L'interaction onde-matière a toujours été un sujet d'étude en Physique, c’est le cas de la propagation des ondes élastiques dans le corps humain qu’a conduit à plusieurs modalités d'imagerie. En particulier, les techniques d'elastographie reposent sur l'utilisation des ondes de cisaillement pour obtenir une image élastique des tissus mous. Dans ce contexte, cette thèse présente une étude des différentes techniques d'élastographie, en prêtant particulier attention aux aspects plus fondamentaux comme à ces potentielles applications.Tout d'abord, cette thèse montre que l'élastographie impulsionnelle unidimensionnelle (1D) peut être utilisée pour évaluer l'élasticité des couches de tissue d'épaisseur inférieure à la longueur d'onde utilisée. A cet effet, des simulations et des expériences ont été réalisées avec différents fantômes formés par une couche mince immergée dans un milieu d'élasticité différente. La concordance entre expériences et simulations, ainsi que le valeur de l'élasticité obtenue par élastographie 1D et le valeur de l'élasticité intrinsèque de la couche permettent de valider cette technique. Au même temps ces résultats ont été comparés avec ceux obtenus par la technique de Supersonic Shear Imaging (SSI), où l'onde est guidée le long de la plaque. On ajustant la courbe de dispersion expérimentale obtenue par SSI avec un modèle de Lamb, l'élasticité intrinsèque de chaque plaque est estimée. Les résultats obtenus par élastographie 1D et SSI montrent un bon accord entre eux. Le principal avantage de l'élastographie 1D est qu’il n'est pas nécessaire d'utiliser un modèle pour estimer l'élasticité de la plaque. Deuxièmement, deux nouvelles modalités d'imagerie quantitative pour l'extraction de élasticité des tissus mou à partir d'un champ élastique complexe sont approfondies: l'Elastographie par Retournement Temporel et le filtre inverse passif. Le but de ces deux techniques est d'estimer localement l'élasticité des tissus, par la mesure de la taille de la tâche focale dans une expérience virtuelle de retournement temporel avec des ondes de cisaillement. A partir de l'étude du processus de retournement temporel dans les solides mous, la faisabilité de ces deux techniques est démontrée in vitro dans des échantillons "bi-couche" et in vivo dans le foie et les muscles, en utilisant le bruit physiologique naturel crée par l'activité cardiaque et musculaire. L'efficacité de l'élastographie par retournement temporel diminue dans le cas d'un champ diffus non isotrope. L'emploie du filtre inverse adaptée à une configuration de source de bruit, permet de rétablir l'isotropie du champ et d'améliorer la résolution pour la détection de petites inclusions. Le filtre inverse passif permet, de surcroît, de contrôler la fréquence qui domine le champ de retournement temporel. Ceci est exploité, dans la dernière partie du manuscrit, pour mener la première expérience de spectroscopie passive en volume. Deux situations sont envisagées: la dispersion due à la propagation d'ondes guidées dans des plaques minces et la dispersion des ondes due à la viscosité. / The interaction between wave and matter has long been studied in Physics. In particular, regarding medical applications, wave propagation through the human body resulted in several imaging modalities, each of which uses a specific type of wave linked to a given physical property. The elasticity of soft biological tissues is directly linked to its shear wave speed. Thus, in Elastography, shear waves are tracked for non-invasive assessment of the mechanical properties of soft tissues. In this context, this thesis proposes a study of different elastography techniques from a basic point of view, as well as from its potential applications. Firstly, in this manuscript, the use of 1D transient elastography for the quantitative elasticity assessment of thin layered soft tissues is proposed. Experiments on three phantoms with different elasticities and plate thicknesses were performed. Experimental shear wave speed estimations inside the plate were obtained and validated with finite difference simulation. In addition, the Supersonic Shear Imaging (SSI) technique was performed. For the SSI technique, the propagating wave inside the plate is guided as a Lamb wave. Experimental SSI dispersion curves were fitted using a generalized Lamb model to retrieve the plate bulk shear wave speed. Finally both techniques resulted in similar shear wave speed estimations. The main advantage of 1D transient elastography is that the bulk shear wave speed can be directly retrieved from a time of flight measurement without requiring a dispersion model. Secondly, throughout this thesis, two novel quantitative imaging modalities for extracting the soft tissue's elasticity from a complex reverberated diffuse elastic field are deepen: Time Reversal Elastography (TRE) and the passive inverse filter. The goal of both techniques is to locally estimate the tissue's elasticity, by measuring the focal spot size in a virtual time reversal experiment involving shear waves. By studying the Physics of a time reversal process in soft solids, the feasibility of both techniques as a quantitative imaging techniques is demonstrated in vitro in bi-layer phantoms and in vivo in the liver-belly muscle, by using the physiological noise due to heartbeats and muscular activity. The efficiency of TRE decreases in the presence of a non-isotropic diffuse field. The use of the inverse filter adapted to a passive source configuration, restores the isotropy of the field. As a consequence, the resolution of the elasticity images is improved, leading to a better detection of small inclusions. In addition, the passive inverse filter allows to control the frequency dominating the time reversed field. This is exploited in the last part of the manuscript to conduct the first passive wave spectroscopy experiment in the volume of a soft solid. Two situations are considered: dispersion due to guided wave propagation in thin plates and wave dispersion due to viscosity effects.

