Ce travail de thèse se décompose en deux parties. Tout d'abord, nous présentons une nouvelle technique de focalisation d'ondes avec un seul émetteur en cavité réverbérante (FIM) en profitant d'un algorithme inspiré du filtre inverse. Via l'étude expérimentale de cavités réverbérantes dans le domaine des ultrasons, nous démontrons la capacité du FIM à optimiser la focalisation quelle que soit le type de cavité (de type ergodique ou non). Dans une deuxième partie, la propagation d'ondes élastiques dans un système formé par un ensemble de tiges d'aluminium collées sur une plaque mince de même nature, est étudiée. Ces tiges (résonateurs quasi-ponctuels) sont arrangées de façon périodique ou aléatoire sur une échelle sub-longueur d'onde. Le métamatériau ainsi constitué révèle la présence de larges bandes de fréquences interdites. De plus, la coexistence de résonances de flexion et de compression dans les résonateurs, ajoutée à la présence d'une conversion d'une partie de l'énergie du mode A0 vers le mode S0 dans la plaque, crée une grande complexité du champ d'onde. C'est ce qui fait de ce type de métamatériau, des objets tout à fait singuliers à l'échelle mésoscopique. / This thesis is divided into two parts. First, we present a new technique for focusing waves with one emitter in reverberant cavity (OCIF) inspired by inverse filter algorithm. Through the experimental study of reverberant cavities in the field of ultrasound, we demonstrate the ability of the OCIF to optimize the focusing no matter what type of cavity (ergodic type or not). In a second part, we investigate the propagation of elastic waves in a system formed by a set of aluminum rods glued to a thin plate of the same material. These rods form a set of quasi-punctual resonators in the propagation plane of waves. It is possible to arrange them periodically or randomly on a subwavelength scale. The metamaterial thus formed shows a complex wave field within it, including the presence of wide prohibited frequency ranges (bandgaps). The experimental and numerical approaches described in this manuscript show the existence of both flexural and compressional resonances in the resonators. Added to the presence of a conversion of a portion of the energy from the $A0$ Lamb mode to the $S0$ one in the plate, such a complexity makes this type of metamaterials, quite unusual objects at the mesoscopic scale.

O presente trabalho é um estudo sobre a importância da informação dos orbitais atômicos no cálculo de propriedades optoeletrônicas de heteroestruturas semicondutoras de baixa dimensionalidade. O trabalho é dividido em duas partes: na primeira parte, é estudada a simetria de reversão temporal no hamiltoniano k . p, analisando a preservação da informação de spin presente nos orbitais atômicos. O hamiltoniano obtido é inserido na equação de massa efetiva expandida para superredes. São calculadas estruturas de bandas de alguns poços quânticos de semicondutores III-V e grupo-IV. Compara-se o novo método com os tradicionais, e então são analisadas algumas grandezas que apresentam alteração significativa entre os métodos usados; A segunda parte é composta por um estudo detalhado do potencial de troca-correlação em semicondutores dopados. A matriz que descreve este potencial é escrita usando a distribuição de portadores presentes nos orbitais atômicos da rede cristalina, e os coeficientes desta matriz foram calculados usando quatro modelos para a correção de muitos corpos, baseadas nas aproximações LDA (Local density approximation) e LSDA (Local spin density approximation), com o objetivo de comparar as diversas parametrizações. Usando o método k . p tradicional, expandido para superredes, foram simulados sistemas δ-doped e hMni-δ-doped de Si, através de um cálculo autoconsistente baseado na equação de Poisson. A magnetização dos portadores é descrita por um modelo de campo médio. Foram analisados os perfis de potencial, estruturas de bandas, polarização de portadores e espectros de fotoluminescência para determinar as diferenças entre as aproximações utilizadas. / This work is a study about the atomic orbitals information importance in the calculation of optoelectronics properties of low dimensionality semiconductors. The work is divided in two parts. In the first one, a study of the time reversal symmetry of the k . p Hamiltonian is realized analyzing the preservation of the spin information present in the atomic orbitals. The obtained Hamiltonian is applied in the effective mass equation expanded to superlattices. Some calculations of quantum wells band structures are made using III-V and group-IV semiconductors, comparing the new method with the conventional ones to obtain an analysis of the difference of some physics properties. The second part is a detailed study of the exchangecorrelation potential in doped semiconductors. The matrix coefficients are calculated using the charge distribution of the crystalline lattice atomic orbitals, applied in some LDA (Local density approximation) and LSDA (Local spin density approximation) parameterizations to compare them. Using the conventional k . p method expanded to superlattices, Si δ-doped and hMni-δ-doped systems were calculated through a self consistent calculation based on Poissons equation. The carriers magnetization is described by an average field model. The potential profiles, band structures, carrier polarization and photoluminescence spectra were analyzed to obtain the difference between the approaches.

