La surveillance à distance des structures a émergé comme une préoccupation importante pour les ingénieurs afin de maintenir la sécurité et la fiabilité des infrastructures civiles pendant leur durée de vie. Les techniques de surveillance structurale (SHM) sont de plus en plus populaires pour fournir un diagnostic de "l'état" des structures en raison de leur vieillissement, de la dégradation des matériaux ou de défauts survenus pendant leur construction. Les limites de l'inspection visuelle et des techniques non destructives, qui sont couramment utilisées pour détecter des défauts extrêmes sur les parties accessibles des structures, ont conduit à la découverte de nouvelles technologies qui évaluent d’un seul tenant l'état global d'une structure surveillée. Les techniques de surveillance globale ont été largement utilisées pour la reconnaissance d'endommagement dans les grandes infrastructures civiles, telles que les ponts, sur la base d'une analyse modale de la réponse dynamique structurale. Cependant, en raison des caractéristiques complexes des structures oeuvrant sous des conditions environnementales variables et des incertitudes statistiques dans les paramètres modaux, les techniques de diagnostic actuelles n'ont pas été concluantes pour conduire à une méthodologie robuste et directe pour détecter les incréments de dommage avant qu'ils n'atteignent un stade critique. C’est ainsi que des techniques statistiques de reconnaissance de formes sont incorporées aux méthodes de détection d'endommagement basées sur les vibrations pour fournir une meilleure estimation de la probabilité de détection des dommages dans des applications in situ, ce qui est habituellement difficile compte tenu du rapport bruit à signal élevé. Néanmoins, cette partie du SHM est encore à son stade initial de développement et, par conséquent, d'autres tentatives sont nécessaires pour parvenir à une méthodologie fiable de détection de l'endommagement. Une stratégie de détection de dommages basée sur des aspects statistiques a été proposée pour détecter et localiser de faibles niveaux incrémentiels d'endommagement dans une poutre expérimentale pour laquelle tant le niveau d'endommagement que les conditions de retenue sont réglables (par exemple ancastrée-ancastrée et rotulée-rotulée). Premièrement, des expériences ont été effectuées dans des conditions de laboratoire contrôlées pour détecter de faibles niveaux d'endommagement induits (par exemple une fissure correspondant à 4% de la hauteur d’une section rectangulaire équivalente) simulant des scénarios d'endommagement de stade précoce pour des cas réels. Différents niveaux d'endommagement ont été simulés à deux endroits distincts le long de la poutre. Pour chaque série d'endommagement incrémentiel, des mesures répétées (~ 50 à 100) ont été effectuées pour tenir compte de l'incertitude et de la variabilité du premier mode de vibration de la structure en raison d'erreurs expérimentales et du bruit. Une technique d'analyse par ondelette basée sur les modes a été appliquée pour détecter les changements anormaux survenant dans les modes propres causées par le dommage. La réduction du bruit ainsi que les caractéristiques des agrégats ont été obtenues en mettant en œuvre l'analyse des composantes principales (PCA) pour l'ensemble des coefficients d'ondelettes calculés à des nœuds (ou positions) régulièrement espacés le long du mode propre. En rejetant les composantes qui contribuent le moins à la variance globale, les scores PCA correspondant aux premières composantes principales se sont révélés très corrélés avec de faibles niveaux d'endommagement incrémentiel. Des méthodes classiques d'essai d'hypothèses ont été effectuées sur les changements des paramètres de localisation des scores pour conclure objectivement et statistiquement, à un niveau de signification donné, sur la présence du dommage. Lorsqu'un dommage statistiquement significatif a été détecté, un nouvel algorithme basé sur les probabilités a été développé pour déterminer l'emplacement le plus probable de l'endommagement le long de la structure. Deuxièmement, se basant sur l'approche probabiliste, une série de tests a été effectuée dans une chambre environnementale à température contrôlée pour étudier les contributions relatives des effets de l’endommagement et de la température sur les propriétés dynamiques de la poutre afin d’estimer un facteur de correction pour l'ajustement des scores extraits. Il s'est avéré que la température avait un effet réversible sur la distribution des scores et que cet effet était plus grand lorsque le niveau d'endommagement était plus élevé. Les résultats obtenus pour les scores ajustés indiquent que la correction des effets réversibles de la température peut améliorer la probabilité