La réalisation des missions spatiales repose de plus en plus souvent sur la coopération entre différents engins spatiaux. Parmi les opérations de proximité, ! le rendez-vous orbital est une pratique aussi ancienne que la ! conquête spatiale, qui continue de générer de nombreux travaux de recherche. Cependant, les motivations et les objectifs des récentes missions de rendez-vous orbital ont largement évolués. En effet, les besoins d'une autonomie accrue, d'une sécurité améliorée, d'une plus grande flexibilité et d'une réduction des coûts, constituent autant d'incitations au développement de nouvelles méthodes de guidage et contrôle. La satisfaction de contraintes très variées, dues à des considérations de sécurité ou à des limitations technologiques incontournables des actionneurs ou des capteurs, contribuent à la richesse du problème posé. Dans ce contexte, le développement de nouveaux algorithmes de commande constitue un vrai défi scientifique que cette thèse tente de relever. Les travaux de cette thèse sont basées sur l'analyse structurelle des expressions décrivant le mouvement relatif entre deux véhicules en orbite. Sur la base d'un modèle simplifié, une nou! velle paramétrisation du mouvement relatif est proposée. Celle-ci, particulièrement adaptée à la caractérisation des trajectoires périodiques, offre la possibilité d'une prise en compte de contraintes d'état très variées. Un lien formel est mis en évidence entre les paramètres définissant les trajectoires contraintes et le cône des matrices semi définies positives. Ces résultats sont exploités dans le développement des algorithmes de design de trajectoires pour des opérations de proximité, sous hypothèse de poussée impulsionnelle. Ces algorithmes ont, entre autre, la propriété de permettre la satisfaction des contraintes sur la trajectoire de manière continue dans le temps, tout en utilisant les outils numériques de la programmation convexe. Le problème spécifique de la robustesse des manœuvres aux incertitudes de la chaîne de mesure est aussi abordé dans ce manuscrit. Des approches de type commande prédictive sont mises en place afin de garantir aux opérations une p! récision souhaitée en présence de perturbations.

On se place dans le cadre du traitement des signaux audio multicanaux et multi-sources. À partir du mélange de plusieurs sources sonores enregistrées en milieu réverbérant, on cherche à estimer les réponses acoustiques (ou filtres de mélange) entre les sources et les microphones. Ce problème inverse ne peut être résolu qu'en prenant en compte des hypothèses sur la nature des filtres. Notre approche consiste d'une part à identifier mathématiquement les hypothèses nécessaires sur les filtres pour pouvoir les estimer et d'autre part à construire des fonctions de coût et des algorithmes permettant de les estimer effectivement. Premièrement, nous avons considéré le cas où les signaux sources sont connus. Nous avons développé une méthode d'estimation des filtres basée sur une régularisation convexe prenant en compte à la fois la nature parcimonieuse des filtres et leur enveloppe de forme exponentielle décroissante. Nous avons effectué des enregistrements en environnement réel qui ont confirmé l'efficacité de cet algorithme. Deuxièmement, nous avons considéré le cas où les signaux sources sont inconnus, mais statistiquement indépendants. Les filtres de mélange peuvent alors être estimés à une indétermination de permutation et de gain près à chaque fréquence par des techniques d'analyse en composantes indépendantes. Nous avons apporté une étude exhaustive des garanties théoriques par lesquelles l'indétermination de permutation peut être levée dans le cas où les filtres sont parcimonieux dans le domaine temporel. Troisièmement, nous avons commencé à analyser les hypothèses sous lesquelles notre algorithme d'estimation des filtres pourrait être étendu à l'estimation conjointe des signaux sources et des filtres et montré un premier résultat négatif inattendu : dans le cadre de la déconvolution parcimonieuse aveugle, pour une famille assez large de fonctions de coût régularisées, le minimum global est trivial. Des contraintes supplémentaires sur les signaux sources ou les filtres sont donc nécessaires.

