Thèses proposées au CEA / DAM

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1 / DAM Thèses proposées au CEA / DAM 2013 Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 1/130

2 Faire une thèse à la DAM Faire une thèse au CEA est une opportunité unique pour un étudiant désirant poursuivre une carrière dans la recherche appliquée tournée vers des technologies innovantes. La Direction des applications militaires accueille chaque année environ 30 à 50 doctorants au sein d équipes renommées et disposant d installations uniques. Toutes les thèses donnent lieu à des publications dans des revues de premier rang. Chaque année, le CEA/DAM propose des contrats de thèse financés soit en totalité par le CEA (Contrat de Formation par la Recherche de l INSTN), soit cofinancés avec le CNRS, avec les Régions, ou encore avec la DGA, etc. Les thèses se déroulent dans les laboratoires du CEA/DAM (CEA/DAM Île-de-France en région parisienne près d'arpajon, le Ripault près de Tours, le CESTA près de Bordeaux, le centre de GRAMAT proche de Toulouse et Valduc à proximité de Dijon) ou dans les unités mixtes de recherche dont le CEA/DAM est une tutelle (LULI, CELIA, LCTS, etc.). Le CEA/DAM attache une grande importance à l insertion professionnelle des doctorants. Elle recrute prioritairement ses chercheurs au sein de ce vivier. Elle propose un parcours post-doctoral attractif à ceux qui le souhaitent dans des laboratoires internationaux de haut niveau (Livermore, Sandia, Los Alamos aux USA). Dans tous les cas, le niveau d insertion des doctorants et post-doctorants du CEA est l un des plus élevé. Les sujets proposés en 2013 couvrent un large spectre de recherche à caractère fondamental ou appliqué : environnement, physique de la matière, physique nucléaire, interaction laser-plasma, simulation numérique haute performance, diagnostics pour les grandes installations expérimentales, électromagnétisme, détonique, nouvelles technologies pour l énergie, sciences des matériaux, métallurgie, etc. Ce fascicule présente une sélection de sujets proposés pour Un contact téléphonique est indiqué pour chaque sujet, ainsi que la localisation de la thèse. N hésitez pas à vous renseigner sur les sujets et à rencontrer nos chercheurs pour discuter avec eux de votre avenir! Thierry MASSARD L ensemble des sujets est consultable sur le site internet Directeur scientifique du CEA/DAM du CEA/DAM www-dam.cea.fr dans la rubrique Vie scientifique/formation/ dans laquelle l on trouve aussi quelques informations utiles sur chacun des centres. Les sujets sont également diffusés sur le site de l INSTN www-instn.cea.fr, dans la rubrique Les thèses au CEA, Sujets de thèse. Crédits photo : CEA novembre /130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

3 Les centres CEA/DAM : CEA/DAM Ile-de-France Bruyères le Châtel Arpajon CEA/Valduc Is-sur-Tille CEA/Le Ripault B.P Monts CEA/Cesta B.P Le Barp CEA/Gramat B.P Gramat Une adresse mail est mise à votre disposition pour toute question d ordre général : Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 3/130

4 Les thématiques Attmosphèrre ett géophysique Electtrromagnétti isme Electtrroni ique Envirronnementt Méttrrol logie IInfforrmatti ique scientti iffi ique,, simulatti ion numérri ique,, modélisatti ion Optti ique,, Laserrs ett plasmas Physique de la l matti ièrre condensée Physique nucléairre Sciences des mattérri iaux Mécanique 4/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

5 Liste des sujets par domaine Atmosphère et Géophysique...11 Etude expérimentale des ondes de gravité et de leur rôle dans la dynamique globale de l'atmosphère12 Modélisation de l influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores à grande distance...13 Impact des incertitudes atmosphériques sur la dynamique des ondes de gravité...14 Traitement statistique du signal pour les sources infrasonores...16 Séries temporelles en interférométrie radar : nouvelles techniques de mesures de déformations...17 Variations latérales de sismicité micrustale le long d un méga-chevauchement...18 Evaluation et optimisation des performances d un réseau infrason global de surveillance de sources volcaniques...19 Contribution à la discrimination de source et à la caractérisation de la propagation sismique régionale par analyse en réseau 3 composantes...20 Modélisation et simulation rapide de la propagation des ondes de souffle aériennes en environnement complexe...22 Etude de tsunamis générés par des déstabilisations gravitaires : applications pour les côtes françaises...23 Simulation numérique de l ablation liquide...24 Electromagnétisme...25 Développement d un code de calcul Particle-In-Cell couplé à un modèle de cinétique chimique de l air pour l étude de la génération et de la propagation de champ EM en environnement ionisé...26 Prise en compte des Incertitudes dans les codes de couplages électromagnétiques...27 Etude et conception d une source micro-ondes de forte puissance de type magnétron relativiste à cathode transparente et à extraction axiale...28 Caractérisation de l évolution dans le temps (vieillissement) des caractéristiques et du fonctionnement des composants électroniques soumis à des agressions électromagnétiques...29 Modélisation de métamatériaux...30 Electronique...31 Etude des effets de microdose induits par des protons ou des neutrons dans les isolants des technologies microélectroniques avancées...32 Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 5/130

