démonstration de la transmission multi-tonalité discrète (DMT) à plus de 100 Gb/s en utilisant une photonique au silicium en bande O (SiP). Nous comparons expérimentalement le DMT avec la modulation d'amplitude d'impulsion (PAM) sur la bande O. Notre expérience montre qu'en augmentant la longueur des fibres de plus de 10 km, la PAM surpasse le DMT. Pour la bande C, nous utilisons un multi-ton discret à bande latérale unique (SSB-DMT) pour éviter l'effet d'évanouissement de la puissance induit par la dispersion chromatique. Nous étudions l'effet du bruit de phase, de la dispersion chromatique et de la sensibilité du récepteur pour optimiser le signal du DMT et extraire des équations théoriques pour calculer le taux d'erreur binaire (BER) du SSB-DMT. Ensuite, nous comparons la PAM sur bande O avec le SSB-DMT sur bande C et quantifions l'impact des limitations imposées par le matériel sur les deux formats de modulation. Notre étude fournit un outil analytique pour les applications de courte distance afin de sélectionner le format et le matériel de modulation appropriés en fonction de la portée requise, du débit binaire, etc. Dans la deuxième partie, le ciblage des futurs systèmes de détection cohérents justifié l'utilisation d'un format de modulation complexe avec détection cohérente. Nous utilisons un format de modulation avancé dans lequel nous avons combiné la propagation de transformée de Fourier discrète avec le DMT pour augmenter l'efficacité spectrale. Le format de modulation hybride a un rapport de puissance crête à moyenne inférieur (vis-à-vis du DMT) et une efficacité spectrale plus élevée (vis-à-vis de la QAM _a porteuse unique). Dans la première étape, nous comparons expérimentalement les performances des modulations hybrides, DMT standard et monoporteuse en utilisant un modulateur SiP IQ. Ensuite, nous développons une stratégie de contrôle pour le format de modulation hybride en échangeant la non-linéarité de la fonction de transfert du modulateur et le rapport signal / bruit optique. Le format de modulation hybride est ensuite optimisé pour avoir un débit maximum. En utilisant une simulation de Monte Carlo, nous comparons le format de modulation hybride optimisé avec le DMT standard pour différents débits binaires. Enfin, nous avons une comparaison de complexité entre hybride et DMT pour différentes longueurs de fibre. / Ever increasing demand for network capacity is driving the development of optical communication systems to cover recently proposed Terabit Ethernet standards. Short haul applications need low cost and low complexity solutions with direct detection, as the cost of coherent detection comes down, it will become a good candidate for future short-haul applications to increase spectral efficiency and exploit advanced modulation formats. In this thesis, we investigate solutions for both current and future short-haul systems. In the first part, we focus on solutions for short haul applications. The first chapter is the first time demonstration of more than 100 Gb/s discrete multi-tone (DMT) transmission using an O-band silicon photonics (SiP). We experimentally compare DMT with pulse amplitude modulation (PAM) on O-band. Our experiment shows that by increasing fiber length more than 10 km, PAM outperforms DMT. For C-band, we use single sideband discrete multi-tone (SSB-DMT) to avoid chromatic dispersion-induced power fading e_ect. We study the effect of phase noise, chromatic dispersion, and receiver sensitivity to optimize DMT signal and extract theoretical equations to calculate bit error rate (BER) of SSB-DMT. Next, we analytically compare PAM on O-band with SSB-DMT on C-band and quantify the impact of hardware-imposed limitations on both modulation formats. Our study provides an analytical tool for short haul applications to select appropriate modulation format and hardware based on required reach, bit rate, etc. In the second part we examine complex modulation formats that will be enabled in the future by low cost, integrated components for coherent detection.. We use an advanced modulation format in which we combined discrete Fourier transform spread with DMT to increase spectral efficiency. Hybrid modulation format has a lower peak to average power ratio (vis-a-vis DMT) and higher spectral efficiency (vis-a-vis single carrier QAM). In the first step, we experimentally compare the performance of the hybrid, standard DMT, and single carrier modulations using a SiP IQ modulator. Next, we develop a driving strategy for hybrid modulation format by trading off the modulator transfer function non-linearity and optical signal to noise ratio. Then hybrid modulation format is optimized to have maximum throughput. Using Monte Carlo simulation we compare optimized hybrid modulation format with standard DMT for different bit rates. Finally, we have a complexity comparison between hybrid and DMT for different fiber lengths to motivate same investigation for long-haul applications where, we should consider fiber non-linearity, attenuation, a polarization multiplexing.

