La connaissance des structures internes de la Terre, à différentes échelles, présente des enjeux majeurs d’ordres économiques, humains, environnementaux et scientifiques. Diverses méthodes d’imagerie ont été développées en utilisant les informations contenues dans les ondes sismiques. La méthode d’inversion des formes d’ondes construit des images quantitatives haute résolution des paramètres physiques du sous-sol, en exploitant le champ d’onde complet, sous la forme d’un problème d’optimisation. Dans ce travail de thèse, je présente l’application de l’inversion des formes d’ondes en domaine fréquentiel, pour imager les paramètres viscoélastiques dans des géométries à deux dimensions à grands offsets. Dans un premier temps, les développements méthodologiques et algorithmiques sont présentés. La modélisation de la propagation des ondes P-SV en domaine fréquentiel, le problème direct du processus d’imagerie, est assurée par une méthode d’éléments finis Galerkin discontinus, assurant une grande flexibilité dans le choix des ordres d’interpolation et dans l’utilisation de maillages triangulaires non-structurés. Le problème inverse est résolu sous une forme linéarisée, afin de limiter le nombre de simulations directes, et utilise l’algorithme quasi-Newton L-BFGS permettant de tirer bénéfice de l’estimation « économique » du Hessien. Le processus global d’imagerie est implémenté sous la forme d’un algorithme massivement parallèle destiné aux calculateurs modernes à mémoire distribuée. Dans un deuxième temps , les algorithmes développés sont appliqués à des cas d’étude. Des applications sont menées dans des modèles synthétiques réalistes représentatifs d’environnements terrestres et marins. Ces études montrent les difficultés associées à la reconstruction des paramètres élastiques à partir des données mettant en jeu des ^phénomènes de propagations complexes (ondes converties, multiples, ondes de surfaces...) Des solutions sont proposées sous forme de processus hiérarchiques multi-échelles, afin de limiter les effets des non-linéarités du problème inverse et ainsi d’améliorer la convergence du processus vers le minimum global. Enfin la sensibilité de différentes normes et critères de minimisation est analysée, à partir de données bruitées issues de modèles synthétiques réalistes, ainsi que sous l’approximation acoustique pour un jeu de données réelles pétrolière. Ces tests montrent certaines limites du formalisme classique basé sur la norme L2 dans l’espace des données, tandis que la norme L1 apparaît comme alternative robuste pour l’inversion de données décimées en domaine fréquentiel.

Geophysics is a very insightful field to gain inferences on the internal structure of the Earth at different scales, and on the past events related to its slow evolution. It also constitutes a major issue in our society, as the resources are becoming increasingly rare, and because it is of great consideration for town and country planning. Full waveform inversion is an optimization process differs from other seismic imaging approaches by its ability to extract the full information content of the seismic data to construct a high-resolution quantitative imaging of one or more physical parameters. I discuss in my thesis several issues related to this method and I illustrate them with applications to multi-component Ocean Bottom Cable (OBC) data recorded at the Valhall oilfield in North Sea. I first discuss the footprint of anisotropy in vertical transverse isotropic media on the seismic Valhall dataset by comparing the subsurface models built by full waveform inversion when anisotropy is taken into account or not in the seismic modelling. I show some bias in the velocity reconstruction when the imaging is performed in the isotropic approximation, these bieas leading to mispositioning of the reflectors at depth. I then address the problem of constructing an initial velocity model for full waveform inversion from wide-aperture data. The selected approach is an extension of stereotomography, a slope tomographic method, where the traveltimes and the slopes of the reflected and refracted arrivals are sequentially introduced in the inversion process through a multiscale approach. The potential of the method is discussed based on the synthetic Valhall case study before the application to the real Valhall data-set. The final chapters are devoted to the reconstruction of several classes of parameters within the visco-acoustic and visco-elastic approximations. In order to reduce the nonlinearity of the inverse problem, I propose a methodology based on the hierarchical reconstruction of the parameter classes, and on the progressive introduction of the different data components in the inversion process. I first test different inversion strategies on the synthetic Valhall case to build the compressive velocity, the density and the attenuation parameters, before their application to the real data within the visco-acoustic approximation. I reconstruct in a second step the shear velocity from the three components of the sensor (one hydrophone and vertical and horizontal geophones). Quality of the results is assessed with various tools, and a geological interpretation of the results is proposed.

