L’agrégation érythrocytaire est le principal facteur responsable des propriétés non newtoniennes sanguines pour des conditions d’écoulement à faible cisaillement. Lorsque les globules rouges s’agrègent, ils forment des rouleaux et des structures tridimensionnelles enchevêtrées qui font passer la viscosité sanguine de quelques mPa.s à une centaine de mPa.s. Cette organisation microstructurale érythrocytaire est maintenue par des liens inter-globulaires de faible énergie, lesquels sont brisés par une augmentation du cisaillement. Ces propriétés macroscopiques sont bien connues. Toutefois, les liens étiologiques entre ces propriétés rhéologiques générales et leurs effets pathophysiologiques demeurent difficiles à évaluer in vivo puisque les propriétés sanguines sont dynamiques et fortement tributaires des conditions d’écoulement. Ainsi, à partir de propriétés rhéologiques mesurées in vitro dans des conditions contrôlées, il devient difficile d’extrapoler leurs valeurs dans un environnement physiologique. Or, les thrombophlébites se développent systématiquement en des loci particuliers du système cardiovasculaire. D’autre part, plusieurs études cliniques ont établi que des conditions hémorhéologiques perturbées constituent des facteurs de risque de thrombose veineuse mais leurs contributions étiologiques demeurent hypothétiques ou corrélatives. En conséquence, un outil de caractérisation hémorhéologique applicable in vivo et in situ devrait permettre de mieux cerner et comprendre ces implications. Les ultrasons, qui se propagent dans les tissus biologiques, sont sensibles à l’agrégation érythrocytaire. De nature non invasive, l’imagerie ultrasonore permet de caractériser in vivo et in situ la microstructure sanguine dans des conditions d’écoulements physiologiques. Les signaux ultrasonores rétrodiffusés portent une information sur la microstructure sanguine reflétant directement les perturbations hémorhéologiques locales. Une cartographie in vivo de l’agrégation érythrocytaire, unique aux ultrasons, devrait permettre d’investiguer les implications étiologiques de l’hémorhéologie dans la maladie thrombotique vasculaire. Cette thèse complète une série de travaux effectués au Laboratoire de Biorhéologie et d’Ultrasonographie Médicale (LBUM) du centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal portant sur la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire et menant à une application in vivo de la méthode. Elle se situe à la suite de travaux de modélisation qui ont mis en évidence la pertinence d’un modèle particulaire tenant compte de la densité des globules rouges, de la section de rétrodiffusion unitaire d’un globule et du facteur de structure. Ce modèle permet d’établir le lien entre la microstructure sanguine et le spectre fréquentiel du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Une approximation au second ordre en fréquence du facteur de structure est proposée dans ces travaux pour décrire la microstructure sanguine. Cette approche est tout d’abord présentée et validée dans un champ d’écoulement cisaillé homogène. Une extension de la méthode en 2D permet ensuite la cartographie des propriétés structurelles sanguines en écoulement tubulaire par des images paramétriques qui mettent en évidence le caractère temporel de l’agrégation et la sensibilité ultrasonore à ces phénomènes. Une extrapolation menant à une relation entre la taille des agrégats érythrocytaires et la viscosité sanguine permet l’établissement de cartes de viscosité locales. Enfin, il est démontré, à l’aide d’un modèle animal, qu’une augmentation subite de l’agrégation érythrocytaire provoque la formation d’un thrombus veineux. Le niveau d’agrégation, la présence du thrombus et les variations du débit ont été caractérisés, dans cette étude, par imagerie ultrasonore. Nos résultats suggèrent que des paramètres hémorhéologiques, préférablement mesurés in vivo et in situ, devraient faire partie du profil de risque thrombotique. / The aggregation of erythrocytes is the main determinant of blood non Newtonian behaviour under low shearing flow conditions. When red blood cells (RBCs) aggregate, they form « rouleaux » and complex