Contexte & Motivation:Les installations électriques des bâtiments se détériorent au fil du temps et leur gravité et leur taux de détérioration dépendent de facteurs environnementaux (chaleur, humidité, réactions chimiques corrosives et vieillies isolations) ou d'actions externes indésirables telles que la manipulation humaine erronée, qui conduit à des charges ou des câbles/réseaux endommagés.L'European Fire Academy (EFA) et de nombreuses compagnies d'assurance indiquent que 25% des incendies de bâtiments sont d'origine électrique. Ces incendies peuvent être déclenchés par des circuits surchargés, des court-circuits, des courants de fuite à la terre, des surtensions et / ou des défauts d'arc électrique dans les connexions et les câbles.Les protections électriques classiques telles que les disjoncteurs et les disjoncteurs différentiels offrent une protection insuffisante. Par exemple, en cas de défauts d'arcs en série, la valeur du courant de défaut d'arc reste inférieure à la valeur du courant nominal, car elle est limitée par la résistance du carbone généré par le défaut d'arc. Dans ce cas, toute protection existante peut détecter ce type de faute.Détection de défaut d'arc : approche de traitement du signalDans le cadre de ce travail, l'objectif a été de détecter chaque instant d'arc, ce qui, pour un réseau alternatif, permettrait d'identifier correctement chaque arc dans chaque demi-cycle de réseau où il se produit.En fonction de la caractéristique numérique utilisée à des fins de détection, nous avons introduit différentes classes de méthodes:• Caractéristiques énergétiques (bandes étroite et large bande)• Caractéristiques statistiques (moments statistiques, analyse de la corrélation etc.)• Caractéristiques basées sur un model (ex. modelés AR, ARMA etc.)• Caractéristiques data-driven (utiliser Phase Space Embedding pour les séries temporelles)Chaque approche a été testée et évaluée sur une base de données de signaux construite avec soin, capable de fournir la variabilité du monde réel, dans un cadre d'évaluation statistique qui permet de trouver des seuils appropriés et leurs plages associées. Il donne également des performances relatives, d'une fonctionnalité à l'autre, en fonction de la façon dont les plages de seuils couvrent tout l'espace des caractéristiques.Une approche prometteuse est montrée avec un résultat intermédiaire sur la figure 8. La configuration est plutôt courante, avec une charge résistive (R-Load) en fonctionnement normal, avec un gradateur allumé et ajouté dans la configuration et un arc persistant apparaissant dans le circuit.Il suffit d'analyser simplement la forme d'onde du courant 50 Hz, car même lors d'une simple inspection visuelle, il est difficile d'identifier l'origine du défaut d'arc et s'il est stable ou s'il s'éteint après (ou où). En mesurant correctement le bruit de défaut d'arc haute fréquence et en sélectionnant correctement la bande passante, nous parvenons à obtenir un signal beaucoup plus facile à traiter. L'arc est difficile à détecter en raison de la variation de l'intensité énergétique d'un réseau à l'autre (encore plus: pour un même réseau, ajouter / enlever des charges ou des rallonges modifie la distribution d'amplitude et de fréquence de l'arc). Par conséquent, nous exploitons le caractère aléatoire intrinsèque de l'arc, ce qui permet une variabilité suffisante d'une réalisation d'arc à une autre.En conclusion, nous proposons une nouvelle méthodologie de traitement du signal pour la détection des défauts d'arc, à mettre en œuvre dans un algorithme de produit AFDD. En outre, une autre approche est présentée, basée sur l'analyse de diagramme de phase, qui permet la séparation entre les arcs et les signaux de communication, ce qui est également un grand défi dans ce domaine. / Context & Motivation:Electrical installations in buildings deteriorate, over time and the severity and rate of deterioration depend on environmental factors (such as heat, humidity, corrosive chemical reactions and aging insulations) and unwanted external actions (such as human mishandling, that leads to damaged devices or cables/network).Caution is mandatory when handling electrical installations, seeing that potential hazards include electric shocks, burns, explosions and fire, if proper safety precautions are ignored or neglected. The European Fire Academy (EFA) and many property and casualty insurance companies report that 25% of building fires are electrical in origin. These fires can be triggered by overloaded circuits, short-circuits, earth leakage currents, overvoltage and/or electrical arc faults in connections and cables.Classical electrical protection such as circuit breakers and RCDs offer insufficient protection. For example, in case of series arc faults, the arc fault current value remains below the rated current value, since it is limited by the resistance of the carbon generated by the arc fault and by the load itself. In this case, no existing protection can detect such kind of fault.Arc Fault Detection: Signal Processing ApproachIn the context of this work, the objective has been to detect each instant of arcing, which for an AC network, would mean correctly identifying each arcing in each network half-cycle where it occurs.Depending on the numerical feature used for detection purposes, we introduced different classes of methods:• Energy-related features (narrow and wideband)• Statistical features (statistical moments, correlation analysis etc.)