L’objectif de ces travaux est le développement d’une méthode d’imagerie de sources optoacoustiques en milieu solide. Afin d’analyser l’influence de la géométrie de la source sur les ondes acoustiques qu’elle génère et ainsi prévoir qualitativement si l’image de la source peut être obtenue avec une précision suffisante, la directivité d’une source acoustique est d’abord considérée. Pour quantifier plus précisément cette influence, la résolution complète de la propagation des ondes générées par cette source est ensuite menée. L’analyse de l’influence de l’incidence oblique d’un faisceau laser lors de la génération photoacoustique est proposée en illustration. La seconde partie de ce manuscrit est consacrée à la résolution du problème inverse qui permet d’obtenir l’image de la source initiale. Un algorithme de rétropropagation est alors mis en place. Il est basé sur les principes du retournement temporel et de Huygens, et simule la propagation, en milieu solide, des ondes mesurées vers la position initiale de la source acoustique. / The purpose of this work is to develop a method to image optoacoustic sources in solid media. To analyze the influence of the source geometry on laser-generated acoustic waves and thus qualitatively predict if the image of the source can be obtained with sufficient accuracy, the directivity of an acoustic source is considered first. In order to quantify more precisely this influence, the complete resolution of the propagation of acoustic waves generated by this source is then achieved. The analysis of the effect of oblique incidence of a laser beam in the photoacoustic generation process is proposed as an illustration. The second part of this thesis is devoted to the inverse problem resolution, which provides the image of the initial acoustic source. A backpropagation algorithm is then implemented. It is based on the time-reversal principle and the Huygens’ principle, and simulates, in a solid medium, the propagation of the measured acoustic waves back to the initial position of the acoustic source.

Cette thèse a pour objectif la quantification de l’impact d’incertitudes affectant le processus de Retournement Temporel (RT). Ces aléas, de natures diverses, peuvent avoir une forte influence s’ils se produisent entre les deux étapes du RT. Dans cette optique la méthode de Collocation Stochastique (CS) est utilisée. Les très bons résultats en termes d’efficacité et de précision observés lors de précédentes études en Compatibilité ÉlectroMagnétique (CEM) se confirment ici, pour des problématiques de RT. Cependant, lorsque la dimension du problème à traiter augmente (nombre de variables aléatoires important), la méthode de CS atteint ses limites en termes d’efficacité. Une étude a donc été menée sur les méthodes d’Analyse de Sensibilité (AS) qui permettent de déterminer les parts d’influence respectives des entrées d’un modèle. Parmi les différentes techniques quantitatives et qualitatives, la méthode de Morris et un calcul des indices de Sobol totaux ont été retenus. Ces derniers apportent des résultats qualitatifs à moindre frais, car seule une séparation des variables prépondérantes est recherchée. C’est pourquoi une méthodologie combinant des techniques d’AS avec la méthode de CS a été développée. En réduisant le modèle aux seules variables prédominantes grâce à une première étude faisant intervenir les méthodes d’AS, la CS peut ensuite retrouver toute son efficacité avec une grande précision. Ce processus global a été validé face à la méthode de Monte Carlo sur différentes problématiques mettant en jeu le RT soumis à des aléas de natures variées. / The aim of this thesis is to measure and quantify the impacts of uncertainties in the Time Reversal (TR) process. These random variations, coming from diverse sources, can have a huge influence if they happen between the TR steps. On this perspective, the Stochastique Collocation (SC) method is used. Very good results in terms of effectiveness and accuracy had been noticed in previous studies in ElectroMagnetic Compatibility (EMC). The conclusions are still excellent here on TR problems. Although, when the problem dimension rises (high number of Random Variables (RV)), the SC method reaches its limits and the efficiency decreases. Therefore a study on Sensitivity Analysis (SA) techniques has been carried out. Indeed, these methods emphasize the respective influences of the random variables of a model. Among the various quantitative or qualitative SA techniques the Morris method and the Sobol total sensivity indices have been adopted. Since only a split of the inputs (point out of the predominant RV) is expected, they bring results at a lesser cost. That is why a novel method is built, combining SA techniques and the SC method. In a first step, the model is reduced with SA techniques. Then, the shortened model in which only the prevailing inputs remain, allows the SC method to show once again its efficiency with a high accuracy. This global process has been validated facing Monte Carlo results on several analytical and numerical TR cases subjet to random variations.

