Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la caractérisation optique à haute cadence en temps réel. Des outils de métrologie ultrarapides ont ainsi été utilisés pour l’étude d’une source laser impulsionnelle ainsi que pour l’imagerie de phénomènes physiques. La mise en place et la caractérisation temporelle d’une source laser impulsionnelle a permis l’observation d’événements anormalement intenses pour certains régimes de fonctionnement, et ces dynamiques ont pu être confirmées numériquement. La compréhension de ces phénomènes présente un intérêt fondamentalmais également pratique, notamment en vue de limiter les dommages optiques dans les sources laser. L’utilisation d’une technique d’imagerie appelée « imagerie par étirage temporel » a permis l’observation de jets liquides à une cadence de 80MHz. Reposant sur le principe de Transformée de Fourier Dispersive, cette technique permet de rendre compte de phénomènes non-répétitifs à des cadences élevées, et ainsi d’outrepasser les limitations imposées par les systèmes d’enregistrement conventionnels. La technique a également permis l’étude d’ondes de choc générées par ablation laser, et la détermination du profil de vitesse de l’onde de choc à travers la zone de mesure. Le phénomène de réflexion d’une onde de choc sur une paroi a également pu être observé. / This PhD work is dedicated to optical characterization in real time. Ultrafast metrology tools have thus been used to study a pulsed laser source and also for physical phenomena imaging. The implementation of a temporally well characterized pulsed laser source allowed the observation of events involving abnormally high intensity, the dynamics of which have also been numerically studied and confirmed. Understanding of these phenomena addresses a fundamental and interesting need to prevent optical damage in laser sources. The use of the imaging technique called “time-stretch imaging” allowed the imaging of liquid sprays at an 80MHz repetition rate. Based on Dispersive Fourier Transform, this technique enables the study of non-repetitive events at high sampling frequency, and thus goes beyond the performance of traditional imaging devices. This technique also allowed the tracking of shockwaves, and thus profiling the shockwave’s velocity variation through its propagation along a certain measuring distance. Shockwave reflection has also been observed.

Dans cette étude, on s’intéresse à l’étude de la mobilité urbaine à partir de traces de données de téléphonie mobile qui ont été fournies par l’opérateur Orange. Les données fournies concernent la région de la ville de Rouen, durant un événement éphémère qui est l’Armada de 2008. Dans une première étude, on gère une masse importante de données pour extraire des caractéristiques permettant de qualifier des usages de la ville lors d’évènements éphémères, en fonctions des jours d’activités ou de repos des individus. Des visualisations sont données et permettent de comprendre les mobilités engendrées de manière spécifique ou non par l’événement. Dans une seconde partie, on s’intéresse à la reconstitution de trajectoires avec des approches agrégées inspirées des techniques de physique statistique afin de dégager des comportements en fonction des périodes d’activités et d’un découpage spatial en grandes zones urbaines. On tente ainsi de dégager des lois en observant des distributions en loi de puissance caractéristiques de la complexité des systèmes étudiés. / In this study, we are interested in the study of urban mobility from traces of mobile data that were provided by the operator Orange. The data provided relate to the region of the city of Rouen, during an ephemeral event that is the Armada of 2008. In a first study, a large amount of data is managed to extract characteristics allowing to qualify the uses of the city during ephemeral events, depending on the days of activity of the individuals. Visualizations are given and make it possible to understand the mobilities generated in a specific way during the event. In the second part, we study the reconstruction of trajectories with aggregated approaches inspired by statistical physics techniques in order to reveal behaviors according to periods of activity and a spatial division in large urban areas. In order to obtain the general mobility law by observing distributions in power law characteristic for the studied complex system.