6 Etude à l échelle atomique de l effet du déplacement atomique induit par des irradiations aux ions lourds dans la dégradation des propriétés des composants électroniques...33 Etudes de la sensibilité SEE des technologies nanométriques planaire-2d et FinFET...34 Etude et réalisation d une source de puissance pulsée à transistor GaN...35 Spectroscopie du courant d obscurité induit par les effets de déplacement atomique des radiations spatiales dans les capteurs d images CMOS à photodiode pinned...36 Environnement...39 Détermination de la solubilité et de la diffusion de l iode et du xénon dans les roches fondues...40 Construction des outils théoriques pour la géolocalisation des oxydes d uranium et l identification des sources par les isotopes de l oxygène...41 Métrologie...43 Développement d un étalon de pression acoustique et d une méthode d étalonnage de référence associée pour l étalonnage à 1 Hz des capteurs infrasonores de type microbaromètre...44 Développement d une source X impulsionnelle multi-kev par interaction Compton entre des électrons issus d un accélérateur radio-fréquence 40 MeV et des impulsions laser intenses...46 Mise au point d un dispositif de mesure du spectre en énergie d une source de radiographie éclair dans la gamme [0-20] MeV...47 Propagation des incertitudes de mesure entre les domaines temps et fréquence en métrologie de la forme d onde...48 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation...49 Adaptation du code parallèle Coddex aux nouvelles architectures de machines 'ManyCore' ou GPU 50 Construction et utilisation de méta-modèles pour l estimation de probabilités d événements rares et de quantiles faibles...51 Multi-représentations de maillages cellulaires et détermination automatique de la meilleure représentation pour un algorithme donné...52 Mécanismes de communications unidirectionnelles (PGAS/one-sided/RDMA) pour applications déséquilibrées de type Monte-Carlo...54 Couplage fluide-structure avec des schémas Volumes finis conservatifs Eurlériens et Lagrangiens...55 Modélisation physique, étude d un schéma numérique et développement d une maquette 1 D pour la simulation des écoulements fluides par un formalisme multicontinu...56 Adaptation des méthodes Lagrange-Projection pour l hydrodynamique multi-matériaux en vue du portage sur architecture exaflopique /130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

7 Equilibrage de charge pour des simulations multi-physiques par partitionnement multi-critère de graphe...58 Développement d un potentiel réactif pour simuler des réactions chimiques en phase condensée Application à la sensibilité aux chocs des explosifs...60 Étude et validation d un modèle pour le transport de particules dans des milieux fortement hétérogènes avec application à la fusion inertielle pour l énergie...61 Développement d'un code ALE-AMR pour la résolution des équations de l'hydrodynamique Lagrangienne...62 Modélisation du transport et du calcul du dépôt de particules dans des milieux fortement hétérogènes avec application à la radiothérapie...63 Simulation numérique de l effet Hall et perturbations atmosphériques...64 Etude de l interaction écoulement-particules dans le régime supersonique...66 Optique, Lasers et Plasmas...67 Sources Compton et bêtatron créées dans un accélérateur d électrons par sillage laser...68 Imageur haute résolution pour l étude des sources X multi-kev créées par interaction laser...69 Etude des propriétés des matériaux ablateurs pour les cibles de fusion par confinement inertiel dans des conditions extrêmes de densité et de température...70 Effets cinétiques ioniques dans les plasmas de fusion par confinement inertiel par laser...71 Optique ultrarapide et génération de sources THz et XUV...72 Étude de la stabilité d'une onde plasma de grande amplitude et application à la saturation du Raman dans les conditions du laser MégaJoule...73 Étude des propriétés statistiques d une tache focale laser lissée et de leur influence sur l interaction laser-plasma...74 Conception et fabrication de fibres microstructurées pour mise en forme spatiale fibrée...75 Étude des plasmas denses par interférométrie fréquentielle : Dynamique électronique et détente hydrodynamique...76 Développement, fabrication et caractérisation de nouveaux réseaux de diffraction pour la compression d impulsions courtes ultra intenses...77 Physique de la Matière Condensée...79 Etude des premiers stades de l oxydation des surfaces d actinides : rôle des corrélations électroniques...80 Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 7/130

8 Modélisation de la propagation des ondes de choc dans des mousses aqueuses...81 Dynamique moléculaire magnétique des matériaux ferrimagnétiques...82 Amorçage en détonation des explosifs fortement hétérogènes de type coulé fondu : établissement de corrélations entre la microstructure et la réactivité...83 Physique Nucléaire...85 Description du noyau et de ses états excités, synthèse d'approches au-delà du champ moyen...86 Science des matériaux...87 Calcul de la tension de surface de systèmes métalliques liquides par simulation microscopique...88 Systèmes adhésifs époxy pour assemblages structuraux d expériences d interaction laser-matière...89 Etude des mécanismes de croissance cristalline du KDP/DKDP à température constante et relation avec la tenue au vieillissement...90 Modélisation du comportement thermo-mécanique de composites 3D Carbone / Carbone...91 Etude et optimisation d électrolytes pour batterie Li-ion 5V...92 Contribution à la conception, au dimensionnement, à la réalisation et à l'étude du comportement mécanique de volants d'inertie en composite...93 Etude, caractérisation et optimisation de mélanges polymères / liquides ioniques. Application à la réalisation de liners pour réservoirs de stockage hyperbare de l hydrogène. (Co-direction INSA de Lyon)...94 Approches déterministe et probabiliste du comportement mécanique des réservoirs haute pression pour le stockage de l hydrogène gazeux...95 Elaboration de matériaux thermoélectriques par éco-conception et chimie douce. Modélisation des propriétés...96 Développement et caractérisation de barrières thermiques nanostructurées par projection plasma de suspension...98 Exploitation et modélisation du comportement à la pyrolyse des matériaux Carbone/Résine...99 Développement de matériaux multi échelles anti-usure et anti-corrosion pour remplacement des stellites Synthèse de molécules hétérocycliques azotées énergétiques Amélioration de la durée de vie de membranes nanocomposites hybrides pour pile à combustible du type PEMFC. Etude des relations structure/propriétés. Comportement hydrique et vieillissement en milieu acide de membranes nanocomposite /130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

