In the last decade, microwave and millimeter-wave systems have gained importance in civil and security applications. Due to an increasing maturity and availability of circuits and components, these systems are getting more compact while being less expensive. Furthermore, quantitative imaging has been conducted at lower frequencies using computational intensive inverse problem algorithms. Due to the ill-posed character of the inverse problem, these algorithms are, in general, very sensitive to noise: the key to their successful application to experimental data is the precision of the measurement system. Only a few research teams investigate systems for imaging in the W-band. In this manuscript such a system is presented, designed to provide scattered field data to quantitative reconstruction algorithms. This manuscript is divided into six chapters. Chapter 2 describes the theory to compute numerically the scattered fields of known objects. In Chapter 3, the W-band measurement setup in the anechoic chamber is shown. Preliminary measurement results are analyzed. Relying on the measurement results, the error sources are studied and corrected by post-processing. The final results are used for the qualitative reconstruction of all three targets of interest and to image quantitatively the small cylinder. The reconstructed images are compared in detail in Chapter 4. Close range imaging has been investigated using a vector analyzer and a radar system. This is described in Chapter 5, based on a future application, which is the detection of FOD on airport runways. The conclusion is addressed in Chapter 6 and some future investigations are discussed.

L'utilisation des microondes pour le diagnostic est en plein essor dans le domaine médical. Une des toutes dernières applications concerne la détection d'AVC (Accident vasculaire Cérébral) par imagerie microonde. La Société EMTensor GmbH basée à Vienne en Autriche étudie actuellement un tel système en collaboration avec le LEAT, le LJAD de l’Université Côte d’Azur et le LJLL de Sorbonne Université, pour le diagnostic et le contrôle de l'efficacité de traitement. Le but de ce travail était de modéliser le système de mesure de l'imagerie du cerveau, développé par la société EMTensor GmbH. Il s'agit d'un système d'émission/réception composé de 160 antennes disposées en 5 couronnes de 32 antennes réparties sur une cuve métallique cylindrique de section circulaire semi-ouverte. Un des enjeux majeurs de ce travail consiste en la modélisation et la simulation électromagnétique (EM) du système complet incluant un modèle réaliste de cerveau. La difficulté réside à la fois dans la taille du problème EM à simuler en raison du rapport entre la taille considérable du système et la taille très faible de certaines inhomogénéités à l’intérieur du cerveau, et dans la grande hétérogénéité des permittivités diélectriques présentes à l’intérieur du cerveau. Nous avons décidé d’utiliser un code open source, FreeFem++ pour cette modélisation car il permet de déployer du calcul hautement parallèle et la décomposition de domaines, qui sont bien adaptés à la complexité du problème EM. Dans un premier temps, nous avons comparé les résultats de simulation du système de mesure à vide (sans le cerveau) aux mesures et aux résultats obtenus par le logiciel de simulation EM HFSS basé sur la FEM comme FreeFem++. Nous avons ensuite simulé un modèle de tête tridimensionnel virtuel, à partir de coupe d’image du cerveau (scanner et IRM), en partenariat avec EMTensor en recherchant la position et le type d'AVC (ischémique et hémorragique). L'influence du bruit de mesure, la valeur du gel d'adaptation utilisé, le couplage entre les capteurs et le couplage entre la tête et les capteurs sont également étudiés. Afin de valider ces modèles, deux cas simples ont été étudiés. Un grand tube et un petit tube en plastique sont remplis de liquide d'adaptation symbolisant les caractéristiques diélectriques d'un cerveau afin de retrouver la forme du tube utilisé. Nous avons montré qu’il est possible de développer des algorithmes de reconstruction pour montrer permettant de retrouver la forme des objets par imagerie qualitative. Enfin, avec les partenaires et l'entreprise d'EMTensor nous avons appliqué une méthode quantitative à la détection d’un AVC ischémique par la tomographie microonde. Le problème direct repose sur l’utilisation de FreeFem++, en utilisant des éléments d'ordre supérieur et des préconditionneurs parallèles pour la méthode de décomposition de domaine. Nous avons résolu le problème inverse par un algorithme de minimisation, afin de reconstruire des images tomographiques du cerveau dans des temps compatibles avec les impératifs médicaux définis par les cliniciens. / The use of microwaves for diagnosis is booming in the medical field. One of the latest applications is the detection of strokes by microwave imaging. The company EMTensor GmbH based in Vienna, Austria is currently studying such a system in collaboration with LEAT, the LJAD of the Côte d’Azur University and the LJLL of Sarbonne University, for the diagnosis and control of the treatement efficiency. The purpose of this work is to model the brain imaging measurement system developed by EMTensor GmbH. It is a transmission/ reception system consisting