Cette thèse étudie la technique dite de ‘Retournement Temporel’ afin d’améliorer l’efficacité énergétique des futurs réseaux mobiles d’une part, et réduire le coût des futurs terminaux mobiles, d’autre part. Le retournement temporel consiste à utiliser l’inverse temporel de la réponse impulsionnelle du canal de propagation entre un émetteur et un récepteur pour préfiltrer l’émission d’un signal de données. Avantageusement, le signal ainsi préfiltré est reçu avec une puissance renforcée (c’est la focalisation spatiale) et un écho principal qui est renforcé par rapport aux échos secondaires (c’est la compression temporelle). Lors d’une étape préalable d’apprentissage, l’émetteur estime le canal en mesurant un signal pilote provenant du récepteur. La focalisation spatiotemporelle n’est obtenue qu’à condition que la propagation demeure identique entre la phase d’apprentissage et la phase de transmission de données : c’est la condition de ‘réciprocité du canal’. De nombreux travaux montrent que la focalisation spatiale permet de réduire la puissance émise nécessaire pour atteindre une puissance cible au récepteur d’une part, et que la compression temporelle permet de réduire la complexité du récepteur nécessaire pour gérer l’effet des échos multiples, d’autre part. Cependant, les études sur la réduction de la complexité du récepteur se limitent à l’ultra large bande. Des travaux de cette thèse (basés sur des simulations et des mesures expérimentales) montrent que pour des bandes de fréquences plus typiques des futurs réseaux mobiles (fréquence porteuse à 1GHz et spectre de 30 MHz à 100 MHz), grâce au retournement temporel, un récepteur simple et un signal monoporteuse suffisent pour atteindre de hauts débits. En outre, la condition de réciprocité du canal n’est pas vérifiée dans deux scénarios typiques des réseaux mobiles. Tout d’abord, dans la plupart des réseaux mobiles européens, le mode de duplex en fréquence est utilisé. Ce mode implique que l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre sur des fréquences porteuses distinctes, et donc à travers des canaux de propagations différents. De plus, lorsqu’on considère un récepteur sur un véhicule connecté en mouvement, l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre à des instants distincts, correspondants à des positions distinctes du véhicule, et donc à travers des canaux de propagations différents. Des travaux de cette thèse proposent des solutions pour obtenir la focalisation spatio-temporelle dans ces deux scenarios. Enfin, des travaux de la thèse explorent la combinaison du retournement temporel avec d’autres techniques de traitement de signal récentes (la modulation spatiale, d’une part, et une nouvelle forme d’onde multiporteuse, d’autre part), ou des scenarios de déploiement nouveaux (ondes millimétriques et très grands réseaux d’antennes pour inter-connecter les noeuds d’un réseau ultra dense) ou de nouvelles applications (guidage et navigation) envisageables pour les futurs réseaux mobiles. / This thesis studies the time reversal technique to improve the energy efficiency of future mobile networks and reduce the cost of future mobile devices. Time reversal technique consists in using the time inverse of the propagation channel impulse response (between a transceiver and a receiver) as a prefilter. Such pre-filtered signal is received with a stronger power (this is spatial focusing) and with a strong main echo, relatively to secondary echoes (this is time compression). During a previous learning phase, the transceiver estimates the channel by measuring the pilot signal emitted by the receiver. Space-time focusing is obtained only at the condition that the propagation remains identical between the learning phase and the data transmission phase: this is the ‘channel reciprocity’ condition. Numerous works show that spatial focusing allows for the reduction of the required transmit power for a given target received power, on the one hand, and that time compression allow for the reduction of the required complexity at the receiver side to handle multiple echoes, on the other hand. However, studies on complexity reduction are limited to ultra wideband. Some works of this thesis (based on simulations and experimental measurements) show that, for bands which are more typical for future networks (a carrier frequency of 1GHz and a spectrum of 30 MHz to 100 MHz), thanks to time reversal, a simple receiver and a mono-carrier signal are sufficient to reach high data