tridimensional structures that increase blood viscosity from a few mPa.s to a hundred mPa.s. The reversible RBC aggregation phenomenon is attributed to weak adhesive links between erythrocytes that are readily broken by increasing flow shearing. Blood bulk rheological properties have been comprehensively studied. However, the in vivo physiological impacts of abnormal clustering of RBCs are more difficult to assess. Clinical studies have identified altered hemorheology as a risk factor for thrombosis, but a clear etiological relationship between abnormal aggregation and thrombosis has not yet been established, in part because clinical conclusions were derived from correlative findings. It is to note that cardiovascular diseases such as deep venous thrombosis generally occur at specific locations within the vascular bed, suggesting a hemodynamic contribution to the development of this disease. Consequently, it is postulated that in vivo hemorheological characterization may help shed some light on the role of RBC hyper-aggregation on cardiovascular disorders. Ultrasound imaging, a non-invasive method relying on the propagation of mechanical waves within biological tissues, is sensitive to RBC aggregation. Indeed, the study of backscattered waves allows characterizing blood microstructure in vivo and in situ under physiological flow conditions. The work described in this thesis is based on prior simulation studies, performed at the Laboratory of Biorheology and Medical Ultrasonics of the University of Montreal Hospital Research Center, in which the backscattering of ultrasound from aggregating RBCs was modeled by considering a particle scattering strategy. In this approach, each RBC is a weak ultrasound scatterer (Born assumption) and the backscattering coefficient is modeled as the product of the RBC number density, the RBC backscattering cross section and a structure factor. This model relates variations in the backscattering coefficient to the RBC spatial organisation through the structure factor, which is the only parameter that changes during the aggregation process. A second order expansion in frequency of the structure factor was used to describe blood microstructure in terms of a packing factor W and an ensemble averaged aggregate diameter D. The model was first presented and validated by considering a homogenous shear flow condition using three broadband mono-element transducers. It was then extended in 2D to allow computation of parametric images in tube flow. An extrapolation based on the assumption that viscosity is related to the level of aggregation was used to compute local viscosity maps. Finally, a last contribution was the demonstration that a sudden increase in aggregation tendency directly promoted the formation of venous thrombosis in an experimental animal model. In that study, RBC aggregation, thrombus formation and flow variations were monitored longitudinally for two weeks using ultrasound. The results reported in this thesis suggest that rheological parameters on RBC clustering, ideally assessed in vivo and in situ, should be included in thrombosis risk profiling.

Ce travail vise à approfondir la connaissance du comportement mécanique de polymères structurés sur de multiples échelles. Il repose sur l'acquisition simultanée d'informations couplées relatives à la mécanique, à la thermique et à la microstructure. Nous avons à cet effet étudié le comportement du Polyéthylène Haute Densité (PEHD) sous sollicitations de traction à déformation contrôlée à l'aide de trois techniques optiques utilisées in situ simultanément : (i) Le système Vidéotraction® pour l'accès aux contraintes et aux déformations vraies. (ii) La thermographie infrarouge pour l'accès aux sources thermiques. (iii) Une technique de rétrodiffusion de lumière (ISLT) pour l'accès à une forme d'endommagement. Le corps du travail porte sur la reconstruction des sources thermiques 2D à partir de cartographies des champs de température mesurés au cours d'essais. Le problème inverse de reconstruction des champs de sources ther-miques est résolu par deux méthodes différentes : minimisation sous contrainte avec formulation adjointe et décomposition