de détection et minimiser les fausses alarmes. Les résultats expérimentaux indiquent que la contribution combinée des algorithmes utilisés dans cette étude était très efficace pour détecter de faibles niveaux d'endommagement incrémentiel à plusieurs endroits le long de la poutre tout en minimisant les effets indésirables du bruit et de la température dans les résultats. Les résultats de cette recherche démontrent que l'approche proposée est prometteuse pour la surveillance des structures. Cependant, une quantité importante de travail de validation est attendue avant sa mise en œuvre sur des structures réelles. Mots-clés : Détection et localisation des dommages, Poutre, Mode propre, Ondelette, Analyse des composantes principales, Rapport de probabilité, Température / Remote monitoring of structures has emerged as an important concern for engineers to maintain safety and reliability of civil infrastructure during its service life. Structural Health Monitoring (SHM) techniques are increasingly becoming popular to provide ideas for diagnosis of the "state" of potential defects in structures due to aging, deterioration and fault during construction. The limitations of visual inspection and non-destructive techniques, which were commonly used to detect extreme defects on only accessible portions of structures, led to the discovery of new technologies which assess the "global state" of a monitored structure at once. Global monitoring techniques have been used extensively for the recognition of damage in large civil infrastructure, such as bridges, based on modal analysis of structural dynamic response. However, because of complicated features of real-life structures under varying environmental conditions and statistical uncertainties in modal parameters, current diagnosis techniques have not been conclusive in ascertaining a robust and straightforward methodology to detect damage increments before it reaches its critical stage. Statistical pattern recognition techniques are incorporated with vibration-based damage detection methods to provide a better estimate for the probability of the detection of damage in field applications, which is usually challenging given the high noise to signal ratio. Nevertheless, this part of SHM is still in its initial stage of development and, hence, further attempts are required to achieve a reliable damage detection methodology. A statistical-based damage detection strategy was proposed to detect and localize low levels of incremental damage in an experimental beam in which the level of damage and beam restraint conditions are adjustable (e.g. fixed-fixed and pinned-pinned). First, experiments were performed in controlled laboratory conditions to detect small levels of induced-damage (e.g. 4% crack height for an equivalent rectangular section) simulated for early stage damage scenarios in real cases. Various levels of damage were simulated at two distinct locations along the beam. For each sate of incremental damage, repeat measurements (~ 50 to 100) were performed to account for uncertainty and variability in the first vibration mode of the structure due to experimental errors and noise. A modal-based wavelet analysis technique was applied to detect abnormal changes occurring in the mode shapes caused by damage. Noise reduction as well as aggregate characteristics were obtained by implementing the Principal Component Analysis (PCA) into the set of wavelet coefficients computed at regularly spaced nodes along the mode shape. By discarding components that contribute least to the overall variance, the PCA scores corresponding to the first few PCs were found to be highly correlated with low levels of incremental damage. Classical hypothesis testing methods were performed on changes on the location parameters of the scores to conclude damage objectively and statistically at a given significance level. When a statistically significant damage was detected, a novel Likelihood-based algorithm was developed to determine the most likely location of damage along the structure. Secondly, given the likelihood approach, a series of tests were carried out in a climate-controlled room to investigate the relative contributions of damage and temperature effects on the dynamic properties of the beam and to estimate a correction factor for the adjustment of scores extracted. It was found that the temperature had a reversible effect on the distribution of scores and that the effect was larger when the damage level was higher. The resulted obtained for the adjusted scores indicated that the correction for reversible effects of temperature can improve the probability of detection and minimize false alarms. The experimental results indicate that the combined contribution of the algorithms used in this study were very efficient to detect small-scale levels of incremental damage at multiple locations along the beam, while minimizing undesired effects of noise and temperature in the results. The results of this research demonstrate that the proposed approach may be used as a promising tool for SHM of actual structures. However, a significant amount of challenging work is expected for implementing it on real structures. Key-words: Damage Detection and Localization, Beam, Mode Shape, Wavelet, Principal Component Analysis, Likelihood Ratio, Temperature