rates. Moreover, the channel reciprocity condition is not verified in two scenarios which are typical from mobile networks. Firstly, in most European mobile networks, the frequency division duplex mode is used. This mode implies that the transceiver and the receiver communicate on distinct carriers, and therefore through different propagation channels. Secondly, when considering a receiver on a moving connected vehicle, the transceiver and the receiver communicate one with each other at distinct instants, corresponding to distinct positions of the vehicles, and therefore through different propagation channels. Some works of this thesis propose solutions to obtain space-time focusing for these two scenarios. Finally, some works of this thesis explore the combination of time reversal with other recent signal processing techniques (spatial modulation, on the one hand, a new multi-carrier waveform, on the other hand), or new deployment scenarios (millimeter waves and large antenna arrays to interconnect the nodes of an ultra dense network) or new applications (guidance and navigation) which can be envisaged for future mobile networks.

Le codage spectral Ultra Large Bande (ULB) appliqué aux dispositifs `a ondes élastiques de surface(SAW), exploit ´es comme capteurs passifs interrogeables par liaison radio fréquence, augmente lenombre de données stockées et échangées, et améliore la résolution sur la mesure. L’approcheproposée est de réaliser des dispositifs SAW ULB dans la bande de fréquence 2 GHz − 2.5 GHzréglementée par la norme de communication radio fréquence américaine, après prototypage dansune bande de fréquences plus basses de 200 MHz − 400 MHz. La puissance autorisée sur cettepremière bande est de −41.3 dBm/MHz : pour un dispositif SAW ayant des pertes d’insertion del’ordre de 30 dB, la distance d’interrogation établie par application de l’ équation du RADAR estthéoriquement limitée `a environ 1 m. Afin d’avoir la portée la plus grande possible, nous avonsétudié plusieurs architectures de dispositifs SAW : standards et modulés linéairement en fréquence,pour limiter les pertes d’insertion. A l’aide d’un lecteur embarqué, nous avons réalisé des mesuresen température sans fils simultanées de trois capteurs, apportant une solution au problème decollision. La résolution en température atteinte est de 0.1 _C pour une distance de mesure de 20 cm.Nous montrons que la communication ULB est aussi une solution pour l’interrogation sans fils enmilieux réflectifs aux ondes radio fréquences. `A l’aide d’un synthétiseur de fonction arbitraire et d’unoscilloscope, nous montrons expérimentalement que le retournement temporel fonctionne sur lesdispositifs SAW LFM et qu’il bénéficie du gain de traitement ce qui améliore le rapport signal surbruit. / Applying Ultra Wide Band (UWB) spectral coding to surface acoustic wave (SAW) devices, usedas passive sensors interrogated through a radio frequency link, increases the number of stored andexchanged data and improves the measurement resolution. The proposed approach is to design SAWUWB devices in the frequency band of 2 GHz − 2.5 GHz complying with the American radio frequencycommunication standards after prototyping them in the lower 200 MHz − 400 MHz frequency band.The authorized emitted power is −41.3 dBm/MHz: for a SAW device exhibiting insertion losses ofabout 30 dB, the interrogation distance determined by the RADAR equation adapted to SAW devicesis theoretically limited to 1 m. In order to improve the reading distance, we investigated severalarchitectures as standard SAW devices and as linear frequency modulated (LFM) devices, in order toreduce insertion losses. Using an embedded SAW reader, we simultaneously measured temperatureon three sensors, showing a solution to the problem of collision. The temperature resolution reachedwas 0.1 C for a reading distance of 20 cm. We show that the UWB communication is also a solutionfor communications in radio frequency wave reflective environment. Using a arbitrary waveformgenerator and an oscilloscope, we also show experimentally, that time reversal works on LFM SAWdevices, with the response signal to noise ratio improved by the processing gain