Ces dernières années un nouveau type de décharges hors équilibre thermodynamique, aptes à générer des micro jets de plasma se propageant en atmosphère libre, a suscité beaucoup d'intérêt dans la communauté scientifique. Ces micro jets, produits dans des structures type décharge à barrière diélectrique, ont des propriétés particulièrement intéressantes, tant sur le plan de la physique des plasmas que sur celui des applications, en particulier pour des applications biomédicales ou de traitement de surface.Dans ce travail de thèse il est démontré que ces jets de plasma correspondent à la propagation à grande vitesse d'un front d'ionisation sans déplacement de matière. Une caractérisation des propriétés des jets (vitesse et distance de propagation) a été effectuée en fonction de la tension appliquée, du débit, de la composition du gaz, et de la géométrie de la décharge. La distribution spatio-temporelle des espèces réactives produites par le jet a été mesurée, et en particulier celle de l'état métastable He (2³S) mesuré par absorption laser. Des densités comprises entre 1.10¹² et 5.10¹³ cm-³ ont été obtenues pour l'état He (2³S). Sa distribution est annulaire à la sortie de la structure de la décharge et se referme le long du jet. La densité maximale est obtenue à une distance correspondant à la moitié de la zone où les atomes métastables sont présents, ce qui est en contradiction avec les modèles actuels. De plus, afin de mieux comprendre la physique des jets de plasma, nous avons fait interagir deux jets placés l'un en face de l'autre. L'étude de la contre propagation de deux jets révèle qu'il existe une distance minimale d'approche laissant entre eux une zone exempte de plasma. Après l'extinction des deux plasmas, une seconde décharge s'amorce exactement dans cette zone. Une étude détaillée couplant diagnostics électrique, imagerie ultra-rapide et spectroscopie d'émission nous a permis de montrer que cette décharge secondaire est due à une inversion de polarité conduisant à la création transitoire d'un piège à électrons.Dans le but d'aborder l'étude des applications des jets de plasma au domaine biologique, nous avons également étudié la dégradation de l'ADN plasmidique par un jet de plasma. Nous avons mis en évidence que ce type de plasma induit majoritairement des cassures simples et doubles brins, alors que très peu d'oxydations de base ou de sites abasiques sont observés, ceci même avec l'ajout de quelques pourcents d'oxygène dans le gaz.

L'Institut franco-allemand de recherche de Saint-Louis (ISL) développe des alimentations de forte puissance pour des applications d'électronique impulsionnelle. En vue de réduire les pertes, l'encombrement et le poids de ces systèmes, des thyristors en carbure de silicium pourraient à l'avenir remplacer les interrupteurs en silicium actuels. C'est dans le cadre de la collaboration entre le laboratoire Ampère et l'ISL que s'inscrit cette thèse sur ce thème de recherche. Les propriétés physiques du carbure de silicium et les composants réalisés par différents laboratoires universitaires et industriels ont démontré les aptitudes de ce matériau pour les fortes puissances. Le travail réalisé au cours de cette thèse a permis de concevoir de réaliser et de caractériser des thyristors optiques en carbure de silicium. Dans un premier temps, le travail de conception, basé sur des simulations éléments finis, a permis d'optimiser deux protections périphériques, la JTE multiple gravée et la JTE assistée par anneaux gravée, toutes deux robustes vis à vis des incertitudes technologiques sur la gravure, et ayant la particularité de ne pas recourir à l'implantation ionique. Deux séries de thyristors optiques ont ainsi été fabriquées. Le premier lot avait pour but de valider la faisabilité du déclenchement optique de thyristor avec des diodes électroluminescentes UV. Le deuxième lot a permis de mettre en œuvre la JTE assistée par anneaux. Une tenue en tension maximale de 6,3 kV a été mesurée sur ces thyristors. Ces composants sont aussi destinés à évaluer les possibilités en termes d'impulsion de courant des thyristors SiC. A ce titre, deux premières caractérisations ont été effectuées et les dispositifs ont été capables de passer un courant crête de 156 A (soit une densité de courant de 15,6 kA.cm-2) sur une impulsion de 10 μs de large et 40 A (4 kA.cm-2) sur une impulsion de 650 microsecondes de large. Ces résultats montrent une progression significative par rapport aux précédents travaux réalisés sur le thyristor SiC au laboratoire. Ils valident également la bonne stabilité de la technologie de fabrication de l'ISL (gravure, contact ohmique). Cependant, le rendement de fabrication devra être amélioré par le travail mené actuellement par l'ISL, sur la passivation des composants.

