Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / [À l'origine dans / Was originally part of : Thèses et mémoires - FAS - Département de littérature comparée]

L’hologramme généré par ordinateur (HGO) a été démontré à jouer un rôle important depuis son invention par Lohmann dans les années 1960 dans de nombreuses applications telles que l’ingénierie du front d'onde, l’éclairage structuré et l’affichage optique, etc. Dans le travail de thèse ci-présent, la modélisation, la conception et l’optimisation d’HGO avec des phases binaires sont étudiées. Nous avons examiné un système pratique de projection d’image avec certaines spécifications de travail, par exemple, une distance de travail de 40 cm, une profondeur de champ de 10 cm et un angle de diffraction de 53 degré pour une longueur d’onde de travail de 632 nm, et ensuite conçu et optimisé un hologramme de phase binaire en passant par une recherche directe binaire pour ce système d’image. L’hologramme a été fabriqué par la lithographie à faisceau d’électrons. Pour atteindre l’angle de diffraction requis, nous avons discuté de l’architecture optique dans le système de projection d’image holographique. L’HGO conçu et le système de projection d’image holographique ont été validés expérimentalement par reconstruction optique. Étant donné que les pixels finiront par se regrouper pour former des ouvertures polygonales en hologramme, qui peut être vu clairement dans le processus de recherche directe binaire, nous avons proposé une nouvelle approche pour la conception directe des ouvertures polygonales basée sur la disposition triangulaire en HGO de grande taille en pixels. La diffraction de l’ouverture a été calculée par la transformation analytique d’Abbe. L’image reconstruite peut être exprimée comme une addition cohérente de motifs de diffraction à partir de tous les bords droits d’orientations et de longueurs différentes. Une optimisation en deux étapes comprenant l’algorithme génétique avec la recherche locale de codage des phases binaires des ouvertures, suivie par la recherche directe de co-sommets flottants des ouvertures triangulaires élémentaires a été développée. Nous avons en outre proposé une disposition d’ouverture quadrilatérale, qui fournit plus de degrés de liberté et peut former des ouvertures polygonales plus diverses en hologrammes. L’algorithme génétique parallèle avec la recherche locale a été adopté dans une première étape pour assigner des phases binaires, et la recherche directe a ensuite été utilisée pour optimiser des emplacements de co-sommets d'ouvertures quadrilatérales lors de la deuxième étape. Trois schémas différents pour l'algorithme en deux étapes ont été discutés pour fournir des moyens flexibles afin d’équilibrer la performance de l’optimisation et la durée nécessaire. / The computer-generated hologram (CGH) has been demonstrated to play an important role, since its invention by Lohmann in 1960s, in many applications such as wavefront engineering, structured illumination and optical display, etc. In this thesis, the modeling, design and optimization of CGH with binary phases are studied. We considered a practical projection image system with certain working specification, e.g. working distance of 40 cm, depth of field of 10 cm and a diffraction angle of 53 degree for 632 nm working wavelength, and then designed and optimized a binary-phase hologram by direct binary search for this image system. The hologram was fabricated by E-beam lithography. To achieve the required diffraction angle, we discussed the optical architecture in holographic projection image system. The designed CGH and holographic projection image system were validated experimentally by optical reconstruction. Since the pixels will eventually cluster to form polygonal apertures in hologram, which can be seen clearly during the process of direct binary search, we proposed a new approach to directly design polygonal apertures based on triangular layout in CGH of a large number of pixels. The diffraction of aperture was calculated by analytical Abbe transform. The reconstructed image can be expressed as a coherent addition of diffraction patterns from all the straight edges of different orientations and lengths. A two-step optimization including genetic algorithm with local search for encoding binary phases of apertures, followed by direct search for floating covertices of the elementary triangular apertures was developed. We further proposed a quadrilateral aperture layout, which provides more degrees of freedom and can form more diverse polygonal apertures in holograms. The parallel genetic algorithm with local search was adopted to assign binary phases in the first step, and direct search was then used to optimize of locations of covertices of quadrilateral apertures in the second step. Three different schemes for the two-step algorithm were discussed to provide flexible ways to balance the optimization performance and time cost. / Résumé en espagnol