Dans de nombreux systèmes de traitement de l'information, le signal est numérisé, traité informatiquement, puis reconverti dans le domaine analogique. La faible bande passante de ces étapes de conversion numérique/analogique limite considérablement le débit d'informations traitées. Une solution purement analogique améliorerait donc considérablement le temps de traitement et la bande passante. Notre approche consiste à transférer le signal RF à traiter sur une porteuse optique puis à procéder à son traitement dans le domaine optique. L'étape de traitement est assurée par la traversée d'un cristal dopé en ions terres rares convenablement "programmé". Cette étape de programmation consiste à graver dans le profil d'absorption du cristal une fonction caractéristique de l'opération de traitement du signal à réaliser. Deux opérations ont ainsi été implémentées : 1) le renversement temporel de signaux RF : c'est l'opération consistant à générer analogiquement le signal renversé temporellement s(−t) d'un signal incident s(t). La fonction à graver dans le profil d'un cristal d'Er:YSO est alors un réseau spectral de pas variable. 2) l'analyse spectrale large bande instantanée : c'est l'opération permettant d'accéder au contenu spectral d'un signal. On impose au protocole de fournir instantanément le spectre d'un signal large bande. La fonction à graver dans le profil d'un cristal de Tm:YAG est alors un réseau spectro-spatial de pas variable. / Many signal processing devices rely on the digitalization of the incoming signal. After being processed by a computer, the signal needs to be converted back to its original analog form. Due to the limited bandwidth of analog-to-digital and digital-to-analog stages, the data flow rate is significantly limited. A purely analog solution would then significantly improve the processing time and bandwidth. In our approach, we first transfer the incoming RF signal on an optical carrier, allowing us to process it in the optical domain. For the processing stage, we propose to engrave the absorption profile of a rare earth ion-doped crystal with different shapes (each shape is specific to one processing operation). In this work, two operations are implemented: 1) time reversal of RF signals: we analogically generate the time reversed replica s(−t) of an incoming signal s(t). For this purpose, the shape to be engraved in the absorption profile of a Er:YSO crystal is a non-periodic spectral grating. 2) instantanous broadband spectral analysis: we want to instantaneously access the spectral components of a broadband signal. For this purpose, the shape to be engraved in the absorption profile of a Tm:YAG crystal is a spectro-spatial grating with a variable period.

Cette thèse a pour but d’explorer la structure de causalité qui sous-tend les marchés financiers. Elle se concentre sur l’inférence multi-échelle de réseaux de causalité entre investisseurs dans deux bases de données contenant les identifiants des investisseurs. La première partie de cette thèse est consacrée à l’étude de la causalité dans les processus de Hawkes. Ces derniers définissent la façon dont l’activité d’un investisseur (par exemple) dépend du passé; sa version multivariée inclut l’interaction entre séries temporelles, à toutes les échelles. Les résultats principaux de cette partie est que l’estimation avec le maximum de vraisemblance des paramètres du processus changent remarquablement peu lorsque la direction du temps est inversée, tant pour les processus univariés que pour les processus multivariés avec noyaux d’influence mutuelle symétriques, et que la causalité effective de ces processus dépend de leur endogénéité. Cela implique qu’on ne peut pas utiliser ce type de processus pour l’inférence de causalité sans précautions. L’utilisation de tests statistiques permet la différentiation des directions du temps pour des longues données synthétiques. Par contre, l’analyse de données empiriques est plus problématique: il est tout à fait possible de trouver des données financières pour lesquelles la vraisemblance des processus de Hawkes est plus grande si le temps s’écoule en sens inverse. Les processus de Hawkes multivariés avec noyaux d’influence asymétriques ne sont pas affectés par une faible causalité. Il est malheureusement difficile de les calibrer aux actions individuelles des investisseurs présents dans nos bases de données, pour deux raisons. Nous avons soigneusement vérifie que l’activité des investisseurs est hautement non-stationaire et qu’on ne peut pas supposer que leur activité est localement stationaire, faute de données en nombre suffisant, bien que nos bases de données contiennent chacune plus de 1 million de transactions. Ces problèmes sont renforcés par le fait que les noyaux dans les processus de Hawkes codent l’influence mutuelle