La tomographie électronique est une technique de nano-caractérisation 3D non destructive. C’est une technique de choix dans le domaine des nanotechnologies pour caractériser des structures tridimensionnelles complexes pour lesquelles l’imagerie 2D en microscopie électronique en transmission seule n’est pas suffisante. Toutes les étapes nécessaires à la réalisation d’une reconstruction 3D en tomographie électronique sont investiguées dans cette thèse, de la préparation d’échantillon aux algorithmes de reconstruction, en passant par l’acquisition des données et l’alignement. Les travaux entrepris visent en particulier (i) à développer une algorithmie complète incluant débruitage, alignement et reconstruction automatisés afin de rendre la technique plus robuste et donc utilisable en routine (ii) à étendre la tomographie électronique à des échantillons plus épais ou ayant subis une déformation en cours d’acquisition et enfin (iii) à améliorer la tomographie électronique chimique en essayant d’exploiter au maximum toutes les informations disponibles. Toutes ces avancées ont pu être réalisées en s’intéressant particulièrement aux échantillons permettant une acquisition sur une étendue angulaire idéale de 180°. Un logiciel a également été développé au cours de cette thèse synthétisant la majeure partie de ces avancées pour permettre de réaliser simplement toutes les étapes de tomographie électronique post-acquisition. / Electron tomography is a 3D non-destructive nano-characterization technique. It is an essential technique in the field of nanotechnologies to characterize complex structures particularly when 2D projections using a transmission electron microscope (TEM) are inappropriate for understanding the 3D sample morphology. During this thesis each one of the necessary steps of electron tomography have been studied: sample preparation, TEM acquisition, projection alignment and inversion algorithms. The main contributions of this thesis are (i) the development of a new complete procedure of automatic denoising, alignment and reconstruction for a routine use of electron tomography (ii) the extension of the technique to thicker specimen and specimen being damaged during the acquisition and finally (iii) the improvement of chemical tomography reconstructions using as much information as possible. All those contributions are possible taking advantage of the use of needle-shaped samples to acquire projections on an ideal tilt range of 180°. A software has been developed during this thesis to allow users to simply apply most of the contributions proposed in this work.

Le procédé de bio-cimentation est une technique prometteuse pour renforcer les sols lâches et de faible résistance mécanique. Cette technique a montré une très bonne efficacité pour plusieurs types de sols lors d’essais en laboratoire, dans des modèles physiques ou lors d’essais sur site. Par contre, elle a montré une forte sensibilité aux conditions de traitement telles que concentrations des réactifs, bactéries, vitesse d’injection, type de sols, température, etc… Ces facteurs influencent principalement la distribution spatiale de la calcite précipitée, sa forme et sa morphologie, ce qui influence par la suite les propriétés effectives des sols traités. Ces travaux de thèse ont été réalisés dans le cadre du projet BOREAL qui vise à renforcer par cette technique des digues et barrages en terre existants contre l’érosion interne des noyaux et la liquéfaction des fondations. L'objectif de cette thèse est d'étudier l’évolution des propriétés physiques et mécaniques du sable bio-cimenté (perméabilité, résistance mécanique) par la réalisation d’essais mécaniques et de mesures de perméabilité en laboratoire, et de lier cette évolution aux changements microstructuraux via des observations par microtomographie RX. Le travail a commencé par des essais de bio-cimentation de colonnes de sable de Fontainebleau afin de vérifier la faisabilité de la bio-cimentation en laboratoire. Suite à ces essais de faisabilité, des essais triaxiaux drainés ont été réalisés sur le sable bio-cimenté afin d’estimer l’évolution de ses paramètres de résistance tels que la cohésion et l'angle de frottement. Des petits volumes de sable bio-cimenté présentant différentes teneurs en calcite ont été extraits des échantillons triaxiaux et observés par micro-tomographie aux rayons-X à l’ESRF sous une très haute résolution (0,65 µm/ pixel). Des méthodes quantitatives d’imagerie 3D ont été développées pour calculer les propriétés microstructurales moyennes (quantité de calcite, porosité, surface spécifique et surface spécifique de calcite) et les propriétés de contact (surface de contact, nombre de coordination, type de contacts, orientation des contacts, etc…) pour les différents échantillons observés. Cette étude a montré une forte évolution de la résistance du sable bio-cimenté (évolution non-linéaire de la cohésion, évolution quasi-linéaire de l’angle de