9 Etude du passage du laboratoire au pilote préindustriel de la fabrication d Assemblages Membrane Electrode pour pile à combustible de type PEMFC Synthèse, formulation et caractérisation de matériaux énergétiques nanostructurés Etude et optimisation des paramètres mis en jeu lors de l élaboration de matériaux organiques ou inorganiques, de faibles masses volumiques, dopés ou non, pour la fabrication d éléments de cible nécessaires aux expériences de Fusion par Confinement Inertiel sur laser de puissance Étude multi expérimentale des transformations de phases et de leur impact sur les propriétés mécaniques d un acier inoxydable austénitique stabilisé au niobium Modélisation du vieillissement des tritiures métalliques : application au tritiure de palladium Etude du vieillissement d une soudure homogène en acier inoxydable martensitique Etude du diagramme de phase et de la vitesse du son de l Oxyde de Fer par compression magnétique quasi-isentropique Simulation du comportement des composites stratifiés soumis aux effets du souffle Etude de l équation d état d échantillons métalliques préchauffés. Etudes expérimentales et développement de modèles numériques Etude de l homogénéisation du comportement en dynamique de composites granulaires à matrice viscoélastique Ablation de matériaux carbonés sous très haut flux : étude multi physique de l interaction matériau/écoulement Mécanique Influence de l activation plastique lors d une transformation de phase martensitique, modélisation et expérience en enclume de diamant Modélisation de la rupture de structures en béton armé par une approche éléments discrets Etudes et modélisation de zones de mélange instables et soumises à des déformations par un modèle EDQNM Etude de la stabilité des structures sous chargement impulsionnel Analyse de stabilité linéaire d'écoulements d'ablation en fusion par confinement inertiel Allumage mécanique des compositions explosives à l'octogène : observations microstructurales en temps réel et simulations associées Etude expérimentale et modélisation du comportement et de la rupture des soudures homogènes TA6V/TA6V : mécanismes à t0 et dans le temps Etude de la durabilité d une surface usinée en fonction des paramètres du procédé Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 9/130

10 Obtention par dynamique moléculaire de critères descriptifs d endommagement (en particulier fissuration de grains fragiles et décohésion grains polycristallins/matrice) de matériaux énergétiques composites, utilisables dans des hydrocodes Elaboration d'une méthode inverse pour la détermination probabiliste d un terme source 1 d explosion ou 2 - de polluant, dans un environnement 3D, en prenant en compte les incertitudes de modélisation Etude de la compaction sous choc de matériaux poreux : Expériences et modélisation /130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

11 Le RIPAULT ILE DE FRANCE VALDUC CESTA GRAMAT Atmosphère et Géophysique Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 11/130

12 Atmosphère et géophysique Etude expérimentale des ondes de gravité et de leur rôle dans la dynamique globale de l'atmosphère Contexte : L'analyse des données du réseau infrason du Système de Surveillance International (SSI) mis en place dans le cadre de la vérification du TICE (Traité d'interdiction Complète des Essais) a permis d'identifier de nombreux types d'ondes atmosphériques qui se propagent dans l'atmosphère sur des distances importantes. Les différentes sources d'infrason sont d'origine naturelle (volcans, tremblements de terre, orages magnétiques et atmosphériques) ou artificielle (avions supersoniques). La propagation s'effectue dans le guide d'onde atmosphérique formé par le sol et les gradients de température de la stratosphère et de la thermosphère, elle subit l'influence des vents stratosphériques. En parallèle aux infrasons, le réseau permet la mesure des ondes de gravité de plus grande échelle qui contribuent à la circulation et au mélange dans la stratosphère et la mésosphère. Ces ondes, générées principalement dans la troposphère aux altitudes météorologiques, provoquent un forçage de la stratosphère et un mouvement de circulation globale dans lequel l'air s'élève sous les tropiques, se déplace vers les pôles puis s'enfonce lentement sur ceux-ci, en influençant en retour la troposphère à haute latitude. Elles peuvent ainsi influencer le climat. Les sources principales de ces ondes sont les orages atmosphériques et l'action du vent sur le relief. L'analyse de la dynamique de l'atmosphère présente un enjeu scientifique important pour l'amélioration des modèles atmosphériques, la prévision météorologique et les études de climat. Elle présente également un enjeu pour les traitements opérationnels des données des réseaux limités par le manque de précision des modèles atmosphériques actuels. Ces études seront menées dans le cadre du projet Européen ARISE (Atmospheric dynamics Research Infrastructure in Europe) qui rassemble le réseau infrason SSI, le réseau lidar (NDAAC) et le réseau d'observation de la couche luminescente mésosphérique (NDMC) pour fournir une image 3D des perturbations de l'atmosphère et des couplages des différentes couches atmosphériques. Objectif de la thèse : Le sujet de thèse porte sur l'identification et l'analyse des ondes de gravité et sur l étude de leur impact sur la dynamique de l atmosphère et le climat. Les données utilisées sont celles de campagnes de mesure spécifiques et de données archivées du réseau infrason. Des modèles de propagation existants ou développés dans le cadre de la thèse seront utilisés pour l'interprétation des données. Déroulement de la thèse : Dans une première phase, le travail consiste à étudier les données basse fréquence de certaines stations représentatives de conditions géophysiques particulières (régions équatoriales, tropicales ou haute latitude). Le seuil de détectabilité ainsi que la directivité seront estimés. Les sources possibles des ondes seront identifiées. Leurs caractéristiques seront déterminées et paramétrées. Dans une seconde phase, on identifiera les systèmes d'ondes de gravité susceptibles d'affecter la circulation atmosphérique à une échelle globale. Une base de données des paramètres représentatifs de ces ondes sera réalisée. On évaluera l'ampleur du forçage dynamique de la stratosphère en fonction de l'activité des ondes de gravité dans le but de paramétrer les modèles de circulation générale de l'atmosphère. Enfin, la propagation des ondes de gravité sera modélisée. On s'appuiera sur les modèles existants pour modéliser la propagation des ondes de gravité, les possibilités de pénétration dans la stratosphère et leur rôle dans la dynamique de l'atmosphère. Ces études seront réalisées en collaboration avec les laboratoires de l'ipsl impliqués dans la dynamique de l'atmosphère et le climat. Compétences : Connaissances dans le domaine de la géophysique et celui du traitement de données. Le candidat devra maîtriser les outils de programmation. Le travail demandé est interdisciplinaire et fait intervenir des interactions avec d'autres organismes au niveau national et international. Débouchés : A l issue de la thèse, le candidat aura acquis une double compétence en traitement du signal et exploitation de réseaux et en modélisation dans le domaine de la propagation des ondes, de la dynamique atmosphérique et de son effet sur le climat. Le sujet proposé lui permettra d avoir des collaborations avec différents laboratoires de l IPSL et de s intégrer dans les réseaux scientifiques portant sur ces thématiques. Il pourra trouver des débouchés dans ces domaines. Directeur de thèse : Co-Directeur, contact : à définir (LATMOS) Elisabeth Blanc - CEA/DAM Ile-de-France SL-DAM-13 12/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

