A Time Domain Volume Integral Equation Solver to Analyze Electromagnetic Scattering from Nonlinear Dielectric Objects

A time domain electric field volume integral equation (TD-EFVIE) solver is proposed for analyzing electromagnetic scattering from dielectric objects with Kerr nonlinearity. The nonlinear constitutive relation that relates electric flux and electric field induced in the scatterer is used as an auxiliary equation that complements TD-EFVIE. The ordinary differential equation system that arises from TD-EFVIE's Schaubert-Wilton-Glisson (SWG)-based discretization is integrated in time using a PE(CE)m scheme for the unknown expansion coefficients of the electric field. Matrix systems that arise from the SWG-based discretization of the nonlinear constitutive relation and its inverse obtained using the Pade approximant are used to carry out explicit updates of electric field and electric flux expansion coefficients at the predictor (PE) and the corrector (CE) stages. The resulting explicit marching-on-in-time (MOT) scheme does not call for any Newton-like nonlinear solver and only requires solution of sparse and well-conditioned Gram matrix systems at every step. Numerical results show that the proposed explicit MOT-based TD-EFVIE solver is more accurate than the finite-difference time-domain method that is traditionally used for analyzing transient electromagnetic scattering from nonlinear objects

Fourier Based Fast Multipole Method for the Helmholtz Equation

The fast multipole method (FMM) has had great success in reducing the computational complexity of solving the boundary integral form of the Helmholtz equation. We present a formulation of the Helmholtz FMM that uses Fourier basis functions rather than spherical harmonics. By modifying the transfer function in the precomputation stage of the FMM, time-critical stages of the algorithm are accelerated by causing the interpolation operators to become straightforward applications of fast Fourier transforms, retaining the diagonality of the transfer function, and providing a simplified error analysis. Using Fourier analysis, constructive algorithms are derived to a priori determine an integration quadrature for a given error tolerance. Sharp error bounds are derived and verified numerically. Various optimizations are considered to reduce the number of quadrature points and reduce the cost of computing the transfer function.Comment: 24 pages, 13 figure

Joint Channel Estimation and Detection for Multi-Carrier MIMO Communications

In MIMO OFDM systems, channel estimation and detection are very important. Pilot-based channel estimation using BEMs is widely used for approximating time-frequency variations of doubly-selective channels. BEMs can provide high estimation performance with low computational load. Data-aided channel estimation outperforms the pilot-based estimation. The data-aided estimation iteratively improves estimates using tentative data symbols and corresponding adaptive weights (reweighted channel estimation). These weights are computed assuming Gaussian data errors, which is inapplicable to OFDM. In this thesis, this assumption is however shown to improve the channel estimation performance. The reweighted channel estimation is shown to significantly outperform the unweighted estimation. Most often used mismatched receivers assume perfect channel estimates when detecting data symbols. However, due to limited pilot symbols and data errors, the channel estimates are imperfect, resulting in a degraded detection performance. The optimal receiver without explicit channel estimation significantly outperform mismatched receivers. However, its complexity is high. To reduce the complexity, a receiver that combines mismatched and optimal detection is proposed. The optimal detection is only applied to data symbols unreliably detected by the mismatched detector, identified using weights computed in the reweighted estimator. The channel estimator and the optimal receiver require the knowledge of channel statistics, which are unavailable and difficult to acquire. To overcome this, an adaptive regularization using the cross-validation criterion is introduced, which finds a regularization matrix providing best channel estimates. The proposed receiver has a reduced complexity than the optimal receiver and provides close-to-optimal detection performance without the knowledge of channel PDP. The adaptive regularization is extended to joint estimation of the Doppler-delay spread and channel. The Doppler and delay spread corresponding to the optimal regularization are selected as their estimates. This approach outperforms other known techniques and provides channel estimation performance close to that obtained with perfect channel statistics

The detection of unknown waveforms in ESM receivers: FFT-based real-time solutions