Le comportement des petits animaux est important pour les chercheurs scientifiques et précliniques; ils veulent connaître les effets des interventions sur leur vie naturelle. Pour les maladies humaines, les rongeurs sont utilisés comme modèles. L’étude du comportement des rongeurs permet d’identifier et de développer de nouveaux médicaments pour les troubles psychiatriques et neurologiques. La surveillance des animaux peut être traitée et un grand nombre de données traitées peuvent conduire à de meilleurs résultats de recherche dans un temps plus court. Ce mémoire présente le système de suivi du comportement des rongeurs basé sur des techniques de vision numérique. En vision numérique, la détection d’un sujet consiste à balayer et à rechercher un objet dans une image ou une vidéo (qui n’est qu’une séquence d’images), mais la localisation d’un objet dans des images successives d’une vidéo est appelée suivi. Pour trouver la position d’un sujet dans une image, nous avons utilisé la détection du sujet et le suivi, car le suivi peut aider lorsque la détection échoue et vice et versa. Avec cette approche, nous pouvons suivre et détecter tout type du sujet (souris, headstage, ou par exemple un ballon). Il n’y a pas de dépendance au type de caméra. Pour trouver un sujet dans une image, nous utilisons l’algorithme AdaBoost en ligne qui est un algorithme de suivi du sujet et l’algorithme de Canny qui est un algorithme de détection du sujet, puis nous vérifions les résultats. Si l’algorithme Adaboost en ligne n’a pas pu trouver le sujet, nous utilisons l’algorithme Canny pour le trouver. En comparant les résultats de notre approche avec les résultats des algorithmes AdaBoost en ligne et Canny séparément, nous avons constaté que notre approche permet de mieux trouver le sujet dans l’image que lorsque nous utilisons ces deux algorithmes séparément. Dans ce mémoire, nous décrirons les algorithmes de détection et de suivi du sujet. / Small animal behavior is important for science and preclinical researchers; they want to know the effects of interventions in their natural life. For human diseases, rodents are used as models; studying rodent behavior is good for identifying and developing new drugs for psychiatric and neurological disorders. Animal monitoring can be processed and a large number of data can lead to better research result in a shorter time. This thesis introduces the rodents’ behavior tracking system based on computer vision techniques. In computer vision, object detection is scanning and searching for an object in an image or a video (which is just a sequence of images) but locating an object in successive frames of a video is called tracking. To find the position of an object in an image, we use object detection and object tracking together because tracking can help when detection fails and inversely. With this approach, we can track and detect any objects (mouse, headstage, or a ball). There is no dependency to the camera type. To find an object in an image we use the online AdaBoost algorithm, which is an object tracking algorithm and the Canny algorithm, which is an object detection algorithm together, then we check the results. If the online Adaboost algorithm could not find the object, we use the Canny algorithm to find the object. By comparing the results of our approach with the results of the online AdaBoost and Canny algorithms separately, we found that our approach can find the object in the image better than when we use these two algorithms separately. In this thesis, we will describe implemented object detection and tracking algorithms.

