Ultrasound wavefronts travelling through inhomogeneous materials such as biological tissues and tissue mimics are distorted by scattering processes. It has been proposed that measurements of these transmitted wavefronts may be used to define the contribution of coherent and incoherent scattering to the attenuation coefficient of such materials, by means of a comparison between the outputs of phase sensitive and phase insensitive receivers. Measurements of the complex pressure fields transmitted by scattering specimens consisting of glass beads in silicone rubber and by specimens of ox liver, kidney and myocardium have been carried out by point- by-point mapping of the amplitude and phase of the fields using a new design of pvdf needle hydrophone in a high precision scanning tank. It is demonstrated that transmission measurements of the scattered fields are not independent of the size and location of the measurement plane, and the proposed method is unlikely to be helpful in quantifying material properties. Alternative techniques based on the measurement of the angular scattering pattern of such materials are shown to be able to characterise scattering specimens consisting of glass beads in agar and gelatin, and to be able to distinguish normal ox myocardium from ox liver and kidney.

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Manual tuning of applications for heterogeneous parallel systems is tedious and complex. Optimizations are often not portable, and the whole process must be repeated when moving to a new system, or sometimes even to a different problem size. Pattern based parallel programming models were originally designed to provide programmers with an abstract layer, hiding tedious parallel boilerplate code, and allowing a focus on only application specific issues. However, the constrained algorithmic model associated with each pattern also enables the creation of pattern-specific optimization strategies. These can capture more complex variations than would be accessible by analysis of equivalent unstructured source code. These variations create complex optimization spaces. Machine learning offers well established techniques for exploring such spaces. In this thesis we use machine learning to create autotuning strategies for heterogeneous parallel implementations of applications which follow the wavefront pattern. In a wavefront, computation starts from one corner of the problem grid and proceeds diagonally like a wave to the opposite corner in either two or three dimensions. Our framework partitions and optimizes the work created by these applications across systems comprising multicore CPUs and multiple GPU accelerators. The tuning opportunities for a wavefront include controlling the amount of computation to be offloaded onto GPU accelerators, choosing the number of CPU and GPU threads to process tasks, tiling for both CPU and GPU memory structures, and trading redundant halo computation against communication for multiple GPUs. Our exhaustive search of the problem space shows that these parameters are very sensitive to the combination of architecture, wavefront instance and problem size. We design and investigate a family of autotuning strategies, targeting single and multiple CPU + GPU systems, and both two and three dimensional wavefront instances. These yield an average of 87% of the performance found by offline exhaustive search, with up to 99% in some cases.

In this abstract, we present a nonlinear curvelet-based sparsitypromoting formulation for the primary-multiple separation problem. We show that these coherent signal components can be separated robustly by explicitly exploting the locality of curvelets in phase space (space-spatial frequency plane) and their ability to compress data volumes that contain wavefronts. This work is an extension of earlier results and the presented algorithms are shown to be stable under noise and moderately erroneous multiple predictions.

Bien que souvent présentés comme des configurations atypiques, la classe des milieux diffusifs représente une grande partie des milieux dans lesquels se propagent des ondes aussi bien électromagnétiques qu'acoustiques. Les grandes cavités étant capables de bien approcher ces mêmes caractéristiques, elles sont largement utilisées dans un contexte métrologique, afin d'émuler un grand nombre de configurations pratiques et d'évaluer certaines propriétés de dispositifs électroniques, acoustiques et optiques. Nous nous intéressons à la modélisation statistique de la propagation d'ondes dans les grandes cavités. La pratique courante de modéliser les champs dans une cavité comme diffus est d'abord analysée, afin de montrer comment cette hypothèse n'est pas réaliste en basse fréquence, et les conséquences qui en découlent. L'importance du recouvrement modal et sa nature aléatoire sont discutées, montrant comment l'hypothèse diffusive ne peut pas être décrite comme une propriété certaine. Dans un deuxième temps nous étudions les applications du retournement temporel aux grandes cavités, ce qui nous amène à l'introduction d'une technique généralisée capable de reproduire des fronts d'ondes cohérents dans un environnement diffusif, typiquement regardé comme uniquement capable de supporter une propagation aléatoire.

