title: Contribution of ion temperature anisotropy and velocity shears in the direct generation of small-scale irregularities in the high-latitude F-region

title: Contribution des anisotropies de température et des cisaillements de vitesses ioniques dans la génération directe d’irrégularités à petite échelle au sein de la région F de l’ionosphère à hautes latitudes

subject:
Ionosphere
Plasma waves and instabilities
Space plasma physics
Kinetic theory
Small-scale irregularities
incoherent scatter radars
coherent scatter radars

abstract: Plasma instabilities play an important role in producing small-scale irregularities in the ionosphere. In particular, current-driven electrostatic ion-acoustic (CDEIA) instabilities contribute to high-latitude F-region electrodynamics. CDEIA instabilities are affected by ion velocity shears and temperature anisotropies. Ion temperature anisotropies with perpendicular enhancements often exist in the high-latitude F-region. In addition to temperature anisotropies, ion velocity shears are observed near auroral arc edges, sometimes coexisting with thermal ion upflow processes and field-aligned currents (FAC). We investigated whether ion temperature anisotropy or shears lower the threshold conditions required for the onset of CDEIA instabilities and also, enhance the incoherent scattering from ion-acoustic waves. We generalized a dispersion relation to include ion thermal anisotropy, finite Larmor radius corrections and collisions. We derived new fluid-like analytical expressions for the threshold conditions required for instability. We studied how the instability threshold conditions vary as a function of the wave vector direction in both fluid and kinetic regimes. We found that, in some cases, ion temperature anisotropy lowers significantly the threshold drift requirements for a large range of intermediate aspect angles. In particular, realistic ion temperature anisotropies contribute to reducing the instability threshold velocity shears that are associated with small relative drift thresholds, for modes propagating almost perpendicularly to the geomagnetic field. Such instabilities could play a role in the direct generation of field-aligned irregularities in the collisional F-region that could be observed with the Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN) array of high-frequency radars. These modes would be very sensitive to the radar probing direction since they are restricted to very narrow angular intervals. On the other hand, our study confirmed that temperature anisotropies in magnetized plasmas are unimportant when the incoherent radar is pointing at the critical angle for which the total temperature is equal to the effective temperature. Yet, under the right conditions, “small” ion velocity shears produce significant enhancements in ISR spectra, especially for directions near perpendicular to the geomagnetic field. This could lead to overestimations of the interpreted electron to ion temperature ratio and electron density when using standard ISR fitting procedures. In closing, ion temperature anisotropies and velocity shears are important parameters that need to be considered in the studies of CDEIA waves and instabilities in the high-latitude F-region, especially for propagation directions near perpendicular to the geomagnetic field.

abstract: Les instabilités du plasma jouent un rôle important dans la production d’irrégularités à petite échelle au sein de l’ionosphère. En particulier, les instabilités électrostatiques ion-acoustiques déclenchées par courants contribuent aux processus électrodynamiques de la région F à hautes latitudes. Ces instabilités sont affectées par les cisaillements de vitesse ionique et les anisotropies de température. Les anisotropies de température avec une température perpendiculaire plus importante que parallèle se manifestent souvent au sein de la région F à hautes latitudes. En outre, des cisaillements de vitesse sont observés près des contours des arcs auroraux, parfois en présence de remontées d’ions thermiques et de courants alignés avec le champ magnétique. Nous avons examiné si les anisotropies de température ou bien les cisaillements de vitesse réduisent les conditions de seuil requises pour le déclenchement d’instabilités ion-acoustiques et aussi, si elles augmentent la diffusion incohérente à partir des ondes ion-acoustiques. Nous avons genéralisé une relation de dispersion en incluant les anisotropies thermiques, les corrections du rayon de Larmor et les collisions. Nous avons dérivé de nouvelles expressions analytiques de nature fluide pour les conditions de seuil requises pour déclencher l’instabilité. Nous avons étudié comment les conditions de seuil varient en fonction de la direction du vecteur d’onde pour les régimes fluide et cinétique. Dans certains cas, nous avons trouvé que les anisotropies de température diminuent de façon significative la dérive de seuil pour une gamme d’angles d’aspect intermédiaires. En particulier, des anisotropies de température réalistes réduisent les dérives minimales vers des plus petites valeurs seuil de cisaillement, pour les ondes se propageant vers des directions presque perpendiculaires au champ magnétique. Ces instabilités pourraient contribuer à la génération directe d’irrégularités alignées avec le champ magnétique au sein de la région F et en présence de collisions. Ces irrégularités pourraient être observées avec des radars à diffusion cohérente à haute-fréquence. La détection de ces modes serait sensible à la direction de visée du radar puisque ces derniers sont associés à de petits intervalles angulaires. D’autre part, nous avons confirmé que les anisotropies de température au sein d’un plasma magnétisé sont d’importance moindre lorsqu’un radar à diffusion incohérente pointe vers la direction correspondant à l’angle critique pour lequel la température totale est égale à la température effective. Cependant, dans les bonnes conditions, de petits cisaillements de vitesse ionique produisent des augmentations importantes de puissance associée aux spectres à diffusion incohérente, spécialement pour des directions presque perpendiculaires au champ magnétique. Ceci pourrait mener à une surestimation du rapport de température électron/ion et de la densité électronique lorsque les procédures normalisées d’ajustement aux spectres à diffusion incohérente sont utilisées. Pour conclure, les anisotropies de température et les cisaillements de vitesse sont d’importants paramètres qui doivent être considérés dans l’étude des ondes et des instabilités ion-acoustiques au sein de la région F à hautes latitudes et spécialement pour des directions presque perpendiculaires au champ géomagnétique.


title: HYDROLOGY AND WATER QUALITY MODELLING: Applying the Soil Water Assessment Tool at 5th Canadian Division Support Base Gagetown

title: MODÉLISATION HYDROLOGIQUE ET DE LA QUALITÉ DE L’EAU: Mise en application de l’outil d’évaluation du sol et de l’eau SWAT à la Base de soutien de la 5e Division du Canada Gagetown

contributor: Royal Military College of Canada / Collège militaire royal du Canada

subject:
Hydrology
Water Quality
SWAT
Military
Erosion

abstract: A hydrological and water quality model is sought to establish an approach to land management decisions for a Canadian Army training base. Training areas are subjected to high levels of persistent activity creating unique land cover and land-use disturbances. Deforestation, complex road networks, off-road manoeuvres, and vehicle stream-crossings are among major anthropogenic activities observed to affect these landscapes. Expanding, preserving and improving the quality of these areas to host training activities for future generations is critical to maintain operational effectiveness. Inclusive to this objective is minimizing resultant environmental degradation, principally in the form of hydrologic fluctuations, excess erosion, and sedimentation of aquatic environments. In some situations these impacts (particularly sedimentation) could be considered a violation of environmental legislation, such as the Fisheries Act. Application of the Soil Water Assessment Tool (SWAT) was assessed for its ability to simulate hydrologic and water quality conditions observed in military landscapes at 5th Canadian Division Support Base (5 CDSB) Gagetown, New Brunswick. Despite some limitations, this model adequately simulated three partial years of daily watershed outflow (NSE = 0.47-0.79, R2 = 0.50-0.88) and adequately predicted suspended sediment yields during the observation period (%d = -47 to 44%) for one highly disturbed sub-watershed in Gagetown. Further development of this model may help guide decisions to develop or decommission training areas, guide land management practices and prioritize select landscape mitigation efforts.

abstract: On cherche à mettre au point un modèle hydrologique et de la qualité de l’eau afin d’établir une démarche de prise de décisions en matière de gestion des terres d’une base d’instruction de l’Armée canadienne. Les secteurs d’entraînement des bases sont le théâtre d’activités intensives et soutenues, qui sont à l’origine de perturbations particulières sur le plan de la couverture et de l’utilisation des terres. La déforestation, la création de réseaux routiers complexes, les manœuvres hors route et la traversée de cours d’eau par des véhicules figurent parmi les principales activités anthropiques observées ayant des incidences sur les écopaysages de ces secteurs. L’expansion, la préservation et l’amélioration de la qualité de ces secteurs pour que les générations futures puissent aussi y mener leurs activités d’entraînement sont essentielles au maintien de l’efficacité opérationnelle. Il s’agit également de réduire au minimum la détérioration de l’environnement découlant de ces activités, principalement les fluctuations hydrologiques, l’érosion excessive et la sédimentation des milieux aquatiques. Dans certaines situations, de telles répercussions (en particulier la sédimentation) pourraient être considérées comme une violation de lois environnementales comme la Loi sur les pêches. On a procédé à une étude sur la capacité de l’outil d’évaluation du sol et de l’eau SWAT à simuler les conditions hydrologiques et de qualité de l’eau observées dans les écopaysages militaires à la Base de soutien de la 5e Division du Canada Gagetown, au Nouveau-Brunswick. Malgré quelques limites, le modèle a efficacement simulé le débit quotidien à l’exutoire d’un bassin hydrographique sur trois années partielles (ENS = 0,47-0,79; R2 = 0,50-0,88). L’outil a également bien prédit l’apport de sédiments en suspension pour la période d’observation (% d = -47-44 %) pour un sous-bassin hydrographique de Gagetown ayant subi des perturbations importantes. Le perfectionnement de ce modèle pourrait aider à aiguiller les décisions quant au développement ou à la mise hors service des secteurs d’entraînement, à orienter les pratiques en matière de gestion des terres, et à cibler les efforts de réduction des dommages causés aux écopaysages.


title: An Application of Network Security Monitoring to the MIL-STD-1553B Data Bus

title: Une application des techniques de sécurité réseautique au bus de données MIL-STD-1553B

subject:
MIL-STD-1553
data bus
networking
avionics
security
cyber

abstract:
The objective of this thesis is to demonstrate that the application of signature-based network security monitoring techniques to the MIL-STD-1553B data bus can be used to identify signs of undesirable or otherwise abnormal system activity. Detection of such traffic is critical to ensuring that data bus-connected devices continue to operate as designed, and are free from compromise or faults.

