La tomographie optique diffuse (DOT) se caractérise par l’utilisation de la lumière dans un régime de propagation diffusif pour sonder les tissus biologiques. L’utilisation de marqueurs fluorescents permet de cibler des processus biologiques précis (tomographie optique diffuse en fluorescence - FDOT) et d’améliorer le contraste dans les images obtenues. Les applications typiques de la DOT/FDOT sont la mammographie laser, l’imagerie cérébrale de nouveau-nés et les investigations non-invasives sur petits animaux, notamment pour l’imagerie moléculaire. Le présent projet fait partie du programme de recherche TomOptUS dirigé par le professeur Yves Bérubé-Lauzière. Un scanner optique pour petits animaux y est en cours de développement. Ce scanner possède la particularité de fonctionner avec une prise de mesures sans contact dans le domaine temporel. La première partie du projet a pour point de départ l’algorithme développé en FDOT par Vincent Robichaud qui permet la localisation spatiale d’une seule inclusion fluorescente ponctuelle immergée dans un milieu diffusant homogène ayant une géométrie cylindrique. Une nouvelle approche de localisation pour une pluralité d’inclusions discrètes est ici introduite. Cette dernière exploite l’information contenue dans le temps de vol des premiers photons provenant d’une émission de fluorescence. Chaque mesure permet de définir un lieu géométrique où une inclusion peut se trouver : ces lieux prennent la forme d’ovales en 2D ou d’ovoïdes en 3D. À partir de ces lieux, une carte de probabilité de présence des inclusions est construite : les maxima de la carte correspondent à la position des inclusions. Cette approche géométrique est soutenue par des simulations Monte Carlo en fluorescence dans des milieux reproduisant les propriétés optiques des tissus biologiques. Plusieurs expériences sont ensuite effectuées sur une mire optique homogène répliquant les propriétés optiques des tissus dans lequel des inclusions remplies de vert d’indocyanine (ICG) sont placées. L’approche permet la localisation avec une erreur positionnelle de l’ordre du millimètre. Les résultats démontrent que l’approche est précise, rapide et efficace pour localisation des inclusions fluorescentes dans un milieu hautement diffusant mimant les tissus biologiques. Des simulations Monte Carlo sur un modèle réaliste de souris montrent la faisabilité de la technique pour l’imagerie sur petits animaux. Le second volet de la thèse s’intéresse aux mesures intrinsèques par le développement d’une approche de reconstruction d’une carte des vitesses de propagation des ondes lumineuses diffuses dans un milieu diffusant hétérogène. De telles vitesses constituent un nouveau contraste pour de l’imagerie DOT. La méthode utilise une configuration en faisceaux lumineux analogue aux méthodes utilisées en tomographie par rayons X. Ici, toutefois, les temps d’arrivée des premiers photons sont utilisés plutôt que l’amplitude du signal. Des résultats sont présentés en 2D pour différentes configurations d’inclusions démontrant la validité de l’approche. Des simulations Monte Carlo sont utilisées pour simuler la propagation intrinsèque dans des milieux hétérogènes et pour venir appuyer la démarche.

La tomographie optique diffuse (DOT) se caractérise par l’utilisation de la lumière dans un régime de propagation diffusif pour sonder les tissus biologiques. L’utilisation de marqueurs fluorescents permet de cibler des processus biologiques précis (tomographie optique diffuse en fluorescence - FDOT) et d’améliorer le contraste dans les images obtenues. Les applications typiques de la DOT/FDOT sont la mammographie laser, l’imagerie cérébrale de nouveau-nés et les investigations non-invasives sur petits animaux, notamment pour l’imagerie moléculaire. Le présent projet fait partie du programme de recherche TomOptUS dirigé par le professeur Yves Bérubé-Lauzière. Un scanner optique pour petits animaux y est en cours de développement. Ce scanner possède la particularité de fonctionner avec une prise de mesures sans contact dans le domaine temporel. La première partie du projet a pour point de départ l’algorithme développé en FDOT par Vincent Robichaud qui permet la localisation spatiale d’une seule inclusion fluorescente ponctuelle immergée dans un milieu diffusant homogène ayant une géométrie cylindrique. Une nouvelle approche de localisation pour une pluralité d’inclusions discrètes est ici introduite. Cette dernière exploite l’information contenue dans le temps de vol des premiers photons provenant d’une émission de fluorescence. Chaque mesure permet de définir un lieu géométrique où une inclusion peut se trouver : ces lieux prennent la forme d’ovales en 2D ou d’ovoïdes en 3D. À partir de ces lieux, une carte de probabilité de présence des inclusions est construite : les maxima de la carte correspondent à la position des inclusions. Cette approche géométrique est soutenue par des simulations Monte Carlo en fluorescence dans des milieux reproduisant les propriétés optiques des tissus biologiques. Plusieurs expériences sont ensuite effectuées sur une mire optique homogène répliquant les propriétés optiques des tissus dans lequel des inclusions remplies de vert d’indocyanine (ICG) sont placées. L’approche permet la localisation avec une erreur positionnelle de l’ordre du millimètre. Les résultats démontrent que l’approche est précise, rapide et efficace pour localisation des inclusions fluorescentes dans un milieu hautement diffusant mimant les tissus biologiques. Des simulations Monte Carlo sur un modèle réaliste de souris montrent la faisabilité de la technique pour l’imagerie sur petits animaux. Le second volet de la thèse s’intéresse aux mesures intrinsèques par le développement d’une approche de reconstruction d’une carte des vitesses de propagation des ondes lumineuses diffuses dans un milieu diffusant hétérogène. De telles vitesses constituent un nouveau contraste pour de l’imagerie DOT. La méthode utilise une configuration en faisceaux lumineux analogue aux méthodes utilisées en tomographie par rayons X. Ici, toutefois, les temps d’arrivée des premiers photons sont utilisés plutôt que l’amplitude du signal. Des résultats sont présentés en 2D pour différentes configurations d’inclusions démontrant la validité de l’approche. Des simulations Monte Carlo sont utilisées pour simuler la propagation intrinsèque dans des milieux hétérogènes et pour venir appuyer la démarche.

