Dans le cadre du contrôle non destructif de matériaux, les scanners à rayons X sont devenus un moyen d’assurer la validité et la qualité de pièces de productions industrielles. TomoAdour, un prestataire de services privé en digitalisation 3D et tomographie industrielle à rayons X, utilise des technologies d’acquisition basées sur ce rayonnement telles qu’un scanner médical ou tomographe industriel, de manière à observer et à analyser des produits de ses clients. La nature des objets acquis (principalement de forte densité et de grandes dimensions) fait apparaître des défauts sur les images issues de ces scanners X. Il devient dès lors difficile, voire impossible, d’analyser les images produites. On notera en particulier la présence d’artefact métallique. Ce dernier est dû à la présence de matériaux très denses dans l’objet acquis et est la conséquence de la forte atténuation des rayons dans le métal et/ou de leur distorsion dans toutes les directions. Les données reconstruites sont donc souvent difficiles à interpréter directement, car ces artefacts peuvent masquer des informations importantes. De nombreuses méthodes ont été développées durant ces dernières années et la problématique de la réduction de l’artefact métallique a largement pu être étudiée, apportant bon nombre de solutions. Pourtant, les algorithmes proposés ne s’intéressent qu’aux applications médicales et ne tiennent donc pas compte des limitations physiques propres aux échantillons industriels. De plus, les méthodes proposées basent, toutes, leur traitement sur des données brutes, c’est-à-dire des données issues du scanner avant la phase de reconstruction (ensemble de radiographies ou de projections). Dans notre cas, seules les données reconstruites (tomogrammes, i.e. volume représentant l’objet) sont disponibles et il n’existe, à l’heure actuelle, aucune approche de réduction de l’artefact métallique basée sur ces reconstructions. Le but de ces travaux de recherche est donc de proposer, dans un premier temps, un outil permettant d’identifier et de quantifier l’artefact métallique dans les données reconstruites pour la correction de ces dernières. Dans un second temps, notre travail propose un ensemble d’approches adaptées à l’analyse de matériaux dans un contexte industriel [1; 2]. / In the field of non-destructive testing of materials, computed tomography became a good way to check defects in industrial piece production. TomoAdour is a private compagny specialized in 3D digitization and x-ray computed tomography, it uses medical and industrial imaging techniques to analyze materials provided by his customers. However, tomographic analysis is difficult to achieve due to the presence of high density objects (such that metal) in most produced pieces, leading to the well-known metal artifacts in reconstructed data. In X-Ray tomography, metal artifact is characterized by a local and straight hyper-signal. This observed phenomenon is due to high attenuations of the rays in the high density materials. Many different approaches have been proposed for metal artifact reduction during the last decade. However, these methods have been developed for medical application and does not take into account physical limitations specific to industrial materials. Moreover, state-of-the-art approaches start their process from the original projection data, that is to say directly from the acquired data. In our context, only reconstructed image is available due to clinical scanner usage, and there is currently no metal artifact reduction method only based on these data. The goal of this work is first to propose a tool which permit identifying and measuring metal artifact in the reconstructed data in order to correct them. Then, our work take in interest in presenting methods developed for an industrial context[1; 2].