modale. Des techniques de régularisation du problème sont décrites en détail pour chaque méthode. D'autre part, la technique ISLT nous permet de suivre l'endommagement : l'apparition progressive de "mi-crocavités" isotropes puis un développement d'une forte anisotropie pendant la phase de durcissement hyperélastique. Nous montrons que ces informations sur la microstructure viennent corroborer les phénomènes observés sur la source thermique. Nous replaçons alors l'ensemble des informations obtenues dans le contexte d'une modélisation thermodynamique des lois de comportement. Une étude de sensibilité aux paramètres du modèle est développée, ce qui conduit à une réduction du modèle adaptée à leur bonne estimation / This research aims at looking further into current knowledge of the mechanical behavior of semi-crystalline polymers at multiple scales. It relies on the simultaneous acquisition of coupled information relating to me-chanical, thermal and microstructural behaviors. For this purpose, we have studied the response of High Density Polyethylene (HDPE) under tensile tests with controlled strain rates, using three optical techniques : (i) Vidéotraction®, a videoextensemeter to access the true stress and strain. (ii) Infrared thermography to access the thermal sources evolution. (iii) Backscattering of Incoherent Light (ISLT technique) to access information on damage mechanisms. The core of the research concerns the reconstruction of the 2D thermal sources starting from temperature fields maps measured during the test. This ill-posed problem has been solved with two different methods : A constrained optimization based on the adjoint formulation and a minimization based on a reduced spectral model. The regularization tools used in the problem are detailed for each method. The ISLT technique allows to monitor damaging processes due to crazing : the creation of isotropic micro-cavities followed by the development of a strong anisotropy during the hardening phase. We show that these information at microstructural level confirm the evolutions of the heat source thermal. All these experimental information are finally considered within a thermodynamical framework used for deri-ving constitutive laws. A sensitivity analysis applied to the parameters of our law led to a reduced model that is more appropriate for their proper estimation

Nous étudions la dépendance spatio-temporelle de l'énergie de la coda courte-période (> 1Hz) des seismes. Pour celà, nous développons des solutions de l'équation de Transfert Radiatif (TR) pour les ondes élastiques dans des milieux réalistes. Deux approches sont adoptées, l'une numérique basée sur les méthodes de Monte-Carlo, l'autre analytique basée sur l'équation de diffusion. Dans l'approximation acoustique, nous résolvons l'équation de TR pour la croûte terrestre représentée par un guide d'ondes hétérogène. Pour ce modèle, l'énergie de la coda décroît exponentiellement en raison des fuites d'énergie à la base de la croûte. Nous confrontons cette théorie de façon critique à des données du Mexique. Nous concluons que notre modèle avec fuite rend parfaitement compte des observations et nous montrons que l'anélasticité des roches est faible. Enfin nous introduisons le temps de résidence des ondes diffuses pour décrire la décroissance énergétique de la coda. Nous abordons ensuite le problème de diffusion multiple en élasticité complète. Nous tenons compte des conversions entre ondes P et S, ainsi que de leur polarisation, décrite par 5 paramètres de Stokes. Nous montrons que l'énergie de la coda est rapidement dominée par les ondes S. Un équilibre d'énergie universel s'établit rapidement entre les modes P et S, en accord avec le principe d'équipartition . Le phénomène d'équilibrage de l'énergie est également observé pour les ondes de coda du Mexique, démontrant leur caractère diffusif. Enfin, nous calculons le cône de rétro-diffusion cohérente dynamique en champ proche. Nous montrons qu'après un régime transitoire, le cône se stabilise et s'étend sur une longueur d'onde autour de la source. L'ensemble des modèles et observations nous permettent de confirmer la nature diffusive de la coda.