Les systèmes à matrice cimentaire renforcée de fibres (MCRF) ont été récemment présentés comme une technique innovante de renforcement/réparation externe pour les structures en béton armé et en maçonnerie. Alors que les systèmes MCRF ont prouvé leur efficacité pour renforcer les structures simplement appuyées en termes de capacité et de ductilité, notre connaissance sur le renforcement des structures à multi-portées avec les systèmes MCRF est encore limitée. L'importance de ces structures peut être fréquemment constatée dans la plupart de nos infrastructures telles que les ponts et les garages de stationnement. Cette étude fait partie d'un grand projet qui vise à comprendre le comportement des structures à multi-portées renforcées par les systèmes MCRF. Le programme expérimental consistait des poutres à grande échelle et à deux travées qui ont été testées après avoir été renforcées par des systèmes de polyparaphénylène benzobisoxazole (PBO-MCRF) avec des différents ratios de renforcement négative/positive et avec des différents nombres de couches de renforcement. Les résultats ont confirmé que le renforcement à l'aide de PBO-MCRF a considérablement amélioré la ductilité et la capacité de flexion des poutres renforcées. Malgré le renforcement, les sections déficientes renforcées avec les systèmes MCRF étaient capables de redistribuer les moments jusqu'à 37 %, ce qui représentait 93 % de la capacité de redistribution de leurs homologues dans la poutre contrôle non renforcée. Ces résultats ont suggéré la révision des formulations de la norme Canadienne CSA et le guide ACI qui interdisaient la prise en compte de la redistribution des moments dans la conception des éléments renforcés à l'externe. De plus, un modèle d'éléments finis 3D (MEF) a été développé pour simuler le comportement en flexion non linéaire des poutres renforcées par les systèmes MCRF à l'aide d'ABAQUS. Les résultats numériques ont démontré un bon accord avec les résultats expérimentaux en termes de modes de rupture, de capacité, de ductilité et de redistribution des moments entre les sections critiques. Une étude paramétrique a ensuite été menée pour étendre les résultats obtenus et pour évaluer d'autres paramètres qui n'ont pas été inclus dans le travail expérimental. / Fabric-reinforced cementitious matrix (FRCM) systems have been recently presented as an innovative external strengthening/repair technique for reinforced concrete (RC) and masonry structures. While FRCM systems have proven their efficacy to strengthen simply supported RC structures in terms of flexure capacity and ductility, very little is known about the flexural strengthening of multi-span structures with FRCM systems. The importance of those structures can be frequently noted in most of our infrastructures such as bridges and parking garages. This study is part of a large project that aims at understanding the behavior of FRCM-strengthened multi-span RC structures. The experimental program consisted of testing large-scale two-span beams after being strengthened by Polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO-FRCM) systems with different hogging-to-sagging strengthening ratios and different number of strengthening layers. The results confirmed that strengthening using PBO-FRCM significantly enhanced the ductility and the flexural capacity of the strengthened beams. Despite strengthening, the deficient sections strengthened with FRCM systems were capable to redistribute moments up to 37%, which represented 93% of the redistribution capacity of their counterpart sections in the unstrengthened control beam. These findings suggested the revision of the provisions of the CSA and ACI formulations that prohibited the consideration of moment redistribution in the design of externally bonded strengthened elements. Moreover, 3D finite element model (FEM) was developed to simulate the nonlinear flexural behavior of the FRCM-strengthened beams using ABAQUS. The numerical results demonstrated a good agreement with the experimental results in terms of the failure modes, the load-carrying capacity, the ductility, and the moment redistribution between the critical sections. A parametric study was then conducted to extend the obtained results and to assess other parameters that have not be included in the experimental work.