des investisseurs pour toutes les échelles de temps simultanément. Afin de pallier ce problème, la deuxième partie de cette thèse se concentre sur la causalité entre des échelles de temps spécifiques. Un filtrage supplémentaire est obtenu en réduisant le nombre effectif d’investisseurs grâce aux Réseaux Statistiquement Validés. Ces derniers sont utilisés pour catégoriser les investisseurs, qui sont groupés selon leur degré de la synchronisation de leurs actions (achat, vente, neutre) dans des intervalles déterminés à une échelle temporelle donnée. Cette partie propose une méthode pour l’inférence de réseaux de meneurs et suiveurs déterminés à une échelle de temps donnée dans le passé et à une autre dans le futur. Trois variations de cette méthode sont étudiées. Cette méthode permet de caractériser la causalité d’une façon novatrice. Nous avons comparé l’asymétrie temporelle des actions des investisseurs et celle de la volatilité des prix, et conclure que la structure de causalité des investisseurs est considérablement plus complexe que celle de la volatilité. De façon attendue, les investisseurs institutionnels, dont l’impact sur l’évolution des prix est beaucoup plus grand que celui des clients privés, ont une structure causale proche de celle de la volatilité: en effet, la volatilité, étant une quantité macroscopique, est le résultat d’une aggrégation des comportements de tous les investisseurs, qui fait disparaître la structure causale des investisseurs privés. / This thesis aims to uncover the underlyingcausality structure of financial markets by focusing onthe inference of investor causal networks at multipletimescales in two trader-resolved datasets.The first part of this thesis is devoted to the causal strengthof Hawkes processes. These processes describe in a clearlycausal way how the activity rate of e.g. an investor dependson his past activity rate; its multivariate version alsomakes it possible to include the interactions between theagents, at all time scales. The main result of this part isthat the classical MLE estimation of the process parametersdoes not vary significantly if the arrow of time is reversedin the univariate and symmetric multivariate case.This means that blindly trusting univariate and symmetricmultivariate Hawkes processes to infer causality from datais problematic. In addition, we find a dependency betweenthe level of causality in the process and its endogeneity.For long time series of synthetic data, one can discriminatebetween the forward and backward arrows of time byperforming rigorous statistical tests on the processes, butfor empirical data the situation is much more ambiguous,as it is entirely possible to find a better Hawkes process fitwhen time runs backwards compared to forwards.Asymmetric Hawkes processes do not suffer from veryweak causality. Fitting them to the individual traders’ actionsfound in our datasets is unfortunately not very successfulfor two reasons. We carefully checked that tradersactions in both datasets are highly non-stationary, andthat local stationarity cannot be assumed to hold as thereis simply not enough data, even if each dataset containsabout one million trades. This is also compounded by thefact that Hawkes processes encode the pairwise influenceof traders for all timescales simultaneously.In order to alleviate this problem, the second part ofthis thesis focuses on causality between specific pairs oftimescales. Further filtering is achieved by reducing theeffective number of investors; Statistically Validated Networksare applied to cluster investors into groups basedon the statistically high synchronisation of their actions(buy, sell or neutral) in time intervals of a given timescale.This part then generalizes single-timescale lead-lag SVNsto lead-lag networks between two timescales and introducesthree slightly different methodsThese methods make it possible to characterize causalityin a novel way. We are able to compare the time reversalasymmetry of trader activity and that of price volatility,and conclude that the causal structure of trader activity isconsiderably more complex than that of the volatility for agiven category of traders. Expectedly, institutional traders,whose impact on prices is much larger than that of retailclients, have a causality structure that is closer to that ofvolatility. This is because volatility, being a macroscopicquantity, aggregates the behaviour of all types of traders,thereby hiding the causality structure of minor players.