In addition to signature-based detection two anomaly-based detection techniques were selected for implementation: word repetition analysis and RT frequency analysis. Each of these has roots in techniques used to monitor IP-based networks for signs of compromise. Software implementing each of these functionalities was written in Python, including functions to provide dissection of MIL-STD-1553B data, as well as a command line user interface.

Initial functionality testing was conducted using a commercially-available MIL-STD-1553B data bus simulator commonly used for bus prototyping. The effectiveness of the detection techniques was demonstrated against data bus attack scenarios postulated by Stan et al. Two additional cases were studied, representing scenarios where a bus-connected device could be faulty or misconfigured.

In two of six cases, a successful detection was made using signature-based analysis. In two other cases, anomaly-based detection uncovered initial signs of compromise, which were further investigated using signature-based detection. In the final two cases, signature-based detection was not effective.

While many opportunities for future work exist in further refining and automating these techniques, implementing new detection strategies, and testing against different attacks, it was ultimately demonstrated that the application of signature-based network security monitoring techniques is a viable means of detecting indicators of undesirable activity on the MIL-STD-1553B data bus.

abstract:
L'objectif de cette thèse est de démontrer que l'application des techniques de sécurité réseautique du type détection de signatures au bus de données MIL-STD-1553B peut servir à identifier la présence d'activités non-désirables ou autrement anormales dans le système. La détection de ce trafic est critique pour assurer que les composantes se servant du bus opèrent tels que conçues, sans faute ou compromis.

En plus de la détection de signatures, deux méthodes de détection d'anomalies ont été sélectionnées et mises en oeuvre : l'analyse de répétition des mots, et l'analyse de la fréquence des RT. Chacune de celles-ci sont dérivées à partir de techniques servant à surveiller les réseaux IP. Un programme a été rédigé en Python pour implémenter ces fonctions ainsi que le support requis : la décortication du data MIL-STD-1553B ainsi qu'une interface d'utilisateur basée sur la ligne de commande.

Des tests de fonctionnement ont été conduits avec l'aide d'un simulateur de bus de données MIL-STD-1553B disponible sur le marché commercial. L'efficacité des techniques de détection ont été mises à l'épreuve contre des scénarios d'attaque proposés par Stan et al. Deux cas additionnels ont été étudiés, traitant de scénarios ou un RT serait touche par une faute technique ou mal configure.

Dans deux des cas étudiés, la détection par signature a réussi à découvrir des indices claires de compromise. Dans deux autres cas, la détection primaire était faite par l'analyse à base d'anomalies, mais la détection par signature a servi d'outil d'enquête. Dans les deux derniers cas, la détection par signature s'est avérée inefficace.

En utilisant des combinaisons des trois méthodes proposées, des indices claires de compromise ou de faillite technique ont été observées dans tous les scénarios sauf un. En fin de compte, ce travail démontre que l'application des techniques de sécurité réseautique est efficace pour trouver des indices d'activité anormale ou non-désirable sur le bus de données MIL-STD-1553B.


title: Cooperative Multi Model State Estimation and Control for Target Tracking UAVs

title: Estimation de l’état utilisant divers modèles et commande en coopération pour drones effectuant un suivi de cible

subject:
State Estimation
Model Predictive Control
Control
Unmanned Aerial Vehicle
Target Tracking
Multiple Models
Extended Kalman Filtering
Distributed

abstract: In this thesis, the idea of using teams of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to track a ground vehicle and exploiting the benefits of multiple UAVs is considered. First, a novel state estimation algorithm is developed using the standard Extended Kalman filter (EKF). This filter is distributed over a team of three UAVs, each adopting a different model for the target's motion. The Distributed EKF (DEKF) is then paired with the T Test model selection criteria, which decides which UAV has the best estimate at each iteration. The algorithm is validated in a real-time indoor flight environment and compared against the single model equivalents, as well as compared to other multi model variants. Furthermore, an analysis of different selection methods to use in times of occlusions is done. The second part of the thesis involves the design and testing of a multiple model Distributed Model Predictive Controller (DMPC) for tracking in formation flight. Using information from state estimation about which target model is performing best, the DMPC changes its target motion model accordingly. The MPC controller is first implemented for a single UAV, then tested in both a real-time simulation environment and in an indoor flight. This MPC is then expanded to the multi-UAV scenario, which is tested in the same real-time simulation environment.

abstract: La thèse considère utiliser une équipe de drones dans le but de suivre une cible mobile au sol. Tout d'abord, un nouvel algorithme est développé avec l’EKF standard comme système de base. Cet EKF est distribué parmi une équipe de trois drones, chacun utilisant un modèle différent pour prédire le mouvement de la cible. Ensuite, l’EKF distribué est combiné avec une méthode de sélection, le test T, qui décide quel drone a la meilleure estimation de la cible.  L’algorithme au complet est valide expérimentalement contre l’algorithme équivalent avec un seul modèle dans un environnement intérieur et avec de véritables drones. De plus, une comparaison de performance avec différents algorithmes et plusieurs modèles est effectuée. Finalement, une analyse de différentes solutions en temps qu'aucun des drones détectent la cible est faite. La deuxième partie de la thèse consiste en un contrôle de l’équipe de drones pour suivre la cible d’une manière efficace. Pour accomplir cet objectif, un contrôleur MPC distribué utilisant plusieurs modèles pour le mouvement de la cible est développé et validé. Le contrôleur pour un seul drone est premièrement validé en simulation et dans des essais en vol intérieur. Ensuite, des contraintes de coopération sont ajoutées pour que les drones suivent la cible en formation, ce qui est validé en simulation.


title: Analysis of Electromagnetic Systems Using the Antenna Current Green’s function (ACGF) and Machine Learning

title: Analyse des systèmes électromagnétiques à L'aide de la fonction de Green de courant D'antenne (ACGF) et de L'apprentissage Machine

subject:
Mutual coupling
Inverse scattering problems
machine learning
genetic algorithm
antenna current Green's function
singularity expansion method

abstract:
Mutual coupling in antenna arrays has been a problem in the development and operation of electromagnetic systems. The increasing demand for integrating more radiating systems in small packages has motivated researchers to investigate advanced means to mitigate the effect of mutual coupling by inspecting the primary cause of this phenomenon. It was observed that the recently developed formalism of the antenna current Green’s function (ACGF) can provide a characterization of the electromagnetic radiation and the system’s physical dimensions. It represents radiators using a spatial transfer function due to a spatial impulse excitation. The ACGF is being used in this thesis to model radiating structures namely antennas in order to form their transfer function either as a single radiator or in array configurations. Moreover, a new mutual coupling interaction function MC-ACGF is developed to characterize mutual coupling.

    A natural extension of the approach is to extend it to radar target identification, which is important for military and remote sensing applications. The challenge is in obtaining the unique features of specific targets. Although many solutions were suggested for target identification, they still exhibit some limitations that are affecting the performance of radars. Therefore, this motivated us to use the above modeling approach and to establish a novel method to deal with a newly obtained RCS data of given objects. That is, the field data of an object are formulated in terms of its physical spatial features. This is done by expressing the spatial properties of targets via a newly derived spatial singularity expansion method (S-SEM), in which the surface current of radiators is going to be represented using spatial SEM data. Moreover, it turns out that the spatial-SEM leads naturally to the discovery of a new set of far-field basis functions, which we call here the spatial-SEM radiation modes. Explicit expressions for these modes are derived for the case of wire antennas with arbitrary length and orientation. The summation of the S-SEM modes appearing on an antenna surface results in forming the overall transfer function of the antenna due to a special impulse response.

    In the above-described investigations, a machine learning solution is devised to enhance the performance of compensation systems in mutual coupling problems and in predicting target features in radar target identification. A multilayer perceptron artificial neural network (MLP-ANN) has been carried out to form an intelligent mitigation system for antenna arrays. On the other hand, an electromagnetic based genetic algorithm (EM-GA) is developed to search for targets’ singularities to identify their physical geometry.

    The developed methodology on mutual coupling is verified by application to estimating the direction of arrival (DOA) of signals impinging on an antenna array. The evaluation is based on extracting the frequency content of the incoming signal using multiple signal classification method (MUSIC) and detects the power of the signal in the desired direction.

    In inverse problems, a verification of a radar scenario is simulated and an experiment is conducted in an anechoic chamber and a good agreement with simulation is obtained.

    The newly developed methodology will be useful in developing and improving future designs of antenna systems, MIMO, target identification for radars and remote sensing applications.


title: Renewal Theory: Simple and Elegant Derivations

title: Théorie de renouvellement: dérivations simples et élégantes

subject:
Renewal theory
Numerical results
Asymptotic results
Bulk arrivals
Generating functions
Laplace transforms

abstract:
This thesis comprises two principal areas of research: new derivations of asymptotic results in renewal theory and the computation of the distribution for the number of renewals with bulk arrivals.
	A simple and elegant solution to determine the asymptotic results for the renewal density as well as for the first and second moments of the number of renewals for the discrete-time renewal process is presented.  Using generating functions, the difficult-to-determine constant term in the second moment is also addressed.  A similar process using Laplace transforms (LTs) is likewise employed to determine analogous results in continuous time.  Further, the solution is extended to determine the asymptotic results for the first and second moments of the number of bulk renewals as well.
	The distribution of the number of renewals for both single and bulk arrivals in continuous time is calculated using an algorithm employed through MAPLE.  These numerical results are acquired by considering rational as well as non-rational LTs and Padé-approximated LTs for the distributions of inter-renewal times.  The asymptotic results derived in the first part of this thesis then help to validate the accuracy of these numerical results.

abstract:
Cette thèse comprend deux domaines de recherche principaux: de nouvelles dérivations de résultats asymptotiques pour la théorie du renouvellement, et le calcul de la distribution pour le nombre de renouvellements pour les arrivées en groupes.
            Une solution simple et élégante pour déterminer les résultats asymptotiques pour la densité de renouvellement ainsi que pour les premiers et deuxièmes moments du nombre de renouvellements pour le processus de renouvellement en temps discret est présentée. En utilisant des fonctions génératrices, le terme constant qui est difficile à déterminer pour le second moment est également résolu.  Un processus similaire utilisant les transformations de Laplace (LTs) est également utilisé pour déterminer des résultats similaires en temps continu.  De plus, la solution est poursuivie afin de déterminer les résultats asymptotiques pour les premiers et deuxièmes moments du nombre de renouvellements en groupes.
            La distribution du nombre de renouvellements pour les arrivées simples et en groupes en temps continu est calculée en utilisant un algorithme fait avec MAPLE. Ces résultats numériques sont acquis en considérant les LTs rationnelles et non-rationnelles ainsi que les LTs de Padé pour les distributions des intervalles de  renouvellement.  Les résultats asymptotiques dérivés dans la première partie de cette thèse aident ensuite à valider le calcul d’incertitude de ces résultats numériques.