Le développement technologique des dernières années a subi des avancées fulgurantes permettant à plusieurs domaines variés de faire la transition du monde analogique vers le monde numérique. Le domaine des radars a su bénéficier de ces avancées puisque plusieurs radars dits numériques voient maintenant le jour. Les radars ainsi conçus ont l'avantage de pouvoir être reconfigurés en une panoplie de types différents et, cela, uniquement par des changements logiciels. Avec cette flexibilité viennent toutefois quelques désavantages. Entre autres, dans le cas des radars numériques de type Doppler à ondes entretenues, la capacité de filtrer les signaux nuisibles provenant de sources immobiles n'est pas aussi trivialement accessible que dans la version analogique. Il faut donc trouver de nouvelles méthodes permettant d'atténuer ces signaux. Ce mémoire décrit en détail la conception, l'implémentation et l'analyse d'une méthode permettant d'effectuer cette atténuation. Les deux critères les plus importants sont l'atténuation optimale qu'il est possible d'atteindre ainsi que le temps nécessaire pour s'y rendre. L'atténuation que le système peut fournir est d'environ 53 dB et se compare très favorablement à d'autres systèmes similaires. Le temps de réponse est, quant à lui, d'environ 5 à 10 secondes. Le système est robuste et peut fonctionner même dans des cas de saturation et une certaine robustesse à la dérive de phase est démontrée. / The technological developments of the recent years have progressed rapidly, allowing many varied areas to make the transition from analog technologies to their digital counterparts. The eld of radars also bene ted from these developments since many of these radars, known as digital radars, are now starting to appear. These digital radars have the bene t of being recon gurable into di erent types of radars with simple software changes. However, with this added exibility comes some disadvantages. For example, in the case of continuous-wave (Doppler) radars designed with digital technology, there is an issue with the ltering of signals coming from immobile sources that could be easily solved in an analog version. The same method cannot be used for a digital version of this radar. Hence, new methods must be developed to attenuate these signals. This thesis explains in detail the design, implementation and analysis of a method allowing said cancellation. The two most important criteria are the optimal attenuation and the time needed to obtain this attenuation level. The presented system can achieve cancellation of up to 53 dB, which compares well to existing systems. The time needed to obtain this attenuation is around 5 to 10 seconds. The system is also able to operate as intended during cases of saturation and a certain tolerance to phase drift is demonstrated.

La conception de ventilateurs est souvent basée sur une méthodologie " essais/erreurs " d'amélioration de géométries existantes ainsi que sur l'expérience de design et les résultats expérimentaux cumulés par les entreprises. Cependant, cette méthodologie peut se révéler coûteuse en cas d'échec; même en cas de succès, des améliorations significatives en performance sont souvent difficiles, voire impossibles à obtenir. Le projet présent propose le développement et la validation d'une méthodologie de conception basée sur l'emploi du calcul méridien pour la conception préliminaire de turbomachines hélico-centrifuges (ou flux-mixte) et l'utilisation du calcul numérique d'écoulement fluide (CFD) pour la conception détaillée. La méthode de calcul méridien à la base du processus de conception proposé est d'abord présentée. Dans un premier temps, le cadre théorique est développé. Le calcul méridien demeurant fondamentalement un processus itératif, le processus de calcul est également présenté, incluant les méthodes numériques de calcul employées pour la résolution des équations fondamentales. Une validation du code méridien écrit dans le cadre du projet de maitrise face à un algorithme de calcul méridien développé par l'auteur de la méthode ainsi qu'à des résultats de simulation numérique sur un code commercial est également réalisée. La méthodologie de conception de turbomachines développée dans le cadre de l'étude est ensuite présentée sous la forme d'une étude de cas pour un ventilateur hélico-centrifuge basé sur des spécifications fournies par le partenaire industriel Venmar. La méthodologie se divise en trois étapes: le calcul méridien est employé pour le pré-dimensionnement, suivi de simulations 2D de grilles d'aubes pour la conception détaillée des pales et finalement d'une analyse numérique 3D pour la validation et l'optimisation fine de la géométrie. Les résultats de calcul méridien sont en outre comparés aux résultats de simulation pour la géométrie 3D afin de valider l'emploi du calcul méridien comme outil de pré-dimensionnement.