Dans un contexte où les ressources énergétiques sont moindres et la demande en termes de débit de communication est forte, il est intéressant de proposer des solutions techniques au niveau de la couche physique permettant d’optimiser la consommation énergétique de systèmes. Actuellement, pour une localisation précise et un transfert de données entre voie et trains efficace, la signalisation ferroviaire exploite des balises disposées entre les rails. La durée possible de la communication entre trains et balises s’avère très brève et n’est effective que lorsque le train passe juste au-dessus de la balise. Celle-ci reste en état de veille jusqu’à ce que le train la télé alimente lors de son passage. Le temps de communication utile entre le train et la balise s’établit à 3-4 ms pour un train roulant à 300 km/h. Par conséquent, plusieurs équipements consécutifs doivent être installés si l’on veut accroître la durée d’échange ou encore la quantité de données échangées. En outre, le fait d’émettre continument un puissant signal de télé alimentation radiofréquence non exploité depuis tous les trains en circulation, la difficulté de maintenance liée à la présence de cet équipement entre les rails, ainsi que la portée et donc la capacité de communication réduites des balises actuelles constituent autant de limitations que nous tentons de pallier avec ce nouvel équipement. Dès lors, nous développons une nouvelle génération de balise ferroviaire fondée sur un lien radiofréquence qui possède une portée atteignant quelques mètres, nettement plus importante que celle exploitable actuellement. Cette balise est également située en bord de voie et non entre les rails pour des questions de facilité de maintenance. Nous utilisons une technique de focalisation du signal émis depuis la balise vers l’antenne embarquée sur le train. Puisque la distance de communication balise au sol - interrogateur est portée à quelques mètres, la télé alimentation par couplage inductif actuelle n’est plus possible. Disposer d’une infrastructure centrale pour alimenter toutes les balises présentes sur le réseau n’est pas réaliste non plus. Une solution raisonnable et économe consiste à générer de l’énergie électrique basse tension localement en utilisant des énergies renouvelables (solaire, éolienne…), et en limitant le plus possible la consommation d’énergie de l’électronique de la balise. Dans cette optique, la contribution scientifique présentée consiste à développer et à optimiser, en termes d’énergie consommée, la couche physique de communication de cet équipement. / In railway signaling, accurate and safe localization of trains is of paramount importance for the safe exploitation of railway networks. Therefore, train odometry has received considerable interest. Usually, train odometers manage different embarked sensors including wheel counters and Doppler radars that compute the position and the speed of the trains. However, as trains move, these proprioceptive sensors accumulate drifts and, as a consequence, train localization accuracy is compromised after several kilometers. In order to fix this drift problem, railway signaling uses beacons installed at ground, on the track, between the rails. Installed every several kilometers, they transmit absolute localization information to trains passing over them thus, bringing back locally the drifts to zero. These beacons constitute major components of railway signaling and also one of the very last equipment installed between the rails. Existing railway beacons are placed on the rails for two main reasons. First of all, since in these conditions the radio link between the train and the beacons remains very short, in the order of a few tens of centimeters, placing the beacons on the rails is very helpful to deliver an accurate local absolute localization to the train. Moreover using this very short radio communication range, while passing over them, trains can supply electrical energy to the beacons by magnetically coupling radiofrequency energy from the train to the beacon. This radiofrequency energy is detected and converted in DC power supply to feed the beacon electronics. This very short range leads to a satisfactory transfer of energy between train and beacon. As indicated previously, beacons can just be position indicators; however, they can also handle communication between grounds and trains using a peer to peer radio link. In this case, communication is only active when the train passes over the beacons, thus, the effective communication time is very short. As another major drawback of this particular implementation between the rails, track maintenance requires disassembling the beacons and then repositioning them safely and accurately.