13 Atmosphère et géophysique Modélisation de l influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores à grande distance Contexte : Dans le contexte du Traité d'interdiction Complète des Essais Nucléaires, le Système de Surveillance International développe un réseau de stations micro-barométriques mesurant les ondes infrasonores. Ces ondes acoustiques très basses fréquences (0.05 à 10 Hz) sont émises par des sources variées (explosions, volcans, météorites...) et peuvent se propager sur des milliers de kilomètres. Objectif de la thèse : La propagation des ondes infrasonores est fortement influencée par les conditions atmosphériques à l'échelle globale mais également par les petites structures de l'atmosphère. Ces hétérogénéités, par leur caractère aléatoire, induisent des variabilités spatiales et temporelles des caractéristiques des signaux mesurés aux stations barométriques. D'un point de vue opérationnel, les capacités de détection et de caractérisation de la source en sont impactées. L'objectif de la thèse consiste à modéliser et à caractériser l'influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores. Déroulement de la thèse : Le sujet proposé consiste à développer des modèles physiques et numériques de propagation des ondes acoustiques en milieu aléatoire. Des simulations en atmosphère réaliste seront ensuite appliquées afin de confronter, de manière statistique, les modèles à des mesures. Des modèles des petites échelles de l'atmosphère basés sur les modèles d'ondes de gravité de la littérature seront d'abord développés. Le scattering des ondes infrasonores par ces hétérogénéités, qui s'apparente à de la turbulence hétérogène et anisotrope, sera ensuite introduit dans des modèles de propagation. Les méthodes de tracé de rayons, de l'approximation parabolique et des différences finies seront adaptées et développées afin d'intégrer ce phénomène en plus des effets non linéaires, de l'absorption atmosphérique et de la météorologie grande échelle. Enfin, l'influence des petites échelles de l'atmosphère sur l'azimut, le temps d'arrivée et la vitesse apparente des ondes infrasonores ainsi que sur le niveau de pression et la signature acoustique sera étudiée notamment en comparaison avec des mesures réalisées au CEA/DIF. Directeur de thèse : Ecole doctorale : Contact : Philippe Blanc-Benon, Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'acoustique UMR CNRS 5509, Ecole centrale de Lyon Mécanique Energétique Génie civil, Acoustique (MEGA) Ecole centrale Lyon Olaf Gainville - CEA/DAM Ile-de-France SL-DAM-13 Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 13/130

14 Atmosphère et géophysique Impact des incertitudes atmosphériques sur la dynamique des ondes de gravité Contexte : Au CEA, la simulation numérique est largement utilisée dans les domaines où les expériences contrôlées ne sont pas accessibles (astrophysique, géophysique). Dans tous les cas, les modèles prennent en entrée des jeux de données qui peuvent être peu ou mal connus, soit du fait d'incertitudes épistémiques, par exemple dans le cas des paramètres physiques, soit du fait d'une variabilité inhérente au milieu de propagation. Dans l'analyse de la propagation atmosphérique des ondes acoustiques, un des problèmes récurrents est l'évaluation de l'impact sur les signaux acoustiques de la variabilité naturelle du climat et, en particulier, d'évènements rares au sens probabiliste du terme. La variabilité naturelle peut être décrite par trois composantes : les variations guidées par des forçages externes purement périodiques (cycle diurne ou saisonnier), celles dues à des mécanismes de rétroaction internes au climat (effets non linéaires) et celles associées à des fluctuations aléatoires. Ces trois composantes sont liées, par exemple par le transfert de quantité de mouvement angulaire des ondes internes, qui permet à des perturbations générées dans la troposphère de se propager jusqu'à la stratosphère pour y causer divers effets : éloignement des conditions d équilibre radiatif, circulation de Brewer-Dobson, réchauffements stratosphériques soudains, Oscillation Quasi-Biennale... En fait, notre compréhension de la dynamique de l'atmosphère repose en grande partie sur l'utilisation de modèles quasi-géostrophiques qui ne permettent pas de décrire la dynamique des ondes internes et les incertitudes associées. Bien que ces ondes soient connues pour être à l'origine de turbulences dans la stratosphère, qui est une région critique pour la réfraction des ondes acoustiques, on sait assez peu de choses quant à leur importance dans le contexte de la propagation des infrasons. Au sein du laboratoire, nous avons obtenu plusieurs résultats théoriques pour des configurations génériques (jet, couche limite). Mais l'absence de modèle pour décrire l'ensemble des sources d'ondes internes dans l'atmosphère exclut les approches déterministes pour des configurations réalistes. Objectif de la thèse : L'objectif de cette thèse est double. Il s'agira tout d'abord d'évaluer l'impact d'une composante aléatoire sur la dynamique des ondes atmosphériques. Pour cela, on s'appuiera sur une description stochastique des ondes internes et un modèle linéaire bruité (de type Taylor Goldstein - Langevin). Parallèlement, on cherchera à caractériser le rôle des interactions entre ondes internes et ondes acoustiques (infrasons) à partir d'un modèle de dynamique non linéaire simplifié. Déroulement de la thèse : Dans un premier temps, il sera nécessaire d'estimer les lois de probabilité des paramètres d'entrée à partir des données et modèles de dynamique stratosphérique connus, en précisant notamment le rôle joué par les ondes internes. Cette étape comprend une étude de la variabilité de l'atmosphère à plusieurs échelles. Les lois des paramètres d'entrée, en général non gaussiennes, serviront d'entrée pour étudier la sensibilité des solutions d'une classe d'opérateurs linéaires «bruités». Les solutions seront obtenues à partir d'une méthode spectrale (décomposition en modes normaux) et de techniques asymptotiques (échelles multiples, WKB). On adaptera pour cela un code déjà existant au laboratoire et exploité dans le cadre de deux thèses récentes [1-3]. On pourra exploiter certaines méthodes de décomposition spectrale permettant de représenter la réponse du modèle complet sur une base adaptée (des polynômes de chaos ou des modes globaux). On effectuera ensuite une étude de stabilité généralisée (détermination de la perturbation optimale en contexte stochastique) afin de caractériser les configurations atmosphériques critiques et comprendre les mécanismes de transition d'une configuration à l'autre en présence de bruit. 14/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