Bei einer Reihe bedeutsamer industrieller Prozesse, wie dem Stahl-Strangguss oder der Kristallzucht für die Photovoltaik, ist die Strömung flüssiger Metalle oder Halbleiter entscheidend für den Energieaufwand bei der Herstellung und die Qualität des Endproduktes. Eine gezielte, berührungslose Einwirkung von Lorentzkräften auf die heißen Schmelzen kann dabei die Ressourceneffizienz eines Prozesses signifikant steigern. Die komplexe Interaktion von elektrisch leitfähigen Fluiden und magnetischen Wechselfeldern wird dazu in der Magnetohydrodynamik (MHD) durch Experimente im Labormaßstab an niedrigschmelzenden Metallen untersucht. Die dabei auftretenden instationären, dreidimensionalen Strömungsfelder erfordern eine nicht-invasive, bildgebende Strömungsmesstechnik für opake Fluide mit hoher Orts- und Zeitauflösung, welche derzeitig nicht für die MHD zur Verfügung steht. Im Rahmen dieser Arbeit soll mit den Mitteln der Elektrotechnik eine für MHD-Modellexperimente geeignete Messtechnik basierend auf dem Ultraschall-Doppler-Prinzip geschaffen werden. Dabei wird der Ansatz verfolgt, die Komplexität eines Messsystems vom mechanischen Aufbau hin zur Rechentechnik zu verlagern, um durch die dort in jüngster Zeit verfügbaren Ressourcen neuartige Signalverarbeitungsmethoden und eine höhere Flexibilität zu ermöglichen. Mit dem Ultrasound Array Doppler Velocimeter (UADV) wurde ein flexibles Messsystem für MHD-Modellexperimente geschaffen, welches eine mehrkomponentige Mehrebenenmessung durch Sensordatenfusion von bis zu neun linearen Wandlerarrays im kombinierten Zeit- und Ortsmultiplex erreicht. Die Signalverarbeitung ist durch eine auf einem Field Programmable Gate Array implementierte Datenkompression onlinefähig. Sie reicht trotz geringer rechentechnischer Komplexität bis auf Faktor 3 an die fundamentale Grenze der Messunsicherheit, die Cramér-Rao-Schranke, heran. Das UADV wurde über ein Kalibrierexperiment mit interferometrischer Referenzmessung auf die SI-Einheiten zurückgeführt. Das UADV wurde an einer magnetfeldgetriebenen Strömung in einem kubischen Gefäß angewandt. Numerische Simulationen sagen dort nicht-deterministisch einsetzende Instabilitäten im Übergangsbereich des laminaren zum turbulenten Strömungsregimes vorher. Durch eine simultane Zweiebenenmessung mit hoher örtlicher (3 ... 5 mm) und zeitlicher Auflösung (Bildrate 11,2 Hz) bei gleichzeitig langer Aufnahmedauer (> 1000 s) konnten die Instabilitäten erstmals experimentell charakterisiert werden. Eine Hauptkomponentenanalyse identifizierte ein gekoppeltes Paar von Strömungsmoden, welche eine spontan anfachende harmonische Oszillation mit der Frequenz f = 0,072 Hz beschreiben und durch komplexe Wirbel gekennzeichnet sind. Die Analyse der Messunsicherheit für das gegebene Experiment ergab, dass diese mit σ v,rel = 13,9 % hauptsächlich durch das räumliche Auflösungsvermögen bestimmt wird. Das Schallfeld ist bei ultraschallbasierten Messverfahren ausschlaggebend für die Eigenschaften der Bildgebung. Mit dem Phased Array Doppler Velocimeter (PAUDV) wurde ein modulares Messsystem mit adaptiven Schallfeld aufgebaut, wobei durch digitale Strahlformung die örtliche und zeitliche Auflösung signifikant erhöht werden kann. Eine aktive Kontrolle des Schallfeldes ermöglicht zudem die Messung durch Objekte mit komplexen, unbekannten Ausbreitungseigenschaften. Mit dem Time Reversal Virtual Array (TRVA) wird dabei eine effiziente Methode zur Bildgebung vorgestellt und auf die Strömungsmessung durch einen Multimode-Wellenleiter angewandt. Damit kann die Beschränkung bildgebender Ultraschallmesstechnik hinsichtlich der Betriebstemperatur der Wandler umgangen und heiße Schmelzen industrieller und technischer Prozesse für nichtinvasive In-Prozess-Bildgebung zugänglich gemacht werden. / In many important industrial processes, such as continuous steel casting or crystal growth for photovoltaic silicon, the flow of liquid metals or semiconductors determines the energy consumption of the process and the quality of the product. Influencing the hot melts contactlessly through Lorentz forces for a targeted flow control can significantly improve the resource-efficiency of a process. The complex interaction of electrically conductive fluids and alternating magnetic fields is investigated in the field of magnetohydrodynamics (MHD) through laboratory-scale experiments in low melting metals. The emerging instationary, three-dimensional flows require a temporally and spatially high-resolved non-invasive flow imaging system, which currently is not available for MHD research. In this work, a flow instrumentation for MHD experiments based on the ultrasound Doppler principle is created