L'objet de cette thèse est la construction de schémas numériques pour les équations cinétiques dans différents régimes de diffusion anormale. Comme le modèle devient raide en s'approchant du modèle asymptotique, les méthodes numériques standard deviennent coûteuses dans ce régime. Les schémas Asymptotic Preserving ont été introduits pour pallier à cette difficulté. Ils sont en effet stables le long de la transition du régime mésoscopique au régime microscopique. Dans le premier chapitre, nous considérons le cas d'une distribution d'équilibre qui est une fonction à queue lourde et dont le moment d'ordre 2 est infini. Le poids important des grandes vitesses de l'équilibre fait tomber la limite de diffusion usuelle en défaut, et on montre que le modèle asymptotique est une équation de diffusion fractionnaire. En nous basant sur une analyse asymptotique formelle de la convergence vers le modèle limite, nous construisons trois schémas AP pour le problème. La discrétisation en vitesse est discutée afin de prendre en compte correctement les grandes vitesses, et nous montrons que le troisième schéma est en outre uniformément précis au cours de la transition vers le régime microscopique. Dans le chapitre 2, nous étendons ces résultats au cas d'une fréquence de collision dégénérée en 0 qui mène aussi à une équation de diffusion fractionnaire. Nous adaptons ensuite ces méthodes numériques au cas d'une limite de diffusion normale avec scaling en temps anormal dans l'équation cinétique dans le chapitre 3. Dans ce cadre, la lenteur de la convergence vers le modèle asymptotique rend nécessaire une adaptation de l'approche AP des chapitres précédents. Enfin, le chapitre 4 présente un schéma AP pour l'équation cinétique dans le cas heavy-tail du chapitre 1 lorsque l'opérateur de collision est non-local. / In this thesis, we construct numerical schemes for kinetic equations in some anomalous diffusion regimes. As the model becomes stiff when reaching the asymptotic model, the standard numerical methods become costly in this regime. Asymptotic Preserving (AP) schemes have been designed to overcome this difficulty. Indeed, they are uniformly stable along the transition from the mesoscopic regime to the microscopic one. In the first chapter, we study the case of a heavy-tailed equilibrium distribution, with infinite second order moment. The importance of the high velocities in the equilibrium makes the classical diffusion limit fail, and one can prove that the asymptotic model is a fractional diffusion equation. We construct three AP schemes for this problem, based on a formal asymptotic analysis of the convergence towards the limit model. The discretization of the velocities is then discussed to take into account the high velocities. Moreover, we prove that the third scheme enjoys the stronger property of being uniformly accurate along the convergence towards the microscopic regime. In chapter 2, we extend these results to the case of a degenerated collision frequency, also leading to a fractional diffusion limit. In chapter 3, these methods are then adapted to the case of a classical diffusion limit with anomalous time scale in the kinetic equation. In this case, an adaptation of the AP approach of the previous chapter is needed, because of the slow convergence rate of the kinetic equation towards the limit model. Eventually, a AP scheme for kinetic equation with heavy-tailed equilibria and non local collision operator is presented in chapter 4.

L'idée de mettre en place un simulateur relativement général de la partie mécanique de l'usinage à l'échelle macroscopique est à l'origine de ce travail. Deux thèses déjà soutenues au LMSP se sont principalement heurtées à la robustesse de l'algorithme d'intersection nécessaire pour obtenir la surface usinée. Ce travail a eu pour principal objectif de repenser la méthode de calcul de l'intersection des modèles B-Rep de l'outil et de la pièce.<br />Le premier objectif a alors été de revenir à un cas simple : le tournage en coupe orthogonale. Ceci a permis de vérifier à nouveau la pertinence de notre démarche et de commencer l'analyse des algorithmes d'intersection par celle d'un cas simplifié. Un simulateur spécifique a été mis en place et des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont montrées.<br />Le second objectif a été d'améliorer l'algorithme d'intersection dans le cas tridimensionnel en reprenant complètement les points de vue adoptés dans les travaux précédents du LMSP. Le travail d'intersection est maintenant effectué dans une configuration de référence matérielle de la pièce. Ceci, combiné à une analyse autorisant l'auto-intersection d'un modèle B-Rep, améliore la robustesse générale de l'algorithme. Les développements correspondants à ce travail ont été intégrés dans le logiciel Nessy du LMSP.