Le système Cospas-Sarsat est un système de recherche et de sauvetage à l’échelle mondiale qui fonctionne à l’aide de satellites en orbite basse et de satellites en orbite géostationnaire. La constellation de satellites actuelle est en cours de remplacement par des satellites en orbite moyenne qui couvrent de plus grandes zones de la surface de la Terre permettant des alertes quasi instantanées. L’objectif de cette thèse est d’étudier les performances de localisation de ce nouveau système, qui a été nommé système MEOSAR (Medium Earth Orbit Search and Rescue). Nous étudions d’abord la qualité de la liaison entre la balise de détresse, le satellite, et la station de réception au sol à l’aide d’un bilan de liaison. Ensuite, nous proposons un modèle de signal basé sur des fonctions sigmoïdes afin de modéliser les transitions douces du signal de détresse. Pour ce modèle, les performances de localisation (en terme de bornes de Cramér-Rao et de la variance d’estimateurs) sont étudiées pour l’estimation de position de la balise, et pour l’estimation de différents paramètres, y compris le temps d’arrivée, la fréquence d’arrivée et la durée du symbole. Ensuite, nous étudions l’impact de l’ajout d’information a priori sur la période symbole et sur le temps de montée du signal, qui proviennent des tolérances autorisées sur les spécifications des balises de détresse. Nous étudions également l’erreur introduite par l’ajout de bruit de phase caractéristique des oscillateurs des balises, et nous considérons l’amélioration de l’estimation de position en prenant en compte les multiples émissions de la balise de détresse. Finalement, les performances de localisation du système MEOSAR sont données pour les balises de détresse de deuxième génération, qui sont en cours de développement, et qui utilisent une modulation avec étalement de spectre. / Cospas-Sarsat is an international search and rescue system that operates using low-orbit satellites and geostationary satellites. The current satellite constellation is being replaced by medium Earth orbit satellites which will cover larger areas of the surface of the Earth, permitting almost instantaneous alerts. The objective of this thesis is to study the localization performance of this new system, named MEOSAR (Medium Earth Orbit Search and Rescue). We first study the quality of the link between the beacon, the satellite and the ground receiving station through a link budget. Then, we propose a signal model based on sigmoidal functions to model the smooth transitions of the distress signal. For this model, the localization performance (in terms of Cramér-Rao bounds and estimator variances) is studied for the estimation of the beacon position and for different parameters including the time of arrival, the frequency of arrival and the symbol width. Then, we study the impact of adding prior information on the symbol width and the signal rise time, which are constructed from the allowed tolerances on the beacon specifications. We also investigate the error introduced by the addition of oscillator phase noise, and we show how the position estimation can be improved by taking into account multiple emissions of the beacon. Finally, the localization performance of the MEOSAR system is studied for second generation beacons, which are being developed using spread spectrum modulation.