• Model-based features (using numerical models, such as AR, for example)• Data-driven features (using Phase Space Embedding for time series)Each approach has been tested & evaluated on a carefully constructed signal database, capable of supplying real-world variability, within a statistical evaluation framework which enables finding suitable thresholds and their appropriate ranges. It also gives relative performances, from one feature to another, based on how threshold ranges cover the entire feature space.A promising approach is shown with an intermediary result in Figure 9. The configuration is rather common, with a resistive load (R – Load) in normal operation, with a dimmer being turned on and added in the configuration and a persistent arc appearing in the circuit.Figure 9 Resistive load, dimmer and persistent arcing – processing result (example).Simply analyzing the 50Hz line current waveform is insufficient, as even at a simple visual inspection there is difficulty in identifying where the arc fault ignites and if it is a stable one, or if it extinguishes afterwards (or where). By correctly measuring the high frequency arc fault noise and with correct selection of the bandwidth, we manage to obtain a signal much easier to process further on. Arcing is inherently difficult to detect, due to high frequency energy intensity variation from one network to another (even more: for the same network, adding/removing loads or extension cords will change the amplitude and frequency distribution of the arc fault energy). Therefore, we exploit the intrinsic randomness of arcing, which enables sufficient variability from one arcing realization to another.To conclude, we propose a new signal processing methodology for arc fault detection, to be implemented in an AFDD product algorithm. Also, another approach is presented, based on phase diagram analysis, that allows the separation between the arcs and communication signals, which is also a great challenge in this field.

En complément des analyses de concentration et de spéciation, les analyses des isotopes stables du mercure par MC-ICP-MS sont à l’heure actuelle un outil majeur pour tracer les sources et les transformations de cet élément dans l’environnement. Cette thèse propose le développement de techniques de pré-concentrations couplées au MC-ICP-MS afin de réaliser des analyses isotopiques de mercure au niveau du ng.L-1 (Ultra-trace). La stratégie de pré-concentration en ligne va générer des signaux transitoires courts dont la gestion en MC-ICP-MS représente un réel défi. Afin d’y répondre, une méthode de traitement de données adaptée à ce type de signaux ainsi qu’une méthode de correction du phénomène de dérive isotopique ont été développées. Dans le but de déterminer des compositions isotopiques en mercure total à de faibles concentrations, le couplage d’une génération de vapeur froide, d’une double amalgamation sur or (CVG-DGA) et d’un MC-ICP-MS a été développé. Cette nouvelle technique donne des précisions externes de l’ordre de 0.20 à 0.30‰ (2SD) pour des concentrations en mercure de 5 ng.L-1 en solution. Cette thèse présente également une nouvelle méthode d’analyse isotopique par espèce chimique (CSIA) réalisée à l’aide du couplage d’une chromatographie en phase gazeuse équipée d’un injecteur PTV (GC-PTV) et d’un MC-ICP-MS. Celle-ci permet l’analyse isotopique de plusieurs espèces chimiques avec des précisions externes de l’ordre de 0.30 à 0.40‰ (2SD) pour des concentrations en mercure de 150 ng.L-1 dans des échantillons biologiques.Les développements analytiques de cette thèse ont permis de mesurer directement et de façon automatisée des compositions isotopiques de mercure à des niveaux d’ultra-trace (jusqu’à 5ng.L-1) tout en conservant des précisions compatibles avec les principales questions environnementales posées. Ceci va permettre d’analyser des compartiments environnementaux contenant de faibles quantités de mercure (eaux naturelles, planctons,…) et ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour une meilleure compréhension du cycle bio-géochimique du mercure. / In addition to the quantitative and speciation analysis, the analysis of mercury stable isotopes by MC-ICP-MS are now a tool of choice to track sources and pathways of this element in the environment. This PhD thesis presents the development of hyphenation between pre-concentration techniques and MC-ICP-MS to measure isotopic composition of mercury at ng.L-1 levels (Ultra-trace). The on-line pre-concentration strategy will create short transient signals which represent a real challenge for MC-ICP-MS. In order to solve it, a data treatment strategy for this particular signals and a correction method for the isotopic drift were developed.The hyphenation between a cold vapor generation, a dual gold amalgamation (CVG-DGA) and a MC-ICP-MS was developed to determine total mercury isotopic composition. This new technique gives external precisions ranging from 0.20 to 0.30‰ (2SD) for Hg concentration in solution of 5 ng.L-1. This PhD thesis also reports a new method to perform mercury compound specific isotopic analysis (CSIA) using a gas chromatography fitted with a PTV injector (GC-PTV) coupled to the MC-ICP-MS. This allows the isotopic analysis of several species with external precisions ranging from 0.30 to 0.40‰ (2SD) for mercury concentration down to 150 ng.L-1 in biological samples.The analytical developments proposed in this PhD thesis allows to automatically and directly measure mercury isotopic compositions at ultra-trace levels (down to 5 ng.L-1) while keeping precision compatible with main environmental questions. This will allow to analyze environmental compartment containing very low amount of mercury (natural waters, planktons,…) and then open new perspectives for a better understanding of the bio-geochimical cycle of mercury.