title: RELUCTANT TO RESCUE: The RCAF and the Search and Rescue mandate, 1939-1959

title: RÉTICIENT A SAUVER:  L’ARC et le mandat de Recherche et Sauvetage, 1939-1959

subject:
SAR
Rescue
Search and Rescue
Royal Canadian Air Force

abstract:
The Royal Canadian Air Force (RCAF) involvement with the Search and Rescue (SAR) mandate in Canada dates to 1947 and the Air Sea Rescue (ASR) predecessor capability from the Second World War dates back to 1942.  Curiously, ASR is not described in the RCAF official history and the transition to a domestic SAR system is only briefly outlined in other sources. Therefore, it has been unclear how the RCAF established the ASR system, why it retained the SAR mandate after the Second World War, and why the marine rescue requirement was added to the RCAF mandate.
This study will use previously unexamined RCAF primary source documentation to show that it took the RCAF far longer than other Allies to develop ASR and that the RCAF had no intention of providing that service to civilians after the war.  As the Royal Canadian Mounted Police (RCMP) had been responsible for SAR prior to the Second World War, the RCAF was quite happy to shed what it viewed as a non-military role and hand SAR back to the RCMP in 1946.  However, the Canadian government found the RCMP plan too expensive and directed the RCAF to retain the SAR mandate for civilian aircraft in 1947, and then expanded the mandate to include marine distress cases in 1950.  The RCAF made the best it could of the assigned mandate but tried to minimize resources allocated to the civilian SAR requirement.
Throughout the 1950s, the SAR system struggled as demand expanded throughout the first half of the decade.  By 1958, the RCAF was again looking to abandon the role, but with some assistance from the Department of Transport and the planned development of a Canadian Coast Guard, pressures eased and by 1959 plans were in place for the SAR system to expand and develop into the world-class capability it is today.  From the beginning of rescue system development in 1942 and through the expansion of the mandate to include maritime rescue in 1950, it was not until 1959 that the RCAF accepted the SAR mandate and modernized the system it created.  This thesis will argue that the RCAF was reluctant to develop air and sea rescue systems until after 1958.

abstract:
La participation de l’Aviation royale canadienne (ARC) aux activités de recherche et de sauvetage (SAR) au Canada remonte à 1947, et la capacité antérieure de sauvetage air-mer de la Seconde Guerre mondiale remonte à 1942. Étrangement, on ne trouve dans l’histoire de l’ARC aucune description du sauvetage air-mer, et la transition vers un système de SAR national n’est que brièvement mentionnée par d’autres sources. Par conséquent, on ne sait pas trop comment l’ARC a établi le système de sauvetage air-mer, pourquoi elle a conservé le mandat de SAR après la Seconde Guerre mondiale et pourquoi les exigences relatives au sauvetage maritime ont été ajoutées au mandat de l’ARC.
L’étude utilisera des documents de première main de l’ARC, qui n’avaient pas été examinés, afin de montrer qu’il a fallu à l’ARC beaucoup plus de temps que d’autres alliés pour développer le sauvetage air-mer et que l’ARC n’avait aucunement l’intention d’offrir ce service aux civils après la guerre. Comme la Gendarmerie royale du Canada (GRC) avait été responsable de la SAR avant la Seconde Guerre mondiale, l’ARC était enchantée de se départir de ce qu’elle estimait être un rôle non militaire pour rendre la SAR à la GRC en 1946. Or, le gouvernement canadien trouvait que le plan de la GRC était trop coûteux. En 1947, il a exigé que l’ARC conserve le mandat de la SAR pour les aéronefs civils puis, en 1950, il a élargi le mandat pour qu’il comprenne les cas de détresse maritime. L’ARC a fait de son mieux pour s’acquitter du mandat qui lui avait été confié, mais elle a tenté de réduire les ressources consacrées aux besoins de la SAR civile.
Le système de SAR a connu des difficultés tout au long des années 1950, puisque la demande a augmenté durant la première moitié de la décennie. En 1958, l’ARC cherchait de nouveau à se départir de ce rôle, mais grâce à l’aide du ministère des Transports et au développement prévu de la Garde côtière canadienne, la pression s’est allégée. En 1959, on avait mis en place des plans pour élargir le système de SAR et en faire la capacité de classe mondiale qu’il est maintenant. Bien que le développement du système de sauvetage ait commencé en 1942 et que le mandat ait été élargi pour inclure le sauvetage maritime en 1950, ce n’est qu’en 1959 que l’ARC a accepté le mandat de SAR et qu’elle a modernisé le système qu’elle avait créé. La présente thèse soutient que l’ARC était réticente à développer des systèmes de sauvetage aérien et maritime avant 1958.


title: Contributions à l’optimisation des réseaux électriques intelligents par le développement d’un cadriciel pour métaheuristiques parallèles sur processeurs graphiques

title: Contributions to the Optimization of Smart Grids by the Development of a Software Framework for Parallel Metaheuristics on Graphics Processing Units

subject: CUDA

subject: cadriciel

subject: métaheuristique

subject: minimisation des harmoniques

subject: onduleur multiniveau

subject: processeurs graphiques

subject: programmation parallèle

subject: réseau électrique intelligent

abstract: Les progrès technologiques dans les domaines de l’information et des communications ont permis la modernisation du réseau électrique pour former le réseau électrique intelligent. Le déploiement d’un grand nombre de capteurs jumelé à un système de communication bidirectionnelle robuste permet la surveillance et le contrôle en temps réel de la production, du transport et de la distribution de l’électricité. Plusieurs des problèmes d’optimisation impliqués sont à grande échelle, non linéaires, non convexes et à variables mixtes. Ils sont souvent trop complexes pour être résolus efficacement par les méthodes d’optimisation classiques et nécessitent généralement l’emploi des métaheuristiques. Les métaheuristiques sont des algorithmes d’optimisation non déterministes qui se basent sur l’amélioration itérative d’une ou plusieurs solutions candidates pour obtenir une solution quasi optimale. Elles ont l’avantage d’être résilientes aux optima locaux, de pouvoir considérer les variables mixtes et d’être utilisables avec des fonctions de coût non différentiables. Par contre, à cause de leur fonctionnement itératif, elles nécessitent une puissance de calcul considérable qui limite leur utilisation dans des applications où le temps de réaction est critique tel que pour le contrôle en temps réel des réseaux électriques. Dans cette thèse, nous proposons de mitiger cette limitation par une implémentation parallèle des métaheuristiques sur processeurs graphiques (GPU). Équipés de quelques milliers de cœurs, les GPU représentent une technologie émergente qui a le potentiel de réduire le temps de calcul des métaheuristiques par une exécution parallèle et d’offrir une solution avantageuse pour le contrôle des réseaux électriques intelligents. Pour vérifier cette hypothèse, nous proposons dans cette thèse un cadriciel pour métaheuristiques parallèles sur GPU et utilisons l’outil développé pour résoudre trois problèmes d’optimisation d’intérêt relié au contrôle des réseaux électriques, soit la minimisation des harmoniques d’un onduleur multiniveau, l’optimisation de l’écoulement de puissance et la reconfiguration des réseaux de distribution. Ces problèmes ont été choisis puisqu’ils couvrent l’étendue des réseaux intelligents en touchant à la production, au transport et à la distribution de l’électricité. Dans les trois cas, le cadriciel proposé permet de calculer des solutions de meilleure qualité, à des problèmes de plus grande dimension, dans un temps plus court comparativement aux méthodes actuelles. En exploitant l’architecture massivement parallèle des GPU, nos algorithmes offrent des accélérations allant jusqu’à 534x comparées à une exécution séquentielle sur microprocesseur standard (CPU).

abstract: Advancements in the fields of information technology and communications have enabled the modernization of the power grid to form the smart grid. The deployment of a large number of sensors combined with a robust two-way communication system now allow for the real time monitoring and control of the generation, the transmission and the distribution of electricity. Several of the optimization problems involved in the control of smart grids are large-scale, non-linear, non-convex and have mixed variables. They are often too complex to be solved efficiently by traditional optimization methods and require the use of metaheuristics. Metaheuristics are non-deterministic optimization algorithms that are based on the iterative improvement of one or more candidate solution in order to obtain a near optimal solution. They have the advantage of being resilient to local optima, they can consider discrete variables and they can be used with non-differentiable cost functions. However, because of their iterative operation, they often require considerable computational power which limits their use in applications where the reaction time is critical as in the real-time control of smart grids. In this thesis, we propose to mitigate this limitation by developing parallel implementations of metaheuristics on graphics processing units (GPUs). Equipped with a few thousand cores, GPUs represent an emerging technology in the field of high performance computing that has the potential to reduce the computation time of metaheuristics through parallel execution and provide an advantageous solution for the control of smart grids. To verify this hypothesis, we propose a software framework for parallel metaheuristics on GPUs and use this framework to solve three optimization problems of great interest for the control of smart grids. The three problems are the harmonic minimization problem in multilevel inverters, the optimal power flow problem and the optimal distribution feeder reconfiguration problem. These problems were selected because they cover the entirety of smart grids by touching the generation, the transmission and the distribution of electricity. In all three cases, the proposed framework calculates better solutions, to problems of greater sizes, in shorter times compared to current methods. By leveraging the massively parallel architecture of the GPU, our algorithms provide accelerations of up to 534x compared to equivalent sequential algorithms executed on a microprocessor (CPU).