Cette étude s'intègre dans le cadre d'un développement accru de nouvelles techniques de contrôle non destructif des matériaux magnétiques basées sur les phénomènes de couplage magnéto-mécanique. L'objectif est de promouvoir des méthodes originales de mesure des propriétésmagnétiques permettant d'évaluer quantitativement l'état thermo-métallurgico-mécanique d'un matériau par une simple identification inverse.Nous proposons dans ce document un modèle magnéto-mécanique couplé dit modèle multidomaine compatible avec la procédure de contrôle magnétique. Ce modèle analytique permet de simuler le comportement magnétique et magnétostrictif d'un matériau magnétique soumis à un chargement mécanique unidirectionnel. Il a montré une bonne adaptabilité à des états de contraintes et structures magnétiques variées. Le modèle multidomaine a pu être validé dans le cas d'un chargement élastique uniaxial et multixial par un simple recours à une contrainte équivalente magnéto-mécanique. Il a pu également intégrer les éléments nécessaires à la modélisation de l'influence de la plasticité sur l'état magnétique. La plasticité est introduite via un état de contrainteinterne caractérisant une structure hétérogène biphasée. Des corrélations intéressantes entre variables d'écrouissage macroscopiques et propriétés magnétiques ont été élaborées et l'approche a été validée sur un acier dual phases.Nous nous sommes enfin intéressées à a mise en place d'un protocole expérimental novateur assurant un suivi continuel du comportement piézomagnétique du matériau au cours d'un essai de fatigue. Cette technique permet d'estimer la limite d'endurance des matériaux magnétiques. / This study is within a recent research largely motivated by the possibility of development of new non-destructive techniques based on the magneto-mechanical coupling. Thus, the issue is to propose original magnetic methods allowing a quantitative evaluation of the thermo-metallurgicomechnical state of ferromagnetic materials by a simple inverse identification.We propose in this document a coupled magneto-mechanical modeling called multidomain modeling suitable for the non-destructive process. This model is able to simulate magnetic and magnetostrictive behaviors of materials submitted to an uniaxial mechanical loading. It exhibits an adaptability to various mechanical states and magnetic structures. Multidomain modeling provides good results in the case of elastic loading either uniaxial or multiaxial by the use of an equivalent stress. It can also integrate the key elements for modeling the effect of plasticity on the magneticbehavior. Plasticity is introduced through internal stress characterizing heterogenous biphasic structure. Interesting correlations between macroscopic hardening parameters and magnetic properties are shown and the plasticity approach is confirmed by experiments carried out on a dual phase steel.Finally, we propose an experimental protocol allowing in situ continuous investigation of the piezomagnetic behavior during fatigue test. This experimental technique permits the estimation of fatigue limit of ferromagnetic materials.

Mon travail de thèse porte sur la modélisation électromagnétique et l'imagerie de structures périodiques désorganisées. Un certain motif dans une subdivision élémentaire (une "cellule") est répété dans les autres cellules de la structure dans certaines directions de l'espace. Cette répétition est désorganisée par un changement des propriétés des matériaux et/ou géométries des parties constitutives, dans une ou plusieurs cellules. Au premier niveau de modélisation, ces panneaux sont une succession de plaques planes l'une sur l'autre. Chacun se compose d'un agencement linéaire régulier de longs cylindres avec mêmes sections circulaires finies, tous orientés dans la même direction: nous les appelons "fibres", chaque cylindre résultant de l'hypothèse d'un faisceau de fibres de petite taille. Le matériau constitutif des fibres est différent du matériau d'enrobage (matrice) et le renforce. Chaque plaque est constituée de fibres avec différents axes pour assurer la robustesse. Il y a peu ou beaucoup de plaques, avec la répétition d'une petite pile de plaques. Pour les panneaux conducteurs (à base de carbone), l'imagerie est MHz ; pour des panneaux sans pertes ou à faibles pertes (à base de verre), l'imagerie est micro-onde (quelques dizaines de GHz, voire plus, THz). Il pourrait y avoir des cylindres manquants ou déplacés à l'intérieur d'une plaque, avec des changements conséquents dans éventuellement plusieurs cellules, adjacentes ou non. Des dommages locaux peuvent également se produire, entraînant des changements dans la forme ou les propriétés électromagnétiques d'un ou plusieurs cylindres dans une ou plusieurs cellules dans une ou plusieurs plaques. Un caractère aléatoire de la distribution des inclusions pourrait tenir compte des incertitudes de positionnement par rapport aux géométries supposées. Illuminer correctement les structures et la collecte des champs résultant (dans le champ proche espérons-le, peut-être dans le champ lointain) devraient permettre leur imagerie et concourir à leur diagnostic. Ainsi, si une structure périodique sous interrogation est désorganisée, on souhaite imager cette structure tout en prenant soin au mieux de l'information préalable sur la périodicité et la désorganisation, sur les systèmes de détection, et, évidemment, à propos des besoins et des limites de l'essai. / My PhD work is about electromagnetic modeling and imaging of disorganized periodic structures. A certain pattern in an elementary subdivision (a “cell”) is repeated in the other cells of the structure into certain directions of space. This repetition is disorganized by a change of material properties and/or geometries of the constitutive parts, within one or more cells. At first level of modeling, these panels are a succession of planar plates one over the other. Each consists of a regular linear arrangement of long cylinders with same finite circular sections, all orientated into the same direction: we call them “fibers”, each cylinder resulting from the assumption of a bundle of small-size fibers. The constitutive material of the fibers differs from the embedding material (matrix) that they reinforce. Each plate is made of fibers with different axes for sturdiness. There are few or many plates, with repetition of a small stack of plates. For conductive panels (carbon-based), imaging is MHz; for lossless or weakly lossy panels (glass based), imaging is microwave (a few tens GHz, possibly more). There might be missing/displaced cylinders inside a plate, with consequent changes in possibly several cells, adjacent or not. Local damages might occur also, leading to changes in shape or electromagnetic properties of one or more cylinders in one or more cells in one or more plates. Randomness in distribution of the inclusions might account for uncertainties of positioning with respect to assumed geometries. Properly illuminating the structures and collecting the resulting fields (in the near-field hopefully, possibly in the far-field) should allow their imaging and concur to their diagnostics. So, a periodic structure under interrogation is disorganized. One wishes to successfully image the structure while taking care at best of prior information on periodicity and disorganization, on sensing systems, and obviously of needs and limitations of the testing. The PhD benefits from a grant from the Chinese Scholarship Council.