frottement, légère augmentation de la résistance résiduelle, etc…) et une diminution de la perméabilité par la précipitation de la calcite à l’intérieur de l’échantillon. L’étude quantitative de l’évolution de la microstructure a montré une stabilité de la surface spécifique de la calcite à partir d’un certain niveau de calcification, une forte évolution quasi-linéaire de la surface de contact cohésive entre les grains ainsi qu’une légère évolution du nombre de coordination par la création de nouveaux contacts. La comparaison de ces évolutions avec celles obtenues pour un arrangement périodique de type cubique simple en utilisant deux scenarii de précipitation (uniforme et localisée au niveau du contact) a montré que la précipitation de la calcite se produit principalement dans les zones de contact inter-granulaire. L’utilisation de ces informations microstructurales dans des modèles micromécaniques a permis d’estimer avec succès les propriétés effectives du sable bio-cimenté (cohésion, perméabilité, modules élastiques). Enfin, les mêmes outils ont été utilisés pour étudier la durabilité chimique du sable bio-cimenté. Cette étude a montré une dégradation de la résistance du sable par la dissolution de la calcite à l’intérieur des échantillons. Les mesures quantitatives sur les images 3D ont montré une dégradation de la surface de contact sans hystérésis par rapport à l’évolution de ces surfaces de contacts pendant le processus de bio-cimentation. / The biocementation process is considered as a promising technique for strengthening loose and weak soils. This technique has shown very good efficiency for several types of soil through laboratory tests and large scale models. On the other hand, it has shown a high sensitivity to the treatment conditions such as reactant concentrations, bacteria, injection rate, type of soil, temperature, etc…. These factors influence mainly the spatial distribution of the precipitated calcite, its shape and morphology, which subsequently influences the effective properties of the treated soils. This thesis is part of the French research project BOREAL, which aims at reinforcing old dykes and earth dams with this technique against internal erosion of the core and liquefaction of foundations. The objective of this thesis is to study the evolution of the physical and mechanical properties of biocemented sands (permeability, mechanical strength) by performing mechanical tests and permeability measurements in the laboratory and linking this evolution to microstructural changes by using quantitative 3D X-ray imaging tools. To do this, this work began with biocementation tests on Fontainebleau sand to verify the feasibility of the biocementation process in the laboratory. After these feasibility tests, drained triaxial tests have been carried out on the biocemented sand in order to estimate the evolution of its resistance parameters such as cohesion and friction angle. Small sub-samples of biocemented sand with different calcite contents have been then extracted and observed using X-ray micro-tomography at ESRF at a very high resolution (0.65 μm / pixel). Quantitative methods of 3D imaging have been developed to compute mean microstructural properties (amount of calcite, porosity, specific surface area and specific surface area of calcite) and contact properties (contact surface area, coordination number, type of contacts, contact orientation, etc…) for the different observed sub-samples. This study has shown a strong evolution of the resistance of biocemented sand (non-linear evolution of the cohesion, quasi-linear evolution of the friction angle, a slight increase of the residual resistance, etc...) and a decrease of the permeability by the precipitation of the calcite inside the sample. The quantitative study of the evolution of the microstructure has shown a stability of the specific surface area of the calcite beyond a certain level of calcification, a strong quasi-linear evolution of the cohesive contact surface between the grains as well as a slight evolution the coordination number (creation of new contacts). The comparison of these evolutions with those obtained considering a simple cubic periodic arrangement using two precipitation scenarii (uniform and localized at the contact) has shown that the precipitation of the calcite mainly occurs in the zones of inter-granular contact. This microstructural information have4 been then used successfully in micromechanical models to estimate the effective properties of biocemented sand (cohesion, permeability, elastic moduli). Finally, the same tools have been used to study the chemical durability of biocemented sand. This study has shown a degradation of sand resistance by dissolving calcite within the samples. The quantitative measurements on the 3D images have shown a degradation of the contact surface area without hysteresis with respect to the evolution of these contact surfaces during the biocementation process.