Dans cette thèse, nous étudions les caractéristiques de diffusion de nanostructures plas- moniques tout en adaptant et améliorant l'holographie hétérodyne numérique, qui est une technique d'imagerie plein champ pour mesurer en trois dimensions le diagramme de rayonnement. En outre, nous avons effectué de nombreuses mesures spectroscopiques pour enregistrer les spectres de diffusion de nanoobjets uniques. Afin d'obtenir une com- préhension plus profonde des caractéristiques du champ diffusé que nous mesurons, nous avons développé un modèle numérique basé sur la méthode des éléments finis. Ce modèle nous a permis de simuler le champ proche et le champ lointain d'une nanostructure avec une onde incidente en réflexion ou en transmission. Nous obtenons un excellent accord entre nos résultats expérimentaux et calculés. Dans cette thèse, nous avons étudié de nombreux nanostructures d'or fabriquées sur du verre par lithographie électronique. Des structures simples nous ont permis de valider la technique. Des objets plus sophistiques nous ont ensuite permis de constater que leur di- agramme de diffusion est extrêmement sensible aux facteurs externes et internes, tels que la polarisation et la longueur d'onde de la lumière incidente ou la géométrie de la struc- ture et sa longueur d'onde de résonance. En outre, nous montrons que la technique de l'holographie hétérodyne photothermique mesure directement l'augmentation de la tem- pérature, et ainsi, se présente comme une nouvelle méthode pour étudier la distribution de la chaleur dans des nanostructures plasmoniques.

Le travail présenté dans ce manuscrit porte, dans sa première partie, sur la conception et le développement d'un nouvel imageur numérique d'IRM à bas champ permettant l'amélioration du rapport signal sur bruit (RSB). Cet imageur est architecturé autour d'un procéssus de signal (DSP) offrant plus de flexibilité dans le traitement du signal et la reconstruction de l'image. L'originalité de l'instrumentation développée réside principalement dans la spécification et l'intégration d'un récepteur et d'un synthétiseur de fréquences entièrement numériques. Le choix de cette solution numérique est argumenté par le besoin d'élaborer un imageur peu onéreux et de faible encombrement pouvant être facilement intégré dans tout environnement aussi bien médical qu'industriel. L'évaluation des caractéristiques du système atteste qu'une amélioration d'environ 20 dB du RSB par rapport aux systèmes analogiques conventionnels est obtenues. Le potentiel de l'imageur numérique est démontré à travers les premières images obtenues par la séquence d'écho de gradient. La deuxième partie de ce travail traite la problématique de l'identification non linéaire des systèmes RMN à l'aide des techniques du filtrage adaptatif. L'objectif étant de permettre la prise en compte de la non linéarité de tels systèmes dans le traitement et l'analyse, jusqu'à présent linéaires, du signal RMN. Deux modèles décrivant cette non linéarité sont ainsi exposés et comparés. Il est démontré que le modèle du filtre non linéaire à réponse impulsionnelle infinie (RII) permet des performances similaires au filtre de Volterra avec un nombre moins élevé de coefficients.

