Les objets bifurcation, du fait de leurs topologies non homotopiques aux classiques surfaces sphériques, cylindriques ou toriques, sont des entités difficilement paramétrables de façon naturelle. Relevant du domaine de la modélisation et de l'imagerie, ce travail de thèse présente, dans un premier temps, de possibles paramétrages planaires univoques de cette entité, dont un particulier, d'inspiration physique, a permis la génération d'une surface C1 de topologie compatible: bâtie comme une enveloppe de superquadriques reposant sur un squelette déformable, elle est entièrement définie par la donnée de 24 paramètres. Dans un second temps, motivé par l'amélioration de l'étude d'un marqueur indirect des maladies cardiovasculaires, première cause de mortalité dans les pays industrialisés, cette surface est déformée à partir de données échographiques 2.5D de la bifurcation de l'artère Carotide : pour obtenir ces données, un système d'acquisition, intégrant un localisateur optique à marqueurs actifs, a été développé et évalué. Enrichi successivement par des informations a priori complémentaires de différents types, ce modèle est alors mis en correspondance par deux méthodes distinctes ("extraction puis ajustement", "contours actifs") avec les données échographiques précédemment acquises. Les premiers résultats obtenus sont présentés dans ce travail.

Ce travail concerne l'imagerie micro-onde en vue d'application à l'imagerie biomédicale. Cette technique d'imagerie a pour objectif de retrouver la distribution des propriétés diélectriques internes (permittivité diélectrique et conductivité) d'un objet inconnu illuminé par une onde interrogatrice connue à partir des mesures du champ électrique dit diffracté résultant de leur interaction. Un tel problème constitue un problème dit inverse par opposition au problème direct associé qui consiste à calculer le champ diffracté, l'onde interrogatrice et l'objet étant alors connus.La résolution du problème inverse nécessite la construction préalable du modèle direct associé. Celui-ci est ici basé sur une représentation intégrale de domaine des champs électriques donnant naissance à deux équations intégrales couplées dont les contreparties discrètes sont obtenues à l'aide de la méthode des moments. En ce qui concerne le problème inverse, hormis le fait que les équations physiques qui interviennent dans sa modélisation directe le rendent non-linéaire, il est également mathématiquement mal posé au sens de Hadamard, ce qui signifie que les conditions d'existence, d'unicité et de stabilité de la solution ne sont pas simultanément garanties. La résolution d'un tel problème nécessite sa régularisation préalable qui consiste généralement en l'introduction d'information a priori sur la solution recherchée. Cette résolution est effectuée, ici, dans un cadre probabiliste bayésien où l'on introduit une connaissance a priori adaptée à l'objet sous test et qui consiste à considérer ce dernier comme étant composé d'un nombre fini de matériaux homogènes distribués dans des régions compactes. Cet information est introduite par le biais d'un modèle de « Gauss-Markov-Potts ». De plus, le calcul bayésien nous donne la distribution a posteriori de toutes les inconnues connaissant l'a priori et l'objet. On s'attache ensuite à déterminer les estimateurs a posteriori via des méthodes d'approximation variationnelles et à reconstruire ainsi l'image de l'objet recherché. Les principales contributions de ce travail sont d'ordre méthodologique et algorithmique. Elles sont illustrées par une application de l'imagerie micro-onde à la détection du cancer du sein. Cette dernière constitue en soi un point très important et original de la thèse. En effet, la détection du cancer su sein en imagerie micro-onde est une alternative très intéressante à la mammographie par rayons X, mais n'en est encore qu'à un stade exploratoire. / This work concerns the problem of microwave tomography for application to biomedical imaging. The aim is to retreive both permittivity and conductivity of an unknown object from measurements of the scattered field that results from its interaction with a known interrogating wave. Such a problem is said to be inverse opposed to the associated forward problem that consists in calculating the scattered field while the interrogating wave and the object are known. The resolution of the inverse problem requires the prior construction of the associated forward model. This latter is based on an integral representation of the electric field resulting in two coupled integral equations whose discrete counterparts are obtained by means of the method of moments.Regarding the inverse problem, in addition to the fact that the physical equations involved in the forward modeling make it nonlinear, it is also mathematically ill-posed in the sense of Hadamard, which means that the conditions of existence, uniqueness and stability of the solution are not simultaneously guaranteed. Hence, solving this problem requires its prior regularization which usually involves the introduction of a priori information on the sought solution. This resolution is done here in a Bayesian probabilistic framework where we introduced a priori knowledge appropriate to the sought object by considering it to be composed of a finite number of homogeneous materials distributed in compact and homogeneous regions. This information is introduced through a "Gauss-Markov-Potts" model. In addition, the Bayesian computation gives the posterior distribution of all the unknowns, knowing the a priori and the object. We proceed then to identify the posterior estimators via variational approximation methods and thereby to reconstruct the image of the desired object.The main contributions of this work are methodological and algorithmic. They are illustrated by an application of microwave imaging to breast cancer detection. The latter is in itself a very important and original aspect of the thesis. Indeed, the detection of breast cancer using microwave imaging is a very interesting alternative to X-ray mammography, but it is still at an exploratory stage.