15 Intégration aux travaux existants : De récents travaux, réalisés en partie dans le cadre du projet européen ARISE initié par le CEA en 2011, ont permis d'avoir une première estimation des incertitudes associées au milieu de propagation. Les caractéristiques de l'atmosphère ont été obtenues à partir de différentes sources de données (codes de météorologie, lois empiriques) en tenant compte, en plus des données, d un modèle physique d atmosphère. Ces travaux ont permis de caractériser la variabilité des profils de températures dans la mésosphère, via notamment des comparaisons à des données satellites de la NASA et à des profils Lidars. Ces travaux constituent un bon point de départ pour la quantification des incertitudes. Au laboratoire, la propagation des infrasons est étudiée principalement dans un cadre linéaire (ou faiblement non linéaire) qui permet de ramener le problème à l'analyse de la réponse impulsionnelle de l'équation d'onde, de Rayleigh ou de Taylor-Goldstein selon les cas. Mais bien qu'on ait intérêt, ne serait-ce que pour des questions de coût, à utiliser des modèles linéaires, il faut s'attendre à ce que, dans certaines configurations atmosphériques, les tendances statistiques des sorties des codes soient biaisées ou n'aient aucun sens physique. Ce constat a motivé le passage à des modèles plus élaborés, basés sur les équations de la climatologie et la méthode des éléments finis (FreeFem++). Cette thèse pourrait être un bon moyen de valoriser ces codes dans un contexte stochastique. Certains phases de la thèse pourront nécessiter des déplacements au NCPA (National Center for Physical Acoustics, University of Mississippi). Directeur de thèse et école doctorale : Didier UCOR Contact : Christophe MILLET - CEA/DAM/DIF Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 15/130

16 Atmosphère et Géophysique Traitement statistique du signal pour les sources infrasonores Contexte : Dans le cadre de ses missions de surveillance, le CEA/DASE exploite en routine les données du SSI (Système de Surveillance International) mis en place dans le cadre de la vérification du TICE (Traité d'interdiction Complète des Essais). A ce jour, plus de 70% des stations infrasons du SSI sont opérationnelles. Chaque station est constituée de plusieurs capteurs basse fréquence distants de ~100 m à 1 km. Pour certaines stations, plus de 10 ans d enregistrements continus très basses fréquences ( Hz) sont maintenant disponibles. Pour localiser une source, un des problèmes principaux est la détection en temps réel de la présence du signal dans du bruit ainsi que l estimation de sa direction d arrivée et de sa vitesse de propagation. Le front d onde qui traverse la station est supposé plan. Le traitement est essentiellement basé sur l estimation des décalages temporels entre capteurs de la station. Un algorithme utilisé est PMCC (Progressive Multi-Channel Correlation). Il est basé sur l ajout progressif des capteurs en considérant des configurations triangulaires de dimensions croissantes. Cette méthode est à ce jour une référence internationale pour la détection et l'estimation des caractéristiques des signaux infrasonores. Objectif de la thèse : Les retours d expérience sur l utilisation de PMCC montrent que les résultats sont parfois erronés. Les causes en sont notamment que l algorithme de détection a été développé et optimisé pour des stations à géométrie optimale (nombre important de capteurs répartis de façon uniforme). Dans des situations dégradées, le traitement s effectue avec un nombre réduit de capteurs qui ne sont pas uniformément répartis. De nouvelles méthodes sont explorées dans le but d améliorer le détecteur. Pour la détection, on s'est intéressé au rapport de vraisemblance généralisé et pour l'estimation du couple azimut-vitesse horizontale, un estimateur du maximum de vraisemblance. Les algorithmes proposés sont à rapprocher d'algorithmes qui ont fait l'objet de publications récentes. Sur la base des résultats déjà obtenus, l objectif de la thèse est de proposer des pistes d amélioration de PMCC, parmi lesquelles l amélioration de l estimation des écarts de temps d arrivée et la prise en compte de la topologie du réseau pour minimiser les erreurs d estimation. Déroulement de la thèse : Dans la continuité des travaux déjà réalisés, plusieurs pistes d amélioration et méthodes alternatives seront explorées : estimation par corrélation temporelle des inter-délais entre capteurs, approche adaptative du calcul des seuils de détection, éventuellement approche de type CFAR (Constant False Alarm Receiver), approche fréquentielle, méthodes de fusion des résultats obtenus sur plusieurs cellules temps-fréquence, analyse statistique des méthodes de maximum de corrélation, prenant en compte un a priori sur le contenu spectral des signaux d'intérêt, estimation/détection en présence de bruit coloré. Dans un premier temps, pour évaluer les performances des différentes méthodes et critères de détection proposés, des bases contrôlées de signaux synthétiques et réels seront constituées. Elles seront représentatives des conditions réelles de détection, tant concernant la diversité des signaux que la variabilité du bruit de fond. Il sera alors demandé d établir systématiquement des courbes ROC (Receiver Operating Characteristics) en dégradant progressivement la configuration des stations. Dans un second temps, ces méthodes seront évaluées sur des bases historiques d enregistrements continus. Compétences requises : Ce sujet convient à des étudiants intéressés par le traitement des données (traitement du signal, statistiques, méthodes d inversion et d optimisation), la propagation des ondes acoustiques et la géophysique. De bonnes aptitudes à la programmation sont appréciées. Ce travail se situant à la frontière entre plusieurs disciplines, il nécessite une capacité à interagir avec des experts de différents domaines. Débouchés éventuels : Ce travail de thèse permettra à l'étudiant d'acquérir une expérience importante dans le domaine du traitement du signal, de la géophysique, et de la surveillance de l environnement. S effectuant en étroite liaison avec des réseaux scientifiques nationaux et internationaux, il devrait permettre au thésard d établir de nombreux contacts pouvant offrir des débouchés dans le monde académique et industriel. Directeur de thèse et école doctorale : Maurice Charbit - Telecom ParisTech Contact : Alexis Le Pichon CEA/DAM Ile de France /130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