L’agrégation érythrocytaire est le principal facteur responsable des propriétés non newtoniennes sanguines pour des conditions d’écoulement à faible cisaillement. Lorsque les globules rouges s’agrègent, ils forment des rouleaux et des structures tridimensionnelles enchevêtrées qui font passer la viscosité sanguine de quelques mPa.s à une centaine de mPa.s. Cette organisation microstructurale érythrocytaire est maintenue par des liens inter-globulaires de faible énergie, lesquels sont brisés par une augmentation du cisaillement. Ces propriétés macroscopiques sont bien connues. Toutefois, les liens étiologiques entre ces propriétés rhéologiques générales et leurs effets pathophysiologiques demeurent difficiles à évaluer in vivo puisque les propriétés sanguines sont dynamiques et fortement tributaires des conditions d’écoulement. Ainsi, à partir de propriétés rhéologiques mesurées in vitro dans des conditions contrôlées, il devient difficile d’extrapoler leurs valeurs dans un environnement physiologique. Or, les thrombophlébites se développent systématiquement en des loci particuliers du système cardiovasculaire. D’autre part, plusieurs études cliniques ont établi que des conditions hémorhéologiques perturbées constituent des facteurs de risque de thrombose veineuse mais leurs contributions étiologiques demeurent hypothétiques ou corrélatives. En conséquence, un outil de caractérisation hémorhéologique applicable in vivo et in situ devrait permettre de mieux cerner et comprendre ces implications. Les ultrasons, qui se propagent dans les tissus biologiques, sont sensibles à l’agrégation érythrocytaire. De nature non invasive, l’imagerie ultrasonore permet de caractériser in vivo et in situ la microstructure sanguine dans des conditions d’écoulements physiologiques. Les signaux ultrasonores rétrodiffusés portent une information sur la microstructure sanguine reflétant directement les perturbations hémorhéologiques locales. Une cartographie in vivo de l’agrégation érythrocytaire, unique aux ultrasons, devrait permettre d’investiguer les implications étiologiques de l’hémorhéologie dans la maladie thrombotique vasculaire. Cette thèse complète une série de travaux effectués au Laboratoire de Biorhéologie et d’Ultrasonographie Médicale (LBUM) du centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal portant sur la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire et menant à une application in vivo de la méthode. Elle se situe à la suite de travaux de modélisation qui ont mis en évidence la pertinence d’un modèle particulaire tenant compte de la densité des globules rouges, de la section de rétrodiffusion unitaire d’un globule et du facteur de structure. Ce modèle permet d’établir le lien entre la microstructure sanguine et le spectre fréquentiel du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Une approximation au second ordre en fréquence du facteur de structure est proposée dans ces travaux pour décrire la microstructure sanguine. Cette approche est tout d’abord présentée et validée dans un champ d’écoulement cisaillé homogène. Une extension de la méthode en 2D permet ensuite la cartographie des propriétés structurelles sanguines en écoulement tubulaire par des images paramétriques qui mettent en évidence le caractère temporel de l’agrégation et la sensibilité ultrasonore à ces phénomènes. Une extrapolation menant à une relation entre la taille des agrégats érythrocytaires et la viscosité sanguine permet l’établissement de cartes de viscosité locales. Enfin, il est démontré, à l’aide d’un modèle animal, qu’une augmentation subite de l’agrégation érythrocytaire provoque la formation d’un thrombus veineux. Le niveau d’agrégation, la présence du thrombus et les variations du débit ont été caractérisés, dans cette étude, par imagerie ultrasonore. Nos résultats suggèrent que des paramètres hémorhéologiques, préférablement mesurés in vivo et in situ, devraient faire partie du profil de risque thrombotique. / The aggregation of erythrocytes is the main determinant of blood non Newtonian behaviour under low shearing flow conditions. When red blood cells (RBCs) aggregate, they form « rouleaux » and complex tridimensional structures that increase blood viscosity from a few mPa.s to a hundred mPa.s. The reversible RBC aggregation phenomenon is attributed to weak adhesive links between erythrocytes that are readily broken by increasing flow shearing. Blood bulk rheological properties have been comprehensively studied. However, the in vivo physiological impacts of abnormal clustering of RBCs are more difficult to assess. Clinical studies have identified altered hemorheology as a risk factor for thrombosis, but a clear etiological relationship between abnormal aggregation and thrombosis has not yet been established, in part because clinical conclusions were derived from correlative findings. It is to note that