Le suivi temporel est un processus d’acquisition et d’analyse d’acquisitions multiples répétées au même endroit sur la même cible à différentes périodes de temps. Cela s’applique bien à l’exploration sismique quand les propriétés de la cible varient au cours du temps comme pour les réservoirs pétroliers. Cette technique de sismique, dite 4D en raison de l’intégration du temps dans la construction des images, permet une détection et une estimation des variations du sous-sol survenues lors de l’évolution en temps du milieu. En particulier, dans l’industrie, le suivi et la surveillance peuvent améliorer notre compréhension d’un réservoir de pétrole/gaz ou d’un site de stockage de CO2. Analyser la sismique 4D peut aider à mieux gérer les programmes de production des réservoirs. Ainsi, des acquisitions répétées permettent de suivre l’évolutiondes fronts de fluide injectés: on peut optimiser les programmes d’injection de fluides pour une récupération améliorée des hydrocarbures (enhanced oil recovery). Plusieurs méthodes ont été développées pour l’imagerie variable dans le temps en utilisant les informations des ondes sismiques. Dans ma thèse, je montre que l’inversion de forme d’onde complété (FWI) peut être utilisée pour cette imagerie. Cette m´méthode offre des images sismiques quantitatives haute résolution. Elle est une technique prometteuse pour reconstruire les petites variations de propriétés physiques macro-échelle du sous-sol. Sur une cible identifiée pour ces imageries 4D, plusieurs informations a priori sont souvent disponibles et peuvent être utilisées pour augmenter la résolution de l’image. J’ai introduit ces informations grâce à la définition d’un modèle a priori dans une approche classique FWI en l’accompagnant de la construction d’un modèle d’incertitudes a priori. On peut réaliser deux reconstructions indépendantes et faire la différence les reconstruits: on parle de différence parallèle. On peut aussi effectuer une différence séquentielle o`u l’inversion de l’ensemble de données de la second acquisition, dite moniteur, se fait `a partir du modèle de base et non plus à partir du modèle utilisé initialement. Enfin, l’approche double-différence conduit à l’inversion des différences entre les deux jeux de données que l’on rajoute aux données synthétiques du modèle de base reconstruit. J’étudie quelle stratégie est à adopter pour obtenir des changements vitesse plus précis et plus robustes. En plus, je propose une imagerie 4D ciblée en construisant un modèle d’incertitude a priori grâce `a une information (si elle existe) sur la localisation potentielle des variations attendues. Il est démontré que l’inversion 4D ciblée empêche l’apparition d’artéfacts en dehors des zones cibles: on évite la contamination des zones extérieures qui pourrait compromettre la reconstruction des changements 4D réels. Une étude de sensibilité, concernant l’échantillonnage en fréquence pour cette imagerie 4D, montre qu’il est nécessaire de faire agir simultanément un grand nombre de fréquences au cours d’un cycle d’inversion. Ce faisant, l’inversion fournit un modèle de base plus précis que l’approche temporelle, ainsi qu’un modèle des variations 4D plus robuste avec moins d’artéfacts. Toutefois, la FWI effectuée dans le domaine temporel semble être une approche plus intéressante pour l’imagerie 4D. Enfin, l’approche d’inversion 4D régularisée avec un modèle a priori est appliquée sur des ensembles de données réelles d’acquisitions sismiques répétées fournis par TOTAL. Cette reconstruction des variations locales s’inscrit dans un projet d’injection de vapeur pour améliorer la récupération des hydro-carbures: Il est possible de reconstituer des variations