17 Atmosphère et géophysique Séries temporelles en interférométrie radar : nouvelles techniques de mesures de déformations Contexte : Les constellations de satellites radar actuels et futurs permettent d acquérir un très grand nombre d images sur une zone d observation. Ainsi, les techniques de traitement des interférogrammes pour obtenir des mesures de déformation ont évolué afin de tirer avantage du grand nombre de données. Des techniques exploitant la redondance des interférogrammes (MuLSAR [3], SqueeSAR [2]) permettent d améliorer significativement la qualité du signal de phase sur les interférogrammes. Un premier volet de la thèse consistera à la comparaison des différentes méthodes existantes : tout d abord, d un point de vue théorique par l étude de la statistique de la phase sur les interférogrammes avant et après traitement ; ensuite d un point de vue pratique à travers l application de ces méthodes sur différents cas tests. Il conviendra ensuite d exploiter au mieux ces méthodes afin d obtenir in fine des mesures de déformation grâce aux techniques de type «Permanent Scatterers». En particulier, cette méthode pourra être améliorée pour prendre en compte des modèles temporels de déformation plus variés que ceux proposés par cette technique. D autre part, les capteurs radar actuels fonctionnent avec des bandes de fréquence, des résolutions et des géométries d acquisition différentes (métrique en bande X, pluri-métrique en bandes C et L). Il n existe pas pour l instant de méthode permettant d exploiter conjointement ces données de nature différente. Le traitement de données interférométriques dans différentes bandes permettra d améliorer considérablement les mesures de déformations tectoniques, qu elles soient intersismiques, co-sismiques ou post-sismiques, car la sensibilité des capteurs aux déformations, leur résolution spatiale et leur temps de revisite diffèrent. En fusionnant ces différentes mesures, les déformations pourront être mesurées de manière plus complète et précise. En particulier, la bande L permettra d étudier la déformation de zones à fort couvert végétal où les bandes C et X donnent un signal très bruité, alors que la bande X apporte une précision de mesure et une résolution meilleures que les deux autres bandes. De plus, l analyse multi-bandes et multi-résolution pourra conduire à la caractérisation d un objet en fonction du signal rétrodiffusé. Objectif de la thèse : La thèse proposée a pour but d améliorer les mesures de déformation à partir de grandes séries temporelles en interférométrie radar. Elle exploitera des interférogrammes produits à partir d images de différents capteurs en bande L, C et X afin de fusionner les différentes informations. La thèse comparera et intégrera différents traitements en interférométrie radar pour obtenir une méthode robuste de traitement de séries temporelles d interférogrammes. Les applications visées sont le suivi de déformations tectoniques ou anthropiques. Il conviendra également de progresser dans le domaine de la reconnaissance d objets par imagerie radar. Déroulement de la thèse : La thèse s articulerait en trois volets : - Dans un premier temps, une étude bibliographique sera menée concernant les différentes méthodes de traitement de séries temporelles (Permanent Scatterers/SqueeSAR/MuLSAR). - Etude d une méthode de type Permanent Scatterers prenant en compte les différents types de capteurs. Comparaison des méthodes MuLSAR et SqueeSAR. - Etude multi-capteur du signal rétrodiffusé d un objet pour la reconnaissance de structures 3D. Les données utilisées seront celles des satellites ALOS 2 (bande L, lancement prévu en janvier 2013), Sentinel (bande C, lancement prévu en 2013), TERRASAR-X et Cosmo-Skymed (bande X). Références : [1] Ferretti, A., C. Prati, and F. Rocca, Permanent Scatterers in SAR Interferometry, IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 39, NO. 1, JANUARY 2001, p [2] Ferretti, A., Alfio Fumagalli, Fabrizio Novali, Claudio Prati, Fabio Rocca, and Alessio Rucci, A New Algorithm for Processing Interferometric Data-Stacks: SqueeSAR, IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 49, NO. 9, SEPTEMBER 2011, p [3] Pinel-Puysségur B., R. Michel and J.-Ph. Avouac, Multi-Link InSAR Time Series: Enhancement of a Wrapped Interferometric Database, IEEE J. of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 5, 3, p , doi: /jstars Contact : Béatrice Pinel-Puysségur - CEA/DAM/DIF Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 17/130