L'évaluation et le contrôle non destructifs (E.C.N.D.) des matériaux et des structures sont une problématique industrielle très importante dans les domaines du transport, de l'aéronautique et du spatial, et dans le milieu médical. La thermographie infrarouge active est une technique d'E.C.N.D qui consiste à apporter une excitation extérieure afin d'entraîner une élévation de température dans le matériau, puis à évaluer le champ de température résultant à la surface. Cependant, les excitateurs thermiques utilisés (lampes flash, halogènes, lasers) agissent uniquement sur la surface du matériau. Plusieurs systèmes de conversion d'énergie peuvent en revanche mener à l'apparition de sources volumiques : on peut citer en particulier les phénomènes de thermo-acoustique, de thermo-induction, de thermomécanique ou de thermochimie. Par exemple, une excitation par ondes ultrasonores peut entraîner des sources thermiques volumiques si le matériau est viscoélastique ou s'il y a présence de défaut. La reconstruction de ces sources est donc la première étape permettant de remonter aux paramètres responsables de l'échauffement. Caractériser une source thermique consiste à reconstruire sa géométrie et la puissance qu'elle génère. Cependant, l'identification de sources thermiques volumiques par la mesure des champs de température de surface est un problème mathématiquement mal posé. Le caractère diffusif de la température en est le principal responsable. Dans ce travail, la reconstruction 3D des sources volumiques à partir du champ de température résultant à la surface, mesuré par InfraRouge, est étudié. Tout d'abord, une analyse du problème physique permet de spécifier les limites de la reconstruction. En particulier, un critère sur la résolution spatiale atteignable est défini et une limitation de reconstruction pour les sources en profondeur est mise en lumière. Ensuite, une méthode de reconstruction par approche probabiliste est proposée et comparée aux méthodes d'inversions existantes. Le temps d'exécution et la sensibilité au bruit de mesure sont étudiés pour chacune de ces méthodes. Des applications numériques et expérimentales seront enfin présentées pour illustrer les résultats. / Non Destructive Testing (N.D.T.) of materials and structures is a very important industrial issue in the fields of transport, aeronautics and space and in the medical domain. Active infrared thermography is a N.D.T. method that consists in providing an external excitation to cause an elevation of temperature field in the material and then to evaluate the resulting temperature field at the surface. However, thermal exciters used (flash lamps, halogen, lasers) act only on the surface of the sample. Several energy conversion systems can on the other hand lead to the generation of volumetric sources: the phenomena of thermo-acoustic, thermo-induction, thermomechanic or thermochemistry can be cited. For example, ultrasonic waves can generate volumetric heat sources if the material is viscoelastic or if there is a defect. The reconstruction of these sources is the first step for the quantification of parameters responsible of the heating. Characterizing a heat source means reconstructing its geometry and the power it generates. For example, a defect in a structure and / or the viscoelasticity of a material can be detected and quantified by this technique if it acts directly on temperature field. However, identification of volumetric heat sources from surface temperature fields is a mathematical ill-posed problem. The diffusive nature of the temperature is the main cause. In this work, the 3D reconstruction of the volumetric heat sources from the resulting surface temperature field, measured by InfraRed, is studied. First, an analysis of the physical problem enables to specify the limits of the reconstruction. In particular, a criterion on achievable spatial resolution is defined and a reconstruction limitation for in-depth sources is highlighted. Then, a probabilistic approach for the reconstruction is proposed and compared to existing inverse methods. The computation time and noise sensitivity are studied for each of these methods. Numerical and experimental applications will thus be presented to illustrate the results.