La thèse porte sur la génération de fronts d’ondes de test en milieu réverbérant pour la mesure d’antennes Ultra Large Bande. L’objectif est de générer des fronts d’ondes déterministes convergents, respectant les standards de mesure d'antennes, dans un milieu diffusif caractérisé par une décohérence spatiale, temporelle et fréquentielle. Les performances intéressantes, visées pour l’application, sont la génération temps réel, l’utilisation d’un nombre limité de sources et l’obtention d’un rendement de conversion d’énergie élevé. Tout d’abord, nous présentons des concepts de mesure d’antennes et montrons, les limites des méthodes actuelles pour la réalisation de caractérisations rapides permettant un niveau de rapport signal à bruit satisfaisant et n'utilisant pas de sources multiples. Puis, nous introduisons notre moyen d’essai, le système Time reversal Electromagnetic Chamber (TREC), constitué notamment d’une chambre réverbérante, dans laquelle un principe non standard de retournement temporel est utilisé pour générer des fronts d’ondes cohérents et convergents d’espace libre. Nous cherchons alors à étendre les capacités de la TREC à la génération des fronts d’ondes de test convergents et localement plans. Dans une phase d'étude préalable, nous développons deux approches pour synthétiser la propagation en espace libre des fronts d’ondes de mesure. Les techniques utilisées reposent sur l’utilisation de l’opérateur Slepian, permettant la résolution des contraintes imposées par les propriétés spécifiques des distributions de champ. La solution optimale de caractérisation a permis de générer des fronts d'ondes comportant une résolution angulaire. La synthèse des fronts d'ondes de test est utilisée dans des simulations électromagnétiques de TREC 2D et 3D. Les résultats ont validé la faisabilité de la génération de fronts d’ondes convergents, localement plans et résolus angulairement. / This contribution corresponds to the generation of test wavefronts in reverberation chamber for antenna Ultra Wide Band characterization. We were interested in generating deterministic convergent wavefronts, fulfilling the antenna measurement standard, in a diffusive medium characterized by a spatial, temporal and frequency decoherence. The interesting performances referred to the application, are the real-time synthesis, the use of a limited number of sources and the high energy conversion efficiency. First we present the concepts of antenna measurement and the limitations of current methods for achieving quick characterization with a sufficient signal to noise ratio without multiple sources. Then, we introduce our system, the Time Reversal Electromagnetic Chamber (TREC), which is mainly constituted by a reverberation chamber, in which a non-standard time reversal principle is used for coherent convergent free space wavefronts generation. Then we try to extend the TREC capacities to the generation of free space convergent and locally plan wavefronts. In a preliminary study, we develop two approaches to synthesize the free space propagation of the wavefronts. The used techniques are based on the utilization of the operator Slepian, allowing the resolution of the constraints determined by the specific properties of the field distribution. The optimal solution allowed generating wavefronts characterized by angular resolution. Test wavefronts synthesis is used in 2D and 3D TREC electromagnetic simulations. Results validated the feasibility of the generation of locally plan convergent wavefronts with angular resolution.

Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous sommes parvenus à introduire une utilisation déterministe des chambres réverbérantes, en proposant un nouveau paradigme de la technique du retournement temporel. Nous sommes capable de réaliser le même type de tests d'immunité rayonnée que dans une chambre anéchoïque, tout en profitant des avantages liés aux propriétés physiques des milieux fortement réverbérants comme la génération de champs de fortes intensités à partir de niveaux de puissances injectées relativement faibles.En effet, les études menées dans cette thèse ont démontré la faisabilité d'un moyen de test d'immunité rayonnée novateur, permettant la génération de fronts d'onde cohérents dans une cavité résonante et dont la direction de propagation et la polarisation sont contrôlées sans aucun déplacement mécanique des sources génératrice du champ ou de l'équipement sous test. Un autre avantage majeur de ce nouveau système, baptisé chambre électromagnétique à retournement temporel (TREC), réside dans le fait de pouvoir générer dans une chambre réverbérante, des champs impulsionnels dont l'extension temporelle est de courte durée alors que cette capacité n'était pas envisageable avant ces travaux.Pour cela, la TREC repose sur la connaissance du champ sur une surface de mesure arbitraire, située entre les sources et l'objet sous test, dans la direction de propagation du front d'onde souhaitée. Cette phase de caractérisation peut être réalisée à l'aide d'une mesure de la fonction de transfert entre le port des antennes sources et une sonde de champ déplacée sur la surface de mesure.Le principe de notre système se base sur l'association de la technique du retournement temporel et du principe d'équivalence. Le retournement temporel permet d'assurer une fenêtre temporelle, dans laquelle les conditions de propagation du champ dans la chambre réverbérante sont identiques à celles en espace libre, et permet d'obtenir une propagation d'un front d'onde convergent vers une source ponctuelle qui aurait initialement créé un front d'onde divergent. Le principe d'équivalence permet de passer d'une source ponctuelle à une source de rayonnement étendue, permettant de créer une distribution spatiale du champ arbitraire et de contrôler ainsi sa direction de propagation et sa polarisation.Ce nouveau système à été validé, dans un premier temps, à l'aide d'un ensemble de simulations numériques exploratoires pour déterminer les paramètres influents sur ses performances. Puis il a été étudié à partir de mesures réalisées dans la chambre réverbérante du Département de Recherche en Électromagnétisme, à Supélec, démontrant ainsi de façon expérimentale la faisabilité et l'intérêt du développement de ce moyen de test, complémentaire à l'utilisation actuelle des chambres réverbérantes à brassage de modes pour la génération de front d'onde cohérents pulsés. / In the framework of our research work, we present an innovative system which allows to control the spatio-temporal distribution of a coherent field in an strongly reflecting environment. This system called " Time reversal electromagnetic chamber" (TREC), makes possible the generation of high intensity pulsed wavefront, in a reverberating chamber, and whose direction of propagation and polarisation are modifieable in real time without any mechanical mouvement of neither the sources generating the field, here radio antennas, nor the equipment under test.For this, the TREC is based on knowledge of the field on an arbitrary surface of measurement, located between the sources and the object under test, in the direction of propagation of the wavefront desired. This phase of characterization may be performed with the help of a measurement of the transfer functions between the port of the antennas and a field probe moved on the arbitrary surface of measurement.The principle of the TREC is based on the association of the technique of time reversal and of the principle of equivalence. Time reversal allows to ensure a temporal window in which the conditions of propagation of the field in the reverberation chamber are identical to those in free space and which allows to obtain a propagation of a wavefront converging towards a punctual source which would initially have created a diverging wavefront. The equivalence principle allows to go from a punctual source to a an extended source of radiation, thus allowing to create an arbitrary spatial distribution of the field and thereby to control its direction of propagation.This new system was validated with the help, at first, of a set of numerical exploratory simulations in order to determine the influential parameters on its performance and then studied from measurements carried out in the reverberation chamber of the ``Département de recherche en électromagnétisme'', at Supélec, thus demonstrating experimentally the feasibility and the interest of the development of this testing facility for the generation of pulsed coherent wavefronts, complementary to the current use mode-stirred reverberation chambers.

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On étudie l'équation de Hamilton-Jacobi évolutive du premier ordre, couplée avec une donnée initiale lipschitzienne. Le but est de comparer les solutions de viscosité et les solutions variationnelles pour cette équation, deux notions de solutions faibles qui coïncident en dynamique hamiltonienne convexe. Pour travailler dans un cadre pertinent pour les deux types de solutions, on doit d’abord construire une solution variationnelle sans hypothèse de compacité sur la variété ou le hamiltonien étudiés. On retrace dans ce cas la construction historique des solutions variationnelles, en détaillant les propriétés de la famille génératrice obtenue par la méthode des géodésiques brisées. Il en découle des estimées permettant d’obtenir la solution de viscosité à partir de la solution variationnelle par un procédé d’itération. Après avoir vérifié que la solution variationnelle construite coïncide effectivement avec la solution de viscosité pour un Hamiltonien convexe, on caractérise les Hamiltoniens intégrables pour lesquels cette propriété persiste, en étudiant attentivement des exemples élémentaires en dimension 1 et 2. / We study the first order Hamilton-Jacobi equation associated with a Lipschitz initial condition. The purpose of this thesis is to compare two notions of weak solutions for this equation, namely the viscosity solution and the variational solution, that are known to coincide in convex Hamiltonian dynamics. In order to work in a relevant framework for both notions, we first need to build a variational solution without compactness assumption on the manifold or the Hamiltonian. To do so, we follow the historical construction, detailing properties of the generating family obtained via the broken geodesics method. Local estimates allow to prove that the viscosity solution can be obtained from the variational solution via an iterative process. We then check that this construction gives effectively the viscosity solution for a convex Hamiltonian, and characterize the integrable Hamiltonians for which this property persists by carefully studying elementary examples in dimension 1 and 2.