Chiplets have become an increasingly popular technology for extending Moore's Law and improving the reliability of integrated circuits. They do this by placing several small, interacting chips on an interposer rather than the traditional, single chip used for a device. Like any other type of integrated circuit, chiplets are in need of a physical layer of security to defend against hardware Trojans, counterfeiting, probing, and other methods of tampering and physical attacks. Power distribution networks are ubiquitous across chiplet and monolithic ICs, and are essential to the function of the device. Thus, we propose a method of fingerprinting transient signals within the PDN to identify individual chiplet systems and physical-layer threats against these devices. In this work, we describe a Python-wrapped HSPICE model we have built to automate testing of our proposed PDN fingerprinting methods. We also document the methods of analysis used- wavelet transforms and time-domain measurements- to identify unique characteristics in the voltage response signals to transient stimuli. We provide the true positive and false positive rates of these methods for a simulated lineup of chips across varying operating conditions to determine uniqueness and reliability of our techniques. Our simulations show that, if characterized at varying supply voltage and temperature conditions in the factory, and the sensors used for identification meet the sample rates and voltage resolutions used in our tests, our protocol provides sufficient uniqueness and reliability to be enrolled. We recommend that experimentation be done to evaluate our methods in hardware and implement sensing techniques to meet the requirements shown in this work.

Les ondes acoustiques subissent peu de dispersion dans le milieu marin, comparé au milieu aérien. Certaines espèces de cétacés communiquent ainsi à grande distance, d'autres utilisent leurs émissions sonores pour s'orienter. La bioacoustique consiste à étudier ces espèces à partir de l'analyse de leurs sons, c'est-à-dire à les détecter, classer, localiser. Cela peut se faire via un réseau d'hydrophones au déploiement fastidieux. Afin de contribuer au passage à l'échelle de la bioacoustique, cette thèse propose des modèles originaux mono-hydrophone pour l'analyse de ces signaux stationnaires ou transitoires. Premièrement, nous dérivons un nouveau modèle d'estimation de la distance entre une source impulsive (ex. biosonar) et un hydrophone. Notre modèle théorique, l'Intra Spectral ATténuation(ISAT), dérive des lois acoustiques de déformation spectrale du signal transitoire induite par l'atténuation durant sa propagation. Ce modèle relie les rapports énergétiques des bandes de fréquences pondérés par un modèle de perte par atténuation fréquentielle (Thorp ou Leroy) à la distance de propagation. Nous approximons aussi ISAT par un modèle neuromimétique. Ces deux modèles sont validés sur le sonar du cachalot (Physeter macrocephalus) enregistré avec notre bouée acoustique autonome BOMBYX et notre système d'acquisition DECAV en collaboration avec le Parc National de Port-Cros et le sanctuaire Pelagos pour la protection des mammifères marins en Méditerranée. Les mesures d'erreur (RMSE) d'environ 500 mètres sur nos références du centre d'essai OTAN aux Bahamas présentent un intérêt opérationnel. Deuxièmement, nous proposons une analyse originale de l'évolution des voisements de cétacé par codage parcimonieux. Notre encodage des cepstres par apprentissage non supervisé d'un dictionnaire met en évidence l'évolution temporelle des bigrammes des chants que les baleines à bosse mâles émettent durant la période de reproduction. Nous validons ce modèle sur nos enregistrements du canal de Sainte-Marie à Madagascar entre 2008 et 2014, via notre réseau d'hydrophones BAOBAB qui constitue une première dans l'Océan Indien. Nos modèles s'inscrivent dans le projet Scaled Bioacoustics (SABIOD, MI CNRS) et ouvrent de nouvelles perspectives pour les passages à l'échelle temporelle et spatiale de la bioacoustique. / Acoustic waves show low dispersion due to the underwater propagation, compared to the propagation in the air. Some species of cetaceans communicate at long distance, others use their sound production for orientation. The goal of the scientic area called bioacoustics is to study animal species based on the analysis of their emitted sound. Their sounds can be used to detect, to classify and to locate the cetaceans. Recordings can be done with an passive acoustic array of multiple hydrophones, but this method is expensive and difficult to deploy. Thus, in order to scale this approach, we propose in this Phd thesis several original single hydrophone models to analyze these stationary or transient signals.Firstly, we provide a