of 160 antennas arranged in 5 rings of 32 antennas distributed on a cylinder metal tank of semi-open circular section. One of the major issues of this work is the modeling and electromagnetic simulation (EM) of the complete system including a realistic brain model. The difficulty lies both in the size of the EM problem to be simulated beacause of the relationship between the considerable size of the system and the the very small size of certain inhomogeneities within the brain, and the great heterogeneity of the dielectric permittivities present inside the brain. We decided to use an open source software, FreeFem++ for this modelling because it is well adapted to high performance computing through domain decomposition methods, which is mandatory for the complexity of the EM problem. First, we compared the simulation results of the vacuum matching measurement system (without the brain) to the measurements and the results obtained by the FEM-based EM HFSS simulation software to those obtained by FreeFem++. We then simulated a virtual threedimensional head model, from brain imaging system cuts (CT scan and MRI), in partnership with EMTensor, looking for the position and type of stroke (ischemic and hemorragic). The influence of the measurement noise, the value of the adaptation gel used, the coupling between the sensors and the coupling between the head and the sensors are also studied. In order to validate these models, two simple cases have been studied. A large tube and a small plastic tube are fielld with adaptation liquid with the dielectric characteristic of a brain to find the shape of the tubes used by qualitative imaging. Finally, with the MEDIMAX project partners and the EMTensor company we applied a quantitative method to the detection of ischemic stroke by the microwave tomography. The direct problem has been solved with the help of FreeFem++, using hight order elements and parallel preconditioners for the domain decomposition method. We solved the inverse problem by a minimization algorithm, in order to reconstruct tomographic images of the brain in times compatible with medical imperatives defined by clinicians.”

La profilométrie optique est une technique de métrologie de surface rapide et non destructive. Dans ce mémoire, nous avons abordé cette problématique par des méthodes inverses de diffraction électromagnétique et dans une configuration de type Microscopie Tomographique Optique par Diffraction (ODTM). La surface est sondée par un éclairement sous plusieurs angles d'incidences ; la mesure en amplitude et en phase du champ lointain diffracté constitue les données du problème. Des profils de surfaces ont été reconstruits en considérant différents modèles de diffraction, parmi lesquelles une méthode approchée fondée sur les approximations de diffusion simple et de paraxialité. La résolution latérale de cette méthode et des techniques classiques de profilométrie est limitée par le critère d'Abbe-Rayleigh, défini sur la base de l'ouverture numérique pour l'éclairement et la détection du champ. Afin de dépasser cette limite de résolution, nous avons développé une méthode itérative de Newton-Kantorovitch régularisée. L'opérateur de diffraction y est rigoureusement modélisé par une méthode des moments, résolution numérique des équations du formalisme intégral de frontière, et l'expression de la dérivée de Fréchet de cet opérateur est obtenue par la méthode des états adjoints, à partir du théorème de réciprocité. Pour les surfaces unidimensionnelles métalliques, notre technique permet d'inverser à partir de données synthétiques des surfaces très rugueuses avec une résolution au delà du critère d'Abbe-Rayleigh. / Optical profilometry is a nondestructive and fast noncontact surface metrology technique. In this thesis, we have tackled this issue with inverse scattering electromagnetic methods and in an Optical Digital Tomographic Microscopy (ODTM) configuration. The surface is probed with illuminations under several incidence angles; the measure of far scattered field amplitude and phase constitutes the problem data. Surface profiles have been reconstructed using different scattering models among which an approximate theory based on single scattering and paraxiality. The lateral resolution of this technique and classical profilometric approaches is limited by the so-called Abbe-Rayleigh's criterion defined out of the numerical aperture for illumination and field detection. In order to overpass this resolution limit, we have developed a regularized iterative Newton-Kantorovitch's method. The scattering operator is rigorously modelized with the method of moments, that is a numerical solution of boundary integral equations, and its Fréchet derivative adjoint states expression is deduced from the reciprocity theorem. For one-dimensional metallic surfaces, our method succeeds in inverting from synthetic data very rough surfaces with the resolutions beyond the Abbe-Rayleigh's criterion. The performance of this technique and inversion conditions clearly differ from one polarization to the other : in the TM case, interactions at longer distance than in the TE case improve yet the resolution. This work includes also an experimental validation of our inverse model on grooves in indium phosphure substrate at 633 nm.