de vitesse fines causées par la vapeur injectée. / Time-lapse monitoring is the process of acquiring and analysing multiple seismic surveys, repeatedat the same place at different time periods. This seismic technique, called 4D becauseof the integration time in the construction of images, allows detection and estimation of thesubsurface parameter variations occured through a time evolution. Particularly, in industries,the monitoring can improve our understanding of a producing oil/gas reservoir and CO2 storagesite. Analyzing the time-lapse seismics can help to better manage production programsof reservoirs. In addition, repeated surveys can monitor the evolution of injected fluid frontsand can permit to optimize injection programs which are considered for enhanced oil recovery(EOR) techniques.Several methods have been developed for time-lapse imaging using seismic wave information.In my thesis, I show that full waveform inversion (FWI) can be used for time-lapseimaging, since this method delivers high-resolution quantitative seismic images. It is a promisingtechnique to recover small variations of macro-scale physical properties of the subsurface.In time-lapse applications, several sources of prior information are often available and shouldbe used to increase the image reliability and its resolution. I have introduced this informationthrough a definition of a prior model in a classical FWI approach by also considering a prioruncertainty model. In addition, I have suggested a dynamic weighting to reduce the importanceof these prior models in the final convergence. In realistic synthetic cases, I have shownhow the prior model can reduce the sensitivity of FWI to a less accurate initial model. It istherefore possible to obtain a highly accurate baseline model for 4D imaging.Once the baseline reconstruction is achieved, several strategies can be used to assess thephysical parameter changes. We can make two independent reconstructions of baseline andmonitor models and make subtraction of the two reconstructed models. This strategy is calledparallel difference. The sequential difference strategy inverts the monitor dataset starting fromthe recovered baseline model, and not from the model used initially. Finally, the doubledifferencestrategy inverts the difference data between two datasets which are added to thecalculated baseline data computed in the recovered baseline model. I investigate which strategyshould be adopted to get more robust and more accurate time-lapse velocity changes. Inaddition, I propose a target-oriented time-lapse imaging using regularized FWI including priormodel and model weighting, if the prior information exists on the location of expected variations.It is shown that the target-oriented inversion prevents the occurrence of artifacts outsidethe target areas, which could contaminate and compromise the reconstruction of the effectivetime-lapse changes.A sensitivity study, concerning several frequency decimations for time-lapse imaging, showsthat the frequency-domain FWI requires a large number of frequencies inverting simultaneously.By doing so, the inversion provides a more precise baseline model and more robust time-lapsevariation model with less artifacts. However, the FWI performed in the time domain appearsto be a more interesting approach for time-lapse imaging considering all frequency content.Finally, the regularized time-lapse FWI with prior model is applied to the real field timelapsedatasets provided by TOTAL. The reconstruction of local variations is part of a steaminjection project to improve the recovery of hydrocarbons: it is possible to reconstruct thevelocity variations caused by the injected steam.