18 Atmosphère et géophysique Variations latérales de sismicité micrustale le long d un méga-chevauchement Contexte : Les variations latérales de sismicité le long des failles actives chevauchantes sont suspectées traduire des variations latérales (1) de géométrie des structures tectoniques (e.g. variations de pendage, présences de rampes micrustale) et de leur cinématique (2) de la structure thermique qui contrôle la position de la transition fragile ductile sur la faille principale mais aussi (3) de l état de contrainte local, un état de contrainte dépendant pour partie du stade du segment de faille dans le cycle sismique. De ce fait ces variations pourraient traduire la segmentation en aspérités cosismiques de ces failles, et par là même leur potentiel sismogène. Peu de contextes géodynamiques sont toutefois suffisamment bien connus pour que la contribution de chacun de ces mécanismes soit estimée. Objectif de la thèse : Caractériser la segmentation en aspérité cosismique des failles chevauchantes au travers de l étude des variations latérales de sismicité. Au même titre que Taiwan, les longmen Shan ou certaines régions du Japon, l Himalaya du Népal apparaît être un des laboratoires naturels les plus propices à la résolution de cette problématique. En effet, les variations latérales de vitesses de raccourcissement sont résolues grâce à la présence de 25 stations cgps et de mesures de la déformation intersismique par InSAR. Les variations latérales de structures tectoniques sont contraintes par des coupes équilibrées levées systématiquement au travers de la chaîne tandis que la structure thermique est contrainte par de nombreuses données pétrométamorphiques et thermochronologiques basse et moyenne température. La connaissance de l état de contrainte local est très dépendante des fortes incertitudes sur l extension de la rupture des séismes historiques. En revanche, malgré ses qualités indéniables, la sismicité issue du catalogue NSC-DASE, si elle présente des variations latérales bien résolues en terme de taux et de distribution fréquence/magnitude, ne présente pas une résolution suffisante pour estimer quelle part est présente : (a) dans la zone de cisaillement du grand chevauchement Himalayen, (b) dans les lobes d augmentation de contrainte de Coulomb statique dans le hanging- et le foot-wall ou (c) sur des plans de ruptures distincts (e.g. sur des failles chevauchantes hors-séquence). Un travail de relocalisation de la sismicité locale s avère donc nécessaire. Il intégrera une étape de confrontation/mixing des données locales acquises au réseau national NSC avec des données acquises par des réseaux temporaires denses (Hiclimb/Himnt/éventuel réseau temporaire dense Far West Nepal dans le cadre de l ANR Bhutanepal ), une détermination des profondeurs des plus forts séismes par des données acquises à des distances télésismiques, ainsi que l application de l état de l art en terme de technique de relocalisation. Déroulement de la thèse : Les principales étapes de la thèse sont les suivantes : - Intégration des données des réseaux temporaires et permanent en base. - Déploiement/acquisition réseau temporaire FarWestern Nepal si financé par ANR. - Détermination des profondeurs des plus forts événements micrustaux locaux enregistrés à distance télésismiques. - Inversion de forme-d onde des plus forts séismes du réseau FarWestern Nepal le cas échéant. - Analyse des variations spatiales de la microsismicité micrustale. - Calcul des variations de contraintes statiques inter- cosismiques. - Confrontation des variations de sismicité avec les variations latérales de structures tectoniques/thermiques/état de contrainte. Directeurs de thèse et école doctorale : H. Lyon-Caen (ENS) Contact : - CEA/DAM/DIF Cofinancement: LRC. ANR blanche Bhutanepal si financée en 2013 (sur liste d attente en 2012) 18/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