Les processus gravitaires dans l’évolution de la morphologie des reliefs se produisent à de nombreuses échelles de temps et d’espace. Leur compréhension, fondamentale pour envisager la gestion des risques associés à ces phénomènes destructeurs, est subtile et complexe. En effet, les caractéristiques intrinsèques aux versants étudiés sont spécifiques et les facteurs externes agissant sur la dynamique de la déstabilisation présentent des temporalités et des intensités très variées. Afin de comprendre comment ces forçages influencent le comportement des instabilités de versant, une approche systémique a été adoptée dans ce travail pour mettre en perspective l’ensemble des processus en jeu dans l’évolution temporelle de leurs comportements. A travers deux cas d’étude situés dans les Alpes Maritimes (La Clapière à Saint-Etienne-de-Tinée et le Prat de Julian à Vence), véritables observatoires naturels disposant de plusieurs années de suivi multi-paramètres, la faculté de l’observation instrumentale à déterminer des paramètres comportementaux clés contrôlant l’évolution dynamique des versants instables a été explicitée. Des analyses multivariées intégrant l’état de surface (déplacements, déformations, perturbations) et interne (niveau piézométrique, résistivité électrique de la subsurface) ont permis de quantifier les liens entre l’état comportemental du versant étudié et les contributions météorologiques. Ce travail met finalement en avant l’importance des études observationnelles multi-paramètres dans l’élaboration des modèles descriptifs et prédictifs, ainsi que les systèmes d’alerte associés à ces risques majeurs. / Gravity processes occur at many scales of time and space in the evolution of landforms’ morphology. Their understanding is subtle and complex and it is fundamental to consider the management of the risks associated with these destructive phenomena. Indeed, the intrinsic characteristics of the studied slopes are specific and the external factors acting on the dynamics of the destabilization present a wide range of temporalities and intensities. In order to understand how these forcings influence the behavior of slope instabilities, a systemic approach has been adopted in this work to put into perspective all the processes involved in the temporal evolution of their behaviors. Through two study cases located in the Alpes Maritimes (La Clapière at Saint-Etienne-de-Tinée and the Prat de Julian at Vence, France), real natural observatories with several years of multi-parameter monitoring, we were able to clarify the ability of instrumental observation to determine key behavioral parameters controlling the dynamic evolution of unstable slopes. Multivariate analyzes integrating the surface (displacements, deformations, disturbances) and internal state (groundwater level, electrical resistivity of the subsurface) allowed to quantify the links between the behavioral state of the studied slope and the meteorological contributions. This work finally highlights the importance of multi-parameter observational studies in the development of descriptive and predictive models, as well as the alert systems associated with these major risks.

Les bactéries sont une composante indissociable des réseaux de distribution d’eau potable qui, en les colonisant, forment des communautés complexes. Il est émis l’hypothèse que des variations de structure et de composition de ce microbiome pourraient refléter des changements de la qualité de l’eau liés à différents phénomènes (stagnation, biocorrosion, changement de pression, ...). Une importante campagne de prélèvements menée sur le réseau d’eau potable de Paris a permis d’apprécier la dynamique de ces communautés bactériennes selon trois méthodes différentes : la description de la communauté par metabarcoding, la culture de la flore hétérotrophe totale et la quantification par PCR de trois pathogènes opportunistes, Mycobacterium spp. L. pneumophila, et P. aeruginosa. Cette étude a mis en évidence une certaine diversité au sein des communautés bactériennes de l’eau potable malgré une prédominance des genres Hyphomicrobium et Phreatobacter. Les méthodes de culture et de PCR quantitative mettent également à jour l’importance écologique du genre Mycobacterium. L’intégration aux analyses des paramètres spatio-temporels et physico-chimiques de l’eau potable a permis de constater une relative stabilité des communautés bactériennes. Cependant, suite à d’importants évènements climatiques, des variations dans la structure des communautés sont visibles sans conséquence sur la qualité sanitaire de l’eau. Ces travaux suggèrent que l’utilisation en parallèle de différentes méthodologies, et notamment l’apport du metabarcoding, permet d’améliorer la connaissance sur le réseau de distribution d’eau potable et de mieux observer des changements fins, invisibles aux méthodes classiques. / Bacteria are an indivisible component of drinking water distribution systems which, by colonizing them, form complex communities. It is assumed that variations in the structure and composition of this microbiome could reflect a change in water quality related to different events (stagnation, biocorrosion, pressure change, etc.). A major sampling campaign was conducted within the Paris drinking water distribution systems allowing to assess the diversity and the dynamic of these bacterial communities using three different methods: description of the community by metabarcoding, heterotrophic plate count and quantification by PCR of three opportunistic pathogens, Mycobacterium spp. L. pneumophila, and P. aeruginosa. This study revealed some diversity within the drinking water bacterial communities. Culture and quantitative PCR methods also reveal the ecological importance of the Mycobacterium genus. The integration of spatio-temporal and physico-chemical parameters of drinking water into analyses has highlighted a relative stability of bacterial communities. However, variations in the structure of the communities are visible following important climatic events, without consequences on the sanitary quality of the water. Altogether, our work suggests that the use in parallel of different methodologies, particularly metabarcoding, has improved our knowledge of the bacterial communities within the Paris drinking water distribution systems and better observe subtle changes, invisible to conventional methods.