Ce travail de recherche est consacré à l’étude de l’endommagement des géomatériaux en utilisant la méthode non destructive par ultrasons. Pour atteindre cet objectif, nous développons dans un premier temps un dispositif à ultrasons modern et novateur qui, en combinant avec un système de sollicitation mécanique, permet de caractériser le processus de l’endommagement du matériau au cours des essais telle que la compression uniaxiale/triaxiale. Plus précisément, le système ultrasonore construit comporte 96 voies et au cours des essais il est capable de mesurer de manière continue les trois types des ondes grâces aux capteurs piézoélectriques spécifiques.L’application de ce système ultrasonore à la caractérisation de l’endommagement des géomatériaux à matrice cimentaire a montré l’efficacité de cette approche. Au cours des essais de compression uniaxiale, l’évolution de la vitesse et de l’atténuation de trois types d’onde a été mise en évidence comme conséquence de l’endommagement au sein du matériau. Nous nous intéressons dans un deuxième temps l’application du système ultrasonore à capturer les images d’endommagement progressif à travers les tomographies des vitesses et de l’atténuation des ondes. L’étude sur les éprouvettes de mortier donne des résultats concordants avec les observations, surtout à la rupture, bien que la résolution reste assez grossière. La dernière partie de ce travail de recherche vise à modéliser l’endommagement du matériau par une approche dite changement d’échelle. Un modèle conceptuel est proposé pour ce type de matériau qui permet de prendre en compte deux mécanismes principaux d’endommagement : la propagation des fissures au sein de la matrice cimentaire et la décohésion entre les inclusions et la matrice. Via un schéma d’homogénéisation en deux étapes, l’influence de ces mécanismes sur l’évolution des vitesses des ondes ultrasonores a été élucidée. Une comparaison des prédictions numériques avec les résultats expérimentaux permet de valider le modèle utilisé. / This research is devoted to study the damage of geomaterials using the nondestructive method like ultrasound. To this aim, we develop in the first step a modern and innovative system of ultrasound which, in combining with a mechanical system, can characterize the process of damage in material during the tests such as uniaxial/triaxial compression. More specifically, our ultrasonic system comprises 96 channels and can be able to measure continuously the three types of waves thanks to the specific piezoelectric sensors.The application of the developped system for characterization of the damage of a cement-based géomatériaux showed the efficacy of this approach. Under uniaxial loading, the evolution of the ultrasonic velocities and the attenuation of three types of wave have been detected as a result of damage within the material.We are interested in the second step the application of the ultrasonic system on the tomography (such as the velocities and attenuation) of damage during loading of materials. The study on some mortar specimens give good agreement between the obtained results and the observations, especially at failure , although the resolution is fairly coarse. The last part of this research is to model the damage of material by using a so-called up-scaling approach. A conceptual model is proposed for this type of material that allows to take into account two main damage mechanisms: crack in the cement matrix and debonding effect between the matrix and inclusions. Via a scheme of homogenization in two steps, the impact of such mechanisms on the evolution of velocities of the ultrasonic waves has been elucidated. The comparison of numerical predictions with experimental results allows validating the model.

Depuis plusieurs années, une nouvelle technologie de détecteurs à partir de matériaux semi-conducteurs CdTe/CdZnTe permet de proposer des appareils d’imagerie médicale bénéficiant de meilleures performances, notamment en imagerie gamma. Ces performances sont obtenues en combinant simultanément les technologies des détecteurs, leur géométrie, les algorithmes de reconstruction et les architectures de traitement des données. Des travaux ont précédemment montré que des améliorations étaient possibles en revoyant la collimation du système. En plus des bonnes performances intrinsèques des détecteurs à semi-conducteur, leur intérêt réside dans leur compacité, permettant de proposer des géométries plus flexibles. De nouvelles architectures ont alors vu le jour, notamment en imagerie cardiaque.Afin d’aller au-delà du compromis entre résolution spatiale, sensibilité et champ de vue imposé par la surface de détection disponible, cette thèse propose d’étudier les possibilités d’adaptation offertes par ces nouvelles architectures. Une adaptation de l’échantillonnage angulaire des têtes de détection indépendamment les unes des autres est envisagée, permettant des protocoles d’acquisition plus adaptés à la diversité des examens et des morphologies.Depuis plusieurs années, une nouvelle technologie de détecteurs à partir de matériaux semi-conducteurs CdTe/CdZnTe permet de proposer des appareils d’imagerie médicale bénéficiant de meilleures performances, notamment en imagerie SPECT. Ces performances sont obtenues en travaillant simultanément sur la localisation précise des mesures dans les détecteurs, la collimation, l’adéquation entre la géométrie des systèmes d’acquisition et les spécificités de l’examen, les algorithmes de reconstruction et les architectures de traitement des données. En plus des bonnes performances intrinsèques des détecteurs à semi-conducteur, leur intérêt réside dans leur compacité