Le projet ASTRID, réacteur nucléaire français de 4ème génération refroidi au sodium, est en cours de développement par le CEA. Dans ce projet, le développement de techniques de surveillance est identifié comme un problème majeur pour augmenter la sécurité du réacteur. L'utilisation de techniques de mesure par ultrasons est considérée comme un puissant outil d'inspection en raison de l'opacité du sodium liquide.A l'intérieur d'un circuit de refroidissement, l'hétérogénéité du milieu se produit du fait de l'état d'écoulement complexe, et les effets de cette hétérogénéité sur la propagation des ondes acoustiques ne sont pas négligeables. Ainsi, il est nécessaire d'effectuer des expériences de vérification, sachant que de telles expériences peuvent être des expériences à grande échelle. C'est pourquoi les méthodes de simulation numérique sont essentielles. L'objectif de l'étude de ma thèse est à appliquer la technique numérique des éléments spectraux, qui peut modéliser nos objets d'étude de manière plus précise que les méthodes de simulation plus classiques. Nous étudierons d'abord le potentiel de développement de la thermométrie ultrasonique similaire à celui d'un réacteur rapide refroidi au sodium avec simulation 2D. Un processus aléatoire Gaussien aura appliqué pour générer une fluctuation de la température.Afin d'étudier l'hétérogénéité en 3D et des champs de température plus réalistes dans le milieu, nous effectuerons une seconde étude numérique. Pour représenter l'hétérogénéité du sodium liquide, nous appliquerons un champ de température 4D (3D spatiale et 1D temporelle) calculé par modélisation numérique en dynamique des fluides avec LES réalisée par CEA STMF. / The ASTRID project, a french sodium-cooled nuclear reactor of 4th generation, is currently under development by the french alternative energies and atomic energy center (CEA). In this project, development of monitoring techniques is identified as an important issue to improve the plant safety. The use of ultrasonic measurement techniques is regarded as a powerful inspection tool due to the opacity of liquid sodium. Inside a cooling circuit, heterogeneity of the medium occurs because of a complex flow state, and then the effects of this heterogeneity on acoustic wave propagation are not negligible. Thus, it is necessary to carry out verification experiments, and such kind of experiments using liquid sodium may be large-scale. This is a reason why numerical simulation methods are essential. The objective of the study in the thesis is to apply a 3D spectral-element method, that we will show to be suitable to our targets more accurately than more classical numerical simulation methods.We will first study the development potential of ultrasonic thermometry in a liquid fluctuating sodium environment similar to that present in a sodium-cooled fast reactor with 2D simulation. Gaussian random process will be applied to generate fluctuations of temperature. To investigate 3D heterogeneity and more realistic temperature fields in the medium, in a second part of the thesis we will carry out a numerical study for 3D models of the reactor core. To represent the heterogeneity of liquid sodium, a four-dimensional temperature field (three spatial and one temporal dimension) calculated by computational fluid dynamics based on a large-eddy simulation performed by CEA STMF will be applied.

Ce document présente; l'intégration de la thermographie modulée au laboratoire de tests non destructifs. Tous les détails de l'équipement choisi, des réglages des logiciels utilisés et développés, et le choix d'un système modulaire; sont inclus. Les expériences portent sur des échantillons à base de matériaux composites. La technique est donc validée; par les résultats. Les résultats sont ensuite comparés avec la thermographie puisée et la simulation par la méthode; des éléments finis. / This document shows the intergration of the Lock-in thermography method for the non-destructif-testing laboratory. All the details of the equipment, software; settings (used and developped) and the choice of the modular system are included. The experiences arc; done on composite; material samples. The method is also validated by results. Those results are then compared with pulsed thermography and the finite element simulation method.