Afin d'obtenir des simulations plus prédictives et plus précises du comportement mécanique des structures, des modèles matériau de plus en plus complexes ont été développés. Aujourd'hui, la caractérisation des propriétés des matériaux est donc un objectif prioritaire. Elle exige des méthodes et des tests d'identification dédiés dans des conditions les plus proches possible des cas de service. Cette thèse vise à développer une méthodologie d'identification efficace pour trouver les paramètres des propriétés matériau, en tenant compte de toutes les informations disponibles. L'information utilisée pour l'identification est à la fois théorique, expérimentale et empirique : l'information théorique est liée aux modèles mécaniques dont l'incertitude est épistémique; l'information expérimentale provient ici de la mesure de champs cinématiques obtenues pendant l'essai ct dont l'incertitude est aléatoire; l'information empirique est liée à l'information à priori associée à une incertitude épistémique ainsi. La difficulté principale est que l'information disponible n'est pas toujours fiable et que les incertitudes correspondantes sont hétérogènes. Cette difficulté est surmontée par l'utilisation de la théorie des fonctions de croyance. En offrant un cadre général pour représenter et quantifier les incertitudes hétérogènes, la performance de l'identification est améliorée. Une stratégie basée sur la théorie des fonctions de croyance est proposée pour identifier les propriétés élastiques macro et micro des matériaux multi-structures. Dans cette stratégie, les incertitudes liées aux modèles et aux mesures sont analysées et quantifiées. Cette stratégie est ensuite étendue pour prendre en compte l'information à priori et quantifier l'incertitude associée. / In order to obtain more predictive and accurate simulations of mechanical behaviour in the practical environment, more and more complex material models have been developed. Nowadays, the characterization of material properties remains a top-priority objective. It requires dedicated identification methods and tests in conditions as close as possible to the real ones. This thesis aims at developing an effective identification methodology to find the material property parameters, taking advantages of all available information. The information used for the identification is theoretical, experimental, and empirical: the theoretical information is linked to the mechanical models whose uncertainty is epistemic; the experimental information consists in the full-field measurement whose uncertainty is aleatory; the empirical information is related to the prior information with epistemic uncertainty as well. The main difficulty is that the available information is not always reliable and its corresponding uncertainty is heterogeneous. This difficulty is overcome by the introduction of the theory of belief functions. By offering a general framework to represent and quantify the heterogeneous uncertainties, the performance of the identification is improved. The strategy based on the belief function is proposed to identify macro and micro elastic properties of multi-structure materials. In this strategy, model and measurement uncertainties arc analysed and quantified. This strategy is subsequently developed to take prior information into consideration and quantify its corresponding uncertainty.

Le suivi temporel est un processus d'acquisition et d'analyse d'acquisitions multiples répétées au même endroit sur la même cible à différentes périodes de temps. Cela s'applique bien à l'exploration sismique quand les propriétés de la cible varient au cours du temps comme pour les réservoirs pétroliers. Cette technique de sismique, dite 4D en raison de l'intégration du temps dans la construction des images, permet une détection et une estimation des variations du sous-sol survenues lors de l'évolution en temps du milieu. En particulier, dans l'industrie, le suivi et la surveillance peuvent améliorer notre compréhension d'un réservoir de pétrole/gaz ou d'un site de stockage de CO2. Analyser la sismique 4D peut aider à mieux gérer les programmes de production des réservoirs. Ainsi, des acquisitions répétées permettent de suivre l'évolutiondes fronts de fluide injectés: on peut optimiser les programmes d'injection de fluides pour une récupération améliorée des hydrocarbures (enhanced oil recovery). Plusieurs méthodes ont été développées pour l'imagerie variable dans le temps en utilisant les informations des ondes sismiques. Dans ma thèse, je montre que l'inversion de forme d'onde complété (FWI) peut être utilisée pour cette imagerie. Cette m'méthode offre des images sismiques quantitatives haute résolution. Elle est une technique prometteuse pour reconstruire les petites variations de propriétés physiques macro-échelle du sous-sol. Sur une cible identifiée pour ces imageries 4D, plusieurs informations a priori sont souvent disponibles et peuvent être utilisées pour augmenter la résolution de l'image. J'ai introduit ces informations grâce à la définition d'un modèle a priori dans une approche classique FWI en l'accompagnant de la construction d'un modèle d'incertitudes a priori. On peut réaliser deux reconstructions indépendantes et faire la différence les reconstruits: on parle de différence parallèle. On peut aussi effectuer une différence séquentielle o'u l'inversion de l'ensemble de données de la second acquisition, dite moniteur, se fait 'a partir du modèle de base et non plus à partir du modèle utilisé initialement. Enfin, l'approche double-différence conduit à l'inversion des différences entre les deux jeux de données que l'on rajoute aux données synthétiques du modèle de base reconstruit. J'étudie quelle stratégie est à adopter pour obtenir des changements vitesse plus précis et plus robustes. En plus, je propose une imagerie 4D ciblée en construisant un modèle d'incertitude a priori grâce 'a une information (si elle existe) sur la localisation potentielle des variations attendues. Il est démontré que l'inversion 4D ciblée empêche l'apparition d'artéfacts en dehors des zones cibles: on évite la contamination des zones extérieures qui pourrait compromettre la reconstruction des changements 4D réels. Une étude de sensibilité, concernant l'échantillonnage en fréquence pour cette imagerie 4D, montre qu'il est nécessaire de faire agir simultanément un grand nombre de fréquences au cours d'un cycle d'inversion. Ce faisant, l'inversion fournit un modèle de base plus précis que l'approche temporelle, ainsi qu'un modèle des variations 4D plus robuste avec moins d'artéfacts. Toutefois, la FWI effectuée dans le domaine temporel semble être une approche plus intéressante pour l'imagerie 4D. Enfin, l'approche d'inversion 4D régularisée avec un modèle a priori est appliquée sur des ensembles de données réelles d'acquisitions sismiques répétées fournis par TOTAL. Cette reconstruction des variations locales s'inscrit dans un projet d'injection de vapeur pour améliorer la récupération des hydro-carbures: Il est possible de reconstituer des variations de vitesse fines causées par la vapeur injectée.