accrue par rapport aux scintillateurs et leurs photomultiplicateurs, permettant de proposer des géométries plus flexibles. De nouvelles architectures ont alors vu le jour, notamment en imagerie cardiaque.L’imagerie SPECT est contrainte par un compromis entre résolution spatiale, sensibilité et champ de vue imposé par le collimateur, et la surface de détection disponible. Afin d’aller au-delà de ce compromis, cette thèse propose d’étudier les possibilités d’adaptation en ligne offertes par ces nouvelles architectures flexibles. Un système inspiré d’un dispositif industriel déjà proposés, composé de plusieurs têtes de détection indépendantes est étudié. Une adaptation de l’échantillonnage angulaire des têtes de détection indépendamment les unes des autres est envisagée, permettant des protocoles d’acquisition plus adaptés à la diversité des examens et des morphologies.L’objectif de cette thèse est de mettre en place un processus d’acquisition / adaptation permettant de reconfigurer le parcours des têtes en fonction d’une estimation de l’objet à imager. Des solutions algorithmiques sont proposées afin d’implémenter la reconstruction en temps réel du volume à imager à partir de données rendues plus complexes par les degrés de liberté du système et par la précision du détecteur. La reconstruction obtenue en temps réel doit permettre de déterminer les zones du volume à imager les plus porteuses d’information afin d’y orienter les têtes. La simulation permet dans un premier temps l’étude théorique du concept de système modulaire, ainsi que la mise en place algorithmique du processus de reconstruction rapide, permettant une estimation exploitable de l’objet lors de l’acquisition. Quelques résultats expérimentaux permettront de valider la modélisation du système, ainsi que l’algorithme de reconstruction. Enfin, l’étude de différentes stratégies d’adaptation sera amorcée par simulation. / In the last decades, new CdTe/CdZnTe based detectors enable enhanced performances on medical imaging systems, especially in SPECT imaging. This improvements are achieved by developing simultaneously the precise localization of interaction in detectors, the collimator, matching between the system geometry and the specificities of the examination, reconstruction algorithms, and data processing architectures. In addition to their interesting intrinsic performances, CdZnTe detectors benefits from their compactness compared to previously used scintillators and photo-multiplicators. This compactness enables more flexible systems. New designs are thus proposed, especially in cardiac imaging.Performances of SPECT systems are limited by a trade-off between the spatial resolution, the sensitivity and the field of view imposed by the collimator and the available detection surface. In order to go further this compromise, this work focuses on possibilities for online adaptation offered by flexibles designs. Adaptation on a system composed of several independent detection heads already proposed by industrials is under study. We propose to adapt the angular sampling of heads, enabling acquisition protocols more accurate for different patient morphologies and examination protocols.The purpose of this work is to propose acquisition and adaptation protocols enabling the reconfiguration of the angular sampling of detection heads depending on an estimation of the imaged object. Algorithmic solutions are proposed in order to compute the reconstruction in real time from more complex data because of additional degrees of freedom and detector precision. The resulting estimation have to enable the identification of informative areas in order to focus detection heads on it. Simulations approves theoretically the use of our rapid algorithmic solution on a modular system carrying a reliable estimation of the object. Some experimental results validate the system model and the reconstruction algorithm. Then, some adaptation strategies are investigated using simulations.

En imagerie par transmission de rayons X, les mesures effectuées relèvent d'un opérateur intégral : la transformée de Radon en géométrie parallèle et la transformée conique en géométrie divergente. La caractérisation de l'image de ces opérateurs par des conditions de rang permet de quantifier l'incohérence des données mesurées par rapport au modèle intégral. Le premier volet de ce travail de thèse étudie les conditions de rang en géométrie conique~: nous proposons de nouvelles conditions pour une trajectoire planaire et mettons à jour des relations non triviales entre des conditions 2D et des conditions basées sur le théorème de Grangeat. Le second volet porte sur l'auto-étalonnage géométrique des systèmes tomographiques à géométrie conique. L'analyse des conditions de rang couplée au modèle géométrique des projections radiographiques permet la détermination de la géométrie d'acquisition du système. / In X-ray transmission imaging, the collected measurements correspond to an integral operator: the Radon transform in parallel geometry and the divergent beam transform in divergent geometry. The range of these operators is characterized by conditions, which help to quantify the consistency of the measured data with the forward integral model. The first pillar of this PhD work studies range conditions in cone-beam acquisition geometry: we derive new conditions for a planar trajectory and establish a new relation between 2D fanbeam conditions and Grangeat-based conditions. The second pillar is related to the self-calibration of cone-beam systems. The acquisition geometry of the system is determined from range conditions and a parametric model of the projection geometry.