cardiovascular diseases such as deep venous thrombosis generally occur at specific locations within the vascular bed, suggesting a hemodynamic contribution to the development of this disease. Consequently, it is postulated that in vivo hemorheological characterization may help shed some light on the role of RBC hyper-aggregation on cardiovascular disorders. Ultrasound imaging, a non-invasive method relying on the propagation of mechanical waves within biological tissues, is sensitive to RBC aggregation. Indeed, the study of backscattered waves allows characterizing blood microstructure in vivo and in situ under physiological flow conditions. The work described in this thesis is based on prior simulation studies, performed at the Laboratory of Biorheology and Medical Ultrasonics of the University of Montreal Hospital Research Center, in which the backscattering of ultrasound from aggregating RBCs was modeled by considering a particle scattering strategy. In this approach, each RBC is a weak ultrasound scatterer (Born assumption) and the backscattering coefficient is modeled as the product of the RBC number density, the RBC backscattering cross section and a structure factor. This model relates variations in the backscattering coefficient to the RBC spatial organisation through the structure factor, which is the only parameter that changes during the aggregation process. A second order expansion in frequency of the structure factor was used to describe blood microstructure in terms of a packing factor W and an ensemble averaged aggregate diameter D. The model was first presented and validated by considering a homogenous shear flow condition using three broadband mono-element transducers. It was then extended in 2D to allow computation of parametric images in tube flow. An extrapolation based on the assumption that viscosity is related to the level of aggregation was used to compute local viscosity maps. Finally, a last contribution was the demonstration that a sudden increase in aggregation tendency directly promoted the formation of venous thrombosis in an experimental animal model. In that study, RBC aggregation, thrombus formation and flow variations were monitored longitudinally for two weeks using ultrasound. The results reported in this thesis suggest that rheological parameters on RBC clustering, ideally assessed in vivo and in situ, should be included in thrombosis risk profiling.

Les chantiers de maintenance et d’assainissement dans les centrales nucléaires nécessitent la mise en place d’enceintes ventilées autour des zones contaminées afin de limiter la propagation de la contamination à l’environnement extérieur. L’air rentre dans l’enceinte aux travers d’ouvertures sous la forme d’un écoulement directionnel, orienté de l’extérieur vers l’intérieur, assurant ainsi le confinement dynamique. En raison des opérations qui se déroulent à l’intérieur de l’enceinte et des perturbations externes, il est possible que l’écoulement de confinement dynamique aux ouvertures soit perturbé et subisse des inversions locales et instationnaires, conduisant ainsi à transporter la contamination à l’extérieur de l’enceinte. La présente étude s’intéresse aux petites ouvertures de type fentes minces rectangulaires où l’écoulement au droit de celles-ci est généralement turbulent. Les principaux objectifs de la thèse sont d’une part d’identifier les conditions aérodynamiques susceptibles de produire le phénomène de rétrodiffusion aux ouvertures, d’autre part d’évaluer la capacité des approches de modélisation de la turbulence URANS et LES à reproduire les instabilités liées à ce type d’écoulement. Il a été montré que l’apparition du phénomène de rétrodiffusion est principalement liée à la présence d’une perturbation aéraulique additionnelle, de type jet turbulent ou sillage, en compétition avec l’écoulement initial de confinement dynamique. Des expériences de traçage gazeux ont été mises en place sur une maquette expérimentale dans le but de quantifier la rétrodiffusion en fonction des différentes conditions aérauliques à l’ouverture et des caractéristiques de celle-ci. Des visualisations des écoulements à l’ouverture ont également été réalisées à l’aide d’un dispositif de tomographie laser. Enfin, l’analyse des résultats des simulations CFD a démontré que les approches de type RANS ou URANS ne permettaient pas de reproduire les instabilités de l’écoulement conduisant au phénomène de rétrodiffusion, contrairement aux simulations des grandes échelles de la turbulence (LES) qui reproduisent fidèlement les structures locales et instantanées à l’origine du phénomène. / Operations of decommissioning and decontamination in nuclear facilities require setting up depressurized enclosures around contaminated areas in order to prevent leakage of radioactive materials, to the surrounding environment. Air passes through openings which