new theoretical model to estimate the distance between the impulsive source (ex. biosonar of the cetacean) and the hydrophone. Our model, the Intra Spectral ATtenuation (ISAT), is based on the spectral signal alteration due to the underwater acoustic propagation, especially the differences in different frequency bands. We also approximated ISAT by an artificial neural network. Both models are validated on clicks emitted by sperm whales (Physeter macrocephalus) recorded by our sonobuoy BOMBYX and our data-acquisition system DECAV developed incollaboration with the National Park of Port-Cros (France) and the Pelagos sanctuary for the protection of marine mammals in the Mediterranean sea (France). The error (RMSE) measures on the recordings of the NATO test center in the Bahamas are about500 meters, promising further real applications. Secondly, we worked on the variations of the cetacean vocalizations using the sparse coding method. The encoding of thecepstrums by unsupervised learning of a dictionary shows bigrammic time changes of the songs of humpback whales (Megaptera novaeangliae). We validate this model on signals recorded in the Ste Marie Channel (Madagascar) between 2008 and 2014, through our network of hydrophones BAOBAB which is the first passive acoustic array deployed in the Indian Ocean.Our models are part of the Saled Bioacoustics project (SABIOD, MI CNRS) and open perspectives for temporal and spatial scaling of bioacoustics.

<p>This thesis is concerned with detection of transient signal families and detectors in nonlinear static sensor systems. The detection problems are treated within the framework of likelihood ratio based binary hypothesis testing.</p><p>An analytical solution to the noncoherent detection problem is derived, which in contrast to the classical noncoherent detector, is optimal for wideband signals. An optimal detector for multiple transient signals with unknown arrival times is also derived and shown to yield higher detection performance compared to the classical approach based on the generalized likelihood ratio test.</p><p>An application that is treated in some detail is that of ultrasonic nondestructive testing, particularly pulse-echo detection of defects in elastic solids. The defect detection problem is cast as a composite hypothesis test and a methodology, based on physical models, for designing statistically optimal detectors for cracks in elastic solids is presented. Detectors for defects with low computational complexity are also formulated based on a simple phenomenological model of the defect echoes. The performance of these detectors are compared with the physical model-based optimal detector and is shown to yield moderate performance degradation.</p><p>Various aspects of optimal detection in static nonlinear sensor systems are also treated, in particular the stochastic resonance (SR) phenomenon which, in this context, implies noise enhanced detectability. Traditionally, SR has been quantified by means of the signal-to-noise ratio (SNR) and interpreted as an increase of a system's information processing capability. Instead of the SNR, rigorous information theoretic distance measures, which truly can support the claim of noise enhanced information processing capability, are proposed as quantifiers for SR. Optimal detectors are formulated for two static nonlinear sensor systems and shown to exhibit noise enhanced detectability.</p>

This thesis is concerned with detection of transient signal families and detectors in nonlinear static sensor systems. The detection problems are treated within the framework of likelihood ratio based binary hypothesis testing. An analytical solution to the noncoherent detection problem is derived, which in contrast to the classical noncoherent detector, is optimal for wideband signals. An optimal detector for multiple transient signals with unknown arrival times is also derived and shown to yield higher detection performance compared to the classical approach based on the generalized likelihood ratio test. An application that is treated in some detail is that of ultrasonic nondestructive testing, particularly pulse-echo detection of defects in elastic solids. The defect detection problem is cast as a composite hypothesis test and a methodology, based on physical models, for designing statistically optimal detectors for cracks in elastic solids is presented. Detectors for defects with low computational complexity are also formulated based on a simple phenomenological model of the defect echoes. The performance of these detectors are compared with the physical model-based optimal detector and is shown to yield moderate performance degradation. Various aspects of optimal detection in static nonlinear sensor systems are also treated, in particular the stochastic resonance (SR) phenomenon which, in this context, implies noise enhanced detectability. Traditionally, SR has been quantified by means of the signal-to-noise ratio (SNR) and interpreted as an increase of a system's information processing capability. Instead of the SNR, rigorous information theoretic distance measures, which truly can support the claim of noise enhanced information processing capability, are proposed as quantifiers for SR. Optimal detectors are formulated for two static nonlinear sensor systems and shown to exhibit noise enhanced detectability.