Das Verfahren der akustischen Laufzeittomographie nutzt die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von den Parametern Temperatur und Strömung entlang des Ausbreitungsweges akustischer Signale, um diese Parameter zu bestimmen. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der eine tomographische Rekonstruktion der 2-dimensionalen Strömungsfelder innerhalb eines Messgebietes erlaubt, wobei die räumliche Auflösung des Vektorfeldes der Auflösung des Temperaturfeldes entspricht. Neben Ergebnissen von Simulationen verschiedener Strömungssituationen wird eine Anwendung vorgestellt, welches die Anwendbarkeit des Verfahrens zur Detektion von Strömungs- und Temperaturverteilung in einem abgeschlossenen Raum demonstriert. / Acoustic travel time tomography uses the dependency of sound speed from temperature and flow properties along the propagation path to measure these parameters. An algorithm is introduced which is capable of resolving the two-dimensional flow field within a certain measuring area comparable to the resolution of the temperature field. Different flow fields have been simulated in order to show the reconstruction properties of the algorithm. Furthermore an experiment has been carried out, which demonstrates the applicability of the acoustic tomographic method to detect temperature and flow fields indoor.

Les THTZ (réfractaires électrofondus à Très Haute Teneur en Zircone) sont des matériaux utilisés pour la construction de fours verriers. Ils sont composés d'un squelette dendritique de zircone imprégné de phase vitreuse. Cette étude, qui fait partie du programme national de recherche NOREV (Nouveaux REfractaires Verriers), financé par l'ANR (Agence Nationale pour la Recherche), vise à étudier les influences de la morphologie tridimensionnelle de la microstructure et des propriétés des phases sur le comportement mécanique du THTZ, en particulier pendant la transformation quadratique-monoclinique qui intervient lors du refroidissement post-coulée. Les microstructures 3D de différents matériaux ont été investiguées par tomographie X à l'ESRF (synchrotron de Grenoble). Les images 3D segmentées ont donné lieu à des analyses d'images permettant de caractériser la topologie microstructurale des matériaux, à travers de mesures de covariance, de tortuosité et de percolation. Une relation entre la vitesse d'attaque par l'acide fluorhydrique (HF) et la densité de surface du squelette de zircone a été identifiée. En segmentant le squelette de zircone par la méthode des bassins versants (watershed), nous avons pu comparer le niveau de connectivité du réseau de zircone des différents matériaux. Les résultats sont corrélés avec les calculs numériques de la rigidité microstructurale du squelette des matériaux. Après attaque acide et à haute température, un phénomène de flexibilité a été observé sur des éprouvettes minces et a pu être mis en relation avec la connectivité des matériaux. Les mesures de dilatation lors de cycles thermiques ont mis en évidence les effets induits par l'ajout d'yttrine. La phase vitreuse joue un rôle important pendant la transformation de quadratique à monoclinique, en limitant l'endommagement microstructural des matériaux. Le THTZ dopé par l'ajout de 7% d'yttrine présente des propriétés très différentes des autres matériaux : il est plus rigide et ne subit plus la transformation martensitique. Des calculs par éléments finis tridimensionnels, réalisées à partir de volumes élémentaires de la microstructure réelle, ont permis d'estimer l'influence des propriétés des phases constituantes, de leur morphologie et des conditions aux limites sur la contrainte interne responsable de l'endommagement microstructural. / Zirconia-Rich Fused-Cast Refractories are largely used in industry to build glass furnaces. This kind of refractory is composed of two phases: a dendritic skeleton of zirconia surrounded by a glassy phase which represents about 12% in volume. This work aims to evaluate the influences of the 3D microstructural morphology and of the properties of the constituting phases on the mechanical properties of materials, especially during the transformation from tetragonal to monoclinic which occurs during cooling-down after casting. This work is part of the NOREV (New refractories for glass furnaces) project funded by the French ANR (National Agency for Research). 3D pictures of the microstructures have been obtained owing to X-ray microtomographies performed at ESRF (European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, France). After segmentation, these images allowed the microstructural topology of materials to be investigated, using image analysis and mathematical morphology parameters like covariance, tortuosity and percolation. A relationship between the surface density of the zirconia skeleton and its dissolution kinetics in hydrofluoric acid (HF) solution has been identified. Segmenting the skeleton using the watershed method allowed the connectivities of the different materials to be compared. The results are correlated with the numerical calculations of the microstructure stiffness. A phenomenon of flexibility of the zirconia skeleton has been observed on thin specimens, at high temperature and at room temperature, when the glassy phase has been removed. This phenomenon is related to the connectivity and to the “puzzle-like” structure of the zirconia skeleton. Dilatometric measurements revealed the effects of yttrine addition. The glassy phase exhibits a very important role in the t-m transformation, while limiting microstructural damage of materials. The refractory containing 7% yttrine revealed properties totally different from other materials: its stiffness is higher and it does not experience the t-m transformation. 3D finite element simulations have been carried out on elementary volumes of the actual microstructure of the materials. The influences of the properties of the constituting phases, of the microstructural morphology and of the boundary conditions, which are responsible for the microstructural damage during cooling down, could then be estimated.