The importance of seismic wave research lies not only in our ability to understand and predict earthquakes and tsunamis, it also reveals information on the Earth's composition and features in much the same way as it led to the discovery of Mohorovicic's discontinuity. As our theoretical understanding of the physics behind seismic waves has grown, physical and numerical modeling have greatly advanced and now augment applied seismology for better prediction and engineering practices. This has led to some novel applications such as using artificially-induced shocks for exploration of the Earth's subsurface and seismic stimulation for increasing the productivity of oil wells. This book demonstrates the latest techniques and advances in seismic wave analysis from theoretical approach, data acquisition and interpretation, to analyses and numerical simulations, as well as research applications. A review process was conducted in cooperation with sincere support by Drs. Hiroshi Takenaka, Yoshio Murai, Jun Matsushima, and Genti Toyokuni.

SAW devices are widely used in multitude of device concepts mainly in MEMS and communication electronics. As such, SAW based micro sensors, actuators and communication electronic devices are well known applications of SAW technology. For example, SAW based passive micro sensors are capable of measuring physical properties such as temperature, pressure, variation in chemical properties, and SAW based communication devices perform a range of signal processing functions, such as delay lines, filters, resonators, pulse compressors, and convolvers. In recent decades, SAW based low-powered actuators and microfluidic devices have significantly added a new dimension to SAW technology. This book consists of 20 exciting chapters composed by researchers and engineers active in the field of SAW technology, biomedical and other related engineering disciplines. The topics range from basic SAW theory, materials and phenomena to advanced applications such as sensors actuators, and communication systems. As such, in addition to theoretical analysis and numerical modelling such as Finite Element Modelling (FEM) and Finite Difference Methods (FDM) of SAW devices, SAW based actuators and micro motors, and SAW based micro sensors are some of the exciting applications presented in this book. This collection of up-to-date information and research outcomes on SAW technology will be of great interest, not only to all those working in SAW based technology, but also to many more who stand to benefit from an insight into the rich opportunities that this technology has to offer, especially to develop advanced, low-powered biomedical implants and passive communication devices.

Le suivi temporel est un processus d'acquisition et d'analyse d'acquisitions multiples répétées au même endroit sur la même cible à différentes périodes de temps. Cela s'applique bien à l'exploration sismique quand les propriétés de la cible varient au cours du temps comme pour les réservoirs pétroliers. Cette technique de sismique, dite 4D en raison de l'intégration du temps dans la construction des images, permet une détection et une estimation des variations du sous-sol survenues lors de l'évolution en temps du milieu. En particulier, dans l'industrie, le suivi et la surveillance peuvent améliorer notre compréhension d'un réservoir de pétrole/gaz ou d'un site de stockage de CO2. Analyser la sismique 4D peut aider à mieux gérer les programmes de production des réservoirs. Ainsi, des acquisitions répétées permettent de suivre l'évolutiondes fronts de fluide injectés: on peut optimiser les programmes d'injection de fluides pour une récupération améliorée des hydrocarbures (enhanced oil recovery). Plusieurs méthodes ont été développées pour l'imagerie variable dans le temps en utilisant les informations des ondes sismiques. Dans ma thèse, je montre que l'inversion de forme d'onde complété (FWI) peut être utilisée pour cette imagerie. Cette m ́méthode offre des images sismiques quantitatives haute résolution. Elle est une technique prometteuse pour reconstruire les petites variations de propriétés physiques macro-échelle du sous-sol. Sur une cible identifiée pour ces imageries 4D, plusieurs informations a priori sont souvent disponibles et peuvent être utilisées pour augmenter la résolution de l'image. J'ai introduit ces informations grâce à la définition d'un modèle a priori dans une approche classique FWI en l'accompagnant de la construction d'un modèle d'incertitudes a priori. On peut réaliser deux reconstructions indépendantes et faire la différence les reconstruits: on parle de différence parallèle. On peut aussi effectuer une différence séquentielle o`u l'inversion de l'ensemble de données de la second acquisition, dite moniteur, se fait `a partir du modèle de base et non plus à partir du modèle utilisé initialement. Enfin, l'approche double-différence conduit à l'inversion des différences entre les deux jeux de données que l'on rajoute aux données synthétiques du modèle de base reconstruit. J'étudie quelle stratégie est à adopter pour obtenir des changements vitesse plus précis et plus robustes. En plus, je propose une imagerie 4D ciblée en construisant un modèle d'incertitude a priori grâce `a une information (si elle existe) sur la localisation potentielle des variations attendues. Il est démontré que l'inversion 4D ciblée empêche l'apparition d'artéfacts en dehors des zones cibles: on évite la contamination des zones extérieures qui pourrait compromettre la reconstruction des changements 4D réels. Une étude de sensibilité, concernant l'échantillonnage en fréquence pour cette imagerie 4D, montre qu'il est nécessaire de faire agir simultanément un grand nombre de fréquences au cours d'un cycle d'inversion. Ce faisant, l'inversion fournit un modèle de base plus précis que l'approche temporelle, ainsi qu'un modèle des variations 4D plus robuste avec moins d'artéfacts. Toutefois, la FWI effectuée dans le domaine temporel semble être une approche plus intéressante pour l'imagerie 4D. Enfin, l'approche d'inversion 4D régularisée avec un modèle a priori est appliquée sur des ensembles de données réelles d'acquisitions sismiques répétées fournis par TOTAL. Cette reconstruction des variations locales s'inscrit dans un projet d'injection de vapeur pour améliorer la récupération des hydro-carbures: Il est possible de reconstituer des variations de vitesse fines causées par la vapeur injectée.