La méthode des éléments finis est un outil mathématique puissant qui permet la résolution des équations différentielles décrivant un processus physique donné. Elle est particulièrement adaptée à la résolution de problèmes non linéaires ayant des géométries complexes. Une de ces applications est la modélisation du transfert de chaleur dans un objet soumis à une inspection par la technique de thermographie infrarouge pulsée (PT). Les résultats de ce travail ont prouvé que les solutions obtenues numériquement correspondent aux résultats expérimentaux, ceci malgré les contraintes liées à la puissance de l'ordinateur utilisé (capacité mémoire, disque, etc.) afin de résoudre le problème d'une manière adéquate. Par conséquent, le modèle numérique peut être considéré comme un outil complémentaire à la caractérisation des défauts par la PT. Dans le cas d'une procédure d'inspection où les différenst types de défauts présents dans le spécimen sont connus a priori, la modélisation numérique peut être utilisée efficacement afin d'améliorer la caractérisation de ces défauts, grâce à la combinaison modélisation MEF / expérience. En se basant sur l'analyse qualitative de l'évolution temporelle des profils de température obtenus en pratique, on a démotnré qu'il est possible de déterminer le type de défaut par une simple comparaison de la forme expérimentale de l'évolution du contraste qui est dépendante du type de défaut, avec les résultats obtenus grâce au modèle numérique. Une fois que le défaut est connu, en cas de structures complexes de type "sandwich", sa profondeur peut être réduite automatiquement puisque la plupart de ces défauts typiques apparaît sur les interfaces des couches de l'échantillon. Afin de procéder à la détermination de la taille du défaut, tâche qui est souvent très difficile en cas de structures multicouches à cause du contraste flou observé sur le défaut, provoqué par les effets latéraux de diffusion de chaleur, les expressions de régression obtenues à partir des résultats de modélisation peuvent être utilisées. Dans ce contexte, comme il a été démontré, la valeur du contraste thermique maximal obtenue expérimentalement n'est pas un paramètre fiable qui peut être utilisée avec confiance comme indicateur quantitatif des caractéristiques du défaut (dans ce cas-ci, sa taille latérale). Ceci est principalement dû au niveau élevé de l'incertitude sur le contraste maximal de température [delta]Tmax déterminé à partir de l'expérience, ainsi qu'à la force dépendance de [delta]Tmax à l'égard de la puissance de la source de chlauer appliquée. Ce problème devient signficatif dans le contexte de chauffage non-uniforme inévitablement présent dans les expériences de thermographie pulsée. En ce qui concerne l'incertitude des mesures, dans les cas où le signal thermique du défaut est faible, l'incertitude peut devenir égale ou même plus grande que la [delta]Tmax obtenu. Cependant, dans la plupart des cas, elle représente un pourcentage significatif du [delta]Tmax déterminé expérimentalement. D'autre part, les effets de l'excitation non-uniforme se sont avérés partiellement éliminés quand la procédure proposée pour la sélection de la région saine adéquate est utilisée. La procédure est basée sur l'utilisation de l'Image de Distribution de Source (IDS) reconstruite à partir de plusieurs thermogrammes initiaux acquis juste après que l'excitation soit appliquée à l'échantillon (alors que les effets possibles des défauts ne sont pas encore visibles sur la surface du spécimen). Une fois appliquée, la méthodologie s'assure que les régions défectueuses et saines aient reçu une quantité égale d'énergie (chaleur) durant l'excitation (jusqu'à une différence tolérable donnée). Cependant, aucune des corrections et mesures de précaution ne peuvent éliminer la nature fortement incertaine des valeurs expérimentales de [delta]Tmax. D'un autre côté, la période T max d'apparition de [delta]Tmax semble être beaucoup moins affectée par dse incertitudes de mesure et est relativement sensible aux caractéristiques du défaut (telles que sa taille et sa profondeur). On a démontré que même s'il existe des différences dans les valeurs absolues, les périodes de contraste maximal de température obtenues expérimentalement et numériquement peuvent être reliées par une simple relation algébrique, qui est réduite à une différence à une constante donnée. Une fois que ce rapport est établi, la régression obtenue par la modélisation peut être utilisée efficacement afin de fournir les informations désirées sur les caractéristiques inconnues du défaut. D'ailleurs, dans plusieurs cas où seulement un nombre limité de défauts est disponible dans l'échantillon calibré, pour que le procédé d'inversion soit établi, ou quand les données de mesure sont trop bruitées pour permettre la formulation d'une méthodologie d'inversion fiable, la modélisation numérique permet la déterminaison plus simple et plus directe des relations de régression pour de futures caractérisations de défauts. Par conséquent, le nombre illimité de simulations peu coûteuses pouvant être effectuées permet la création d'ensemble global et complet de relations entre les caractéristiques de défauts et les variables significatives de la PT, telle que la période d'apparition du contraste maximal de température.