Dans le cycle de carbone à l'échelle de la planète, la contribution des forêts tropicales, en tant que stock de carbone, est déterminante. Les études actuelles montrent que la connaissance précise de la biomasse forestière globale est nécessaire pour les modèles de prévision. C'est dans ce contexte que le projet BIOMASS est choisi par l'Agence spatiale européenne (ESA) comme une phase A du programme «Earth Core Mission». L'objectif de cette mission innovatrice est l'utilisation d'un système d'imagerie polarimétrique fonctionnant en bande P (435 MHz) pour la mesure de la biomasse forestière. La définition actuelle de la mission prévoit un mode tomographique rassurant une imagerie tri-dimentionnelle (3-D) de la forêt. Dans le cadre du projet BIOMASS, cette thèse de doctorat vise à développer une nouvelle stratégie pour la télédétection de la biomasse dans les forêts tropicales en utilisant des données multi-baseline acquises par le radar à ouverture synthétique (SAR) en bande P. Une approche originale consite à combiner la tomographie et le modèle RvoG (Random-Volume-over-Ground) établi et vérifié avec la technique PolInSAR (polarimetric SAR Interferometry). L'environnement forestier peut être décrit avec précision par un modèle polarimétrique multicouche (sol et succession de couches végétales). Une généralisation multi-baseline du modèle RVoG implique un certain nombre de paramètres qui peuvent être estimés à partir des données SAR en utilisant des méthodes spectrales haute résolution. Ainsi, une cartographie de la forêt et du sol peut être réalisée à l'aide de données tomographiques. De plus, la capacité des techniques tomographiques permet d'estimer la distribution verticale de la puissance rétrodiffusée. Ainsi, une information précise sur la biomasse peut être extraite de la puissance mesurée dans un domaine adapté à la couche de végétation. Cependant, cette puissance mesurée peut être fortement affectée par l'écho du sol dû à la contribution de double rebond. Et par suite, le principal défi peut être résumé par l'élaboration d'un nouvel estimateur de la biomasse forestière lié à une puissance rétrodiffusée mesurée avec une polarisation et un domaine vertical, tous les deux sont adaptés à la couche de végétation. Les algorithmes développés pour la cartographie de la forêt, l'estimation et la simulation de la biomasse sont appliqués et validés sur des données SAR aéroportées réalisées lors de la campagne TROPISAR en Guyane. / Forested areas cover one third of earth's land surface and their contribution in the storage of carbon is decisive. Current studies show that the accurate knowledge of global forest biomass is necessary for the prediction of climate changes on the planet. In this context, the BIOMASS project is selected by the European Space Agency (ESA) as Phase A of the 'Earth Core Mission' program. This highly innovative mission consists of the use of a polarimetric imaging radar operating at P band (435 MHz) for the measurement of forest biomass. The current definition of the mission provides a three-dimensional imaging (3-D) of the forest with both tomographic and multi-pass interferometric modes. In the framework of this project, this PHD thesis aims to develop a novel strategy for the remote sensing of the biomass within the dense tropical forests by processing on multi-baseline P-band Synthetic Aperture Radar (SAR) data. An original approach combines the possibilities of 3-D exploration tomography and the Random-Volume- over-Ground (RVoG) model established and verified with PolInSAR technique (Polarimetric Interferometry SAR). The forested environment can be accurately described by a polarimetric multi-layer model (soil and a succession of vegetationlayers). A multi-baseline generalization of the RVoG model involves a certain number of parameters which must be estimated from radar observation data by using High- Resolution spectral estimation tomographic methods. Thereby, a cartography of the forest and its underlying ground can be made using tomographic data. Furthermore, the capacity of the tomographic techniques on 3-D imaging allows an estimation of the vertical distribution of the backscattered power. Thus, an accurate biomass information may be extracted from the power measured at a domain adapted to the canopy layer. However, this measured backscattered may be strongly affected by the ground echo due to the double bounce contribution. The main challenge of this thesis is to establish a novel biomass estimator related to a backscattered powermeasured with a polarimetric channel and at a vertical domain, both adapted to the canopy layer. The proposed algorithms of forest cartography and biomass estimation are applied and validated on Airborne P-band SAR data realized on the TROPISAR campaign in French Guyana.