Ce mémoire décrit le développement opto-mécanique et électro-mécanique de la 2ième version du scanner TomOptUS pour tomographie optique diffuse (TOD).Ce scanner est destiné à l'imagerie moléculaire 3D de l'intérieur d'un petit animal. Les buts de la TOD sont : 1) d'obtenir la distribution spatiale des coefficients d'absorption ([mu][indice inférieur a]) et de diffusion ([mu][indice inférieur s]) dans les tissus biologiques (imagerie intrinsèque) et 2) de localiser des agents fluorescents injectés et à suivre leur distribution spatiale (imagerie par fluorescence). La TOD sur petit animal est d'un grand intérêt en pharmacologie et en oncologie pour l'étiquetage de médicaments afin de suivre leur progression, pour suivre l'évolution d'une pathologie sous traitement sur un même individu, ou pour repérer des cellules cancéreuses par marquage des protéines membranaires qu'elles expriment. La diffusion de la lumière dans les tissus biologiques est le plus grand obstacle en TOD. Les mesures en régime continu ne permettent pas de distinguer les photons détectés selon le degré de diffusion qu'ils subissent. La diffusion mène à une perte d'information quant à la trajectoire suivie par les photons. La détection résolue en temps permet de garder une partie de cette information. Le scanner TomOptUS utilise un système ultra-rapide de comptage de photons corrélé en temps et des tubes photomultiplicateurs pour mesurer la distribution temporelle de pulses lumineux transmis et/ou rétrodiffusés dans le sujet à imager suite à l'illumination à l'aide d'impulsions laser ultra-brèves. La 2 ième version du scanner est un système multicanal à géométrie annulaire sur 360 [degrés] autour du sujet. Il est muni de 7 canaux de détection optique permettant l'acquisition simultanée de données tomographiques dans deux bandes de longueurs d'onde (intrinsèque et fluorescence). L'acquisition des données est automatisée par ordinateur.Ce scanner a l'avantage d'effectuer des mesures sans contact avec le sujet. Ceci facilite l'acquisition des données et permettra éventuellement de le combiner à d'autres modalités d'imagerie médicale sans contact (tomographie d'émission par positrons, tomodentométrie [i.e. tomodensitométrie] ou imagerie par résonance magnétique) pour réaliser des séances d'imagerie multimodales. Le scanner est aussi équipé d'un système de vision numérique stéréo à 2 caméras permettant de mesurer la surface externe du sujet en 3D. Les mesures tomographiques et de surface se font simultanément en utilisant le faisceau laser incident sur le sujet. On présente des résultats de localisation d'un nombre a priori inconnu d'inclusions fluorescentes ponctuelles dans une mire (ou fantôme) absorbante et diffusante. L'algorithme de localisation repose sur la mesure des temps d'arrivée des premiers photons à différentes positions angulaires autour du sujet. Ceci requiert une résolution temporelle très élevée dans la détection des photons, une très grande synchronisation des différents canaux de détection et une grande stabilité dans la détection des signaux optiques. L'architecture du scanner ainsi qu'une méthode de calibration élaborée dans le cadre des présents travaux permettent d'atteindre de telles performances. On présente également des résultats préliminaires de l'effet d'un milieu hétérogène sur le temps de vol des photons.