title: BACKGROUND CONCENTRATIONS OF TRACE ELEMENTS IN SURFICIAL SOILS OF ARCTIC CANADA

title: CONCENTRATION DE FOND PAR DES OLIGO-ELEMENTS DANS LES SOLS SUPERFICIELS DE L’ARCTIQUE CANADIEN

subject:
soil
background concentrations
trace elements
Arctic Canada

abstract:
Environmental soil quality guidelines represent acceptable numerical threshold values for trace metal concentrations that safeguard human and ecological health. These guidelines take into account background soil concentrations to avoid the remediation of areas erroneously identified as contaminated based on a simple guideline comparison. The majority of the background concentration data used to derive the Canadian Soil Quality Guidelines (CSQGs) was collected from soil surveys performed in southern provinces. However, as Canada is a vast country with many unique geological regions, the application of a single guideline value to the entire country is not realistic. If background concentrations are above guidelines, provisional guidelines in the form of Background Threshold Values (BTVs) should be established based on the background soil concentrations at the site (CCME, 2006). With limited background concentration data in Arctic Canada, Environmental Site Assessors are required to determine BTVs at many northern sites at significant cost. Several approaches to determining local background concentrations by performing high resolution background sampling programs have been proposed, but they vary greatly and guidance on best practices does not exist.
As part of the environmental site assessment of over 61 federal contaminated sites across Arctic Canada, over 2100 background soil samples were collected by the Environmental Sciences Group at the Royal Military College of Canada (ESG-RMC) between 1989 and 2016. Background soil data was manually compiled and analyzed to understand the natural variability across the continent. Trace element concentrations were found to be highly variable across Arctic Canada, with many of the sites having measured background concentrations above the CSQGs. This study provides the first longitudinal reference data set for background concentrations of trace elements (As, Cd, Co, Cu, Cr, Pb, Ni, Zn) in Arctic Canada along the 69th parallel North. The extensive data set generated in this study was compared to those generated in other areas of the world, highlighting the need for high resolution background sampling programs across other continents.
Additionally, background soil data from three case studies in Northern Canada was used to develop recommendations for performing high resolution background sampling programs in Arctic and remote sites in Canada. Recommendations were based on the influence of sampling strategy, sample size, and identification of outliers were evaluated during the calculation of BTVs. These recommendations include; collecting between 10-25 samples/km2 from a minimum of 40 discrete sample locations, and the use of the interquartile rule to remove outliers. Additionally, each BTV calculation method was ranked by conservativeness and accuracy to guide decisions during data analysis and site management.

abstract:
Les recommandations environnementales sur la qualité des sols proposent les valeurs seuils numériques acceptables des concentrations de métaux traces qui protègent l’environnement et la santé humaine. Ces recommandations sont calculées d’après les concentrations de fond pour éviter que des zones ne soient déclarées contaminées et assainies à tort par suite d’une simple comparaison avec les recommandations. La majorité des données sur les concentrations de fond utilisées pour calculer les Recommandations canadiennes pour la qualité de l’environnement (RCQE) ont été recueillies lors de prospections pédologiques réalisées dans les provinces du Sud. Toutefois, dans un pays de l’immensité du Canada où l’on trouve de nombreuses régions géologiques uniques en leur genre, l’application d’une seule recommandation à tout le pays n’est pas réaliste. Dans les cas où les concentrations de fond sont supérieures aux recommandations, il faudrait des recommandations provisoires sous la forme de valeurs seuils des concentrations de fond (VSCF) calculées à partir des concentrations de fond spécifiques au terrain étudié (CCME, 2006). Le manque de données sur les concentrations de fond dans l’Arctique canadien fait que, bien souvent, les évaluateurs environnementaux de sites qui doivent déterminer les valeurs seuils des concentrations de fond dans des régions nordiques le font à grands frais. Plusieurs méthodes ont été proposées pour évaluer les concentrations de fond locales au moyen de programmes d’échantillonnage de concentrations de fond à haute résolution, mais elles sont très variables et il n’existe pas de pratiques exemplaires.
Dans le cadre d’une évaluation environnementale de plus de 61 lieux contaminés fédéraux répartis dans l’ensemble de l’Arctique canadien, le Groupe des sciences de l’environnement du Collège militaire royal du Canada a recueilli plus de 2 100 échantillons de concentrations de fond entre 1989 et 2016. Les données sur les concentrations de fond dans le sol ont été compilées et analysées manuellement afin de permettre une meilleure compréhension de la variabilité naturelle d’un bout à l’autre du continent. Il est ressorti de cette étude que les concentrations d’éléments traces varient énormément d’une région de l’Arctique canadien à l’autre, bon nombre des lieux analysés présentant des concentrations de fond supérieures aux RCQE. La présente étude fournit le premier ensemble de données longitudinales de référence sur les concentrations de fond d’éléments traces (As, Cd, Co, Cu, Cr, Pb, Ni, Zn) dans l’Arctique canadien le long du 69e parallèle nord. Une comparaison du riche ensemble de données qui a résulté de l’étude et des ensembles de données recueillis dans d’autres régions du monde a mis en évidence la nécessité d’établir des programmes d’échantillonnage des concentrations de fond à haute résolution dans les autres continents.
En outre, nous nous sommes servis des données sur les concentrations de fond de trois études de cas menées dans le Nord canadien pour calculer des recommandations en vue de l’exécution de programmes d’échantillonnage de concentrations de fond à haute résolution dans des lieux éloignés et arctiques du Canada. Les recommandations tenaient compte de l’influence de la stratégie d’échantillonnage, de la taille des échantillons et du repérage des cas déviants dans l’élaboration des VSCF. Ces recommandations comprennent : la collecte de 10 à 25 échantillons par kilomètre carré d’au moins 40 lieux d’échantillonnage distincts et l’utilisation de la règle d’intervalle interquartile pour éliminer les cas déviants. En outre, chaque méthode de calcul des VSCF a été classée en fonction de la prudence et de l’exactitude de son approche dans l’orientation des décisions pendant l’analyse des données et la gestion des lieux. La limite supérieure de l’intervalle de confiance à 95 % s’est révélée être la VSCF la plus prudente tandis que la limite extrême de déviance a correspondu à la valeur la moins prudente.


title: Determining Random Vibration Response of Terrestrial Rovers from Ground Inputs

title: Détermination de la réponse aux vibrations aléatoires des véhicules terrestres à partir des entrées au sol

subject: vibration PSD

abstract: Terrestrial rovers will play an important role in space exploration on the Moon and Martian surfaces. Before a rover is launched there are several series of testing, and design changes to ensure the rover will last the life of the mission. Currently the Canadian Space Agency (CSA) works with companies such as Neptec to test prototype rovers at the CSA’s Mars Emulation Terrain (MET). This allows engineers and scientists to test new designs and equipment to handle the terrain that could be faced on another planet’s surface, by modifying suspension and damping systems. The current method of building prototypes and testing them on the MET is useful but costly and does not fully represent the surface topology that the rovers will encounter. The current work presents the foundation for determining a representative vibration input for a given terrain type, with a single model determining the vibration response of a lunar test rover. More specifically the vibration over a known aggregate was determined in the form of a power spectral density (PSD) to be used as an input to a finite element (FE) model, to give the response PSD of the rover. The predicted PSD of the rover was compared to the experimental PSD, and was within the probability of 3𝜎 of occurrence at specific frequencies thus verifying the FE model. It was determined that at low frequencies less than 1000Hz, the method of double integration was more reliable for generating vibration displacement trend data from accelerometer data for the rover and at high frequencies, above 1000Hz, the Omega arithmetic method was more reliable. Additionally, when the magnitude of the displacement is needed the omega arithmetic method should be used. The FE model is able to predict the absolute excitation and payload excitation for a given terrain PSD input, and can be used in the next step toward future modelling of the vibration inputs of a planet’s surface given its terrain’s topology.


title: Multidisciplinary Analysis of Closed, Nonplanar Wing Configurations for Transport Aircraft

title: Étude multidisciplinaire de configurations d’ailes non planes pour aéronefs de transport

subject:
Aircraft design
Nonplanar wings
Optimization

abstract:
A multidisciplinary study of an unconventional aircraft configuration was undertaken to determine if such a design could decrease the environmental impact of civil air transportation through fuel burn improvements for given missions. The specific configuration examined was a box-wing. This is a nonplanar wing design where two parallel wings with some degree of streamwise separation were connected at their tips by a vertical wing segment. The box-wing design differs from a conventional aircraft in three key areas: it has the lowest induced drag of any wing design with the same projected area; it can achieve longitudinal stability without a horizontal tail; and the wings form a statically indeterminate truss structure. These three characteristics lead to improved performance in the respective disciplines of aerodynamics, stability and structures. For this reason, the box-wing has been investigated as a possible transport aircraft in several previous studies, each focusing on these disciplines independently.

Trends which improved the performance in one discipline, however, could decrease the performance of the others. A multidisciplinary analysis was required to resolve these interactions and understand the trends which led to reduced fuel consumption for a box-wing design. Novel models for predicting the aerodynamic performance, static longitudinal stability and structural weight of a box-wing aircraft were developed for such an analysis. Optimal box-wing designs were identified, which were compatible with existing transport aircraft certification requirements and operational guidelines. These designs were compared against optimized conventional aircraft to determine what advantage the box-wing configuration possessed.

These findings showed both the interactions between the three key disciplines  of aerodynamics, stability and structures, as well as the effect which certification and operational constraints had on the design. Unconventional designs are critical to achieve the fuel burn reductions sought in the next generation of aircraft. The rigorous comparison made between box-wing and conventional configurations showed whether such a designs should be pursued in the development of future transport aircraft. Understanding how the constraints and design choices affect a box-wing's performance helped identify alternate missions which best take advantage of this unconventional design.

abstract:
Une étude multidisciplinaire d’une configuration d’aile d’aéronef non- conventionnelle fut entreprise afin de déterminer s’il était possible de réduire la consommation de carburant requise pour entreprendre certains profils de vols. La configuration d’ailes sélectionnée pour ce projet était celle d’ailes en anneau, une configuration similaire à celle d’un avion biplan où les extrémités d’ailes horizontales sont rejointes par des segments d’ailes verticaux. Ce type de configuration se démarque des ailes conventionnelles par les trois principes suivants: la traînée par unité de surface induite est moindre que toutes autres configurations d’ailes conventionnelles, la présence d’une telle configuration élimine la nécessité des gouvernes de profondeurs et les ailes en anneaux forment une structure hyperstatique pour laquelle l’amélioration structurelle peut résulter dans la réduction du poids structurel. Ces trois facteurs ont le potentiel de produire de nettes améliorations dans les performances aérodynamiques et en stabilité ainsi que des réductions du poids structurel. Pour ces raisons, plusieurs scientifiques ont déjà poursuivi des études ciblées sur ces avancements potentiels de performance.