On s'intéresse à la localisation de l'axe du cône de Mach lié au déplacement supersonique d'un source acoustique en milieu réverbérant à l'aide d'un nombre limité de microphones. L'application faisant l'objet du financement doctoral est la localisation de tireurs embusqués, dans le cadre de la protection du combattant. Le principe du retournement temporel stipule que, lors de la réémission des mesures renversées dans le temps depuis leurs positions respectives, tout se passe comme si le champ de pression acoustique se propageait en remontant le temps et focalisait à l'endroit de la distribution de sources. Cette focalisation est d'autant plus efficace que les positions de capteurs ont tendance à former une surface fermée autour des sources. On considère une distribution discrète de microphones à hauteur constante dans une rue rectiligne. Dans une première approche, le déplacement supersonique est modélisé selon le principe de Huygens-Fresnel comme une sommation de sources monopolaires. Cela permet une formulation analytique du problème direct pouvant être résolue par des simulations numériques simples en accord avec un montage expérimental de synthèse de cône de Mach au moyen d'une ligne de haut-parleurs. La résolution du problème inverse se fait en calculant numériquement le champ rétropropagé depuis les positions des microphones jusque dans des tranches verticales disposées le long de la rue. L'utilisation d'un critère statistique d'ordre supérieur permet de réduire la contribution des termes de sources dans le champ rétropropagé, à l'origine d'une divergence du champ de pression autour des positions de microphones. L'axe du cône de Mach peut alors être localisé avec une bonne précision angulaire. Dans une deuxième approche, on considère un front d'onde conique réel en déplacement supersonique. Les temps d'arrivée obéissent à des lois de retard bien précises. Notre modèle de réverbération permet de prédire la plupart des pics correspondant à l'arrivée au point de mesure des signaux impulsionnels réfléchis. La réverbération n'a pas un effet aussi bénéfique dans le cadre d'une source supersonique réelle que dans le cas d'une source statique, ni même que dans celui de la ligne de haut-parleurs, car la source supersonique présente des contraintes géométriques particulières dont le retournement temporel ne tient pas compte, étant donnée la différence de géométrie des ondes directe (un cône) et retournée dans le temps (une superposition d'ondes sphériques). Cependant, la focalisation autour du passage de l'axe est observée dans les tranches horizontales, avec une qualité dépendant fortement de l'agencement de l'antenne de microphones. / We are interested into the localisation of the Mach cone --- created by the supersonic motion of an acoustic source into a reverberant medium --- by means of a limited amount of microphones. The application concerns sniper localisation, hence protection of the soldier. Theory of time-reversal states that when reemitting measures reversed in time from their respective positions, everything happens as if the pressure field were propagating travelling backwards in time and focused on the source distribution. This result is enhanced when the microphone distribution over space forms a closed surface surrounding the sources, according to Kirchhoff-Helmholtz formula. Aiming at a physically and technologically implementable method, we consider a discrete distribution of microphones, disposed at a constant height in a reverberating area reproducing the geometry of a straight narrow street.The problem shows specific constraints due to its specific geometry that we aim to use sparsely. In a first approach, we consider the supersonic displacement from the viewpoint of Huygens-Fresnel principle as a discrete sum of monopolar sources, which allows an analytical formulation of the direct problem solvable by simple numerical simulations. This model is in agreement with an experimental framework, were the Mach cone is synthesized by means of a loudspeaker array. The resolution of the inverse problem is made by computing the time-reversed pressure field into vertical slices disposed along the street. The use of a fourth-order spatiotemporal statistical criterion (kurtosis) allows to reduce unwanted contribution of source term causing a divergence around microphone positions. A maximum of kurtosis is observed around the intersection between the time-reversal slice and the Mach cone axis, allowing localisation of the latter with good angular precision. In a second approach, we investigate the previous method on a real Mach cone. It is necessary to adopt the point of view of dynamical space-time geometry to understand the behaviour of the times of arrival of the different image sources. It is also necessary to take into account the finiteness of the reberberating walls. Our geometrical theory of reverberation allows a modelisation of the direct problem in good agreement with experimental measurements. We show that the effect of reverberation does not enhance time-reversed focalisation as well as it does with a static source. This is mainly due to geometric constraints that are not reproduced in the time-reversed wavefront superposition. The resolution of the inverse problem strongly depends on the disposition of the microphone set: on the 9 configurations, only one allows detection of the axis.