Ce rapport résume mes activités de recherche depuis l'obtention de mon doctorat. Je me suis penché sur le problème fondamental de l'estimation de signaux sources à partir de l'observation de mesures corrompues de ces signaux, dans des scénarios où les données mesurées peuvent être considérées comme une transformation linéaire inconnue des sources. Deux problèmes classiques de ce type sont la déconvolution ou égalisation de canaux introduisant des distorsions linéaires, et la séparation de sources dans des mélanges linéaires. L'approche dite aveugle essaie d'exploiter un moindre nombre d'hypothèses sur le problème à résoudre : celles-ci se réduisent typiquement à l'indépendance statistique des sources et l'inversibilité du canal ou de la matrice de mélange caractérisant le milieu de propagation. Malgré les avantages qui ont suscité l'intérêt pour ces techniques depuis les années soixante-dix, les critères aveugles présentent aussi quelques inconvénients importants, tels que l'existence d'ambiguïtés dans l'estimation, la présence d'extrema locaux associés à des solutions parasites, et un coût de calcul élevé souvent lié à une convergence lente. Ma recherche s'est consacrée à la conception de nouvelles techniques d'estimation de signal visant à pallier aux inconvénients de l'approche aveugle et donc à améliorer ses performances. Une attention particulière a été portée sur deux applications dans les télécommunications et le génie biomédical : l'égalisation et la séparation de sources dans des canaux de communications numériques, et l'extraction de l'activité auriculaire à partir des enregistrements de surface chez les patients souffrant de fibrillation auriculaire. La plupart des techniques proposées peuvent être considérées comme étant semi-aveugles, dans le sens où elles visent à exploiter des informations a priori sur le problème étudié autres que l'indépendance des sources ; par exemple, l'existence de symboles pilotes dans les systèmes de communications ou des propriétés spécifiques de la source atriale dans la fibrillation auriculaire. Dans les télécommunications, les approches que j'ai explorées incluent des solutions algébriques aux fonctions de contraste basées sur la modulation numérique, la combinaison de contrastes aveugles et supervisés dans des critères semi-aveugles, et une technique d'optimisation itérative basée sur un pas d'adaptation calculé algébriquement. Nos efforts visant à extraire le signal atrial dans des enregistrements de fibrillation auriculaire nous ont permis non seulement de dégager de nouvelles fonctions de contraste basées sur les statistiques de second ordre et d'ordre élevé incorporant l'information a priori sur les statistiques des sources, mais aussi d'aboutir à de nouveaux résultats d'impact clinique et physiologique sur ce trouble cardiaque encore mal compris. Ce rapport se conclut en proposant quelques perspectives pour la continuation de ces travaux. Ces recherches ont été menées en collaboration avec un nombre de collègues en France et à l'étranger, et ont également compris le co-encadrement de plusieurs doctorants. Les contributions qui en ont découlé ont donné lieu à plus de soixante publications dans des journaux, des conférences et des ouvrages collectifs à caractère international. Quelques-unes de ces publications sont jointes à ce document.