Les étoiles vivent et meurent en rejetant de la matière dans le milieu interstellaire (MIS) et elles naissent à l’intérieur de celui-ci. Nous avons analysé la composante d’hydrogène neutre du MIS. Nos données proviennent de la partie canadienne de l’International Galactic Plane Survey qui vise l’imagerie spectroscopique de l’hydrogène neutre du plan de notre galaxie. Nous avons utilisé deux outils mathématiques d’analyse d’images: la technique d’Espaces Métriques (TEM) et la méthode des Maxima du Module de la Transformée en Ondelettes (MMTO). La TEM est un formalisme mathématique d’analyse d’images qui permet de comparer quantitativement la complexité des objets étudiés. Nous avons amélioreré l’outil aux niveaux mathématique et technique avant de l’utiliser pour caractériser la complexité de 28 régions d’hydrogéne neutre. Aprés avoir classé les 28 objets, nous avons trouvé des corrélations entre ce classement et les propriétés physiques des objets sous-jacents, dont: (1) Plus le flux des photons UV est élevé, plus la région de H i photodissociée est complexe; et (2) la complexité des régions H i augmente avec l’ˆage des restes de supernovae auxquels elles sont associées. La méthode MMTO est un formalisme multifractal basé sur la transformée en ondelettes. Nos résultats obtenus à partir de cette méthode concernent les propriétés multifractales et anisotropes de l’hydrogène neutre dans notre galaxie. Les nuages terrestres exhibent des propriétés multifractales. Nous avons démontré que l’hydrogène neutre du disque de notre galaxie est monofractal. En analysant séparément les bras spiraux et les milieux inter-bras, nous avons découvert une signature anisotrope et que les structures horizontales sont plus complexes que les structures verticales. Cette anisotropie est indépendante de l’échelle pour les inter-bras tandis qu’elle est dépendante de l’échelle pour les bras spiraux. Les hypothèses investiguées pour obtenir une explication physique sont: le gradient de distribution en z (“scale-height gradient”), l’onde de densité, l’activité de formation d’étoiles, la photo-lévitation de nuages poussiéreux, les mouvements aléatoires de nuages H i, la corrugation et la turbulence. / Stars live and die by rejecting matter in the interstellar medium (ISM), where they were born. We have analyzed the neutral hydrogen component of the ISM. The data come from the Canadian portion of the International Galactic Plane Survey which aims the spectroscopic imaging of the neutral hydrogen from our Galaxy. We have used two mathematical image analysis tools: Metric Space Technique (MST) and the Wavelet Transform Modulus Maxima (WTMM) method. The MST is an image analysis mathematical formalism that allows one to quantitatively compare the complexity of the studied objects. We have improved the tool mathematically and technically before using it to characterize the complexity of 28 neutral hydrogen regions. After classifying the 28 objects, we have found some correlations between this ranking and the physical properties of the underlying objects, for example: (1) The complexity of the photodissociated neutral hydrogen regions increases with the flux of UV photons; and (2) the complexity of neutral hydrogen regions increases with the age of the supernovae remnants to which they are associated. The WTMM method is a multifractal formalism based on the wavelet transform. The results we obtain from this method concern the multifractal and anisotropic properties of neutral hydrogen in our Galaxy. Earth clouds exhibit multifractal properties. We have shown that the neutral hydrogen from our galactic disk is monofractal. By analyzing separately spiral arms and the inter-arm regions, we have discovered an anisotropic signature and that the horizontal structures and more complex than the vertical structures. This anisotropy is independent of scale for the inter-arms while it is depedent of scale for the spiral arms. The investigated hypotheses to obtain some physical explanations are: the scale-height gradient, the density wave, star formation activity, photo-levitation of dusty clouds, random motions of neutral hydrogen clouds, corrugation and turbulence.