La caractérisation juste et reproductible en isotopie et en concentration des radioéléments est l’une des thématiques essentielles des laboratoires d’analyse dans le domaine du nucléaire. Afin de minimiser les temps de manipulation en boite à gants des personnels et la production de déchets radioactifs liés à l’analyse de combustibles nucléaires, il est nécessaire de proposer des solutions efficaces et innovantes. Depuis quelques années, la miniaturisation des systèmes séparatifs constitue l’un des axes de développement majeurs de la chimie analytique et ces microsystèmes constituent certainement une des solutions pour répondre aux exigences de l’analyse nucléaire. Ce travail a pour objectif la conception d’une plateforme analytique miniaturisée et à usage unique, dédiée a la séparation des lanthanides, issus des combustibles usés, en amont de leur analyse par spectrométrie de masse. Destiné à remplacer une étape de séparation chromatographique au centre d’un processus analytique de trois étapes, le nouveau protocole basé sur l’isotachophorèse (ITP) doit satisfaire un cahier des charges précis. Les propriétés de complexation des lanthanides ont d’abord été exploitées afin d’obtenir avec un agent chélatant unique et rigoureusement sélectionné, l’acide 2-hydroxy-2-methylbutyrique (HMBA), la sélectivité intra période nécessaire à leur séparation complète par ITP. Basées sur des modèles théoriques existants, des études complémentaires, notamment des paramètres influençant la résolution, ont permis l’amélioration des performances globales du système ainsi que son dimensionnement. Pour réduire drastiquement le volume de déchets liquides secondaires (solutions de rinçage) et la manipulation de matériaux et de matériels radioactifs, le protocole a été implanté sur un microsystème polymérique jetable en COC, spécialement développé pour cette application. Ce microsystème a ensuite été couplé à un spectromètre de masse a multi collection et source à plasma à couplage inductif pour mesurer les rapports isotopiques / The accurate and reproducible characterization of radioactive solutions in isotope composition and concentration is an essential topic for analytical laboratories in the nuclear field. In order to reduce manipulation time in glove box and production of contaminated wastes, it is necessary to propose innovative and efficient solutions for these analyses. Since few years, microchips are a major field of development in analytical chemistry and those devices could provide a solution which fits the needs of nuclear industry. The aim of this work is to design a disposable analytical micro-device devoted to lanthanide separation from spent nuclear fuel before their analysis in mass spectrometry. Designed to be used in place of a separation process by liquid chromatography which is involved in a three step protocol, the new protocol based on isotachophoresis (ITP) keeps compatible with the other two steps. The complete separation of lanthanides by ITP was obtained by the use of only one chelating compound rigorously selected: the 2-hydroxy 2-methyl butyric acid (HMBA). The main parameters involved in solute resolution were defined from the theoretical models of ITP and experimental studies of the influence of these parameters allowed to optimize the geometry of the system and to improve its performances. To suppress cleaning of the system and, consequently, to strongly reduce both liquid waste volume and handling radioactive material, the ITP protocol was transferred in a polymeric (COC) disposable microchip especially developed for this purpose