La validation d'un modèle atmosphérique avec les observations satellitaires est basée sur les différentes techniques de télédétection employées afin de récupérer des propriétés physiques et optiques de composantes atmosphériques, notamment des nuages et des aérosols. Il est bien connu que le « retrieval approach » introduit de grandes incohérences en raison des hypothèses diverses portant sur le problème d'inversion où la principale difficulté est l'unicité de la solution. Autrement dit, le milieu analysé peut être composé d'un certain nombre de paramètres physiques inconnus dont les combinaisons différentes mènent au même signal de radiation. En plus du problème d'unicité de la solution, il y a plusieurs problèmes mathématiques reliés à l'existence et à la stabilité de la solution ainsi qu'à la manière dont la solution est construite. Par contre, il est bien connu que les prévisions des modèles atmosphériques souffrent d'incertitudes portant sur l'approche numérique qui limite leurs applications à la simulation de phénomènes naturels. Malgré ces difficultés, certains aspects des prévisions numériques peuvent être considérées comme réalistes parce qu'elles prennent explicitement en considération les principes de la physique, dont des processus microphysiques des nuages et des aérosols. Dans ce contexte, la motivation principale de cette recherche est d'évaluer le potentiel de la validation des paramétrisations physiques des aérosols et des nuages dans les modèles climatiques par le biais des mesures satellitaires (radar et lidar) en utilisant les « simulation vers l'avant ». Dans cette étude, nous utilisons une approche qui emploie le modèle Simulateur des instruments d'EarthCARE afin de reproduire des mesures satellitaires comparables à celles du radar et du lidar. Compte tenu du manque de mesures satellitaires, la validation se base sur les mesures directes du lidar et du radar de l'expérience APEX-E3 réalisées au printemps 2003 où les fréquences et la performance des systèmes d'observation correspondent à celles qui vont être mesurées par le satellite EarthCARE. Les caractéristiques microphysiques des nuages et des aérosols ainsi que l'état de l'atmosphère sont produites par le modèle atmosphérique NARCM. Elles sont ensuite converties en données de réflectivité pour le radar et en données de rétrodiffusion pour lidar en utilisant le Simulateur des Instruments d'EarthCARE. Pour terminer, les résultats sont comparés aux mesures de radar et de lidar de l'expérience APEX-E3. Les champs d'aérosols simulés avec NARCM indiquent un accord important avec ceux qui sont observés, mais les propriétés microphysiques des nuages simulées ne sont pas compatibles avec les observations. Autrement dit, les résultats montrent un large désaccord entre la réflectivité observée et la réflectivité simulée en dépit du fait que ses étendues verticales sont relativement similaires. Le nuage simulé est plus mince, situé à plus haute altitude et les valeurs maximales de réflectivité dans le nuage sont environ 5-10 dBZ inférieures à celles du nuage observé. De plus, le coefficient de la rétrodiffusion simulé (sans eau liquide) au-dessous de la base et au-dessus du sommet du nuage est nettement plus faible par rapport au coefficient de rétrodiffusion observé. Il y a également, à ces deux niveaux une plus grande quantité d'eau glacée observée que dans le cas simulé par NARCM. Si la présence d'eau liquide est incluse dans le Simulateur des lnstruments d'EarthCARE, les valeurs simulées du coefficient de rétrodiffusion sont de plusieurs ordres de grandeurs supérieures à celles observées, ce qui suggère que les valeurs du contenu en eau liquide simulées par NARCM sont surestimées d'une manière significative par rapport à toutes les altitudes où le nuage observé est présent. En conclusion, l'analyse montre que la paramétrisation microphysique de Lohmann (Lohmann et Roeckner, 1996) ne possède pas la capacité de produire les quantités glace observées dans le cas de cirrostratus. Il est également constaté que le contenu d'eau glacé de NARCM est sous-estimé, et que le contenu d'eau liquide est surestimé. Les résultats de cette étude confirment donc que l'utilisation du « forward approach » a un grand potentiel dans la validation de la paramétrisation des aérosols et des nuages. Par contre, des nouvelles vérifications seront nécessaires pour accomplir le processus de validation. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Validation, Rétrodiffusion de lidar, Réflectivité de radar, Simulations régionales des modèles atmosphériques.