Developpement de techniques de diagnostic non intrusif par tomographie optique

Que ce soit dans les domaines des procedes industriels ou de l'imagerie medicale, on a assiste ces deux dernieres decennies a un developpement croissant des techniques optiques de diagnostic. L'engouement pour ces methodes repose principalement sur le fait qu'elles sont totalement non invasives, qu'elle utilisent des sources de rayonnement non nocives pour l'homme et l'environnement et qu'elles sont relativement peu couteuses et faciles a mettre en oeuvre comparees aux autres techniques d'imagerie. Une de ces techniques est la Tomographie Optique Diffuse (TOD). Cette methode d'imagerie tridimensionnelle consiste a caracteriser les proprietes radiatives d'un Milieu Semi-Transparent (MST) a partir de mesures optiques dans le proche infrarouge obtenues a l'aide d'un ensemble de sources et detecteurs situes sur la frontiere du domaine sonde. Elle repose notamment sur un modele direct de propagation de la lumiere dans le MST, fournissant les predictions, et un algorithme de minimisation d'une fonction de cout integrant les predictions et les mesures, permettant la reconstruction des parametres d'interet. Dans ce travail, le modele direct est l'approximation diffuse de l'equation de transfert radiatif dans le regime frequentiel tandis que les parametres d'interet sont les distributions spatiales des coefficients d'absorption et de diffusion reduit. Cette these est consacree au developpement d'une methode inverse robuste pour la resolution du probleme de TOD dans le domaine frequentiel. Pour repondre a cet objectif, ce travail est structure en trois parties qui constituent les principaux axes de la these. Premierement, une comparaison des algorithmes de Gauss-Newton amorti et de Broyden- Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) est proposee dans le cas bidimensionnel. Deux methodes de regularisation sont combinees pour chacun des deux algorithmes, a savoir la reduction de la dimension de l'espace de controle basee sur le maillage et la regularisation par penalisation de Tikhonov pour l'algorithme de Gauss-Newton amorti, et les regularisations basees sur le maillage et l'utilisation des gradients de Sobolev, uniformes ou spatialement dependants, lors de l'extraction du gradient de la fonction cout, pour la methode BFGS. Les resultats numeriques indiquent que l'algorithme de BFGS surpasse celui de Gauss-Newton amorti en ce qui concerne la qualite des reconstructions obtenues, le temps de calcul ou encore la facilite de selection du parametre de regularisation. Deuxiemement, une etude sur la quasi-independance du parametre de penalisation de Tikhonov optimal par rapport a la dimension de l'espace de controle dans les problemes inverses d'estimation de fonctions spatialement dependantes est menee. Cette etude fait suite a une observation realisee lors de la premiere partie de ce travail ou le parametre de Tikhonov, determine par la methode " L-curve ", se trouve etre independant de la dimension de l'espace de controle dans le cas sous-determine. Cette hypothese est demontree theoriquement puis verifiee numeriquement sur un probleme inverse lineaire de conduction de la chaleur puis sur le probleme inverse non-lineaire de TOD. La verification numerique repose sur la determination d'un parametre de Tikhonov optimal, defini comme etant celui qui minimise les ecarts entre les cibles et les reconstructions. La demonstration theorique repose sur le principe de Morozov (discrepancy principle) dans le cas lineaire, tandis qu'elle repose essentiellement sur l'hypothese que les fonctions radiatives a reconstruire sont des variables aleatoires suivant une loi normale dans le cas non-lineaire. En conclusion, la these demontre que le parametre de Tikhonov peut etre determine en utilisant une parametrisation des variables de controle associee a un maillage lâche afin de reduire les temps de calcul. Troisiemement, une methode inverse multi-echelle basee sur les ondelettes associee a l'algorithme de BFGS est developpee. Cette methode, qui s'appuie sur une reformulation du probleme inverse original en une suite de sous-problemes inverses de la plus grande echelle a la plus petite, a l'aide de la transformee en ondelettes, permet de faire face a la propriete de convergence locale de l'optimiseur et a la presence de nombreux minima locaux dans la fonction cout. Les resultats numeriques montrent que la methode proposee est plus stable vis-a-vis de l'estimation initiale des proprietes radiatives et fournit des reconstructions finales plus precises que l'algorithme de BFGS ordinaire tout en necessitant des temps de calcul semblables. Les resultats de ces travaux sont presentes dans cette these sous forme de quatre articles. Le premier article a ete accepte dans l'International Journal of Thermal Sciences, le deuxieme est accepte dans la revue Inverse Problems in Science and Engineering, le troisieme est accepte dans le Journal of Computational and Applied Mathematics et le quatrieme a ete soumis au Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. Dix autres articles ont ete publies dans des comptes-rendus de conferences avec comite de lecture. Ces articles sont disponibles en format pdf sur le site de la Chaire de recherche t3e (www.t3e.info).