Cette thèse porte sur le raffinement d’un modèle du bruit utilisé pour des mesures spectroscopiques réalisées avec des peignes de fréquences optiques. La majorité des travaux antérieurs utilisaient des peignes de fréquences où le glissement (chirp) est minimisé, en supposant que tout glissement différentiel entre les peignes allait réduire le rapport signal sur bruit. L’hypothèse sous-jacente était que l’impact du bruit multiplicatif serait augmenté, le glissement lui permettant d’agir plus longtemps sur le signal d’interférence. Cependant, d’autres recherches indiquaient plutôt contraire : le chirp pourrait améliorer la mesure. Cette thèse cherche à augmenter la compréhension du comportement du bruit lorsque les peignes ont des glissements différentiels. De plus, celle-ci apporte de nouvelles évidences sur l’utilité du chirp dans ce type de mesure. À cet effet, nous avons fait une révision bibliographique des modèles du bruit dans les peignes de fréquences optiques. Ensuite, du point de vue théorique, nous avons analysé les effets du chirp sur les bruits additifs et multiplicatifs. Pour le bruit d’intensité, nous avons proposé un modèle phénoménologique décrivant le comportement de l’émission spontanée amplifiée (ASE) dans un laser à verrouillage de mode par rotation non linéaire de polarisation. Les spectres des peignes et leurs battements ont été caractérisés en portant une attention particulière à leur relation avec l’ASE. La thèse permet de conclure que le chirp différentiel n’affecte pas les niveaux des densités spectrales de bruit. Grâce au glissement différentiel de fréquence, il est possible d’envoyer plus puissance à l’échantillon et ainsi améliorer le rapport signal sur bruit des instruments à peignes de fréquence. D’un autre côté, la caractérisation de l’ASE a établi sa nature non-stationnaire. Elle a aussi expliqué des attributs spectraux qui sont observés régulièrement dans les signaux de battement des peignes. Finalement, en supposant que l’ASE circule largement dans une cavité opérée sous le seuil, sa caractérisation fournit une méthode pour estimer le déphasage non linéaire que subit le train d’impulsions femtosecondes. / This thesis proposes a noise model refinement for spectroscopic measurements using dual optical frequency combs. Until now most studies centered their efforts on noise characterization using chirp free combs based on an unproved hypothesis: measurements would get worse with chirped combs since multiplicative noises would be present over a longer duration on the interference pattern thus leading to a greater impact. However, at least one experimental result hinted to the contrary: differential chirp would actually improve the signal to noise ratio. This thesis therefore aims at increasing the understanding of noise when a differential chirp is present in a dual comb measurement. The specific goal is to provide new insights about the usefulness of chirp in this kind of measurement. With this in mind, we conducted a literature review of noise models in optical frequency combs. We subsequently analyzed the chirp’s effect in the presence of both additive and multiplicative noise. The thesis also proposes a phenomenological model to describe the amplified spontaneous emission - ASE in short pulse lasers mode locked using non linear polarization rotation. Finally the comb spectra and their beat notes are characterized putting special attention to their relation with the ASE components. As conclusions, we can report that noise power spectral density levels do not change with a differential chirp. Chirping allows sending a greater optical power through the sample, such that the measurement signal to noise ratio can be improved. On the other hand, the ASE characterization established its non-stationary nature and explained very well characteristic features routinely observed in dual comb beat notes that were not fully understood. Finally, assuming the ASE experiences a sub threshold linear cavity allows using theses features to estimate the non linear phase shift experienced by the modelocked pulse train in the laser cavity.

La spectroscopie double-peigne est une technique qui consiste à faire interférer deux peignes de fréquences laser légèrement désynchronisés ayant sondé un échantillon afin de retrouver sa signature spectrale avec une haute résolution et à grande vitesse. Cependant, elle requiert deux lasers qui sont mutuellement cohérents, une contrainte qui est habituellement satisfaite par stabilisation active au prix d’une plus grande complexité matérielle. Cette thèse aborde ce problème en présentant des solutions qui permettent l’utilisation de peignes en opération libre, simplifiant ainsi la technique du double-peigne. On démontre d’abord une plateforme laser compacte capable de générer une paire de peignes de fréquences qui sont affectés de manière similaire par les perturbations environnementales. Elle est basée sur une puce de verre dopée à l’erbium contenant plusieurs guides d’ondes inscrits par laser et séparés de quelques centaines de microns. Deux guides adjacents sont pompés simultanément et opérés en régime de synchronisation modale à ∼ 1 GHz dans la bande de 1.5 μm pour fournir une paire de peignes corrélés. Le bruit de fréquence en opération libre de cette source est ensuite caractérisé et on estime un temps de cohérence mutuelle qui dépasse le temps de mesure requis pour obtenir un spectre à haute résolution. Ceci est rendu possible grâce à l’utilisation de lasers qui sont intrinsèquement peu bruités, à l’intégration mécanique de la source, et à l’utilisation d’une grande différence entre les cadences des peignes. On présente aussi deux algorithmes de correction qui, lorsque combinés avec notre source double-peigne, permettent d’étendre artificiellement son temps de cohérence afin d’augmenter le temps de moyennage utile sans sacrifier la résolution spectrale. Ces algorithmes estiment et compensent la phase et le temps d’arrivée des