Résumé : La connaissance de la fiabilité d’une structure dans sa durée de vie est d’une importance stratégique. Plusieurs méthodes non destructives ont ainsi été développées pour évaluer l’état des ouvrages en béton. Parmi ces techniques, les méthodes basées sur l’acoustique non linéaire ont démontré une performance satisfaisante en laboratoire pour détecter les microfissures de façon précoce. L’objectif de cette thèse consiste à apporter de nouvelles idées contribuant au développement de la méthode du saut temporel ultrasonore (en tant que méthode acoustique non linéaire) pour l’évaluation in situ des structures en béton. Ce travail porte plus particulièrement sur la caractérisation du béton atteint de réaction alcalis-silice (RAS). L’originalité de ce travail réside principalement dans l’utilisation des sollicitations naturelles auxquelles les ouvrages d’art sont soumis comme source d’excitation du milieu pendant l’application du saut temporel (ST). La sollicitation fournie par le passage d’un véhicule sur un tablier d’un pont est l’un des exemples de ces sources naturelles. Un programme expérimental a donc été mis sur pied, qui consiste en une phase d’étude au laboratoire et à une phase d’étude sur site. Deux dalles de béton réactif et une dalle de béton non réactif (1,40×0,75×0,3 m[indice supérieur 3]) ont été fabriquées en laboratoire afin d’évaluer l’idée générale de cette thèse. Pour générer les ondes d’excitation de basses fréquences requises pour les essais ST, un vérin hydraulique a été utilisé comme sources d’impact simulant le passage d’un véhicule. Avec ce protocole d’essais, la progression de la RAS a été caractérisée dans les dalles réactives. Il a été démontré que le ST peut détecter sans équivoque la RAS à partir d’une expansion de 0,03%. Les résultats montrent également que la perturbation des éléments structuraux par le passage d’un véhicule serait exploitable pour les investigations in situ. L’effet de la température sur le comportement acoustique non linéaire du béton a également été étudié : les mesures acoustiques non linéaires sont plus fiables dans une plage de température entre 10[degré]C et 30[degré]C. Des essais préliminaires ont été effectués sur le tablier d’un petit pont en béton. Les perturbations requises ont été fournies par le passage d’un camion dans une plage de vitesses variant de 20 km/h à 50 km/h; en utilisant deux types d’excitation (naturelle et amplifiée en utilisant des obstacles). Les résultats ont démontré qu’on peut appliquer la méthode ST sur site en utilisant l’excitation naturelle générée par un camion. Les expériences faites dans cette thèse révèlent la faisabilité de la méthode du ST pour évaluer l’état des structures en béton, notamment celles qui sont dégradées par la RAS. // Abstract : Reliability of a structure during its service life is strategically important. Several non-destructive methods have been developed to evaluate the condition of concrete structures. Among these techniques, the methods based on nonlinear acoustic have shown an excellent performance in laboratory for detecting micro-cracks at early ages. The objective of the thesis is to work on new ideas, which may contribute to develop the method of Ultrasonic Time Shift (as a nonlinear acoustic method) for evaluating concrete structures. This thesis focused was on concrete elements suffering from Alkali-Silica Reaction (ASR). The originality of the work is related to the idea that the natural vibrations, which exist in structures, can be used for perturbing structural elements during a Time Shift test. For instance, the vibration generated by a vehicle passing on a bridge is one of the examples of the natural resources of vibration. To reach the objective of this thesis, a research program was conducted in two phases: 1) experiments in laboratory; 2) field experiments. Two concrete slabs with reactive coarse aggregates and one with nonreactive aggregate were fabricated in the lab in order to assess the main idea of the thesis. A hydraulic actuator with an impact form loading pattern was used to generate low frequency waves (used to perturb the test-media) for tests of Time Shift (TS). Such loading pattern is similar to the loading imposed by a vehicle passing on a bridge deck. The progression of ASR-damage in the concrete slabs was successfully tracked using the developed methodology. It was shown that the TS can detect ASR from an expansion level about 0.03%.The results also show that the new methodology used for exciting structural elements can be used for field investigations. The effect of the temperature on nonlinear acoustic behavior of the concrete was also assessed. This investigation revealed that measurements in temperatures ranged from 10oC to 30oC can lead to better results. Some filed tests were carried out on a concrete slab of a small-size bridge. The required perturbations for the tests were provided by a truck. The velocity of the truck ranged from 20 km/h to 50 km/h.; using two types of perturbation (natural and exaggerated using some obstacles on surface). The results showed that the TS is an applicable method for field investigations, where the required perturbations are provided by a truck. The performed experimental program revealed the feasibility of the method of Time Shift for evaluating concrete structures, specifically those damaged by ASR.

Les progrès récents sur les schémas de codage vidéo par ondelettes ont permis l'apparition d'une nouvelle génération de codeurs vidéos scalables t+2D dont l'efficacité est comparable à celle des meilleurs codecs hybrides. Ces schémas reposent sur l'utilisation d'une transformée en ondelettes appliquée le long du mouvement des images afin d'exploiter leur redondance temporelle, suivie d'une décomposition spatiale des sous-bandes résultantes et d'un codage entropique. L'objectif de cette thèse consiste en l'étude et la construction de nouvelles transformées scalables mises en jeu dans le schéma de codage vidéo t+2D, afin d'en améliorer l'efficacité de codage. L'utilisation du formalisme lifting lors de la construction de ces transformées spatio-temporelles permet l'introduction d'opérateurs non-linéaires, particulièrement utiles pour représenter efficacement les singularités et discontinuités présentes dans une séquence vidéo. Dans un premier temps, nous nous intéressons à l'optimisation et la construction de nouvelles transformées temporelles compensées en mouvement, afin d'améliorer leur performance de décorrelation. Nous étudions alors la construction de filtres M-bandes pour décomposer spatialement les sous-bande temporelles et nous montrons comment les propriétés de scalabilité des bancs de synthèse M-bandes peuvent être étendues à des facteurs rationnels quelconques. Enfin, nous décrivons comment mettre en oeuvre des décompositions spatiales en ondelettes adaptatives, non-linéaires et inversibles, sans nécessiter la transmission d'une carte de décisions.