Radars and airborne electronic support measures (ESMs) systems are locked in a tactical battle to detect each other whilst remaining undetected. Traditionally, the ESM system has a range advantage. Low probability of intercept (LPI) waveform designers are, however, more heavily exploiting the matched filter radar advantage and hence degrading the range advantage. There have been literature and internal, SELEX Galileo proposals to regain some ESM processing gain of low probability of intercept (LPI) waveforms. This study, however, has sought digital signal processing (DSP) solutions which are: (1) computationally simple; (2) backward-compatible with existing SELEX Galileo digital receivers (DRxs) and (3) have low resource requirements. The two contributions are complementary and result in a detector which is suitable for detection of most radar waveforms. The first contribution is the application of spatially variant apodization (SVA) in a detection role. Compared to conventional window functions, SVA was found to be beneficial for the detection of sinusoidal radar waveforms as it surpassed the fixed window function detectors in all scenarios tested. The second contribution shows by simulation that simple spectral smoothing techniques improved DRx LPI detection capability to a level similar to more complicated non-parametric spectral estimators and far in excess of the conventional (modified) periodogram. The DSP algorithms were implemented using model-based design (MBD). The implication is that a detector with improved conventional and LPI waveform detection capability can be created from the intellectual property (IP). Estimates of the improvement in SELEX Galileo DRx system detection range are provided in the conclusion

Synchronisation, détection et égalisation de modulation à phase continue dans des canaux sélectifs en temps et en fréquence

Si les drones militaires connaissent un développement important depuis une quinzaine d’année, suivi depuis quelques années par les drones civiles dont les usages ne font que se multiplier, en réalité les drones ont un siècle avec le premier vol d’un avion équipé d’un système de pilotage automatique sur une centaine de kilomètre en 1918. La question des règles d’usage des drones civiles sont en cours de développement malgré leur multiplication pour des usages allant de l’agriculture, à l’observation en passant par la livraison de colis. Ainsi, leur intégration dans l’espace aérien reste un enjeu important, ainsi que les standards de communication avec ces drones dans laquelle s’inscrit cette thèse. Cette thèse vise en effet à étudier et proposer des solutions pour les liens de communications des drones par satellite.L’intégration de ce lien de communication permet d’assurer la fiabilité des communications et particulièrement du lien de Commande et Contrôle partout dans le monde, en s’affranchissant des contraintes d’un réseau terrestre (comme les zones blanches). En raison de la rareté des ressources fréquentielles déjà allouées pour les futurs systèmes intégrant des drones, l’efficacité spectrale devient un paramètre important pour leur déploiement à grande échelle et le contexte spatiale demande l’utilisation d’un système de communication robuste aux non-linéarités. Les Modulations à Phase Continue permettent de répondre à ces problématiques. Cependant, ces dernières sont des modulations non-linéaire à mémoire entraînant une augmentation de la complexité des récepteurs. Du fait de la présence d’un canal multi-trajet (canal aéronautique par satellite), le principal objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes d’égalisation (dans le domaine fréquentiel pour réduire leur complexité) et de synchronisation pour CPM adaptés à ce concept tout en essayant de proposer une complexité calculatoire raisonnable. Dans un premier temps, nous avons considéré uniquement des canaux sélectifs en fréquence et avons étudier les différents égaliseurs de la littérature. En étudiant leur similitudes et différences, nous avons pu développer un égaliseur dans le domaine fréquentiel qui proposant les mêmes performances a une complexité moindre. Nous proposons également des méthodes d’estimation canal et une méthode d’estimation conjointe du canal et de la fréquence porteuse. Dans un second temps nous avons montré comment étendre ces méthodes à des canaux sélectifs en temps et fréquence permettant ainsi de conserver une complexité calculatoire raisonnable