L’exploration du tissu cutané est aujourd’hui limitée par le peu de méthodes dites quantitatives permettant de décrire objectivement les propriétés mécaniques du tissu cutané. L’élastographie permet une exploration locale d’un milieu et offre la possibilité pour certaines méthodes d’estimer quantitativement le module d’élasticité (module d’Young). Nous avons mis au point une technique d’élastographie ultrasonore impulsionnelle haute fréquence 1D (HF-TE) et haute résolution permettant une description micrométrique des propriétés mécaniques du tissu cutané pour des applications en cosmétique et en dermatologie. / Nowadays, exploration of cutaneous tissue is limited by the few number of available approaches, known as quantitative methods, allowing an objective description of the mechanical properties of skin tissue. Elastography allows a local exploration of a medium and offers the possibility for some strategies to quantitatively estimate the modulus of elasticity (Young’s modulus). A 1-D high-frequency ultrasonic transient elastography method (HF-TE) allowing a micrometric description of the mechanical properties of skin tissue has been designed for cosmetic and dermatological applications. An experimental system of high-frequency transient elastography has been developed : software, hardware and measurement methodology. The HF-TE technique has been validated using simulation and measurements in monolayer and bilayer calibrated phantoms developed in the laboratory. The Young’s modulus values measured in monolayer media were then compared with those measured by two others dynamic techniques.

Ces travaux de recherche se rapportent à l’évaluation des potentialités des transistors à base de graphène ainsi que la mise en évidence des effets dispersifs sur les transistors HEMTs en technologie Nitrure de Gallium. Les principaux résultats issus de ces travaux sont obtenus suite au développement d’un banc de caractérisation spécifique. L’objectif principal pour la caractérisation des transistors en technologie AlGaN/GaN a été de développer des techniques innovantes de caractérisation. Des mesures IV et RF impulsionnelles ont été réalisées afin de caractériser et modéliser les phénomènes de pièges. Cette méthode fournit un moyen efficace d’évaluer les constantes de temps thermiques et de pièges pour la modélisation non linéaire. Ces mesures illustrent ainsi l’impact des effets de pièges sur le comportement dynamique grand signal des transistors GaN. Le second aspect de ces travaux de recherche est axé sur la caractérisation de différents composants à base de graphène afin d’extraire un modèle non linéaire. Des caractérisations DC et HF ont été réalisées. Des structures spécifiques de test ont été fabriquées pour la technique de « de-embedding » permettant l’extraction du modèle non linéaire. La cohérence du modèle électrique a été vérifiée via une comparaison des paramètres S mesurés et simulés. Il est primordial de construire des modèles performants prenant en compte les nouvelles caractéristiques de ces dispositifs dans le but d’établir un lien fort entre les aspects technologiques et systèmes afin d’améliorer les performances HF des transistors à base de graphène. / The aim of this work is to assess the potentialities of Graphene Field Effect Transistors (G-FET) as well as to put in evidence dispersive effects of AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs). The main experimental results of this study have been obtained through the development of an advanced characterization set-up. The main objective for characterization of AlGaN/GaN HEMTs was to develop innovative characterization techniques such as very short pulses and electrical history measurements. Dedicated time-domain pulsed I-V measurements have been performed in order to characterize and model the time dependent trapping phenomena in such devices. The current collapse (Kink effect) and drain lag are directly related to quiescent and instantaneous bias points as well as thermal effects which play a prominent role. This method provides an efficient way to assess the different thermal and trapping time constants for the nonlinear modeling. The second aspect of this research work was the characterization of several graphene-based devices in order to assess the potentialities of such transistors and to derive a nonlinear device model. DC and high frequency characterization were performed. Specific test structures fabricated for accurate de-embedding at high frequencies along with the nonlinear model extraction were detailed in this work. This electrical model consistency has been checked through the comparison of measured and simulated multi-bias S-parameters. For this new material with outstanding electrical properties and promising capabilities, material and technological process are still subject to intensive research activities to improve high frequency graphene FET performances.