Durant la dernière décade, les radars millimétriques en bande W (75 - 110 GHz) pour les applications civiles que ce soit dans le domaine de l'aide à la conduite ou de la sécurité. La maturité de ces systèmes et les exigences accrues en termes d'application, orientent actuellement les recherches vers l'insertion de fonctions permettant l'identification. Ainsi, des systèmes d'imagerie radar ont été développés, notamment à l'aide d'imagerie qualitative (SAR). Les premiers résultats sont très prometteurs, cependant, afin de reconstruire les propriétés électromagnétiques des objets, il faut travailler de manière quantitative. De nombreux travaux ont déjà été conduits en ondes centimétriques, mais aucun système d'imagerie quantitative n'existe, à notre connaissance, en gamme millimétrique. L'objectif du travail présenté dans ce manuscrit est de poser les bases d'un système d'imagerie quantitative en gamme millimétrique et de le comparer à l'imagerie radar de systèmes développés en collaboration avec l'Université d'Ulm (Allemagne). L'ensemble des résultats obtenus valide le processus développé pour d'imagerie quantitative. Les recherches doivent être poursuivies. D'une part le système de mesure doit évoluer vers un vrai système multi-incidences/multivues. D'autre part, le cas 2D-TE doit être implémenté afin de pouvoir traiter un objet 2D quelconque dans n'importe quelle polarisation. Enfin, les mesures à partir de systèmes radar réels doivent être poursuivies, en particulier pour rendre exploitables les mesures des coefficients de transmission. Ces dernières sont indispensables si l'on veut un jour appliquer les algorithmes d'inversion à des mesures issues de systèmes radar. / In the last decade, microwave and millimeter-wave systems have gained importance in civil and security applications. Due to an increasing maturity and availability of circuits and components, these systems are getting more compact while being less expensive. Furthermore, quantitative imaging has been conducted at lower frequencies using computational intensive inverse problem algorithms. Due to the ill-posed character of the inverse problem, these algorithms are, in general, very sensitive to noise: the key to their successful application to experimental data is the precision of the measurement system. Only a few research teams investigate systems for imaging in the W-band. In this manuscript such a system is presented, designed to provide scattered field data to quantitative reconstruction algorithms. This manuscript is divided into six chapters. Chapter 2 describes the theory to compute numerically the scattered fields of known objects. In Chapter 3, the W-band measurement setup in the anechoic chamber is shown. Preliminary measurement results are analyzed. Relying on the measurement results, the error sources are studied and corrected by post-processing. The final results are used for the qualitative reconstruction of all three targets of interest and to image quantitatively the small cylinder. The reconstructed images are compared in detail in Chapter 4. Close range imaging has been investigated using a vector analyzer and a radar system. This is described in Chapter 5, based on a future application, which is the detection of FOD on airport runways. The conclusion is addressed in Chapter 6 and some future investigations are discussed.