L'augmentation rapide du niveau de concentration de dioxide de carbone dans l'air ambiant à la suite de diverses activités humaines est l'un des principaux défis environnementaux du XXIe siècle. Par conséquent, la résolution des problèmes d'émissions de carbone est l'une des principales tâches de la société moderne. Diverses technologies ont été développées et testées au cours des dernières décennies pour atténuer ce problème. La carbonatation minérale est reconnue comme l'une des technologies les plus sûres permettant de capturer et de stocker en permanence du carbone sous forme de carbonates thermiquement stables. La minéralisation passive du carbone par les résidus miniers en tant que processus naturel a lieu dans des conditions environnementales, partout où l'accès de l'air et de l'eau au tas de résidus miniers est possible. Le présent travail explore l'utilisation de la thermographie infrarouge comme méthode non destructive de surveillance du comportement exothermique au cours de la capture passive du carbone par la brucite. La configuration de carbonatation à deux cellules, consolidée avec une caméra infrarouge, a été conçue pour surveiller simultanément les variations thermiques de la surface du matériel dues à l'absorption de CO2 ainsi que le flux de chaleur échangé entre la brucite et son environnement. Les résultats montrent une influence significative de la température ambiante sur le système qui a contribué à l'échange thermique de la couche réactive avec l'environnement. La comparaison des profils de température entre les demi-cellules de référence et réactives montre des différences dans les variations thermiques par rapport à la température adiabatique à cause de l'influence de la température ambiante. L'élévation de température adiabatique par rapport aux profils de température de surface démontre une différence substantielle dans le taux de génération de chaleur de carbonatation en raison de l'échange de flux de chaleur avec l'environnement pendant le processus. / Rapid increment of the level of carbon concentration in ambient air in consequence of various human activities is one of the major environmental challenges of 21st century. Therefore, solving carbon emissions issues is one of the main tasks of the modern society. Variety of technologies have been developed and tested over the past decades to alleviate this concern. Mineral carbonation is recognized as one of the safest technologies that allows to capture and permanently store carbon in the form of thermally stable carbonates. Passive mineral carbonation by mining residues as a naturally occurring process takes place under environmental conditions anywhere where the air and water access to mining residue heap can be obtained. The present work explores the use of infrared thermography as a non-destructive method of monitoring exothermal behavior of passive carbon capture by brucite. Dual-cell carbonation setup consolidated with an infrared camera was designed in order to provide simultaneous monitoring of thermal variations on the surface of the material due to CO2 uptake as well as exchange of heat fluxes between brucite and its surroundings. The results show a significant influence of room temperature on the system that contributed to heat exchange of the reactive layer with the surrounding. The temperature profiles comparison between reference and reactive half-cells demonstrates striking differences in thermal variations than the adiabatic temperature due to the room temperature influence. Adiabatic temperature rise in comparison with surface temperature profiles demonstrates a substantial difference in carbonation heat generation rate due to heat fluxes exchange with surrounding during the process.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 juin 2023) / Le marché mondial de l'aluminium demande une réduction des coûts et des impacts environnementaux. Simultanément, la qualité des matières premières requises pour le procédé de production de l'aluminium primaire est de plus en plus variable et leur qualité se dégrade dans le temps. Considérant ces demandes et défis, l'approche traditionnelle de contrôle de qualité des anodes de carbone précuites, qui sont des intrants dans les cellules modernes de production d'aluminium, n'est plus suffisante pour le contrôle et l'optimisation de la production des anodes. Toutefois, de nouvelles techniques d'analyse rapides et non-destructives ont été développées afin d'améliorer le contrôle de leur qualité. Dans cette recherche, un prototype a été conçu pour avancer la recherche de deux des techniques les plus récentes, soit l'analyse acousto-ultrasonique (AU) et l'analyse modale (MA). L'équipement est décrit et une analyse de répétabilité est faite pour démontrer que les techniques peuvent être utilisés pour le contrôle du procédé et de la qualité des anodes. Ensuite, les deux techniques sont testées avec un grand nombre d'échantillons. En plus, une procédure pour estimer les propriétés des anodes basées sur les résultats de l'AU est proposée. Finalement, les trois approches sont combinées pour montrer comment elles se complètent. Pour l'analyse modale, une nouvelle approche pour utiliser les données de la réponse vibratoire des anodes est proposée avec le potentiel d'exploiter la totalité des données disponibles. De plus, elle permet de réduire le nombre de capteurs (accéléromètres) et simplifie significativement la procédure expérimentale en comparaison avec les travaux de recherche antérieurs. La capacité supérieure de détection de défauts de la nouvelle approche a été démontrée sur un grand nombre d'échantillons, en plus de sa répétitivité pour la détection de défauts externes. De façon similaire, une