Les actionneurs numériques sont composés d'une partie mobile pouvant se déplacer entre des positions discrètes précisément connues et répétables. Contrairement aux actionneurs analogiques classiques, le pilotage d'actionneurs numériques est réalisé très simplement à l'aide d'une commande impulsionnelle et en boucle ouverte. De ce fait, aucun capteur n'est nécessaire ce qui facilite leur intégration dans des systèmes hôtes. La qualité de fabrication de ces actionneurs est cependant primordiale car une éventuelle erreur ne peut pas être corrigée par la commande. Les travaux présentés porteront sur un réseau composé de 25 actionneurs numériques disposant chacun de quatre positions discrètes avec un plateau glissant. L'application visée est la réalisation d'un système de convoyage planaire dans laquelle les actionneurs permettent de déplacer un plateau selon les deux directions du plan. Les résultats de la simulation sont comparés avec les résultats expérimentaux. En suite, un réseau composé de quatre actionneurs numériques avec un plateau structuré est étudié. La conception du réseau d'actionneurs puis la stratégie de pilotage permettant de réaliser le déplacement du plateau structuré seront tout d'abord présentées. Un prototype de réseau d'actionneurs et des résultats expérimentaux de convoyage selon une direction sera ensuite détaillé et l'influence d'erreurs de fabrication sur le fonctionnement du réseau sera mise en évidence. / The open loop control is widely used by the digital systems to facilitate the integration in complex systems because no sensor is needed. The research is based on digital actuator which is composed of a mobile part and a fixed part. The actuator moves between the discrete positions. The discrete displacement consumes low energy, which is controlled by impulse only needed to switch the actuator between the discrete positions. However, the stroke of digital actuator is fixed at the manufacturing. So the digital actuators array is used to obtain variable strokes. A digital actuators array used here with a structured plate is applied as a 2D planar conveyance. Firstly, an actuators array composed of 25 elementary actuators with a flat plate is studied. The simulated results are compared with the experimental results. Then another actuators array composed of four elementary actuators with a structured plate is designed. The design and the plate displacement are firstly presented. Then the prototype of the conveyance is fabricated with laser cutting machine and 3D printer. The experiment is then tested in one direction to study the plate displacement. The open loop control is simple by using current impulse. The operation can be well functioned which is observed during the experiment. The experimental results are compared with the theoretical results.

Les objectifs de cette thèse sont la modélisation mathématique et la simulation numérique de l’élastographie impulsionnelle basée sur la force de radiation acoustique (FRA) dans un tissu mou précontraint, et en particulier le myocarde. La première partie du manuscript concerne la modélisation mathématique de la FRA, la propagation d’ondes de cisaillement qui en résulte et la caractérisation de la vitesse des ondes de cisaillement pour une loi de comportement générale du tissu myocardique. Nous montrons aussi des applications pour l’estimation de l’orientation des fibres cardiaques dans le myocarde et l’évaluation de “pathologies synthétiques ”. Une des contributions principales de ce travail est le développement d’un modèle mathématique original de la FRA. En particulier, à partir d’un modèle biomécanique tridimensionnel du coeur, nous obtenons, à travers une approche asymptotique, les équations qui régissent les champs de pression et de cisaillement induits par la FRA. De plus, nous calculons une expression analytique du terme source responsable de la génération des ondes de cisaillement à partir d’une impulsion acoustique en pression. Dans la deuxième partie de la thèse, nous proposons des outils numériques efficaces pour une simulation numérique réaliste d’une expérience d’élastographie impulsionnelle dans un tissu quasi-incompressible, précontraint et fibré. La discrétisation en espace se base sur des éléments finis spectraux d’ordre élevé. Pour la discrétisation en temps, nous proposons une nouvelle méthode adaptée à l’élasticité incompressible. En particulier, seuls les termes correspondant à des vitesses infinies, associés à la contrainte d’incompressibilité, sont traités implicitement, à travers la resolution d’un problème de Poisson à chaque pas de temps de l’algorithme. En outre, nous proposons une nouvelle méthode d’ordre élevé et efficace pour la résolution d’un problème de Poisson, qui se base sur la transformée de Fourier discrète. / This PhD thesis concerns the mathematical modelling and numerical simulation of impulsive Acoustic