Malgré qu’il a été démontré avec succès que certains modèles peuvent en fait améliorer certains aspects de la performance, aucun des modèles d’ailes en anneau proposés à date ont su démontrer une amélioration de performance globale, pour les trois principes mentionnés ci-haut. Ainsi, ce projet a utilisé une étude multidisciplinaire avec l'objectif premier de produire un modèle structurel d'ailes en anneau possédant le potentiel d'amélioration de performance sur l’ensemble des trois principes.

De nouveaux modèles numériques innovants permettant l’amélioration de la performance aérodynamique, la stabilité statique longitudinale ainsi qu’une réduction du poids structurel de l’ensemble d’aile ont été développés avec succès. Ces modèles sont compatibles avec les normes et certifications existantes ainsi qu'avec les standards opérationnels pour les aéronefs de transport. De plus, ces modèles numériques ont été comparés avec des configurations d’ailes conventionnelles optimisées afin d’identifier et de quantifier leurs avantages.
Les résultats de cette étude ont démontré que tout en respectant les contraintes opérationnelles et les besoins de certification, les modèles développés pouvaient en fait accroître la performance selon les trois critères mentionnées. Ces résultats démontrent que l’utilisation de configurations non-conventionnelles offre un niveau amélioré de performance pour de nouvelles configurations potentielles d’aéronefs. Grâce aux améliorations en performance, cette étude a aussi identifié de nouveaux types de missions de vols pour lesquelles les ailes en forme d’anneau pourraient être avantageuses.


title: Photometric Analyses and Attitude Estimation of Inactive Box-Wing Geosynchronous Satellites

title: Analyse photométrique et estimation de l’orientation de satellites géosynchrones inactifs de forme ‘box-wing’

subject:
Space Situational Awareness
Space Surveillance
Geosynchronous
Satellites
Solar Radiation Pressure
Spin Axis Orientation

abstract:
Determining the attitude dynamics of non-operational box-wing geosynchronous satellites using ground-based observations can be difficult because of their small apparent motion with respect to the Earth’s rotation and to the Sun’s position. Due to their very large solar panels, these satellites
are especially susceptible to solar radiation pressure disturbance torques. Because of these torques, some of these satellites might experience constantly varying spin periods and spin axis orientations. The torques will vary due to the Earth’s orbit motion and due to the short or long term satellite orientation variation with respect to the Sun and other, possibly significant, light flux sources (such as the Earth and the Moon). For the first time, a long term and high temporal resolution significant broadband photometric survey of 11 non-operational box-wing geosynchronous satellites has been conducted. Spin periods,
angular accelerations, and light curve morphologies have been inferred from each observation in order to qualitatively determine and compare how each satellites’ attitude dynamics are varying over the short term and the long term. These observations have qualitatively confirmed that the attitude dynamics of these satellites are diverse with respect to one another. Some of these satellites have exhibited consistently short spin periods of less than 1000 seconds. Other satellites have longer spin periods of between 1000 seconds and 5000 seconds. Other satellites have significantly variable
spin periods of between 200 seconds and 3000 seconds. Finally, other satellites have such complex light curves that a spin period determination was very difficult or was inconclusive. A previously suggested relationship between a box-wing satellite’s spin period variation amplitude and its average spin period has been found not to fit the new data acquired in the 11-satellite
survey. However, a very strong relationship between Telstar-401’s power spectrum ratio (PSR) and its spin period variation has been observed. This is the first time that a quantitative relationship has been established between a box-wing satellite’s attitude variation (suggested by the light curve morphology) and its spin variation. The Echostar-2 satellite was selected for spin axis orientation estimation because its light curves suggested the most stable spin axis variation relative to those of the other 10 satellites. It was found that Echostar-2’s spin axis remained within 30 degrees of the North Celestial Pole (for prograde rotation) or within 30 degrees of the South Celestial Pole (for retrograde rotation). Echostar-2’s
spin axis was also observed to have moved approximately 180 degrees in right ascension between September and March (and between March and September) 2012-2015, throughout the survey time span. This motion suggested a spin axis precession about an angular momentum vector that was
roughly oriented about the North Celestial Pole (or the South Celestial Pole). A simulation of Echostar-2’s angular acceleration and spin period variation was conducted for a time spanning over 10 years from the date of the first observation. The simulation was based on a numerical modeling of the solar radiation pressure torques affecting Echostar-2 over each single spin period within the 10-year time scale. The simulated angular acceleration and spin period variations compared well with the observations. The model successfully simulated the general shapes of the angular acceleration curve and spin period variation curve. The model also successfully simulated the decreasing average spin period and the decreasing spin period variation amplitude. Most
importantly, the model simulated the areas of spin period inflection (between a variation maximum and minimum), in which the angular acceleration magnitude would decrease for several days before increasing again.

abstract:
La détermination de la dynamique de l’orientation des satellites géosynchrones inactifs à l’aide d’observations terrestres peut être difficile en raison de leurs petits mouvements apparents par rapport à la rotation de la Terre et à la position du Soleil. En raison de leurs très grands panneaux
solaires, ces satellites sont particulièrement sensibles aux perturbations causées par la pression du rayonnement solaire. Par conséquent, certains de ces satellites peuvent connaître des périodes de rotation variables ainsi que des orientations variables de leurs axes de rotation. Les couples varieront en raison du mouvement orbital de la Terre et du fait de la variation à court ou à long terme de l’orientation du satellite par rapport au Soleil et d’autres sources - possiblement significatifs - de flux lumineux, comme la Terre et la Lune. Cette thèse décrit une première étude photométrique à bande large à long terme et à haute résolution temporelle de 11 satellites géosynchrones non-opérationnels. Les périodes de rotation, les accélérations angulaires et les morphologies de leurs courbes de lumière ont été déduites à partir
de chaque observation afin d’évaluer la manière dont la dynamique de l’orientation de chaque satellite varie à court terme et à long terme. Ces observations ont confirmé qualitativement que la dynamique d’attitude de ces satellites est très diversifiée l’une par rapport à l’autre. Selon ces observations, certains satellites ont affiché régulièrement des périodes de rotation courtes de moins de 1000 secondes tandis que d’autres satellites ont des périodes de rotation plus longues, entre 1000 secondes et 5000 secondes. Par contre, d’autres satellites ont des périodes de rotation significativement variables entre 200 secondes et 3000 secondes. Enfin, d’autres satellites ont des
courbes de lumière si complexes que la détermination d’une période de rotation était très difficile ou n’était pas concluante. Une relation, précédemment suggérée, entre l’amplitude de la variation de la période de rotation des satellites et leurs périodes de rotation moyennes a été trouvée d’être en contradiction avec les nouvelles données acquises dans cette étude. Cependant, une relation très forte entre le rapport de spectre de puissance de Telstar-401 et la variation de sa période de rotation a été observée.
C’est la première fois qu’une relation quantitative a été établie entre la variation de l’orientation d’un satellite (inféré selon la morphologie de sa courbe de lumière) et la variation de sa période de rotation. Le satellite Echostar-2 a été sélectionné pour l’estimation de l’orientation de son axe de rotation car ses courbes de lumière ont suggéré que son axe de de rotation variait de manière la plus stable parmi les 11 satellites observés. Cette étude a constaté que l’axe de rotation du satellite Echostar-2
a resté à moins de 30 degrés du pôle Nord céleste (pour une rotation prograde) ou à moins de 30 degrés du pôle Sud céleste (pour une rotation rétrograde). Selon les observations, l’axe de rotation du satellite Echostar-2 s’est déplacé d’environ 180 degrés en ascension droite entre septembre et mars ainsi qu’entre mars et septembre 2012-2015. Cette motion a suggéré une précession de l’axe de rotation autour d’un vecteur de moment angulaire qui était à peu prés orienté au pôle Nord céleste (ou le pôle Sud céleste). Une simulation de l’accélération angulaire du satellite Echostar-2 et de l’évolution de sa période
de rotation pendant une période de plus de 10 ans a été effectuée. La simulation a été basée sur une modélisation numérique des couples de pression de rayonnement solaire affectant Echostar-2 sur chaque période de rotation unique dans l’échelle de temps de 10 ans. Les variations simulées
de l’accélération angulaire et de la période de rotation se comparent bien aux observations. Le modèle a reproduit avec succès les formes générales de la courbe de l’accélération angulaire et de la courbe de variation de la période de rotation. Le modèle a également reproduit avec succès la période de rotation décroissante à long terme, et l’amplitude des variations de la période de rotation à court terme. En plus, le modèle a simulé les zones d’inflexion de la période de rotation (entre une variation maximale et minimale), dans laquelle la grandeur d’accélération angulaire diminue
pendant plusieurs jours avant de reprendre.


title: THEORY OF DECAYING POLYNOMIAL SPACES AND THEIR APPLICATIONS TO APPROXIMATIONS USING ASYMPTOTIC SERIES EXPANSION, LAPLACE TRANSFORM MOMENT MATCHING, AND INTERPOLATION

title: THÉORIE DE ESPACES DE POLYNÔME DÉCROISSANT ET LEURS APPLICATIONS À L'AIDE DES APPROXIMATIONS PAR DÉVELOPPEMENT EN SÉRIE ASYMPTOTIQUE, TRANSFORMÉE DE LAPLACE A MOMENT ÉGAL, ET L'INTERPOLATION

subject:
decaying polynomial
function approximation
asymptotic series expansion
moment matching
interpolation
weak uniform convergence

abstract: In this thesis, we construct a real analytic function space, called the decaying polynomial space, on the non-negative real axis. This space has multiple linear structures and favorable properties useful for approximations of continuous functions vanishing at infinity. We introduce the weak norms and metrics on the space so member functions can be weakly measured on the non-compact interval [0,∞). Then we develop three kinds of approximation methods – the asymptotic series expansion with variants, the Laplace transform moment matching, and the interpolation, all of which are based on the new space. We prove the weak uniform convergence for all the approximation methods and give an illustrative example of each method.


