Advanced image registration algorithms for dynamic problems.

Algorithmes avancés d'enregistrement d'images pour les problèmes dynamiques. À travers cette thèse, nous avons exploré les défis liés à la transition énergétique et particulièrement au stockage d’électricité dans des batteries à électrolyte solide. Bien que le développement de cette technologie et les avancées des performances et de sécurité sont considérées comme une révolution, des recherches récentes ont constaté que les phénomènes d’emballement thermique pourraient également se produire. La tomographie à rayons X permet d’observer ce phénomène en trois dimensions et au fil du temps. Cependant, si l’on souhaite comparer des images à deux instants différents, avant et après un certain nombre de cycles de charge et de décharge, les méthodes de recalage d’image conventionnelles ne permettent pas la compréhension fine des phénomènes physiques qui en sont responsables. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé une approche novatrice. Il s’agit de transformer l’image d’un état à l’autre en s’appuyant sur un jumeau numérique. Afin d’avoir un jumeau numérique identique à son homologue physique, il est important d’identifier les phénomènes physiques dominants (ici la thermo-élasticité), de les décrire avec des expressions mathématiques, qui sont ensuite résolues à l’aide d’éléments finis sur la géométrie initiale obtenue par tomographie à rayons X. Ce modèle est ensuite complété avec les propriétés physiques des matériaux, les conditions initiales et les conditions in-situ autour de l’objet d’étude. Le modèle contient aussi des paramètres qui sont difficiles à quantifier en amont. Dans le cas du cyclage des batteries, il est nécessaire de trouver la quantité de chaleur générée par les processus électrochimiques à un instant t qui évoque les mêmes déformations que celles observées dans la cellule réelle. Cette comparaison est réalisée à l’aide d’un algorithme du Dense Optical Flow, ou à chaque résolution d’image, un problème inverse est résolu, donnant la quantité de chaleur recherchée. Une fois que ce jumeau numérique élaboré, nous avons testé numériquement sa capacité. Dans ce but, l’algorithme a été utilisé pour analyser une séquence d’images synthétiques des cellules déformées sous l’effet d’une source de chaleur connue. À travers diverses études de sensibilité, la robustesse de l’algorithme a pu être démontrée : l’algorithme est capable de donner des résultats très précis même dans le cas des images de petites tailles, de faible résolution et présentant un bruit accentué. La validation expérimentale de la méthode a été réalisé à l’aide d’un bimétal constitué de deux matériaux de conductivité thermique différente. Ce dernier est plongé dans un récipient chauffé à l’aide d’un bain thermostaté et positionné au sein d’un tomographe, permettant ainsi d'acquérir des séquences d’images radiographiques illustrant l’effet du changement de température lors du chauffage et du refroidissement de l’eau sur le bimétal. Des résultats probants ont démontré que le jumeau numérique du bimétal a généré des images quasi identiques aux images réelles. De surcroît, le champ de température obtenu est étroitement similaire de celui enregistré par un thermocouple. Ces résultats constituent une validation expérimentale de ce modèle de recalage d’images basé sur la physique. Le jumeau numérique nécessite une puissance de calcul plus importante que les algorithmes de recalage conventionnels. Afin de faire face à ce problème, un maillage non-uniforme et adaptatif a été mis-en-œuvre. Les résultats obtenus se sont révélés très satisfaisants, alliant à la fois une précision des résultats et un gain de temps de calcul. Ce développement a ensuite permis d’appliquer l’algorithme sur les vraies images tri-dimensionnelles de la cellule de batterie. Enfin, le développement de cet algorithme offre un large éventail d’applications prometteuses, en particulier la prédiction des signes initiaux de déformation des batteries à électrolyte solide.Mots clés : Recalage d’image, Batteries solides, Imagerie à rayons X, Jumeau numérique.