Radiation Force (ARF)-driven Shear Wave Elastography (SWE) imaging in a prestressed soft tissue, with a specific reference to the cardiac setting. The first part of the manuscript deals with the mathematical modelling of the ARF, the resulting shear wave propagation, and the characterisation of the shear wave velocity in a general constitutive law for the myocardial tissue. We also show some applications to the extraction of fibre orientation in the myocardium and the detection of “synthetic pathologies”. One of the main contributions of this work is the derivation of an original mathematical model of the ARF. In more detail, starting from an accurate biomechanical model of the heart, and based on asymptotic analysis, we infer the governing equation of the pressure and the shear wave field remotely induced by the ARF, and we compute an analytical expression of the source term responsible for the generation of shear waves from an acoustic pressure pulse. In the second part of the PhD thesis, we propose efficient numerical tools for a realistic numerical simulation of an SWE experiment in a nearly-incompressible, pre-stressed, fibered soft tissue. The spatial discretisation is based on high-order Spectral Finite Elements (HO-SEM). Concerning the time discretisation, we propose a novel method adapted to incompressible elasticity. In particular, only the terms travelling at infinite velocity, associated with the incompressibility constraint, are treated implicitly by solving a scalar Poisson problem at each time step of the algorithm. Furthermore, we provide a novel matrix-free, high-order, fast method to solve the Poisson problem, based on the use of the Discrete Fourier Transform.

Ces dernières années un nouveau type de décharges hors équilibre thermodynamique, aptes à générer des micro jets de plasma se propageant en atmosphère libre, a suscité beaucoup d’intérêt dans la communauté scientifique. Ces micro jets, produits dans des structures type décharge à barrière diélectrique, ont des propriétés particulièrement intéressantes, tant sur le plan de la physique des plasmas que sur celui des applications, en particulier pour des applications biomédicales ou de traitement de surface.Dans ce travail de thèse il est démontré que ces jets de plasma correspondent à la propagation à grande vitesse d'un front d'ionisation sans déplacement de matière. Une caractérisation des propriétés des jets (vitesse et distance de propagation) a été effectuée en fonction de la tension appliquée, du débit, de la composition du gaz, et de la géométrie de la décharge. La distribution spatio-temporelle des espèces réactives produites par le jet a été mesurée, et en particulier celle de l'état métastable He (2³S) mesuré par absorption laser. Des densités comprises entre 1.10¹² et 5.10¹³ cm-³ ont été obtenues pour l’état He (2³S). Sa distribution est annulaire à la sortie de la structure de la décharge et se referme le long du jet. La densité maximale est obtenue à une distance correspondant à la moitié de la zone où les atomes métastables sont présents, ce qui est en contradiction avec les modèles actuels. De plus, afin de mieux comprendre la physique des jets de plasma, nous avons fait interagir deux jets placés l’un en face de l’autre. L'étude de la contre propagation de deux jets révèle qu’il existe une distance minimale d'approche laissant entre eux une zone exempte de plasma. Après l’extinction des deux plasmas, une seconde décharge s’amorce exactement dans cette zone. Une étude détaillée couplant diagnostics électrique, imagerie ultra-rapide et spectroscopie d'émission nous a permis de montrer que cette décharge secondaire est due à une inversion de polarité conduisant à la création transitoire d'un piège à électrons.Dans le but d'aborder l'étude des applications des jets de plasma au domaine biologique, nous avons également étudié la dégradation de l’ADN plasmidique par un jet de plasma. Nous avons mis en évidence que ce type de plasma induit majoritairement des cassures simples et doubles brins, alors que très peu d’oxydations de base ou de sites abasiques sont observés, ceci même avec l’ajout de quelques pourcents d’oxygène dans le gaz. / Micro plasma jets operating at atmospheric pressure in free atmosphere have recently attracted great attention because of their numerous advantages. In fact, micro plasma jets can be operated stably at atmospheric pressure and propagated over some centimeters in a free atmosphere. Moreover, these jets are non-thermal plasmas and create numerous reactive species. These properties allow to use this kind of plasma in many applications, such as surface treatment, decontamination, and plasma medicine.In this work it is shown that these micro plasma jets correspond to the fast propagation of an ionization front with no displacement of matter. A characterization of the plasma proprieties (e.g. distance