interférogrammes mesurés, et ce sans recourir à aucune mesure externe des fluctuations des peignes. Ils sont d’abord décrits en détail puis leurs limites sont déterminées de façon quantitative à partir des paramètres des peignes et de leur bruit de fréquence relatif, où une grande différence entre les cadences apparaît comme étant la clé d’une correction réussie. Finalement, les performances du spectromètre double-peigne assisté par la correction logicielle sont démontrées en mesurant le spectre de transmission de l’acétylène et du cyanure d’hydrogène avec un échantillonnage spectral de ∼1 GHz. La qualité des mesures est validée par comparaison avec des spectres simulés à partir de données connues. / Dual-comb spectroscopy is a technique where two slightly detuned laser frequency combs are interfered together after probing a sample under study in order to retrieve its spectral signature with a high resolution and at high speed. However, it requires two lasers that are mutually coherent, a constraint that is most often satisfied by active stabilization at the cost of an increased hardware complexity. This thesis tackles this issue by presenting solutions that allow the use of free-running combs, thus simplifying the dual-comb technique. First, we demonstrate a compact laser platform able to generate a pair of frequency combs that are similarly affected by environmental perturbations. It is based on an erbium-doped glass chip containing a number of ultrafast-laser-inscribed waveguides separated by a few hundred microns. Two adjacent waveguides are pumped simultaneously and passively mode-locked at ∼1 GHz in the 1.5 μm band to deliver a pair of correlated frequency combs. The free-running frequency noise of this source is characterized thoroughly and its mutual coherence time is found to exceed the measurement time required to retrieve a high-resolution spectrum. This is made possible by the use of intrinsically low-noise waveguide lasers, by the dual-comb source’s mechanical integration, and by the use of a large repetition rate difference between the combs. We also present two correction algorithms that, when combined with our dual-comb source, allow to artificially extend its coherence time in order to increase the useful averaging time without sacrificing the spectral resolution. These algorithms work by estimating and compensating the phase and timing of the measured interferograms without relying on any external measurement of the combs’ fluctuations. They are first described in detail and their limitations are determined quantitatively in terms of the combs’ parameters and relative frequency noise, where a large repetition rate difference appears to be the key to a successful correction. Finally, the performance of the dual-comb spectrometer assisted by a software correction is demonstrated by measuring the transmission spectrum of acetylene and hydrogen cyanide with a spectral sampling of ∼1 GHz. The quality of the measurements is validated by comparison to spectra simulated from known data.

Avec l’adoption croissante des véhicules électriques, il y a un intérêt pour utiliser des tarifs dynamiques dont le prix dépend de la demande actuelle, pour encourager les utilisateurs à recharger leurs véhicules en période de faible demande évitant les pics d’électricité pouvant dépasser la capacité installée. Le problème que devaient affronter les utilisateurs de véhicules électriques est qu’ils doivent s’assurer que l’énergie électrique présente dans les batteries est suffisante pour les déplacements et que les périodes de recharge correspondent à des périodes où le prix de l’électricité est bas. La plupart des approches actuelles de planification de recharge supposent une connaissance parfaite des futurs prix de l’électricité et de l’utilisation du véhicule, ce qui nuit à leur applicabilité dans la pratique. Cette thèse considère la modélisation de la recharge intelligente des véhicules électriques pour déterminer, lors des sessions de connexion, les moments où le véhicule doit se recharger afin de minimiser le coût payé pour l’énergie de ses déplacements. La thèse comporte quatre principales contributions: 1) Modèle de recharge optimale des véhicules électriques pour générer une série de décisions en utilisant la connaissance a priori du prix de l’électricité et de l’énergie utilisée, en utilisant la programmation dynamique comme méthode d’optimisation. 2) Création d’un modèle de système d’information incluant des variables connexes au modèle de recharge des véhicules électriques dans un cadre guidé par des données. 3) Méthode de sélection des données pertinentes utilisant la stratification de données pouvant réduire significativement le temps requis pour entraîner les modèles de prévision avec des résultats proches de ceux obtenus en utilisant l’ensemble de données complet. 4) Modèle de classification en ligne qui permet de déterminer s’il faut charger ou non le véhicule à l’aide de modèles d’apprentissage automatique qui peuvent générer, en temps réel, une décision de recharge quasi-optimale sans tenir compte d’une connaissance de l’information future. Nous démontrons comment la combinaison d’une méthode d’optimisation hors ligne, telle que la programmation dynamique, avec des modèles d’apprentissage automatique et un système d’information adéquat peut fournir une solution très proche de l’optimum global, sans perte d’applicabilité dans le monde réel. De plus, la polyvalence de l’approche proposée permet d’envisager l’intégration d’un plus grand nombre de variables à l’entrée du modèle, ainsi que d’autres actions comme par exemple fournir d’énergie au réseau électrique pour aider à réduire les pics de demande ce qui pourrait être utile dans un contexte de vehicle-to-grid (V2G). / With the increasing adoption of electric vehicles, there is an interest to use dynamic tariffs where the price depends on the current demand, encouraging users to charge their vehicles in periods of low demand, avoiding electricity peaks that may exceed the installed capacity. The issue an electric vehicle user must tackle is that it should ensure that its electric power is sufficient for its trips and that the recharge periods correspond to periods where the price of electricity is low. Most current charge scheduling approaches assume a perfect knowledge of the future prices and car usage, which hinders their applicability in practice. This thesis considers the modelling of the intelligent recharge of electric vehicles to determine, during the connection sessions, the times when the vehicle may be charged in order to minimize the overall energy cost. The thesis has four main contributions: 1) Optimum electric vehicle recharge model to generate a series of decisions using full knowledge of the price of electricity and energy used using dynamic programming as a method of optimization. 