generates a directional airflow ensuring the aerodynamic containment of hazardous material inside the enclosure. Due to operating activities inside or outside the enclosure, the directional flow might be disturbed. Consequently, local and unsteady backflows may occur at the opening leading to the outward transport of contamination. The current study is focused on airflow dynamics through small openings, such as rectangular slits where the initial inflow stream is turbulent. The main purposes of this work are to identify the required aerodynamic conditions likely to generate unsteady flow inversions at the studied opening and also to verify the ability of CFD simulations to predict this type of flow by using URANS and LES approaches. Results have shown that an additional flow, such as a turbulent jet or a wake in competition with inward flow, is the main cause leading to the leakage at the opening. Experiments, using gas tracer detection techniques, are conducted in order to quantify outflow leakage in the near field of the opening under different aerodynamic configurations and openings characteristics. A laser tomography technique is also implemented to visualize the external leakage airflow in the middle plane of the opening. CFD simulations have shown that a qualitative description of instantaneous leakage flow patterns at the opening can be achieved. This is characterized by the occurrence of local coherent structures transporting passive tracer outwards. Moreover, velocities obtained from CFD results (Large Eddy Simulations) are compared to those obtained from experimental measurements.

L'objectif était d'utiliser le cytomètre en flux (Cytosense, CytoBuoy b.v., NL) afin de comprendre l'influence des paramètres structurels et morphologiques des cellules phytoplanctoniques sur la rétrodiffusion. Nous avons analysé les propriétés optiques des cellules sur différentes phases de croissance. Une expérience en microcosme a été réalisée sur deux espèces (Thalassiosira pseudonana et Chlamydomonas Concordia) durant 20 jours. Les efficacités de diffusion avant et de côté de Thalassiosira pseudonana étaient respectivement 2,2 et 1,6 fois plus importantes que celles de Chlamydomonas Concordia. Les variations intra- et inter-espèces ont été expliquées par des simulations théoriques et des mesures in situ (biogéochimiques et observations au microscope à balayage électronique). Les mesures in situ ont permis d'obtenur des informations sur la structure des cellules (e.g. épaisseur de la frustule). L'efficacité de diffusion avant est impactée par l'agrégation et la taille des cellules. L'indice de réfraction réel du chloroplaste est un paramètre clé pouvant expliquer les variations de l'efficacité de côté. À l'avenir, nous recommandons d'utiliser un modèle à deux couches (cytoplasmes-chloroplaste) pour simuler les propriétés optiques des cellules phytoplanctoniques. Une analyse de la relation entre la concentration en carbone organique particulaire (POC) et le coefficient de rétrodiffusion a été effectuée. Des relations linéaires fortes ont été observées uniquement durant la phase exponentielle. Une reconstruction du coefficient de rétrodiffusion a permis de mettre en évidence que le POC était d'origine phytoplanctonique pour une espèce et d'origine bactérienne pour l'autre. / The objective was to use the flow cytometer (Cytosense, CityBuoy B.V., NL) to understand the influence of structural and morphological parameters of phytoplankton cells on the backscattering. We have analyzed the optical properties of the cells over different growth phases. A microcosm experiment was performed on two species (Thalassiosira pseudonana and Chlamydomonas Concordia) during 20 days. The forward and sideward efficiencies of Thalassiosira pseudonana were, respectively, 2.2 and 1.6 times higher than the efficiencies Chlamydomonas Concordia. The inter- and intra-species variations were explained by theoretical simulations and in situ measurements (biogeochemical and observations from scanning electron microscope). In situ measurements were used to obtain informations about the cell structure (e.g. thickness of the frustule). The forward efficiency was impacted by the aggregation and the cell size. The real refractive index of the chloroplast is a key parameter that could explain variations of the sideward efficiency. In the future, we recommend to use a two-layered sphere model (cytoplasm-chloroplast) to simulate the optical properties of phytoplankton cells. An analysis of the relationship between the particulate organic carbon concentration (POC) and the backscattering coefficient was performed. Strong linear relationships were observed only during the exponential phase. A reconstruction of the backscattering coefficient permitted to highlight that the POC was from phytoplankton cells origin for a species and bacterial origin for the other one.