Cette thèse s’inscrit dans le projet de communication à proximité aux départements Electronique et Physique et Communications, Images et Traitement de l’Information de l’Institut Télécom Sud Paris. Le projet comporte la mise au point d’un récepteur basé sur une méthode de détection pseudo-cohérente des signaux Ultra Large Bande à double impulsion (TR-UWB), méthode désignée par Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC). La première partie de ce document comporte la réalisation d’une plate-forme modulaire de communication UWB basée sur le système de détection TDSC. Cette plate-forme comporte une puce CMOS 0.35μm conçue précédemment au laboratoire EPH. Elle offre la possibilité d’enregistrer des signaux TR-UWB réels et de réaliser des tests de fonctionnement. La deuxième partie est une étude approfondie du récepteur utilisant la méthode TDSC. La détection des signaux UWB et la procédure de synchronisation sont évalués en utilisant les signaux réels acquis à partir de la plate-forme. Un ensemble de tests ont été menés avec des signaux en bande de base et des signaux transposés en fréquence, dans les deux cas en transmission sur câble puis par radio. Les résultats ont permis de valider la détection et le principe de la synchronisation. La troisième partie est une proposition d’estimation de la distance entre deux dispositifs d’un réseau radio UWB utilisant un récepteur TDSC, pour une localisation en intérieur. L’étude fait la synthèse de plusieurs propositions et expérimentations et conduit à la définition des meilleurs critères pour une mesure du temps d’arrivée (TOA) et son implémentation pratique sur un récepteur TDSC / This thesis is part of the Electronics and Physics (EPH) department’s research work at Institut Telecom SudParis in collaboration with the Information, Images and Information Processing (CITI) Department. The project included the development of a receiver architecture called Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC) that works with Transmitted Reference Ultra Wideband signals (TR-UWB), and which could achieve a good performance without channel estimation. The first part of this work included the design of a modular UWB communication system based on the TDSC method. This platform uses a 0.35μm CMOS chip conceived by the EPH laboratory. This gives the possibility to record real TR-UWB signals and to achieve functional tests. A second part of the thesis was to deepen the use of the TDSC method for detection of UWB signals and the synchronization procedure of the receiver using real signals acquired by the platform. A series of tests were conducted in this regard by using baseband signals as well as frequency translated signals, through cable channels and radio transmission. The results let us validate the TDSC detection and the synchronization procedure. Finally, a third line of work was the study and development of a distance estimation proposal based on the time of arrival (TOA) of TR-UWB signals, for indoor localization purposes. The study included a synthesis of several proposals and experimental works. Simulations were made and compared with other methods. Experimental results and their good convergence with the simulations let conclude that the proposal is a feasible solution to the measurement of the TOA, based on a TR-UWB receiver with low-complexity architecture

Les premières recherches en détection, localisation et séparation de signaux remontent au début du 20ème siècle. Ces recherches sont d’actualité encore aujourd’hui, notamment du fait de la croissance rapide des systèmes de communications constatée ces deux dernières décennies. Par ailleurs, la littérature du domaine consacre très peu d’études relatives à certains contextes jugés difficiles dont certains sont traités dans cette thèse. Ce travail porte sur la localisation de signaux par détection des temps d’arrivée ou estimation des directions d’arrivée et sur la séparation de sources dépendantes ou à module constant. L’idée principale est de tirer profit de certaines informations a priori disponibles sur les signaux sources telles que la parcimonie, la cyclostationarité, la non-circularité, le module constant, la structure autoregressive et les séquences pilote dans un contexte coopératif. Une première partie détaille trois contributions : (i) un nouveau détecteur pour l’estimation des temps d’arrivée basé sur la minimisation de la probabilité d’erreur ; (ii) une estimation améliorée de la puissance du bruit, basée sur les statistiques d’ordre ; (iii) une quantification de la précision et de la résolution de l’estimation des directions d’arrivée au regard de certains a priori considérés sur les sources. Une deuxième partie est consacrée à la séparation de sources exploitant différentes informations sur celles-ci : (i) la séparation de signaux de communication à module constant ; (ii) la séparation de sources dépendantes connaissant la nature de la dépendance et (iii) la séparation de sources autorégressives dépendantes connaissant la structure autorégressive. / Signal detection, localization, and separation problems date back to the beginning of the twentieth century. Nowadays, this subject is still a hot topic receiving more and more attention, notably with the rapid growth of wireless communication systems that arose in the last two decades and it turns out that many challenging aspects remain poorly addressed by the available literature relative to this subject. This thesis deals with signal detection, localization using temporal or directional measurements, and separation of dependent source signals. The main objective is to make use of some available priors about the source signals such as sparsity, cyclo-stationarity, non-circularity, constant modulus, autoregressive structure or training sequences in a cooperative framework. The first part is devoted to the analysis of (i) signal’s time-of-arrival estimation using a new minimum error rate based detector, (ii) noise power estimation using an improved order-statistics estimator and (iii) side information impact on direction-of-arrival estimation accuracy and resolution. In the second part, the source separation problem is investigated at the light of different priors about the original sources. Three kinds of prior have been considered : (i) separation of constant modulus communication signals, (ii) separation of dependent source signals knowing their dependency structure and (iii) separation of dependent autoregressive sources knowing their autoregressive structure.