Galactic Stellar Haloes in the CDM Model

This thesis studies galactic stellar haloes built up through the tidal disruption of accreted dwarf galaxies. Numerical simulations are used to explore this process in the context of the Cold Dark Matter model of cosmological structure formation. We predict the properties of stellar structures that the next generation of surveys may discover in the Milky Way halo and the haloes of other nearby galaxies. We present six simulations based on the Aquarius project, a suite of high resolution N-body simulations of individual dark matter haloes in a fully cosmological setting. We tag subsets of particles in these simulations with stellar populations predicted by the GALFORM semi-analytic model of galaxy formation. Our method self-consistently tracks the dynamical evolution and disruption of satellites from high redshift. The luminosity function and structural properties of surviving satellites, which agree well with observations, suggest that this technique is appropriate. We find that accreted stellar haloes are assembled between redshifts 1 and 7 from less than 5 significant progenitors. These progenitors are old, metal-rich satellites with stellar masses similar to the brightest Milky Way dwarf spheroidals (100-100 million Solar masses). In contrast to previous stellar halo simulations, we find that several of these major contributors survive as self-bound systems to the present day. Both the number of these significant progenitors and their infall times are inherently stochastic. This results in great diversity among our stellar haloes, which amplifies small differences between the formation histories of their dark halo hosts. The masses (0.1-1 billion Solar masses) and density/surface-brightness profiles of the stellar haloes (from 10 to 100 kpc) are consistent with expectations from the Milky Way and M31. Each halo has a complex structure, consisting of well-mixed components, tidal streams, shells and other subcomponents. This structure is not adequately described by smooth models. The central regions (within 10 kpc) of our haloes are highly prolate (c/a approx. 0.3), although we find one example of a massive accreted thick disc. Metallicity gradients in our haloes are typically significant only where the halo is built from a small number of satellites. We contrast the ages and metallicities of halo stars with surviving satellites, finding broad agreement with recent observations. We examine these simulations from the perspective of an observer located at the position of the Sun. We discuss the apparent smoothness of the halo relative to simple 3D star counts derived from photometric tomography. We then describe a simple correlation function statistic that quantifies the amount of spatial and kinematic substructure in the distant stellar halo. We test this statistic with the simulations we have developed, and find that it can distinguish between a range of realistic alternatives for the global structure of the stellar halo. We show that current observational data from pencil beam surveys of approximately 100 tracer stars (such as the Spaghetti Survey) are not sufficient to constrain the degree of structure in the Milky Way halo with this statistic. Larger area surveys with more than 1000 tracer stars (such BHB stars in the Sloan Digital Sky Survey) provide much tighter constraints on comparisons between CDM models and the Milky Way. Finally, we explore the kinematic structure of accreted stellar haloes in the CDM model. We demonstrate that multicomponent haloes like those of the Milky Way and M31 arise naturally through the accretion of stars from tidally disrupted satellite galaxies. Accreted haloes can reproduce the gross properties of the velocity ellipsoid measured in the Solar neighbourhood, although they can be far from dynamical equilibrium and have complex anisotropy profiles. In particular, halo stars do not trace the dark matter velocity distribution up to the escape velocity in the Solar neighbourhood. This suggests that mass estimates of the Milky Way based on related kinematic measurements may deviate significantly from the true mass, if the stellar halo is built largely though accretion

Atlas Construction for Measuring the Variability of Complex Anatomical Structures