nouvelle approche pour utiliser les données est proposée pour l'analyse acousto-ultrasonique, en améliorant la décomposition des signaux dans différentes bandes de fréquence et en la combinant avec un modèle de classification comme un moyen d'utiliser le système pour discriminer deux classes d'anodes. Ces classes étaient des anodes avec des dommages visibles sur les surfaces externes des anodes et d'autres sans dommage apparent. Il était attendu de l'approche une meilleure résolution temporelle et, par conséquence, une meilleure performance en discrimination, ce qui a été validé à la fin de l'étude. Une technique d'interpolation a été proposée pour les données de l'analyse AU afin d'obtenir une distribution spatiale plus fines des vitesses du son dans les anodes. Un jeu d'échantillons simulés numériquement a été généré pour représenter des anodes et des défauts internes. Ces échantillons ont été utilisés pour confirmer la performance de l'approche proposé à la détection et au positionnement des défauts simulés. Cette approche nous a permis de tester la performance de la technique de manière théorique dans plusieurs situations : différents nombres de capteurs et leur positionnement, différents nombres de défauts et leur taille. La performance a été confirmée avec un groupe d'échantillons d'anodes carottées qui ont été caractérisées en laboratoire et la corrélation entre la vitesse du son estimée et plusieurs propriétés clés des anodes. Finalement, une combinaison entre l'analyse modale et l'AU en utilisant l'analyse modale comme première étape dans une stratégie de contrôle à deux niveaux comme étape de pré-traitement, réduit significativement la quantité d'anodes qui ont besoin d'être analysés par l'AU. Il est aussi démontré que leur combinaison est plus précise en performance de classification que l'utilisation de ces deux méthodes séparément. Ensuite, l'interpolation a été utilisé pour investiguer ce qui caractérise des anodes qui ont été bien, ou mal classifiées. / The global aluminium market demands cost efficiency and environmental impact reductions ever more. Simultaneously raw materials for the production process have become more inconsistent and overall worse in quality. With those increasing demands and challenges, the quality control of baked carbon anodes, a requirement for modern aluminium production cells, using the traditional approach does not allow for tight control and optimization of the anode production process. However, new rapid and non-destructive techniques (NDTs) have been developed which could fulfill the need for better quality control methods. In this research, a prototype equipment was developed to further advance the research in two of the newer techniques, namely acousto-ultrasound (AU) and modal analysis. The equipment is described, and a repeatability evaluation is performed on a set of industrial anodes to prove it can be used for process and quality control. In sequence, both modal analysis and acousto-ultrasonics are tested on a large number of samples. Moreover, a procedure to interpolate the anode's properties based on the AU results is proposed. Finally, the three approaches are combined to show how they complement each other. For modal analysis, a new approach for analyzing the data collected is proposed which has the potential of fully exploiting the available data while simultaneously reducing the number of sensors and significantly simplifying the testing procedure, in comparison with previous research. The approach was shown to be more capable for the same analyzed samples, while also being more repeatable, in the task of detecting the presence of external defects. Similarly, a new method for analyzing data collected is proposed for acousto-ultrasonics regarding the frequency band decomposition combined with a classification model as a means to use the system to discriminate between two classes of anodes. The classes were anodes with visible external damages and anodes without any damages. The approach was expected to deliver better time resolution, and consequently, better performance in the discrimination task, which was confirmed at the end of the study. An interpolation technique was proposed for the AU data and a set of toy examples was generated to simulate anodes and internal defects. Those were used to confirm the performance of the proposed approach in detecting and positioning the simulated defects. This allowed the technique to be tested for its performance, theoretically, in cases with different numbers of sensors, numbers of defects and defect sizes. Its performance was confirmed using a group of core samples from anodes that were analyzed and correlations with the sound speed and key anode properties were established.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les systèmes aériens autonomes (UAV/UAS), communément appelés drones, sont un sujet de plus en plus important dans les inspections par essais non-destructifs (END). Avec les avancées technologiques significatives des caméras thermiques, les méthodes d'inspection visuelle acquièrent continuellement de l'attention dans les inspections END. Les inspections dans les zones difficiles d'accès sont coûteuses, parfois impossibles en raison de la nature de la zone ou des dangers possibles pour les ressources humaines. L'inspection de spécimens complexes et de grande taille, notamment les des structures courbes, nécessite des relevés approfondis sous différents aspects, ce qui est presque impossible ou très coûteux avec des véhicules terrestres ou des ressources humaines. Ainsi, en raison de leur grande manœuvrabilité, les industries investissent davantage dans les drones pour surmonter les problèmes mentionnés