La collision alpine a créé des structures complexes comme des chaînes de montagnes très arqués et des interactions compliquées entre les slabs subduits. La polarité de subduction est inversée à la transition entre les Alpes et les Apennins et les Alpes et les Dinarides. Le fait que la plaque Adria subducte en même temps vers l'ouest et vers l'est avec un fort pendage, presque verticalement, suggèrent une flexion importante de cette plaque. Notamment, si on considère de plus la proposition qu'Adria subducte aussi vers le nord sous les Alpes de l'est, ce qui est toujours sujet de discussion. Des déchirures dans le slab adriatique sous les Dinarides du nord à plus de 150 km de profondeur et sous les Apennins à moins de 200 km, pourraient être des signes d'une forte tension et, en conséquence, un détachement de la plaque adriatique. La plaque européenne pourrait aussi avoir subi plusieurs déchirures le long des Alpes. Cette hypothèse sujette à débat nécessite de nouveaux modèles tomographiques. Le modèle tomographique présenté dans cette thèse se base sur les vitesses de phase des ondes de surface pour donner un modèle 3-D à haute résolution des vitesses de cisaillement de la surface jusqu'à 200 km de profondeur. Ce modèle est unique de par sa haute résolution dans le manteau lithosphérique où des modèles antérieurs montrent de fortes incertitudes. Afin d'imager la croûte et le manteau supérieur en même temps, une combinaison des données de vitesses de phase des ondes de surface mesurés à partir des bruits ambiants ainsi que des séismes est utilisée dans cette thèse.Pour tester la validité de cette procédure, une comparaison détaillée des mesures de vitesses de phases et des structures imagées avec les deux méthodes est présentée. De l’analyse résulte un faible biais qui montre des vitesses plus élevées avec les données se basant sur des séismes par rapport aux données se basant sur le bruit ambiant. En comparant avec des travaux antérieurs, il est apparu que ce biais est dû à une différence méthodologique. Plusieurs paramètres qui pourraient influencer les mesures du bruit ambiant sont testés numériquement. Une cause unique n'a pu être identifiée. L'explication la plus probable pour le biais est une combinaison entre différentes sensibilités des méthodes aux structures et l'influence des modes supérieurs. Néanmoins, l'écart est suffisamment faible par rapport aux variations structurales pour être négligé.Un modèle final de vitesse de cisaillement de la région alpine est obtenu avec une résolution latérale d'environ 25 km dans la croûte peu profonde. Les tests synthétiques donnent une résolution approximative de profondeur estimée à 2 km près de la surface et de 5 km à la profondeur du Moho. Dans le manteau supérieur, la résolution baisse rapidement mais les structures principales des panneaux plongeants restent bien imagées jusqu'à une profondeur de 200 km le long des Alpes et des Apennins.La partie crustale du modèle donne des informations à haute résolution sur la taille et la profondeur des bassins sédimentaires et du corps d’Ivrée ainsi que sur la profondeur et la structure du Moho. Ce modèle de vitesses de cisaillement est le premier montrant autant de détails et couvrant les Alpes entières, il est proposé que le modèle pourrait servir comme référence pour la région.Le modèle montre les limites des zones de subduction et les régions de basses vitesses asthénosphèriques montants sous les bassins Ligure et pannonien. Des structures connues comme les déchirures de slabs sous les Apennins et les Dinarides sont imagés. Des découvertes supplémentaires ont été mises en évidence : une petite zone de faible vitesse qui coupe la lithosphère au nord des Dinarides est interprété comme l'expression d'une grande faille décrochante... / The plate collision in the Alps and adjacent orogens has created a complex picture of highly arcuate mountain belts and complicated interactions of subduction slabs. The subduction polarity is reversed from European to Adriatic subduction in the transition of the Alps to the Apennines and to the Dinarides. The subduction of Adria both to the west and east and the almost vertical dip of the slabs implies an important flexure of this plate. Even more so if one considers the proposed subduction of Adria also to the north under the eastern Alps, which is still a matter of discussion. Gaps in the Adriatic slab under the northern Dinarides, below 150~km depth and in the southern Apennines above 200~km may be signs of the stresses and the consequent tearing that the Adriatic plate is exposed to.Also the European plate has supposedly undergone one or several break-offs all along the Alpine arc. Especially in the eastern and western Alps it is still an open question whether the European slab is detached below the lithosphere. New tomographic models are thus needed.The herein presented tomographic model is based on surface-wave phase velocities and gives a picture of the shear-velocity structure from the surface to 200 km depth. It is the first high-resolution shear-velocity model of the entire Alpine crust and upper mantle. It is also unique in its good resolution in the lithospheric mantle, where previous body-wave models are subject to high uncertainties. In order to be able to image both crust and upper mantle, a