RÉSUMÉ La recherche sur l'anatomie humaine, en particulier sur le cœur et le cerveau, est d'un intérêt particulier car leurs anomalies entraînent des pathologies qui sont parmi les principales causes de décès dans le monde et engendrent des coûts substantiels. Heureusement, les progrès en imagerie médicale permettent des diagnostics et des traitements autrefois impossibles. En contrepartie, la quantité phénoménale de données produites par ces technologies nécessite le développement d'outils efficaces pour leur traitement. L'objectif de cette thèse est de proposer un ensemble d'outils permettant de normaliser des mesures prélevées sur différents individus, essentiels à l'étude des caractéristiques de structures anatomiques complexes. La normalisation de mesures consiste à rassembler une collection d'images dans une référence commune, aussi appelée construction d'atlas numériques, afin de combiner des mesures provenant de différents patients. Le processus de construction inclut deux étapes principales; la segmentation d'images pour trouver des régions d'intérêts et le recalage d'images afin de déterminer les correspondances entres régions d'intérêts. Les méthodes actuelles de constructions d'atlas peuvent nécessiter des interventions manuelles, souvent fastidieuses, variables, et sont en outre limitées par leurs mécanismes internes. Principalement, le recalage d'images dépend d'une déformation incrémentales d'images sujettes a des minimums locaux. Le recalage n'est ainsi pas optimal lors de grandes déformations et ces limitations requièrent la nécessite de proposer de nouvelles approches pour la construction d'atlas. Les questions de recherche de cette thèse se concentrent donc sur l'automatisation des méthodes actuelles ainsi que sur la capture de déformations complexes de structures anatomiques, en particulier sur le cœur et le cerveau. La méthodologie adoptée a conduit à trois objectifs de recherche spécifiques. Le premier prévoit un nouveau cadre de construction automatise d'atlas afin de créer le premier atlas humain de l'architecture de fibres cardiaques. Le deuxième vise à explorer une nouvelle approche basée sur la correspondance spectrale, nommée FOCUSR, afin de capturer une grande variabilité de formes sur des maillages. Le troisième aboutit finalement à développer une approche fondamentalement différente pour le recalage d'images à fortes déformations, nommée les démons spectraux. Le premier objectif vise plus particulièrement à construire un atlas statistique de l'architecture des fibres cardiaques a partir de 10 cœurs ex vivo humains. Le système développé a mené à deux contributions techniques et une médicale, soit l'amélioration de la segmentation de structures cardiaques et l'automatisation du calcul de forme moyenne, ainsi que notamment la première étude chez l'homme de la variabilité de l'architecture des fibres cardiaques. Pour résumer les principales conclusions, les fibres du cœur humain moyen varient de +- 12 degrés, l'angle d'helix s'étend entre -41 degrés (+- 26 degrés) sur l'épicarde à +66 degrés (+- 15 degrés) sur l'endocarde, tandis que l'angle transverse varie entre +9 degrés (+- 12 degrés) et +34 degrés (+- 29 degrés) à travers le myocarde. Ces résultats sont importants car ces fibres jouent un rôle clef dans diverses fonctions mécaniques et électrophysiologiques du cœur. Le deuxième objectif cherche à capturer une grande variabilité de formes entre structures anatomiques complexes, plus particulièrement entre cortex cérébraux à cause de l'extrême variabilité de ces surfaces et de leur intérêt pour l'étude de fonctions cognitives. La nouvelle méthode de correspondance surfacique, nommée FOCUSR, exploite des représentations spectrales car l'appariement devient plus facile et rapide dans le domaine spectral plutôt que dans l'espace Euclidien classique. Dans sa forme la plus simple, FOCUSR améliore les méthodes spectrales actuelles par un recalage non rigide des représentations spectrales, toutefois, son plein potentiel est atteint en exploitant des données supplémentaires lors de la mise en correspondance. Par exemple, les résultats ont montré que la profondeur des sillons et de la courbure du cortex cérébral améliore significativement la correspondance de surfaces de cerveaux. Enfin, le troisième objectif vise à améliorer le recalage d'images d'organes ayant des fortes variabilités entre individus ou subis de fortes déformations, telles que celles créées par le mouvement cardiaque. La méthodologie amenée par la correspondance spectrale permet d'améliorer les approches conventionnelles de recalage d'images. En effet, les représentations spectrales, capturant des similitudes géométriques globales entre différentes formes, permettent de surmonter les limitations actuelles des méthodes de recalage qui restent guidées par des forces locales. Le nouvel algorithme, nommé démons spectraux, peut ainsi supporter de très grandes déformations locales et complexes entre images, et peut être tout autant adapté a d'autres approches, telle que dans un cadre de recalage conjoint d'images. Il en résulte un cadre complet de construction d'atlas, nommé démons spectraux multijoints, où la forme moyenne est calculée directement lors du processus de recalage plutôt qu'avec une approche séquentielle de recalage et de moyennage. La réalisation de ces trois objectifs spécifiques a permis des avancées dans l'état de l'art au niveau des méthodes de correspondance spectrales et de construction d'atlas, en permettant l'utilisation d'organes présentant une forte variabilité de formes. Dans l'ensemble, les différentes stratégies fournissent de nouvelles contributions sur la façon de trouver et d'exploiter des descripteurs globaux d'images et de surfaces. D'un point de vue global, le développement des objectifs spécifiques établit un lien entre : a) la première série d'outils, mettant en évidence les défis à recaler des images à fortes déformations, b) la deuxième série d'outils, servant à capturer de fortes déformations entre surfaces mais qui ne reste pas directement applicable a des images, et c) la troisième série d'outils, faisant un retour sur le traitement d'images en permettant la construction d'atlas a partir d'images ayant subies de fortes déformations. Il y a cependant plusieurs limitations générales qui méritent d'être investiguées, par exemple, les données partielles (tronquées ou occluses) ne sont pas actuellement prises en charge les nouveaux outils, ou encore, les stratégies algorithmiques utilisées laissent toujours place à l'amélioration. Cette thèse donne de nouvelles perspectives dans les domaines de l'imagerie cardiaque et de la neuroimagerie, toutefois, les nouveaux outils développés sont assez génériques pour être appliqués a tout recalage d'images ou de surfaces. Les recommandations portent sur des recherches supplémentaires qui établissent des liens avec la segmentation à base de graphes, pouvant conduire à un cadre complet de construction d'atlas où la segmentation, le recalage, et le moyennage de formes seraient tous interdépendants. Il est également recommandé de poursuivre la recherche sur la construction de meilleurs modèles électromécaniques cardiaques à partir des résultats de cette thèse. En somme, les nouveaux outils offrent de nouvelles bases de recherche et développement pour la normalisation de formes, ce qui peut potentiellement avoir un impact sur le diagnostic, ainsi que la planification et la pratique d'interventions médicales.