through means of electrical engineering. The general approach is to shift the complexity of a system from mechanics over electronics to an algorithmic implementation in order to exploit the recent computational advances, enabling novel signal processing methods and increasing the flexibility. The ultrasound array Doppler velocimeter (UADV) has been created as a flexible instrumentation system for MHD experiments. It supports multicomponent, multiplane velocity measurements through sensor fusion of up to nine linear transducer arrays with spatiotemporal multiplexing. An online signal processing is realized through data compression on a field-programmable gate array (FPGA). It achieves an uncertainty as low as a factor 3 of the Cramér-Rao lower bound despite a low computational complexity of the algorithm. The UADV has been applied to a magnetically-driven flow in a cubic vessel. Numerical simulations predicted a non-deterministic instability in the transitory region between laminar and turbulent flow regimes. A simultaneous two-dimensional two-component flow measurement with high spatial (3 ... 5 mm) and temporal resolution (frame rate 11,2 Hz) over long durations (> 1000 s) allowed to characterize those instabilities experimentally for the first time. A principal component analysis identified a pair of coupled modes with a complex vortex structure that performs a spontaneously onsetting oscillation at f = 0,072 Hz. The measurement uncertainty for the experiment has been evaluated to be σ v,rel = 13,9 % and is primarily caused by the spatial resolution of the system. The properties of ultrasound-based imaging are primarily determined by the sound field. The phased array Doppler velocimeter (PAUDV) has been developed as a modular flow instrumentation system with an adaptive sound field, which allows to increase the spatial and temporal resolution. Furthermore, an active control of the sound field enables measurements despite a complex, unknown sound propagation. A method to image through strong aberrations efficiently has been proposed with the time reversal virtual array (TRVA). It has been applied to flow imaging through a multimode waveguide, thus allowing to circumvent the limitation of common ultrasound imaging systems regarding their maximum operating temperature. This paves the way for in-process flow imaging of hot, opaque liquids in technical and industrial processes.

The Lamb wave based, non-contact damage detection techniques are developed using the Modified Time Reversal (MTR) method and the model based inverse problem approach. In the first part of this work, the Lamb wave-based MTR method along with the non-contacting sensors is used for structural damage detection. The use of non-contact measurements for MTR method is validated through experimental results and finite element simulations. A novel technique in frequency-time domain is developed to detect linear damages using the MTR method. The technique is highly suitable for the detection of damages in large metallic structures, even when the damage is superficial, and the severity is low. In this technique, no baseline data are used, and all the wave motion measurements are made remotely using a laser vibrometer. Additionally, this novel MTR based technique is not affected due to changes in the material properties of a structure, environmental conditions, or structural loading conditions. Further, the MTR method is improved for two-dimensional damage imaging. The damage imaging technique is successfully tested through experimental results and finite element simulations. In the second part of this work, an inverse problem approach is developed for the detection and estimation of major damage types experienced in adhesive joints. The inverse problem solution is obtained through an optimization algorithm wherein the objective function is formulated using the Lamb wave propagation data. The technique is successfully used for the detection/estimation of cohesive damages, micro-voids, debonds, and weak bonds. Further, the inverse problem solution is separately obtained through a fully connected artificial neural network. The neural network is trained using the Lamb wave propagation data generated from Wavelet Spectral Finite Element (WSFE) model which is computationally much faster than a conventional finite element model. This inverse problem approach technique requires a single point measurement for the inspection of the entire width of the adhesive joint. The proposed technique can be used as an automated quality assurance tool during the manufacturing process, and as an inspection tool during the operational life of adhesively bonded structures.