et aider les inspecteurs à examiner les composants de manière approfondie. De plus, grâce à des développements récents, les UAVs peuvent également accéder à des zones éloignées ou difficiles d'accès et transporter de nombreuses charges utiles. Malgré les énormes avantages de l'utilisation des drones pour l'inspection, certains défis doivent être relevés. Ces dernières années, de nombreuses études se sont concentrées sur l'utilisation d'images thermiques/visibles pour inspecter différentes structures. Cependant, l'utilisation de données d'inspection multimodales par drone, y compris les données d'imagerie visible, thermique et de profondeur, pour fournir une compréhension approfondie de l'échantillon et de son environnement afin de produire une analyse plus précise, doit être étudiée en détail. Tout d'abord, cette étude aborde les défis communs des inspections par drone. La détection de l'effet de la réflexion thermique dans une inspection thermographique est le premier défi abordé dans cette étude. Ensuite, l'effet des mouvements constants et soudains d'un drone sur l'analyse des séquences d'images thermiques est étudié de manière approfondie. En outre, les résultats sont évalués à l'aide d'un scénario d'utilisation où le drone surveille un endroit fixe tout en restant en vol stationnaire. Par la suite, cette étude vise à développer une plateforme multi-sensorielle comprenant une structure de montage, des capteurs d'imagerie et un ordinateur embarqué. La solution logicielle intégrée à cette plate-forme fournit les fonctions requises d'acquisition, de transmission, de stockage et de traitement des données. De plus, cette étude se concentre sur le traitement de modalités multiples ou individuelles. Notamment, une méthode de segmentation par auto-apprentissage est proposée dans le contexte de la détection de défauts dans les images thermiques. Aussi, un algorithme de détection de fissures par drone est présenté pour analyser l'inspection visuelle des chaussées et des structures en béton. Ensuite, cette étude s'est concentrée sur le traitement des données multi-modales acquises par la plateforme multi-sensorielle présentée. En effet, l'utilisation d'images thermiques et visibles couplées pour améliorer la détection des anomalies est étudiée de manière approfondie. Plusieurs scénarios d'utilisation sont introduits présentant différentes approches pour améliorer l'efficacité de la détection. Ces derniers fournissent un aperçu de l'applicabilité des sous-études introduites. Pour chacun d'entre eux, de multiples expériences sont menées pour démontrer les applications des méthodes proposées dans des scénarios de cas réels. / Unmanned Aerial Vehicles/Systems (UAVs/UAS), commonly known as drones, is a rising topic in Non-Destructive Testing (NDT) inspections. With significant technological advancements in thermal cameras, visual inspection methods continuously gain much attention in non-destructive inspections. Inspections in remote or hard-to-access areas are costly and sometimes impossible due to the area's nature or the possible dangers facing human resources. Inspection of complex and large specimens, especially with curvaceous structures, requires extensive surveys from different aspects, which is nearly impossible or very costly using ground vehicles or human resources. Thus, industries are investing more in drones to overcome mentioned problems as they have high flexibility of maneuver, which can assist inspectors in examining the components thoroughly. They can also access remote or hard-to-access areas and carry many payloads thanks to recent developments. Despite the enormous benefits of using drones for inspection, some challenges need to be addressed. In recent years, many studies focused on using thermal/visible images to inspect different structures. However, using multi-modal data, including visible, thermal, and depth imagery data, provides an extensive understanding of the specimen and surrounding environment in case of drone-enabled inspections and produces a more accurate analysis that needs to be thoroughly studied. Firstly, this study addresses the common challenges in drone-based inspections in the scope of this research. Detecting the effect of thermal reflection in a thermographic inspection is the first challenge addressed in this study. Later, the effect of a drone's constant and sudden motions on analyzing thermal image sequences is investigated comprehensively. Also, the results are evaluated using a use-case scenario where the drone monitors a fixed location while hovering. Also, the next part of this study aims to develop a multi-sensory platform, including a mounting structure, imagery sensors, and an onboard computer. The software solution embedded in this platform provides the required data acquisition, transmission, storage, and processing features. Later, this study focuses on the processing of multiple or individual modalities. Firstly, a self-training segmentation method is proposed in the context of defect detection in thermal images. Also, a drone-enabled crack detection algorithm is presented for analyzing the visual inspection of pavement and concrete structures. Next, this study focused on processing multi-modal data acquired by the presented multi-sensory platform. Firstly, using coupled thermal and visible images to enhance abnormality detection is investigated thoroughly. Several use-case scenarios are introduced, presenting different approaches to enhance the detection's efficiency. In order to provide insight into the applicability of the introduced sub-studies. For each of them, multiple experiments are conducted demonstrating the applications of the proposed methods in real-case scenarios.