L'objectif de ce travail de recherche est le développement d'un système d'étude de sons, plus particulièrement dédié à la phonoentérographie, qui devrait aboutir à plus long terme à un outil d'aide au diagnostic. La première étape présente une chaîne d'instrumentation multi-voies spécifique. Elle est suivie par le pré-traitement: la détection, la segmentation et le débruitage par ondelettes sont réalisés avec un algorithme original optimisé par une méthode de point-fixe. Une deuxième phase introduit des connaissances a priori sur les sons abdominaux et étudie leur localisation spatiale. Les caractéristiques physiques (fréquence, intensité, durée) décrivent les sons individuellement. L'étude globale des phonoentérogrammes est réalisée à partir d'indices d'activité (nombre d'événements, énergie moyenne, etc.). Les caractéristiques physiques et les indices sont utilisés dans l'analyse statistique des signaux, par analyse en composantes principales et classification non supervisée.

Cette thèse porte sur la restauration des signaux bruités observés sur des plans d'expérience aléatoires. Trois méthodes sont proposées. Dans les deux premières, on se ramène (soit par préconditionnement des données initiales, soit par régression polynomiale locale), à un problème de régression sur grille régulière. Des majorations asymptotiques de l'erreur d'estimation sont données pour les deux méthodes, sur des classes de fonctions holderiennes pour la première et sur des boules d'espaces de Besov pour la deuxième. La vitesse de décroissance de l'erreur est dans les deux cas très proche de la vitesse optimale. Un troisième algorithme concerne les plans d'expérience déterministes et utilise les ondelettes adaptées à la grille. Elles sont construites par des schémas de subdivision non réguliers, dont on étudie la convergence et les propriétés. Des nombreuses simulations et une étude comparative illustrent le comportement des trois algorithmes quand ils sont appliqués à des échantillons de taille finie.

L'interaction entre la biologie et l électronique est une discipline en pleine essort. De nombreux systèmes électroniques tentent de s interconnecter avec des tissus ou des cellules vivantes afin de décoder l information biologique. Le Potentiel d action (PA) est au cœur de codage biologique et par conséquent il est nécessaire de pouvoir les repérer sur tout type de signal bio-logique. Par conséquent, nous étudions dans ce manuscrit la possibilité de concevoir un circuit électronique couplé à un système de microélectrodes capable d'effectuer une acquisition, une détection des PAs et un enregistrement des signaux biologiques. Que ce soit en milieu bruité ou non, nous considérons le taux de détection de PA et la contrainte de temps réel comme des notions primordiales et la consommation en silicium comme un prix à payer. Initialement développés pour l étude de signaux neuronaux et pancréatiques, ces systèmes conviennent parfaitement pour d autres type de cellules.

L’objet des systèmes de recherche d’informations est de faciliter l’accès à un ensemble de documents, afin de permettre à l’utilisateur de retrouver ceux qui sont pertinents, c'est-à-dire ceux dont le contenu correspond le mieux à son besoin en information. La qualité des résultats de la recherche se mesure en comparant les réponses du système avec les réponses idéales que l'utilisateur espère recevoir. Plus les réponses du système correspondent à celles que l'utilisateur espère, plus le système est jugé performant. Les premiers systèmes permettaient d’effectuer des recherches booléennes, c’est à dire, des recherches ou seule la présence ou l’absence d’un terme de la requête dans un texte permet de le sélectionner. Il a fallu attendre la fin des années 60, pour que l’on applique le modèle vectoriel aux problématiques de la recherche d’information. Dans ces deux modèles, seule la présence, l’absence, ou la fréquence des mots dans le texte est porteuse d’information. D’autres systèmes de recherche d’information adoptent cette approche dans la modélisation des données textuelles et dans le calcul de la similarité entre documents ou par rapport à une requête. SMART (System for the Mechanical