title: Lethal and sublethal effects of phthalates in Western clawed frog

title: Létalité et effets sous-létaux des phthalates chez le Xénope tropical

subject:
ecotoxicology
toxicology
molecular biology
plasticizer
plasticiser
phthalate

abstract:
Phthalates are compounds used in a variety of polymers to increase their flexibility and are now ubiquitous in the environment. As few studies have focussed on the adverse effects of these chemicals in aquatic species, this project aimed at elucidating the effects of phthalates in amphibians. Western clawed frog (Silurana tropicalis) tadpoles were acutely exposed to water spiked with monomethyl (MMP), dimethyl (DMP) and dicyclohexyl (DCHP) phthalates. DMP and DCHP were found to be embryotoxic; mortality, malformations and developmental delay were induced in treated larvae. In juvenile frogs, chronic exposures to MMP led to increased mortality, accelerated metamorphosis and more recurrent male phenotypes. However, MMP did not have considerable adverse health effects in tadpoles nor adult frogs. Moreover, analysing the expression of selected genes increased our understanding of the mechanism of phthalates. This is the first study to thoroughly investigate the effects of phthalates in the entire amphibian life cycle (egg to adult stage). These assays provided valuable data that will help better assess and manage the risks brought on by the production and the use of phthalates in the Canadian environment.
	Les phthalates sont des composés utilisés dans une variété de polymères afin d’accroître leur flexibilité et sont maintenant omniprésents dans l’environnement. Comme peu d’études ont caractérisé les effets de ces produits chimiques chez les espèces aquatiques, ce projet avait pour but d’élucider les effets des phthalates chez les amphibiens. Des têtards du Xénope tropical (Silurana tropicalis) ont été exposés à de l’eau contaminée avec du phthalate monométhylique, du phthalate diméthylique et du phthalate dicyclohexylique. Les phthalates diméthylique et dicyclohexylique se sont révélés embryotoxiques; les composés ont induit de la mortalité, des malformations et des délais de développement chez les larves. Chez les grenouilles juvéniles, les expositions chroniques au phthalate monométhylique ont mené à de la mortalité, à l’accélération de la métamorphose et à des phénotypes masculins plus fréquents. Le phthalate monométhylique, par contre, n’avait pas d’effets considérables chez les têtards ni chez les grenouilles adultes. De plus, l’analyse de l’expression d’une série de gènes a accru notre compréhension du méchanisme d’action des phthalates. Cette étude est la première à enquêter de manière approfondie les effets des phthalates sur l'ensemble du cycle de vie des amphibiens (œuf à adulte). Ces expériences ont fourni de précieuses données qui aideront à mieux évaluer et gérer les risques associés à la production et l'utilisation des phthalates dans l'environnement canadien.


title: Mediating gold nanoparticle growth in nanoreactors

title: Contrôle de la croissance des nanoparticules d'or dans des nanoréacteurs

subject:
nanoreactors
biocompatible polymers
confinement
functionalization
room temperature reactions

abstract:
Nanosystems have drawn inspiration from biological systems with many years of evolutionary optimization and biomimicry in many materials has been obtained by using whole organisms, their individual components or soft organic polymeric materials. Biomimetic nanoreactors in aqueous environment have proven to affect both thermodynamics and kinetics of a reactor due to the confinement effect occurring in small cavities. This has been demonstrated using poly(styrene-alt-maleic anhydride)-gold (SMA-gold) nanoreactors that utilize the two hydrophobic and hydrophillic active centers to initiate and catalyze reactions that are thermodynamically unfavourable and require high temperatures and pressures.
This thesis introduces various methods to mediate the interaction of gold nanostructure growth within the nanoreactor. The new properties of gold at the nanoscale have favoured applications in a variety of fields from catalysis to targeted drug delivery. Interestingly, the reactive nature of gold nanoparticles allows its use as an active center for nanoreactors. This study shows that Gold (I) chloride reacts with the hydrophilic domain of SMA and produces metal gold crystals of 30-50 nm in size, as well as with the hydrophobic cavity to produce metal gold clusters, 2-3 nm in size. The control of the environment surrounding the active center (hydrophilic versus hydrophobic domains) is essential for the development of tailored nanoreactors. The control of the interaction between the polymer and gold was obtained by modifying the nature of the polymer, adding external energy and using a coupling agent such as thiophene known to form stable bonds with gold.
It was found that the presence of monomethyl ester in the polymer intensifies the interaction of gold on the hydrophilic domain while producing larger gold crystals (both hexagonal close pack (hcp) and face centered cubic (fcc)) and slightly smaller gold clusters. Sonication was found to disrupt the whole selfassembly process and completely eliminate the interaction of gold with SMA in the hydrophobic cavity producing exclusively monoatomic hcp gold crystals. Moreover, it was shown that thiophene, when mixed and stabilized with either polymer or gold was successfully able to control the interaction between polymergold, minimizing or completely eliminating the interaction of gold on the hydrophilic domain, producing smaller gold crystals and maximizing its interaction in the hydrophobic cavity producing greater number of gold clusters. Contrary, when the polymer and gold were stabilized before the addition of thiophene, it was able to promote the interaction of gold with the hydrophobic cavity without disrupting the interaction on the hydrophilic domain to a great extent.
This thesis also demonstrates the unique properties of the nanoreactors with gold and platinum nanostructures by enhanced pyrrole polymerization and recommends the best system requiring the lowest amount of activation energy. Lastly, the thesis attempts to increase the biocompatibility of the system by iii attaching a linker, an amino acid. Computational modelling with basic experimental characterization determines the ideal candidate for the nanoreactor formation and allows the study of its interaction with gold in future.
This study discusses the formation of a nanoreactor via self-assembly with catalytic centers in hydrophilic or hydrophobic environments and provides ways to control the reaction on either of the centers by modifying the reactive environment. The ability to control the interaction of gold with the hydrophobic or hydrophilic cavity offers tremendous potential for many applications from drug delivery to nanocatalysis in hydrophilic and hydrophobic confinement. Applications of this system range from using the entire nanoreactor with metallic compositions for catalysis or drug delivery or simply use it as an environmentally friendly synthesis vehicle for the formation of gold or platinum structures for diagnostic or therapeutic applications.

abstract:
Les systèmes biologiques, ayant été optimisés grâce à l’évolution pendant de nombreuses années, ont inspirés le développement de nanosystèmes. L’imitation de systèmes biologiques dans de nombreux matériaux a été obtenue en utilisant des organismes entiers, leurs composants individuels ou des matériaux formés de polymères organiques souples. Les nanoréacteurs en milieu aqueux imitant les propriétés des systèmes biologiques, se sont avérés affecter à la fois la thermodynamique et la cinétique d'une réaction en raison de l'effet de confinement se produisant dans les petites cavités. Cela a été démontré en utilisant des nanoréacteurs composés de poly(styrène-alt-maléique anhydride) combinés a l’or (SMA-Au) qui utilisent deux centres actifs hydrophobes et hydrophiles pour initier et catalyser des réactions qui sont thermodynamiquement défavorables et nécessitent des températures et des pressions élevées en l’absence de confinement.
 Cette thèse présente différentes méthodes de médiation de la croissance de nanostructures d'or à l’intérieur des nanoréacteurs. En effet, les nouvelles propriétés de l'or à l'échelle nanométrique ont favorisé son utilisation dans une variété de domaines en passant de la catalyse à l’administration ciblée de médicaments. De plus, la nature réactive des nanoparticules d'or permet son utilisation en tant que centre actif pour nanoréacteurs. Cette étude demontre que le chlorure d’or (Au(I)) interagit avec le domaine hydrophile de SMA et de produit des cristaux de 30 à 50 nm d'or métallique. Il interagit également avec le domaine hydrophobe pour produire des nanoclusters d'or métalliques, 2-3 nm. Le contrôle de l'environnement entourant le centre actif (hydrophile par rapport à des domaines hydrophobes) est essentiel pour le développement de nanoréacteurs sur mesure. Le contrôle de l'interaction entre le polymère et l'or a été obtenu en modifiant la nature du polymère, par apport d'énergie externe et en utilisant un agent de couplage tel que thiophène qui forme des liaisons stables avec l'or.
Cette étude a permit de démontrer que la présence de l'ester monométhylique dans le polymère intensifie l'interaction de l'or sur le domaine hydrophile tout en produisant de plus gros cristaux d'or (à la fois hexagonal compact et cubique face centree) et réduisant légèrement l'interaction de l'or sur le domaine hydrophile (plus petits nanoclusters d'or). De plus, l’apport externe d’énergie par sonication perturbe l'ensemble du processus délicat d'autoassemblage et élimine complètement l'interaction de l'or avec SMA dans la cavité hydrophobe produisant exclusivement des cristaux d’or hexagonaux compacts fins (monoatomiques). En utilisant un médiateur tel que le thiophène, il est démontré que le thiophène, lorsque mélangé et stabilisé avec la matrice de polymère ou avec l'or, est capable de contrôler l'interaction entre le polymère et l'or, minimisant ou éliminant complètement l'interaction de l'or sur le domaine hydrophile produisant des cristaux d'or plus petits et d'optimisant l'interaction dans la cavité hydrophobe produisant plus grand nombre de nanoclusters d'or. A l'inverse, lorsque le polymère et l'or ont été stabilisés avant l'addition du thiophène, on a pu favoriser l'interaction v d'or avec la cavité hydrophobe sans perturber l'interaction entre le domaine hydrophile dans une large mesure.
De plus, cette thèse montre les propriétés uniques des nanoréacteurs combinant des catalyseurs d’or et de platine impliquant une amélioration de la cinétique de polymérisation de pyrrole et permettant ainsi la sélection du meilleur nanoréacteur avec la plus faible énergie d'activation. Enfin, la thèse tente d'accroître la biocompatibilité du système par modification de la matrice de polymère avec un acide aminé. La modélisation atomique combinée à la caractérisation expérimentale préliminaire ont permis de déterminer le candidat idéal pour la formation de nanoréacteurs; ce qui permettra d'étudier son interaction avec de l'or dans le futur.
Cette étude décrit la formation d'un nanoréacteur par auto-assemblage avec des centres catalytiques hydrophiles ou hydrophobes, et fournit des moyens pour contrôler la réaction sur l'un des centres en modifiant l'environnement réactif. La capacité de contrôler l'interaction de l'or avec la cavité hydrophobe ou hydrophile offre un énorme potentiel pour de nombreuses applications de l'administration ciblée de médicaments à la nanocatalyse en confinement hydrophile et hydrophobe. Les nanoréacteurs peuvent également être utilises comme véhicule de synthèse respectueux de l'environnement pour la formation de nanostructures d’or, de platine pouvant être utilisées pour des applications diagnostiques ou thérapeutiques.