----------ABSTRACT Research on human anatomy, in particular on the heart and the brain, is a primary concern for society since their related diseases are among top killers across the globe and have exploding associated costs. Fortunately, recent advances in medical imaging offer new possibilities for diagnostics and treatments. On the other hand, the growth in data produced by these relatively new technologies necessitates the development of efficient tools for processing data. The focus of this thesis is to provide a set of tools for normalizing measurements across individuals in order to study complex anatomical characteristics. The normalization of measurements consists of bringing a collection of images into a common reference, also known as atlas construction, in order to combine measurements made on different individuals. The process of constructing an atlas involves the topics of segmentation, which finds regions of interest in the data (e.g., an organ, a structure), and registration, which finds correspondences between regions of interest. Current frameworks may require tedious and hardly reproducible user interactions, and are additionally limited by their computational schemes, which rely on slow iterative deformations of images, prone to local minima. Image registration is, therefore, not optimal with large deformations. Such limitations indicate the need to research new approaches for atlas construction. The research questions are consequently addressing the problems of automating current frameworks and capturing global and complex deformations between anatomical structures, in particular between human hearts and brains. More precisely, the methodology adopted in the thesis led to three specific research objectives. Briefly, the first step aims at developing a new automated framework for atlas construction in order to build the first human atlas of the cardiac fiber architecture. The second step intends to explore a new approach based on spectral correspondence, named FOCUSR, in order to precisely capture large shape variability. The third step leads, finally, to a fundamentally new approach for image registration with large deformations, named the Spectral Demons algorithm. The first objective aims more specifically at constructing a statistical atlas of the cardiac fiber architecture from a unique human dataset of 10 ex vivo hearts. The developed framework made two technical, and one medical, contributions, that are the improvement of the segmentation of cardiac structures, the automation of the shape averaging process, and more importantly, the first human study on the variability of the cardiac fiber architecture. To summarize the main finding, the fiber orientations in human hearts has been found to vary with about +- 12 degrees, the range of the helix angle spans from -41 degrees (+- 26 degrees) on the epicardium to +66 degrees (+- 15 degrees) on the endocardium, while, the range of the transverse angle spans from +9 degrees (+- 12 degrees) to +34 degrees (+- 29 degrees) across the myocardial wall. These findings are significant in cardiology since the fiber architecture plays a key role in cardiac mechanical functions and in electrophysiology. The second objective intends to capture large shape variability between complex anatomical structures, in particular between cerebral cortices due to their highly convoluted surfaces and their high anatomical and functional variability across individuals. The new method for surface correspondence, named FOCUSR, exploits spectral representations since matching is easier in the spectral domain rather than in the conventional Euclidean space. In its simplest form, FOCUSR improves current spectral approaches by refining spectral representations with a nonrigid alignment; however, its full power is demonstrated when using additional features during matching. For instance, the results showed that sulcal depth and cortical curvature improve significantly the accuracy of cortical surface matching. Finally, the third objective is to improve image registration for organs with a high inter-subject variability or undergoing very large deformations, such as the heart. The new approach brought by the spectral matching technique allows the improvement of conventional image registration methods. Indeed, spectral representations, which capture global geometric similarities and large deformations between different shapes, may be used to overcome a major limitation of current registration methods, which are in fact guided by local forces and restrained to small deformations. The new algorithm, named Spectral Demons, can capture very large and complex deformations between images, and can additionally be adapted to other approaches, such as in a groupwise configuration. This results in a complete framework for atlas construction, named Groupwise Spectral Demons, where the average shape is computed during the registration process rather than in sequential steps. The achievements of these three specific objectives permitted advances in the state-of-the-art of spectral matching methods and of atlas construction, enabling the registration of organs with significant shape variability. Overall, the investigation of these different strategies provides new contributions on how to find and exploit global descriptions of images and surfaces. From a global perspective, these objectives establish a link between: a) the first set of tools, that highlights the challenges in registering images with very large deformations, b) the second set of tools, that captures very large deformations between surfaces but are not applicable to images, and c) the third set of tools, that comes back on processing images and allows a natural construction of atlases from images with very large deformations. There are, however, several general remaining limitations, for instance, partial data (truncated or occluded) is currently not supported by the new tools, or also, the strategy for computing and using spectral representations still leaves room for improvement. This thesis gives new perspectives in cardiac and neuroimaging, yet at the same time, the new tools remain general enough for virtually any application that uses surface or image registration. It is recommended to research additional links with graph-based segmentation methods, which may lead to a complete framework for atlas construction where segmentation, registration and shape averaging are all interlinked. It is also recommended to pursue research on building better cardiac electromechanical models from the findings of this thesis. Nevertheless, the new tools provide new grounds for research and application of shape normalization, which may potentially impact diagnostic, as well as planning and performance of medical interventions