Analysis and Retrieval of Text) [4] est l’un des premiers systèmes de recherche à avoir adopté cette approche. Plusieurs améliorations des systèmes de recherche d’information utilisent les relations sémantiques qui existent entre les termes dans un document. LSI (Latent Semantic Indexing) [5], par exemple réalise ceci à travers des méthodes d’analyse qui mesurent la cooccurrence entre deux termes dans un même contexte, tandis que Hearst et Morris [6] utilisent des thésaurus en ligne pour créer des liens sémantiques entre les termes dans un processus de chaines lexicales. Dans ces travaux nous développons un nouveau système de recherche qui permet de représenter les données textuelles par des signaux. Cette nouvelle forme de représentation nous permettra par la suite d’appliquer de nombreux outils mathématiques de la théorie du signal, tel que les Transformées en ondelettes et jusqu’a aujourd’hui inconnue dans le domaine de la recherche d’information textuelle / The object of information retrieval systems is to make easy the access to documents and to allow a user to find those that are appropriate. The quality of the results of research is measured by comparing the answers of the system with the ideal answers that the user hopes to find. The system is competitive when its answers correspond to those that the user hopes. The first retrieval systems performing Boolean researches, in other words, researches in which only the presence or the absence of a term of a request in a text allow choosing it. It was necessary to wait for the end of the sixties to apply the vector model in information retrieval. In these two models, alone presence, absence, or frequency of words in the text is holder of information. Several Information Retrieval Systems adopt a flat approach in the modeling of data and in the counting of similarity between documents or in comparison with a request. We call this approach ‘bag of words ’. These systems consider only presence, absence or frequency of appearance of terms in a document for the counting of its pertinence, while Hearst and Morris [6] uses online thesaurus to create semantic links between terms in a process of lexical chains. In this thesis we develop a new retrieval system which allows representing textual data by signals. This new form of presentation will allow us, later, to apply numerous mathematical tools from the theory of the signal such as Wavelets Transforms, well-unknown nowadays in the field of the textual information retrieval

Afin d'analyser des signaux dont la régularité varie, il est nécessaire d'utiliser des outils caractérisant leur comportement en un point.<br /><br />La frontière 2-microlocale donne un point de vue général sur ces outils. A chaque point du domaine de définition d'une fonction est associée une courbe qui caractérise de façon complète sa régularité en ce point. Nous rappelons dans une première partie sa définition et ses propriétés.<br /><br />Dans la deuxième partie, nous en donnons une forme "temporelle" qui permet de la considérer comme une généralisation naturelle des exposants de Hölder. Nous montrons ses propriétés directement à partir de cette expression. Nous introduisons également un spectre 2-microlocal en temps qui facilite son calcul et traitons quelques exemples.<br /><br />Dans la troisième partie, nous explicitons un cadre commun au le spectre 2-microlocal et au spectre multifractal. Nous montrons dans ce cadre commun des résultats nouveaux concernant leur prescription. <br /><br />Dans une quatrième partie, nous appliquons l'analyse 2-microlocale au débruitage de signaux. Nous proposons une méthode permettant de retrouver la régularité globale, puis une méthode permettant de retrouver le spectre 2-microlocal initial en un point, et d'éviter ainsi les oscillations. Les méthodes de débruitages sont illustrées par des applications numériques sur des fonctions classiques.<br /><br />Enfin, nous exposons dans la dernière partie un travail, de nature appliquée, effectué en collaboration avec l'ENILIA Surgères : il s'agit de l'application d'outils fractals décrivant la régularité globale à la classification automatique d'images microscopiques de beurre.