2) Creation of an information system model which includes variables relevant to the recharging model of electric vehicles in a framework data-driven. 3) Method of selecting relevant data using the stratification by clusters which can significantly decrease the time required to train forecasting models with results close to those obtained using the complete dataset. 4) Classification model which allows the determination of whether or not to charge the vehicle using machine learning models that can generate, in real time, a near-optimal recharge decision without considering perfect knowledge of the future information. We demonstrated how combining an offline optimization method, such as dynamic programming with machine learning models and a coherent information system can provide a solution very close to the global optimum without loss of applicability in real-world. Moreover, the versatility of the proposed approach allows the consideration of the integration of a larger set of variables at the input of the model, as well as other actions such as for example supplying energy to the network to further help reducing demand peaks which could be useful in a vehicle-to-grid context (V2G).

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / Le contrôle de flot d’information est une approche prometteuse permettant aux utilisateurs decontrôler comment une application utilise leurs informations confidentielles. Il reste toutefois plusieurs défis à relever avant que cette approche ne puisse être utilisée par le grand public. Plus spécifiquement, il faut que ce soit efficace, facile à utiliser, que ça introduise peu de surcharge à l’exécution, et que ça fonctionne sur des applications et langages réels. Les contributions présentées dans cette thèse nous rapprochent de ces buts. Nous montrons qu’une combinaison d’analyse statique et dynamique permet d’augmenter l’efficacité d’un mécanisme de contrôle de flot d’information tout en minimisant la surcharge introduite. Notre méthode consiste en trois étapes : (1) à l’aide d’analyse statique, vérifier que le programme ne contient pas de fuites d’information évidentes; (2) instrumenter l’application (c.-à-d., insérer des commandes) pour prévenir les fuites d’information confidentielles à l’exécution; (3) évaluer partiellement le programme pour diminuer l’impact de l’instrumentation sur le temps d’exécution. Pour aider les utilisateurs à identifier les applications qui sont les plus susceptibles de faire fuirde l’information confidentielle (c.à.d., les applications malicieuses), nous avons développé un outil de détection de maliciel pour Android. Il a une précision de 94% et prend moins d’une seconde pour effectuer son analyse.Pour permettre aux utilisateurs de prioriser l’utilisation de ressources pour protéger l’information provenant de certaines sources, nous introduisons le concept defading labels. Pour permettre aux chercheurs de développer plus facilement et rapidement des mécanismes de contrôle de flot d’informations fiables, nous avons développé un outil permettant de générer automatiquement la spécification d’un mécanisme à partir de la spécification d’un langage de programmation. Pour permettre aux chercheurs de plus facilement communiquer leurs preuves écrites en Coq, nous avons développé un outil permettant de générer des versions en langue naturelle de preuves Coq. / Information-flow control is a promising approach that enables users to track and control how applications use their sensitive information. However, there are still many challenges to be addressed before it can be used by mainstream users. Namely, it needs to be effective, easy to use, lightweight, and support real applications and languages. The contributions presented in this thesis aim to bring us closer to these goals. We show that a combination of static and dynamic analysis can increase the overall effectiveness of information-flow control without introducing too much overhead. Our method consists of three steps: (1) using static analysis, we verify that the program does not contain anyobvious information leaks; (2) we instrument the program to prevent less obvious leaks from occurring at runtime; (3) we partially evaluate the program to minimize the instrumentation’simpact on execution time. We present a static-based malware detection tool for Android that allows users to easily identify the applications that are most likely to leak sensitive information (i.e., maliciousapplications). It boasts an accuracy of 94% and takes less than a second to perform its analysis. We introduce the concept of fading-labels, which allows information-flow control mechanisms to prioritize the usage of resources to track information from certain sources. We present a tool that can, given a programming language’s specification, generate information-flow control mechanism specifications. This should allow researchers to more easily develop information-flow control mechanisms. Finally, we present a tool that can generate natural-language versions of Coq proofs so that researchers may more easily communicate their Coq proofs.