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

Mes travaux de recherche portent sur l'analyse de données temporelles et s'articulent en trois parties : -la représentation de séries temporelles, -la définition de métriques et leur apprentissage, -ainsi que la proposition de nouvelles approches de classification dédiées aux séries temporelles. Le déploiement de statistiques d'autocorrélation spatiale sur des structures de contiguïté particulières, telle que temporelle, met en évidence des propriétés intéressantes. Elles permettent, par exemple, d'appréhender le comportement des séries (aléatoire, chaotique), d'évaluer le niveau de saillance d'un événement, ou de mesurer la dépendance locale ou globale entre une structure évolutive et les observations associées. Ces propriétés ont guidé nos principaux travaux. Ainsi, une première contribution concerne la représentation compacte de séries multivariées. J'ai étudié une approche de réduction de la dimension temporelle de séries multivariées, par segmentation, préservant les corrélations inférées par la série ; l'identification de segments saillants étant guidée par la variance locale. Dans une deuxième partie, je me suis intéressée à la définition de métriques intégrant la composante forme des séries et leur positionnement dans un cadre plus général. L'alignement de séries étant un concept fondamental dans la définition de métriques, mon intérêt a porté, ensuite, sur l'apprentissage de couplages pour la discrimination de classes de séries complexes. L'approche proposée vise à lier les séries selon les caractéristiques communes au sein des classes et différentielles entre les classes. Le couplage ainsi appris permet de dériver une métrique locale pondérée restreignant la comparaison des séries aux attributs discriminants. Enfin, le troisième volet de mes travaux est dédié à l'extension des arbres de classification/régression à des variables prédictives temporelles. L'arbre temporel de classification proposé recours à un nouveau critère de coupure fondé sur une métrique adaptative et la localisation de sous-séquences discriminantes.

La mesure de la forme 3D du visage est une problématique qui attire de plus en plus de chercheurs et qui trouve son application dans des domaines divers tels que la biométrie, l'animation et la chirurgie faciale. Les solutions actuelles sont souvent basées sur des systèmes projecteur/caméra et utilisent de la lumière structurée pour compenser l'insuffisance de la texture faciale. L'information 3D est ensuite calculée en décodant la distorsion des patrons projetés sur le visage. Une des techniques les plus utilisées de la lumière structurée est la codification sinusoïdale par décalage de phase qui permet une numérisation 3D de résolution pixélique. Cette technique exige une étape de déroulement de phase, sensible à l'éclairage ambiant surtout quand le nombre de patrons projetés est limité. En plus, la projection de plusieurs patrons impacte le délai de numérisation et peut générer des artefacts surtout pour la capture d'un visage en mouvement. Une alternative aux approches projecteur-caméra consiste à estimer l'information 3D par appariement stéréo suivi par une triangulation optique. Cependant, le modèle calculé par cette technique est généralement non-dense et manque de précision. Des travaux récents proposent la super-résolution pour densifier et débruiter les images de profondeur. La super-résolution a été particulièrement proposée pour les caméras 3D TOF (Time-Of-Flight) qui fournissent des scans 3D très bruités. Ce travail de thèse propose une solution de numérisation 3D à faible coût avec un schéma de super-résolution spatio-temporelle. Elle utilise un système multi-caméra étalonné assisté par une source de projection non-étalonnée. Elle est particulièrement adaptée à la reconstruction 3D de visages, i.e. rapide et mobile. La solution proposée est une approche hybride qui associe la stéréovision et la codification sinusoïdale par décalage de phase, et qui non seulement profite de leurs avantages mais qui surmonte leurs faiblesses. Le schéma de la super-résolution proposé permet de corriger l'information 3D, de compléter la vue scannée du visage en traitant son aspect déformable.