Les industries de fabrication de matériaux plats sont utilisatrices de systèmes de mesure en ligne qui permettent de contrôler certaines caractéristiques. Les films plastiques constitués de plusieurs couches sont particulièrement employés pour le conditionnement des aliments grâce à leurs propriétés d'étanchéité. Une mesure spécifique de l'épaisseur des couches barrières est de grand intérêt. Les techniques actuelles de contrôle ne peuvent pas les discriminer. L'objectif est donc de développer un capteur spectroscopique infrarouge capable de mesurer une ou plusieurs couches par adaptation de modèles chimiométriques.<br />Le proche infrarouge permet l'analyse d'une plus large gamme d'épaisseur par rapport à l'infrarouge moyen, mais exalte les interférences optiques à cause des faibles absorbances. Ce problème est traité mathématiquement par la transformée de Fourier rapide et les ondelettes. Une méthode instrumentale basée sur la polarisation de la lumière à angle de Brewster s'avère être la plus efficace.<br />Des modèles prédictifs performants ont été développés par la méthode PLS pour les films monocouches. L'étude des films multicouches a nécessité la recherche d'une méthode de référence, aucune n'étant admise actuellement. Différentes techniques comme la microscopie électronique à balayage ou l'ellipsométrie spectroscopique ont été testées. Finalement, la superposition d'échantillons monocouches d'épaisseur connue a fourni de meilleurs résultats. Ceux-ci ont été confirmés par réflectométrique optique à faible cohérence. L'analyse quantitative des films plastiques est donc possible par spectroscopie proche infrarouge couplée à la chimiométrie.

Ma thèse étudie le problème de la reconnaissance des objets et des textures. Dans ce cadre, il est nécessaire de construire des représentations de signaux avec des propriétés d'invariance et de stabilité qui ne sont pas satisfaites par des approches linéaires. Les opérateurs de Scattering itèrent des décompositions en ondelettes et rectifications avec des modules complexes. Ces opérateurs définissent une transformée non-linéaire avec des propriétés remarquables ; en particulier, elle est localement invariante par translation et Lipschitz continue par rapport à l'action des difféomorphismes. De plus, les opérateurs de Scattering définissent une représentation des processus stationnaires qui capture les moments d'ordre supérieur, et qui peut être estimée avec faible variance à partir d'un petit nombre de réalisations. Dans cette thèse, nous obtenons des nouvelles propriétés mathématiques de la représentation en scattering, et nous montrons leur efficacité pour la reconnaissance des objets et textures. Grâce à sa continuité Lipschitz par rapport à l'action des difféomorphismes, la transformée en scattering est capable de linéariser les petites déformations. Cette propriété peut être exploitée en pratique avec un classificateur génératif affine, qui nous permet d'obtenir l'état de l'art sur la reconnaissance des chiffres manuscrites. Nous étudions ensuite les représentations en Scattering des textures dans le cadre des images et du son. Nous montrons leur capacité à discriminer des phénomènes non-gaussiens avec des estimateurs à faible variance, ce qui nous permet d'obtenir de l'état de l'art pour la reconnaissance des textures. Finalement, nous nous intéressons aux propriétés du Scattering pour l'analyse multifractale. Nous introduisons une renormalisation des coéfficients en Scattering qui permet d'identifier de façon efficace plusieurs paramètres multifractales; en particulier, nous obtenons une nouvelle caractérisation de l'intermittence à partir des coefficients de Scattering ré-normalisés, qui peuvent s'estimer de façon consistante.

CETTE thèse est consacrée à la conception d'un système d'aide au diagnostic dédiéau muscle squelettique humain. Au cours du premier volet de ce manuscrit nousproposons une nouvelle représentation basée sur les modèles parcimonieux dans le cadrede la segmentation d'Images de Résonances Magnétiques (IRM) T1 du muscle squelettiquedu mollet. Notre méthode Sparse Shape Model/ Modèle de Formes Parcimonieux(MFP), apprend un modèle statistique de formes et de textures locales annoté et réussità en tirer une représentation réduite afin de reconstruire le mécanisme musculaire sur unexemple test. Dans la seconde partie du manuscrit, nous présentons une approche baséesur des ondelettes de diffusion pour la segmentation du muscle squelettique. Contrairementaux méthodes de l'état de l'art, notre approche au cours de la phase d'apprentissagepermet à optimiser les coefficients des ondelettes, ainsi que leur nombres et leur positions.Le modèle prend en charge aussi bien les hiérarchies dans l'espace de recherche,que l'encodage des dépendances géométriques complexes et photométriques de la structured'intérêt. Notre modélisation offre ainsi l'avantage de traiter des topologies arbitraires.L'évaluation expérimentale a été effectué sur un ensemble de mollets acquisespar un scanner IRM, ainsi qu'un ensemble d'images tomodensitométriques du ventriculegauche.