L'ATTENUATION DES ONDES SISMIQUES EST UN PROCESSUS IMPORTANT A PRENDRE EN COMPTE POUR DECRIRE FINEMENT LA PROPAGATION DES ONDES ACOUSTIQUES ET ELASTIQUES EN VUE DE CARACTERISER LES RESERVOIRS D'HYDROCARBURES OU D'OBTENIR UN MEILLEUR MODELE DE TERRE. POUR ESTIMER LES PROPRIETES ANELASTIQUES D'UN MILIEU, UNE METHODE D'INVERSION DE FORME D'ONDE COMPLETE A ETE MISE AU POINT LES ONDES VISCO-ACOUSTIQUES ET POUR LES ONDES VISCO-ELASTIQUES. CETTE METHODE EST BASEE SUR UNE TECHNIQUE ITERATIVE D'OPTIMISATION QUI A POUR BUT DE MINIMISER LA DIFFERENCE ENTRE LES DONNEES SISMIQUES OBSERVEES ET LES DONNEES CALCULEES. POUR OBTENIR UNE PROCEDURE D'IMAGERIE RAPIDE, UNE THEORIE ASYMPTOTIQUE QUI TIENT COMPTE DE L'ATTENUATION A ETE INTEGREE DANS LA FORMULATION D'INVERSION LINEARISEE. LE PROBLEME DIRECT EST RESOLU EN UTILISANT L'APPROXIMATION DE BORN DANS UN MILIEU ANELASTIQUE ET LISSE. UNE METHODE DE TRACE DE RAIS PAR CONSTRUCTION DE FRONTS D'ONDE EST UTILISEE POUR CALCULER LES TEMPS D'ARRIVEE, L'AMPLITUDE ET L'ATTENUATION ENTRE UNE SOURCE, UN RECEPTEUR ET DES POINTS DIFFRACTANTS. CETTE METHODE TRES RAPIDE ET EFFICACE PEUT TENIR COMPTE DE DIFFERENTES GEOMETRIES D'ACQUISITION : CELLES AVEC UNE COUVERTURE MULTIPLE TELLES QUE LA SISMIQUE MARINE MULTITRACE ET CELLES INCOMPLETES COMME LA SISMIQUE TERRESTRE. DES EXEMPLES SYNTHETIQUES MONTRENT UNE BONNE CONVERGENCE EN PEU D'ITERATIONS SI LES PERTURBATIONS SONT INFERIEURES A 10% DES VALEURS DE REFERENCE ET SI L'EXTENSION DE LA ZONE DIFFRACTANTE EST INFERIEURE A LA LONGUEUR D'ONDE DU SIGNAL SISMIQUE. CETTE METHODE D'INVERSION LINEARISEE ITERATIVE EST CAPABLE DE RETROUVER LES PARAMETRES ELASTIQUES AINSI QUE LES FACTEURS D'ATTENUATION. CETTE METHODE A ETE VALIDEE EGALEMENT SUR DES DONNEES ULTRASONIQUES. LES PREMIERS RESULTATS MONTRENT UNE BONNE LOCALISATION DE L'OBJET UTILISE PENDANT L'EXPERIENCE ET PERMETTENT UNE ESTIMATION RELATIVE DES PERTURBATIONS DE VITESSE ET D'ATTENUATION.