and velocity of propagation) has been done as a function of the applied voltage, gas flow, gas composition and discharge geometry. The spatiotemporal distribution of the reactive species created by the plasma has been measured, with a special focus on the helium metastable atoms which have been measured by absorption laser spectroscopy. The helium metastable atom densities obtained are in the range of 1.10¹² to 5.10¹³ cm-³. Thanks to a very good spatiotemporal resolution, we have done a time-resolved full cartography of the plasma. This allowed us to show that the helium metastable atom distribution is annular near the nozzle and becomes circular as the plasma propagates. The maximum helium metastable atoms density has been measured at about half of the distance where the helium metastable atoms are present. This observation is in contradiction with results reported by numerical models. To gain further insight into the physical processes of the plasma, we have placed two micro plasma jets face to face. This study showed that both plasmas interact in such a way that they never come into contact, letting a space free of plasma between them. Moreover, we revealed that after the extinction of the plasmas, a second discharge is ignited in the previously free space. Fast imaging, spectroscopy diagnostics and electrical measurements showed that this second discharge is due to a polarity reversal, which creates an electron trap. Aiming the study of the application of micro plasma jets in the plasma medicine field, we have studied the degradation of plasmid DNA by our plasma jet. We observed that the plasma treatment leads mostly to single and double strands breaks, and to very little base oxidation and abasite site, even when oxygen is added into the gas mixture.

Depuis 2002, différentes bandes de fréquences de plusieurs GHz dites « Ultra-Large Bande » (ULB), généralement comprises entre 3,1GHz et 10,6GHz, ont été libérées de par le monde pour la transmission d’informations sans fil. La largeur de ces bandes est telle qu’il devient envisageable d’utiliser des impulsions comme support de l’information en lieu et place d’une porteuse modulée comme cela est le cas habituellement. En effet, le spectre d’une impulsion étant inversement proportionnel à sa durée, une large plage de fréquences est requise pour la transmission d’informations via des impulsions. Cependant, il devient possible d’accroitre les débits en rapprochant les impulsions émises lorsque ceci est nécessaire, tout en offrant la possibilité d’éteindre les circuits et donc réduire la consommation lorsque deux impulsions sont suffisamment éloignées dans le temps.Le travail de recherche de cette thèse est dans ce contexte de proposer une structure d’émetteur impulsionnel reconfigurable disposant d’un contrôle suffisamment fin pour s’adapter aux différents canaux des standards IEEE 802.15.4 et 802.15.6 et ce, en n’utilisant que des circuits numériques pour les besoins des applications faibles coût. Pour cela, une étude théorique sur la mise en forme des impulsions requises est faite. Puis, il est question de la conception des différentes fonctions nécessaires à la mise en œuvre d’un émetteur impulsionnel reconfigurable, telles qu’un oscillateur contrôlé en tension pour la bande 3,1GHz-10,6GHz à démarrage rapide et que le circuit de mise en forme des oscillations associé. / Since 2002, various frequency bands of several GHz called "Ultra-WideBand" (UWB), generally between 3,1GHz and 10,6GHz, were liberalized in the world for wireless data transmission. The width of these bands is that it becomes possible to use pulses instead of a modulated carrier to transmit data. Indeed, as the spectrum of a pulse is inversely proportional to its duration, a wide range of frequencies is required for the transmission of information via pulses. However, it becomes possible to increase the rates by moving closer the emitted pulses when this is necessary, while providing the ability to switch off the circuits and thus reduce power consumption when two pulses are sufficiently far in time.To standardize the use of UWB frequency bands, standards such as IEEE 802.15.4 and 802.15.6 standards have emerged and have chosen to cut these frequency bands in channels of 500MHz and more. The aim of this thesis is also to propose a reconfigurable pulse transmitter structure with a fine enough control to address the different channels of IEEE 802.15.4 and 802.15.6 standard and, using only digital circuits to target low cost applications. For this, a theoretical study on the shaping of pulses required is made. Then it comes to the design of the various functions necessary for the implementation of a reconfigurable pulse transmitter, such as the implementation of a voltage controlled oscillator for 3,1GHz band-10,6GHz with quick start ability and the required oscillations shaping circuit.