Le système proposé dans le cadre de ce travail est une plate-forme de capteurs sans fil permettant de mesurer la croissance de cultures de micro-organismes dans leur habitat naturel tout en effectuant diverses mesures environnementales. L’évaluation de la croissance des micro-organismes dans les 96 puits individuels du système est réalisée à l’aide d’un système de mesure d’impédance puisqu’il est possible de relier l’impédance d’une colonie de microorganismes à sa population en fonction du temps. Ces différentes informations sont très utiles afin d’évaluer l’état de santé d’un milieu donné et en particulier d’un milieu nordique pour ce projet. Les mesures d’impédance effectuées permettent d’identifier les puits où une croissance s’est produit et donc de les isoler plus facilement pour analyse future, ce qui simplifie le processus. Ce système effectue des mesures à intervalles régulier et peut transmettre ces mesures par un système de communication sans fil à un récepteur proche en plus de sauvegarder localement les données. Le système présente une consommation électrique très faible ce qui lui permet une autonomie de plusieurs mois avec une batterie dans des régions isolées. La conception en plusieurs puits de culture permet d’isoler plusieurs échantillons et de prendre des mesures séparées sur chacun de ceux-ci. Le projet est effectué dans le cadre de la stratégie Sentinelle Nord de l’Université Laval qui vise à améliorer la compréhension de l’environnement nordique. Le système proposé est unique en son genre au moment d’écrire ce mémoire puisqu’il permet simultanément la culture de micro-organismes in situ et l’évaluation de la croissance de ces derniers. La plate-forme proposée offre ainsi plusieurs opportunités pour les chercheurs en biologie et en microbiologie d’obtenir des informations sur ces milieux isolés. Des essais sur le terrain dans la région du Nord-du-Québec à Kuujjuarapik et au Lac à l’Eau Claire ont d’ailleurs permis de valider le fonctionnement du dispositif dans les conditions d’utilisations désirées en plus de démontrer, suite à une analyse du contenu des puits de culture, qu’il est possible de faire prospérer des micro-organismes dans ces derniers. / The proposed system consist of a wireless multi-sensors platform that can measure the growth of multiples microorganism populations inside their natural habitat while also measuring various environmental parameters. An impedance measuring circuit is used to evaluate the growth of the microorganisms inside the 96 culture wells of the EcoChip. This method is used since the impedance of these colonies is directly related to the number of microorganisms in the growth medium. These impedance measurements over time are then used to evaluate if microbial growth is normal and this can be used to give an idea of the overall health state of a given environment, which for this project is a nordic one. These impedance measurements are also used to produce growth curves that can be used to isolate wells inside which there was an increase in microorganism concentration and then easily screen them for further analyses. The designed system is programmed to scan the culture wells at regular intervals and to transmit the results to a nearby base station via a wireless link. These data are also saved on the on-board memory to ensure that they can be recovered later when there are no nearby receivers. The multi-well conception of the system also allows to isolate multiple samples and to conduct individual measurements on each of them. Since the platform is autonomous and is powered with a battery, it is designed to have a very low power consumption which allows for a long lifetime while in an isolated location. This project is done as part of the Sentinel Nord Strategy of Université Laval which aims to improve our understanding of the northern environment. At the time of the redaction of this thesis, the proposed system is unique in its kind since it allows the culture of microorganisms in situ and the evaluation of the culture growth with an electronic system while in the wild. The platform offers many opportunities for scientists in biology and microbiology since it enables them to obtain information on various isolated places where environmental data and microorganism samples can be hard to get. Field tests at Kuujjuarapik and Clearwater Lake (Nord-du-Québec) with the device have proven that the system allows the growth of microorganism colonies in its wells while conducting successful impedance analyses.