19 Atmosphère et géophysique Evaluation et optimisation des performances d un réseau infrason global de surveillance de sources volcaniques Contexte : Dans le cadre de ses missions de surveillance, le CEA exploite en routine les données du SSI (Système de Surveillance International) mis en place dans le cadre de la vérification du TICE (Traité d'interdiction Complète des Essais). A ce jour, plus de 70% des stations infrasons (0.02 à 4 Hz) du SSI sont opérationnelles. Le retraitement de l historique de ces données montre l existence de nombreux signaux d origines artificielles (explosions, activité industrielle) ou naturelles (houle océanique, météorites, volcans, séismes). Cette base de détections est unique et a jusqu à présent été peu exploitée. Parmi ces sources, les volcans constituent des sources uniques référencées pour étudier la propagation, calibrer des modèles d atmosphère et évaluer les capacités de détection et de localisation du réseau de surveillance. Par ailleurs, l exploitation routinière de certaines stations du SSI montre clairement l intérêt de ces données pour surveiller certaines zones géographiques (Equateur, Papouasie, Vanuatu ). Dans ce contexte, les expériences prototypes Acoustic Surveillance for Hazardous Eruptions (ASHE, projet américain), ou le projet Européen ARISE (Atmospheric dynamics InfraStructure in Europe) démontrent l intérêt d un tel système pour compléter les dispositifs existants de surveillance volcanique pour la sécurité du transport aérien. Objectif de la thèse : Cette thèse a pour objectif d évaluer les performances du réseau infrason existant du SSI pour détecter des volcans actifs. A partir de cette étude, des méthodes de recherche de configurations optimales de réseau de surveillance (nombre de stations, implantation) seront mises en œuvre. Elles devront tenir compte des effets conjugués de bruit de fond aux stations et de propagation des ondes dans l atmosphère. L apport de ces enregistrements par rapport à d autres techniques de mesures (satellite, sismique, émission de gaz) sera évalué. Déroulement de la thèse : Une analyse systématique et globale de l historique des détections sera tout d abord réalisée en exploitant des bulletins d activité volcanique (Smithsonian Institution, USGS ). Des modèles opérationnels de vents et de température en altitude seront utilisés pour expliquer les variations saisonnières et diurnes des paramètres du front d onde enregistré sur les stations. En tenant compte des caractéristiques des signaux enregistrés (fréquence, amplitude ) et des effets liés à la propagation, l activité des volcans détectés sera décrites (intensité et durée des explosions). Des méthodes de classification neuronales pourront être utilisées pour l identification des sources volcaniques. Une étude des performances du réseau existant en termes de capacité de détection et de localisation sera ensuite menée. Elle tiendra compte des variabilités saisonnières et journalières des conditions de propagation et des niveaux de bruit. Des méthodes globales d optimisation de configuration d un réseau (nombre de stations, implantation géographique) seront enfin mises en œuvre pour détecter et localiser avec un niveau de confiance donné des volcans peu instrumentés. Ces travaux permettront de quantifier les performances d un réseau infrason pour surveiller à grandes distances, en complément d autres systèmes d observation, des sources éruptives dans des régions d intérêts. Cette thèse sera menée en collaboration avec des observatoires volcanologiques (IPGP, Université de Florence). Des interactions avec le projet ARISE (http://arise-project.eu) seront encouragées. Compétences requises : Ce sujet convient à des étudiants intéressés par la géophysique, la physique de l atmosphère, la propagation des ondes acoustiques et le traitement des données (traitement du signal, méthodes d inversion et d optimisation). Ce travail se situant à la frontière entre plusieurs disciplines, il nécessite une capacité à interagir avec des experts de différents domaines. Débouchés éventuels : Ce travail de thèse permettra à l'étudiant d'acquérir une expérience importante dans le domaine de la géophysique, de la surveillance de l environnement et du traitement du signal. S effectuant en étroite liaison avec des réseaux scientifiques nationaux et internationaux, il devrait permettre au doctorant de nombreux contacts pouvant offrir des débouchés. Directeurs de thèse et école doctorale : Alexis Le Pichon CEA/DAM/DIF - Elisabeth Blanc CEA/DAM/DIF Ecole doctorale de l IPG-Paris Contact : Alexis Le Pichon - CEA/DAM/DIF Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 19/130

20 Atmosphère et géophysique Contribution à la discrimination de source et à la caractérisation de la propagation sismique régionale par analyse en réseau 3 composantes Contexte : Ce sujet se place dans la continuité des thèses portant sur le traitement d'antenne sismologique déjà effectuées en collaboration avec les laboratoires Isterre et Gipsa Lab de Grenoble (Schissele E. 2002, Schissele et al. 2003). Dans le cadre du Traité d'interdiction Complète des Essais nucléaires (TICE), un réseau global de stations de détection a été mis en place afin de certifier le bon respect des accords. Les réseaux de faible ouverture (mini-réseau ou antenne) ont une importance primordiale grâce à leur haut niveau de détection. Le CEA dispose d'une solide expérience dans le domaine du traitement d'antennes sismique et infrason. Les algorithmes d analyse d antenne développés par le CEA (Cansi 1995) sont reconnus par la communauté scientifique et sont utilisés en traitements temps réel et interactifs au Centre International de Données à Vienne. Objectif de la thèse : A distance régionale, les caractéristiques du signal sismique qu elles soient temporelle, fréquentielle ou énergétique sont très fortement contrôlées par la propagation, et notamment le scattering, dans les milieux hétérogènes que sont la croute et la lithosphère. De plus, la caractérisation d événements de toujours plus faible magnitude impose de travailler, d une part, sur une gamme de fréquences élevées, mais aussi, avec des signaux enregistrés à distance régionale, dans des domaines fréquentiel et spatial où l effet de la variabilité de la propagation est le plus marqué. Cette complexité de la propagation régionale peut rendre totalement inefficace l utilisation de discriminants classiques du type rapport d énergie P/S (Pn/Lg, etc..), notamment lorsque certaines phases présentent une très forte atténuation (blocage des phases Lg). L analyse par traitement d antenne sismique a démontré depuis longtemps son intérêt pour la surveillance sismique notamment dans le cadre du TICE. Récemment, plusieurs études ont souligné l intérêt que pourrait constituer l extension de ces méthodes de traitement en réseau à des réseaux de stations sismiques 3 composantes. En effet, l introduction d informations relatives à la polarisation des ondes a fourni des résultats encourageants notamment en termes de séparation et caractérisation du champ d onde sismique (Hobiger et al 2011), de localisation et d identification des sources du scattering (Nishigami and Matsumoto 2008) mais aussi de discrimination (Gibbons et al 2011 ou Kim et al 1997). L objectif de cette thèse est double. Tout d abord, elle aura pour ambition la mise en place d une nouvelle approche intégrant dans un même outil les techniques d antenne haute résolution avec l analyse de la polarisation du champ d onde sismique à partir de réseau de stations 3 composantes. D autre part, elle s intéressera à montrer l apport de cette nouvelle approche en termes de séparation et d analyse du champ d onde régional (identification et origine du scattering) mais aussi de discrimination de la source sismique. Déroulement de la thèse : Dans un premier temps, l'étudiant reprendra l'ensemble des programmes disponibles au sein de LDG et traitera des données provenant de simulations numériques et de données réelles 3 composantes de l expérimentation Mongolie de Il effectuera en parallèle une étude bibliographique poussée de différentes approches actuellement opérationnelle dans les laboratoires de référence. Ces programmes de traitement seront étendus en deux puis trois composantes pour tester la validité de ces algorithmes (1D à 3D) et effectuer des comparaisons de détectabilité bas niveau des ondes de surface. 20/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

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