combination of ambient-noise and earthquake-based phase-velocity measurements is used in the present thesis.The validity of this approach is tested by a detailed comparison of the phase-velocity measurements and the structures that are imaged from each method individually. A small bias between the methods results in slightly elevated velocities from earthquake measurements. By comparison with earlier works it appears that this bias is due to methodological differences. Several effects that may influence the ambient-noise records are tested with synthetic experiments, but no unique cause is found. The most likely explanation for the bias between the two methods is a combination of different structural sensitivities and the influence of higher modes. Nevertheless, the discrepancy is sufficiently small with respect to the structural variations that the bias can be neglected.A final shear-velocity model of the Alpine region is obtained which has a lateral resolution in the shallow crust of approximately 25 km. From synthetic tests, the average depth resolution is estimated to be 2~km close to the surface and 5 km for the Moho depth. In the upper mantle the resolution decreases significantly, but main slab structures are well imaged in the central Alps and the Apennines down to the bottom of the model at 200 km depth.Highlights of the crustal part of the model are size and depth of sedimentary basins, the Ivrea body and the Moho structure. Being the first shear-velocity model of this detail and extend it is proposed to serve as reference for the Alps...

Dans une optique d'allègement, les alliages d'aluminium de fonderie représentent une excellente solution technique. Ainsi, pour les culasses automobiles, les alliages d'aluminium Al-Si-Cu (Aluminium-Silicium-Cuivre) sont souvent choisis pour leurs performances mécaniques ainsi que leur bonne coulabilité. L'objectif de cette étude est d'améliorer la compréhension des mécanismes en fatigue oligocyclique pour définir un critère de fatigue adapté. Cet objectif est réalisé en combinant des essais (en fatigue oligocyclique à température ambiante et élevée), de nombreuses observations (microscopie à balayage électronique, microtomographie 3D rayons-X de laboratoire, suivi de fissure) et des simulations (génération de population de défauts et calculs éléments finis). À l'aide d'outils spécialement développés, la population de défauts (défauts de fonderie) est analysée en détails : la taille de défaut est modélisée par une distribution de Pareto généralisée et leurs positions par un processus ponctuel de type agrégé (démontrant que les défauts ne sont pas spatialement distribués de manière totalement aléatoire). Les processus ponctuels marqués permettent de montrer que tailles et positions de défauts ne sont pas corrélées. En utilisant ces informations statistiques, il est démontré que seuls les défauts proches de la surface sont critiques pour la fatigue oligocyclique. Un critère de fatigue basé sur l'énergie de déformation est utilisé pour prévoir la durée de vie en fatigue. Par la suite, un modèle de propagation de fissure permet de prendre en compte la taille de défaut dans la prévision de la durée de vie. Combiné à la statistique des défauts, ce modèle permet d'estimer la dispersion des essais. En dernier lieu, des essais et des simulations sur éprouvettes entaillées montrent que l'étude de la population de défauts est d'autant plus critique que le volume fortement sollicité mécaniquement devient plus faible. / In a search for lightweight materials, cast aluminium alloys have become an efficient solution for the automotive industry. For cylinder heads, cast aluminium alloys (Aluminium-Silicon-Copper based) are often chosen for their mechanical performances combined with their good casting abilities. This study aims at better understanding the damage mechanisms of Low-Cycle Fatigue (LCF) to help define a suitable design criterion. This is achieved by combining experiments (LCF tests at ambient and high temperature), various observations (Scanning electron microscopy, laboratory 3D X-ray microtomography, crack propagation monitoring) and numerical techniques (Finite element method simulations and defect population generation). Specifically designed statistical tools allow clearly identifying the defect (casting defects) population: the defect size can be modelled by a generalized Pareto distribution and their positions by a clustered point process (thus showing the defect locations are not completely random). Using marked point processes, it is also shown that defect size and defect position are uncorrelated. Using this statistical information and by systematic observations, it is proven that only defects close to the surface are critical for the fatigue life. The different interactions between cracks and defects are also studied, especially with respect to temperature. A strain energy based fatigue criterion is introduced and allows estimating the fatigue life. Then, a crack propagation model provides a mean of taking the defect size into account, which combined with the statistics of defects, gives an estimate of the fatigue life dispersion. Finally, notched specimens tests and simulations show the study of the defect population is even more critical as the highly loaded volume becomes smaller.