- An extensive summary in French is available in Appendix E on page 189 -

In this paper, we consider families of time Markov fields (or reciprocal classes) which have the same bridges as a Brownian diffusion. We characterize each class as the set of solutions of an integration by parts formula on the space of continuous paths C[0; 1]; R-d) Our techniques provide a characterization of gradient diffusions by a duality formula and, in case of reversibility, a generalization of a result of Kolmogorov.

This thesis describes two topological phases of matter, the Weyl semimetal and the line node semimetal, that are related to but distinct from topological insulator phases. These new topological phases are semimetallic, having electronic energy bands that touch at discrete points or along a continuous curve in momentum space. These states are achieved by breaking time-reversal symmetry near a transition between an ordinary insulator and a topological insulator, using a model based on alternating layers of topological and ordinary insulators, which can be tuned close to the transition by choosing the thicknesses of the layers. The semimetallic phases are topologically protected, with corresponding topological surface states, but the protection is due to separation of the band-touching points in momentum space and discrete symmetries, rather than being protected by an energy gap as in topological insulators. The chiral surface states of the Weyl semimetal give it a non-zero Hall conductivity, while the surface states of the line node semimetal have a flat energy dispersion in the region bounded by the line node. Some transport properties are derived, with a particular emphasis on the behaviour of the conductivity as a function of the impurity concentrations and the temperature.

This thesis concerns the study of time reversal and plane-wave decomposition in various geophysical applications. Time reversal is a key step in seismic interferometry, reverse time migration and full waveform inversion. The plane-wave transform, also known as the tau-p transform or slant-stack, can separate waves based on their ray parameters or their emergence angles at the surface. I propose a new approach to retrieve virtual full-wave seismic responses from crosscorrelating recorded seismic data in the plane-wave domain. Unlike a traditional approach where the correlogram is obtained from crosscorrelating recorded data, which contains the full range of ray parameters, this method directly chooses common ray parameters to cancel overlapping ray paths. Thus, it can sometime avoid spurious arrivals when the acquisition requirement of seismic interferometry is not strictly met. I demonstrate the method with synthetic examples and an ocean bottom seismometer data example. I show a multi-scale application of plane-wave based full waveform inversion (FWI) with the aid of frequency domain forward modeling. FWI uses the two-way wave-equation to produce high-resolution velocity models for seismic imaging. This technique is implemented by an adjoint-state approach, which viii involves a time-reversal propagation of the residual wavefield at receivers, similar to seismic interferometry. With a plane-wave transformed gather, we can decompose the data by ray parameters and iteratively update the velocity model with selected ray parameters. This encoding approach can significantly reduce the number of shots and receivers required in gradient and Hessian calculations. Borrowing the idea of minimizing different data residual norms in FWI, I study the effect of different scaling methods to the receiver wavefield in the reverse time migration. I show that this type of scaling is able to significantly suppress outliers compared to conventional algorithms. I also show that scaling by its absolute norm generally produces better results than other approaches. I propose a robust stochastic time-lapse seismic inversion strategy with an application of monitoring Cranfield CO2 injection site. This workflow involves two steps. The first step is the baseline inversion using a hybrid starting model that combines a fractal prior and the low-frequency prior from well log data. The second step is to use a double-difference inversion scheme to focus on the local areas where time-lapse changes have occurred. Synthetic data and field data show the effectiveness of this method. / text

This thesis describes two topological phases of matter, the Weyl semimetal and the line node semimetal, that are related to but distinct from topological insulator phases. These new topological phases are semimetallic, having electronic energy bands that touch at discrete points or along a continuous curve in momentum space. These states are achieved by breaking time-reversal symmetry near a transition between an ordinary insulator and a topological insulator, using a model based on alternating layers of topological and ordinary insulators, which can be tuned close to the transition by choosing the thicknesses of the layers. The semimetallic phases are topologically protected, with corresponding topological surface states, but the protection is due to separation of the band-touching points in momentum space and discrete symmetries, rather than being protected by an energy gap as in topological insulators. The chiral surface states of the Weyl semimetal give it a non-zero Hall conductivity, while the surface states of the line node semimetal have a flat energy dispersion in the region bounded by the line node. Some transport properties are derived, with a particular emphasis on the behaviour of the conductivity as a function of the impurity concentrations and the temperature.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2007. / Vita. Includes bibliographical references (p. 118-122).

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2004. / Vita. Includes bibliographical references (p. 126-132).