Diffusion directions imaging (high resolution reconstruction of white matter fascicles from low angular resolution diffusion MRI)

L'objectif de cette thèse est de fournir une chaine de traitement complète pour la reconstruction des faisceaux de la matière blanche à partir d'images pondérées en diffusion caractérisées par une faible résolution angulaire. Cela implique (i) d'inférer en chaque voxel un modèle de diffusion à partir des images de diffusion et (ii) d'accomplir une ''tractographie", i.e., la reconstruction des faisceaux à partir de ces modèles locaux. Notre contribution en modélisation de la diffusion est une nouvelle distribution statistique dont les propriétés sont étudiées en détail. Nous modélisons le phénomène de diffusion par un mélange de telles distributions incluant un outil de sélection de modèle destiné à estimer le nombre de composantes du mélange. Nous montrons que le modèle peut être correctement estimé à partir d'images de diffusion ''single-shell" à faible résolution angulaire et qu'il fournit des biomarqueurs spécifiques pour l'étude des tumeurs. Notre contribution en tractographie est un algorithme qui approxime la distribution des faisceaux émanant d'un voxel donné. Pour cela, nous élaborons un filtre particulaire mieux adapté aux distributions multi-modales que les filtres traditionnels. Pour démontrer l'applicabilité de nos outils en usage clinique, nous avons participé aux trois éditions du MICCAI DTI Tractography challenge visant à reconstruire le faisceau cortico-spinal à partir d'images de diffusion ''single-shell" à faibles résolutions angulaire et spatiale. Les résultats montrent que nos outils permettent de reconstruire toute l'étendue de ce faisceau.The objective of this thesis is to provide a complete pipeline that achieves an accurate reconstruction of the white matter fascicles using clinical diffusion images characterized by a low angular resolution. This involves (i) a diffusion model inferred in each voxel from the diffusion images and (ii) a tractography algorithm fed with these local models to perform the actual reconstruction of fascicles. Our contribution in diffusion modeling is a new statistical distribution, the properties of which are extensively studied. We model the diffusion as a mixture of such distributions, for which we design a model selection tool that estimates the number of mixture components. We show that the model can be accurately estimated from single shell low angular resolution diffusion images and that it provides specific biomarkers for studying tumors. Our contribution in tractography is an algorithm that approximates the distribution of fascicles emanating from a seed voxel. We achieve that by means of a particle filter better adapted to multi-modal distributions than the traditional filters. To demonstrate the clinical applicability of our tools, we participated to all three editions of the MICCAI DTI Tractography challenge aiming at reconstructing the cortico-spinal tract from single-shell low angular and low spatial resolution diffusion images. Results show that our pipeline provides a reconstruction of the full extent of the CST.RENNES1-Bibl. électronique (352382106) / SudocSudocFranceF