La microscopie interférométrique est une méthode de mesure qui repose sur l’acquisition et le traitement du signal issu de l’interaction de deux ondes, dites ondes « objet » et de « référence ». Ces ondes proviennent des réflexions de la lumière sur un miroir de référence et sur l’échantillon étudié. Bien qu’étant généralement utilisées pour les analyses topographiques ou tomographiques d’un échantillon, les données interférométriques peuvent être exploitées pour réaliser des caractérisations spectrales locales résolues dans les trois directions de l’espace. Dans ce projet, nous avons étudié les performances de cette technique ainsi que ses limitations lorsque l’échantillon se complexifie (dégradation du signal d’interférences). L’analyse a été appliquée à des matériaux réfléchissants pour des mesures en surface puis à des couches transparentes et diffusantes pour aller sonder le milieu en profondeur et extraire la réponse spectrale individuelle de structures localisées dans ce milieu. / White light interference microscopy is a measurement method based on the acquisition and processing of the signal coming from the interaction between two wave fronts, known as the “object” and “reference” wave-fronts. These waves come from the reflection of the light on a reference mirror and the sample studied. Usually used for topographic or tomographic analysis of a sample, the interferometric data can be exploited for spectroscopic purposes. The resulting spectral characterizations are spatially resolved in the three directions of space. In this project, we have studied the performance of this technique, as well as the associated limitations when the sample becomes more complex (degradation of the interferometric signal). The analysis has been first applied to reflective materials for surface measurements and subsequently to transparent and scattering layers for probing within the depth of the medium and then extracting the individual spectral response of the buried structures.

La caractérisation de la neige est un enjeu important pour la gestion des ressources en eau et pour la prévision des risques d'avalanche. L'avènement des nouveaux satellites Radar de Synthèse d'Ouverture (RSO) bande X à haute résolution permet d'acquérir des données de résolution métrique avec une répétitivité journalière. Dans ce travail, un modèle de rétrodiffusion des ondes électromagnétiques de la neige sèche est adapté à la bande X et aux fréquences plus élevées. L'algorithme d'assimilation de données 3D-VAR est ensuite implémenté pour contraindre le modèle d'évolution de la neige SURFEX/Crocus à l'aide des observations satellitaires. Enfin, l'ensemble de ces traitements sont évalué à partir de données du satellite TerraSAR-X acquises sur le glacier d'Argentière dans la vallée de Chamonix. Cette première comparaison montre le fort potentiel de l'assimilation des données RSO bande X pour la caractérisation du manteau neigeux. / Characterization of snowpack structure is an important issue for the management of water resources and the prediction of avalanche risks. New Synthetic Aperture Radar (SAR) satellites in X-band at high-resolution allow us to acquire image data with metric resolution and daily observations. In this work, an electromagnetic backscattering model applicable for dry snow is adapted for X-band and higher frequencies. The 3D-VAR data assimilation algorithm is then implemented to constrain the evolution of the snow metamorphisme model SURFEX/Crocus using satellite observations. Finally, the algorithm is evaluated using image data acquired from TerraSAR-X satellite on the Argentiere glacier in the Chamonix Valley of the French Alps. This first comparison shows the high potential of the data assimilation assimilation method using X-band SAR data for characterization of the snowpack.