title: Three-dimensional modeling of interlaminar normal stresses in curved laminate components

title: Modélisation tridimensionnelle des contraintes normales interlaminaires dans des composants de matériaux composites courbés

subject:
composite materials
interlaminar stress
Finite Element Analysis
curved geometry

abstract:
Curved composite components are being used more frequently in engineering applications due to their desirable and customizable mechanical properties coupled with their low density. However, the stress analyses that have been published thus far are mostly for two-dimensional finite element models and for a cross-ply and unidirectional laminates. These do not accurately model how the interlaminar stresses induced by the lay-up of the laminate couple with the radial stresses induced by the geometry of the curved component. A three-dimensional finite element model of a curved composite component was created and compared to published experimental data to verify its accuracy. The model was then used to model six symmetric layups: unidirectional, [0/10]s, [0/20]s, [0/45]s, [0/70]s, and [0/90]s subjected to similar loading as the published experiment. The interlaminar normal stresses were modeled across the width of the curved composite component at selected regions of the circumference. Interlaminar normal stress was determined to have the largest effect in delamination initiation of a curved composite component. The radius of the curve was varied and the maximum radial stress was found to increase as the radius of the curve decreased. The effect that the lay-up had on the interlaminar normal stress distribution was investigated and it was found to influence both the interlaminar stresses induced at the free edge of the laminate and the torsion induced as a result of the constraints of the coupon and the proneness of the laminate to twisting. It was concluded that
three-dimensional modeling is required to accurately determine where delamination will initiate on a curved composite component with angled plies, as a two-dimensional model could
underpredict the interlaminar normal stress by up to 37%.

abstract:
Les pièces fabriquées de matériaux de composites courbées sont utilisées de plus en plus fréquemment dans les applications d'ingénierie en raison de leurs propriétés mécaniques attrayantes et facilement adaptable, et cela couplé avec leurs densités peu-élevé. Cependant, les analyses de contraintes publiées jusqu'à présent ont été effectué principalement à l’aide de modèles d'éléments finis bidimensionnels se concentrant sur des stratifiés croisés et
unidirectionnels. Celles-ci ne modélisent pas de façon précise la manière dont les contraintes
normales interlaminaires induites par la superposition des couches du stratifié sont couplées aux contraintes radiales induites par la géométrie du composant courbé. Un modèle tridimensionnel d'éléments finis d'un composant composite courbé a été créé et comparé aux données expérimentales publiées pour en vérifier l'exactitude. Le modèle a ensuite été utilisé pour
modéliser six stratifiés symétriques: unidirectionnelle, [0/10]s, [0/20]s, [0/45]s, [0/70]s et [0/90]s. Ceux-ci ont été soumis à un chargement similaire à celui de l'expérience publiée. Les contraintes normales interlaminaires ont été modélisées sur toute la largeur du composant à des endroits présélectionné dans la circonférence de la courbe. Il a été déterminé que la contrainte normale interlaminaire avait le plus grand effet sur l’initiation de la délamination d’un
composant de composite courbée. Le rayon de la courbe a été modifié et il a été constaté que la
contrainte radiale maximale augmentait à mesure que le rayon de la courbe diminuait. L’effet de
la superposition sur la distribution normale des contraintes interlaminaires a aussi été étudié. Il a
été constaté que la superposition influençait à la fois les contraintes interlaminaires induites au
bord libre du stratifié et qu’elle influençait la torsion induite par les contraintes du coupon, incitant ainsi le stratifié à tordre. Il a été conclu qu'une modélisation tridimensionnelle est nécessaire pour déterminer avec précision la contraint maximale à laquelle de la délamination aura lieu sur un composant fabriquée de composites courbées. Il est estimé qu’un modèle bidimensionnel pourrait sous-prédire la contrainte normale interlaminaire jusqu'à 37%.


title: Development, Analysis and Synthesis of a Three-degree-of-freedom Translational Tensegrity Mechanism

title: Développement, analyse et synthèse d’un mécanisme de tenségrité avec trois degrés de liberté en translation

subject:
Robotics
Cable-driven mechanisms

abstract:
This thesis presents a novel robotic mechanism based on the structural concept of Tensegrity. Winch-driven cables are used to actuate the mechanism in such a way that it experiences only translational motion of its end-effector. This behaviour, and the reduction of the mechanism’s inertia due to the use of cables, could be beneficial for certain industrial operations.
A comprehensive study was conducted to investigate the behaviour of the proposed tensegrity mechanism. Kinematic analysis was performed to explore the relationship between actuator and end-effector coordinates, kinematic singularities, reachable workspace volume, and mechanical interferences between internal components. Models of the mechanism were derived to verify that tension is maintained within all cables for both static and dynamic cases. These models were used to determine external forces or accelerations that the mechanism can attain without losing cable tension, and thus controllability. Stiffness was also investigated, as it relates to the accuracy of the end-effector’s position.
Additionally, the construction of a functional prototype is outlined. The design challenges faced when manufacturing this proof-of-concept are examined and a discussion of the chosen design approaches is included. Recommendations are made for future experimental work to evaluate the mechanism performance and validate the theoretical work of this thesis. The finished prototype may act as a platform for further development.

abstract:
Dans cette thèse, un mécanisme robotique novateur qui est développé à partir du concept de tenségrité est présenté. Le mécanisme est actionné à partir de câbles dont les longueurs sont modifiées par des treuils de manière à obtenir un mouvement en translation de sa plate-forme mobile. Ce type de mouvement, combiné avec une réduction de l’inertie du mécanisme en raison de l’utilisation de câbles, font du mécanisme un candidat intéressant pour certaines applications industrielles.
Une étude approfondie du mécanisme de tenségrité proposé est présentée. D’une part, une analyse cinématique permet d’établir le lien entre les longueurs des câbles et la position de la plate-forme mobile, d’identifier les singularités du mécanisme, de calculer les limites de son espace atteignable et de déceler l’existence d’interférences entre ses composants mécaniques. D’autre part, des modèles statique et dynamique du mécanisme permettent de vérifier les conditions nécessaires pour que ses câbles demeurent tendus pendant son opération. Ces modèles sont également utilisés pour calculer les forces externes pouvant être supportées par le mécanisme ou encore les accélérations qu’il peut exécuter lors de ses mouvements tout en gardant ses câbles tendus. Une analyse de la raideur du mécanisme est présentée de manière à évaluer l’exactitude avec laquelle la plate-forme mobile peut être positionnée dans son espace atteignable.
Finalement, la conception et la fabrication d’un prototype fonctionnel du mécanisme sont décrites. Les défis rencontrés pendant la fabrication du prototype sont expliqués et les décisions de conception sont justifiées. Certaines recommandations sont faites concernant des travaux futurs visant à mieux évaluer la performance du mécanisme et la validité de certains résultats théoriques obtenus dans cette thèse. Le prototype, pour sa part, est apte à être utilisé comme point de départ pour des recherches plus approfondies dans le domaine des mécanismes de tenségrité.


title: A COUPLED NEUTRONICS-THERMOHYDRAULICS MODEL OF THE HOMOGENEOUS SLOWPOKE REACTOR

title: MODÈLE NUMÉRIQUE DU RÉACTEUR SLOWPOKE HOMOGÈNE À COUPLAGE NEUTRONIQUE ET THERMOHYDRAULIQUE

subject:
MCNP
COMSOL
Homogeneous SLOWPOKE

abstract:
The Homogeneous SLOWPOKE reactor is intended as a replacement for the heterogeneous SLOWPOKE-2 reactors at universities, allowing the continuation of their teaching and research missions in neutron activation analysis and neutron radiography. The primary application of the Homogeneous SLOWPOKE reactor, however, is the production of radioisotopes for applications in industry and nuclear medicine. For the production of 99Mo and 99mTc, it was found that a network of about 15 Homogeneous SLOWPOKE reactors dispersed throughout North America can replace the National Research Universal (NRU) reactor which is nearing its service life. The design of the Homogeneous SLOWPOKE reactor is based on a liquid fuel core which enables these isotopes to be extracted more easily.
The continuation of previous research requires the development of a model to account for the changing distributions of temperature and density in the core as a result of natural convection. This component of the development is needed to address safety-related issues arising from the non-rigid core configuration. The proposed method involves the development of a computer-aided engineering (CAE) tool to address the legacy geometry capabilities of the Monte Carlo n-Particle Transport Code (MCNP6), specifically to model a distribution of temperature and density in the core, and integrate MCNP functionality into a thermohydraulic model in COMSOL Multiphysics. With both programs linked, the heat source distribution may be continually updated as a core temperature profile develops. The neutronic modeling at the maximal temperature gradient resulted in an excess reactivity of 0.8mk higher than models using a uniform temperature distribution at the same average core temperature. Two thermohydraulic models are developed to judge the ability of natural convection to cool the core. In the absence of experimental data, neither model is expected to fully and accurately represent the heat transfer and coolant flow in the reactor core, but only estimate the upper and lower limits of the current design’s cooling capability. Laminar flow models estimating the lower limit resulted in a maximum thermal power of 2.5kW for an average core temperature of 60oC and the Low Reynolds Number k-Ɛ turbulence models resulted in a thermal power of 6.0kW for the same temperature.