Dans le cadre d'un consortium entre centres de recherche publics et industriels, ce travail de thèse de doctorat s'est attaché à démontrer l'intérêt des détecteurs photo-organiques (OPS) pour la caractérisation des suspensions et écoulements diphasiques. Les principes de plusieurs granulomètres permettant la caractérisation de ces milieux lorsqu'ils sont confinés dans une cuve cylindrique transparente (configuration standard du Process Analytical Technology) ont été proposés. Pour évaluer et optimiser les performances de ces systèmes, un code de simulation de type Monte-Carlo a été spécifiquement développé. Ce dernier permet de prendre en compte les nombreux paramètres du problème comme le profil du faisceau laser, les différentes surfaces spéculaires composant le montage, la composition du milieu particulaire (concentration, diamètre moyen, écart-type, matériau,...), la forme et la position des OPS. Les propriétés de diffusion des particules sont traitées à l'aide des théories de Lorenz-Mie et de Debye, de même qu'un modèle hydride prenant en compte les contributions géométriques et physiques. Pour les milieux dilués (diffusion simple), l'analyse repose sur l'inversion des diagrammes de diffusion obtenus sur une large plage angulaire ou au voisinage de singularités optiques remarquables (arc-en-ciel, diffusion critique, diffraction). Pour les milieux denses (diffusion multiple), les pistes étudiées reposent sur l'analyse des caractéristiques de la tache de rétrodiffusion. / As part of a consortium between academic and industry, this PhD work investigates the interest and capabilities of organic photo-sensors (OPS) for the optical characterization of suspensions and two-phase flows. The principle of new optical particle sizing instruments is proposed to characterize particle systems confined in a cylinder glass (standard configuration for Process Analytical Technologies). To evaluate and optimize the performance of these systems, a Monte-Carlo model has been specifically developed. This model accounts for the numerous parameters of the system: laser beam profile, mirrors, lenses, sample cell, particle medium properties (concentration, mean & standard deviation, refractive indices), OPS shape and positions, etc. Light scattering by particles is treated either by using Lorenz-Mie theory, Debye, or a hybrid model (that takes into account the geometrical and physical contributions). For diluted media (single scattering), particle size analysis is based on the inversion of scattering diagrams obtained over a wide angular range or near optical singularities (rainbow, critical scattering, diffraction). For dense media (multiple scattering), the solutions foreseen are based on the analysis of the backscattering spotlight characteristics.

Aerosols are small, micrometer-sized particles, whose optical effects coupled with their impact on cloud properties is a source of large uncertainty in climate models. While their radiative forcing impact is largely of a cooling nature, there can be significant variations in the degree of their impact, depending on the size and the nature of the aerosols. The radiative and optical impact of aerosols are, first and foremost, dependent on their concentration or number density (an extensive parameter) and secondly on the size and nature of the aerosols (intensive, per particle, parameters). We employed passive (sunphotmetry) and active (backscatter lidar) measurements to retrieve extensive optical signals (aerosol optical depth or AOD and backscatter coefficient respectively) and semi-intensive optical signals (fine and coarse mode OD and fine and coarse mode backscatter coefficient respectively) and compared the optical coherency of these retrievals over a variety of aerosol and thin cloud events (pollution, dust, volcanic, smoke, thin cloud dominated). The retrievals were performed using an existing spectral deconvolution method applied to the sunphotometry data (SDA) and a new retrieval technique for the lidar based on a colour ratio thresholding technique. The validation of the lidar retrieval was accomplished by comparing the vertical integrations of the fine mode, coarse mode and total backscatter coefficients of the lidar with their sunphotometry analogues where lidar ratios (the intensive parameter required to transform backscatter coefficients into extinction coefficients) were (a) computed independently using the SDA retrievals for fine mode aerosols or prescribed for coarse mode aerosols and clouds or (b) computed by forcing the computed (fine, coarse and total) lidar ODs to be equal to their analog sunphotometry ODs. Comparisons between cases (a) and (b) as well as the semi-qualitative verification of the derived fine and coarse mode vertical profiles with the expected backscatter coefficient behavior of fine and coarse mode aerosols yielded satisfactory agreement (notably that the fine, coarse and total OD errors were <~ sunphotometry instrument errors). Comparisons between cases (a) and (b) also showed a degree of optical coherency between the fine mode lidar ratios.