abstract:
Le réacteur nucléaire SLOWPOKE homogène est conçu pour remplacer les réacteurs SLOWPOKE-2 dans certaines universités, afin de permettre de poursuivre leurs missions d’enseignement et de recherche en analyse par activation neutronique et en radiographie neutronique. Cependant, la fonction première du réacteur SLOWPOKE homogène est la production de radioisotopes pour applications industrielles et en médecine nucléaire. Pour la seule production de 99Mo et de 99mTc, on a trouvé qu’environ 15 réacteurs SLOWPOKE homogènes dispersés en Amérique du Nord pouvaient remplacer le réacteur NRU dont la vie utile tire à la fin. Le design du réacteur SLOWPOKE homogène est basé sur un coeur à combustible liquide, ce qui facilite de beaucoup l’extraction de ces isotopes.
La poursuite de la recherche en cours requiert le développement d’un modèle numérique qui tient compte des distributions changeantes de la température et de la densité résultant de la convection naturelle. Cette composante du développement est nécessaire pour répondre à des inquiétudes reliées à la sûreté et provenant de la nature non-rigide de la configuration du coeur du réacteur. La méthode proposée dans cette recherche implique le développement d’un outil d’ingénierie assistée par ordinateur pour mettre à l’épreuve le legs du code MCNP6 en matière de ses capacités géométriques, plus spécialement pour la modélisation de la distribution de la température et de la densité dans le coeur, et pour intégrer la fonctionalité de MCNP dans le modèle thermohydraulique de COMSOL Multiphysics. Avec les deux programmes reliés, la distribution des sources de chaleur peut être continuellement mise à jour alors que le profil de la température du coeur en régime permanent évolue. La modélisation neutronique pour un gradient maximal de la température du coeur prédit une réactivité excédentaire de 0.8mk plus élevée que celle prédite par un modèle basé sur une distribution de température uniforme ayant la même température moyenne.
Deux modèles thermohydrauliques ont été développés afin de déterminer la capacité de la convection naturelle à refroidir le réacteur. En l’absence de données expérimentales, on ne s’attend pas à ce que l’un ou l’autre de ces modèles soit capable de représenter le transfert de chaleur et l’écoulement du caloporteur complètement et précisément. Ces modèles ne peuvent qu’estimer les limites supérieures et inférieures du système de refroidissement du design proposé du réacteur. Les modèles basés sur un écoulement laminaire et estimant la limite inférieure ont prédit une puissance thermique maximum de 2.5kW pour une température moyenne du coeur de 60oC. Les modèles dits « k-Ɛ » basés sur les écoulements turbulents ont résulté en une valeur de 6.0 kW pour la puissance d’un réacteur ayant une même température moyenne.


title: INSCRIPTION AND ANALYSIS OF NON-UNIFORM DIFFRACTION GRATINGS IN AZOBENZENE MOLECULAR GLASS THIN FILMS

title: INSCRIPTION ET ANALYSE DES RÉSEAUX DE DIFFRACTION NON-UNIFORMES SUR DES FILMS MINCES DE VERRES MOLÉCULAIRES D’AZOBENZÈNE

subject:
Optics
Photonics
Thin Films
Diffraction Gratings
Laser Inscription

abstract: A Direct Interference Lithography Patterning technique was used to inscribe non-uniform, or spatially curving, surface relief diffraction gratings on photomechanical thin films using a modified Lloyd’s mirror interferometer. The experimentally-fabricated gratings are compared to a theoretical model, developed by simulating the recombined laser interference phase information to theoretically achieve various non-uniform grating profiles as it would be expected in the actual fabrication process. A Coherent Verdi V5 diode-pumped continuous wave laser, having a wavelength 𝜆=532 nm, was used to experimentally generate a collimated and circularly-polarized laser beam. A spherical lens having a 5.72 mm diameter was placed along the laser beam path towards the Lloyd’s mirror interferometer to produce a spherically-curving wave front and to generate a non-uniform interference pattern, which was imprinted on a Disperse Red 1 molecular glass thin film. It was found that two parameters could be used to control the overall distribution of the non-uniform grating’s physical and optical properties: the laser incidence angle, dictating the central grating pitch, and the physical position of the spherical lens. These parameters were varied to experimentally and theoretically produce twelve different non-uniform gratings. Central pitch values of Λ=500 nm, Λ=1000 nm, Λ=1500 nm, and Λ=2000 nm were used for inscription at lens positions of 𝑓=35 mm, 𝑓=45 mm, and 𝑓=55 mm from the azobenzene film surface. An Atomic Force Microscope was used to characterize the resulting gratings in order to obtain the localized grating pitch, vector orientation and modulation depths at 25 X-Y coordinates on the grating’s surface. The experimental results and theoretical simulations were compared using three-dimensional vector plots. The grating’s pitch and vector information were found to be in close agreement between the theoretical and experimental results. The experimental modulation depth was compared to a theoretical laser irradiance distribution, and some variation was found and explained. This method for non-uniform grating fabrication was found to produce cheap and inexpensive gratings with easily controllable optical parameters, which allows them to be used in a variety of photonics application in research and industry.

abstract: Une technique de fabrication par lithographie en interférence directe a été utilisée pour inscrire des réseaux de diffraction non uniformes, ou spatialement incurvés, sur des films minces photomécaniques en utilisant un interféromètre à miroir de Lloyd modifié. Les réseaux fabriqués expérimentalement sont comparés à un modèle théorique, developé en simulant l'information de phase d'interférence recombinée pour obtenir théoriquement des différents profils de réseaux non uniformes comme on peut s'y attendre dans le processus de fabrication expérimental. Un laser à onde continue pompé par diode Verdi V5 de Coherent, ayant une longueur d'onde λ = 532 nm, a été utilisé pour générer expérimentalement un faisceau laser collimaté et à polarisation circulaire. Une lentille sphérique de 5,72 mm de diamètre a été placée le long du trajet du faisceau laser vers l'interféromètre à miroir de Lloyd pour produire un front d'onde sphériquement incurvé et pour générer un patron d'interférence non uniforme qui a été imprimé sur un verre moléculaire Disperse Red 1 en couche mince. Il a été constaté que deux paramètres pouvaient être utilisés pour contrôler les propriétés physiques et optiques d’un réseau non uniforme: l'angle d'incidence du laser, dictant le pas central du réseau, et la position physique de la lentille sphérique. Ces paramètres ont été variés pour générer expérimentalement et théoriquement douze réseaux non uniformes différents. Les valeurs du pas central de Λ = 500 nm, Λ = 1000 nm, Λ = 1500 nm et Λ = 2000 nm ont été utilisées pour l'inscription aux positions de lentilles de f = 35 mm, f = 45 mm et f = 55 mm de la surface du film d’azobenzène. Un microscope à force atomique a été utilisé pour caractériser les réseaux résultants afin d'obtenir les informations sur le pas local du réseau, l'orientation du vecteur du réseau et la profondeur de modulation sur 25 coordonnées X-Y sur la surface du film. Les résultats expérimentaux et les simulations théoriques ont été comparés en utilisant des tracés vectoriels tridimensionnels. Les informations du pas et du vecteur du réseau ont été trouvées en accord étroit entre les résultats théoriques et expérimentaux. La profondeur de modulation expérimentale a été comparée à une distribution théorique d'irradiance laser, et une variation a été trouvée et expliquée. Cette méthode pour la fabrication de réseaux non uniformes a été trouvée de produire des réseaux avec des paramètres optiques facilement contrôlables, ce qui leur permet d'être utilisés dans une variété d'applications photoniques dans la recherche et l'industrie.


title: Order from Chaos when Chaos is the Order: Revising Historical Narratives on Britain’s Second World War Yugoslav Policy

title: L'ordre du chaos quand Chaos est l'Ordre: Révision des récits historiques sur la politique Yougoslave Seconde Guerre mondiale en Grande-Bretagne

subject:
Yugoslavia
Second World War

abstract:
Abstract:
During the Second World War British support to occupied Yugoslavia’s resistance underwent an inexplicable and controversial about face that saw His Majesty’s Government (HMG) pivot support from Draža Mihailović’s Royalist Četniks to Josip Broz Tito’s Communist Partisans. This about face in policy has fomented a lasting debate, still very much alive in the current historical literature. This thesis will explore various explanations for this apparent shift in British policy by examining the principal historiography in the light of more recently declassified records. By taking a view of HMG policy evolution that focuses on influence and context this thesis will examine the evolution of British Yugoslav policy. The intention is to fill gaps in the literature and illustrate that previous narratives have been problematic due to archival limitations and issues of approach. This examination provides a new narrative by which to frame HMG Policy in Yugoslavia that has yet to be considered and which provides very different and intriguing explanations.

Résumé:
Pendant la Seconde Guerre mondiale, le soutien britannique à la résistance Yougoslavie occupée subi une volte-face inexplicable et controversée qui a vu le gouvernement de Sa Majesté (HMG) aider de pivot à partir de Draza Mihailovic royaliste tchetniks de partisans communistes de Josip Broz Tito. Cette volte-face dans la politique a déploré un débat durable, toujours bien vivant dans la littérature historique actuelle. Cette thèse explorera diverses explications à ce changement apparent dans la politique britannique en examinant l'historiographie principale à la lumière des dossiers plus récemment déclassifiés. En prenant une vue de l'évaluation de la politique HMG qui se concentre sur l'influence et le contexte de cette thèse examinera l'évolution derrière la politique yougoslave britannique. L'intention est de combler les lacunes dans la littérature et d'illustrer que les récits précédents ont été problématique en raison des limites de l'approche et des questions d'archivage. Cet examen fournit un nouveau récit par lequel pour encadrer la politique HMG en Yougoslavie qui doit encore être examiné et qui fournit des explications très différentes et intrigantes.


title: Position and Force Control of a Serial Arm Robot

title: Commande de Position et Force d'un Robot Manipulateur à Architecture Série

subject:
Robotics
Position and Force Control
CataLyst-5
Hybrid Control
Computed Torque Control
Joint Space Linearized Control
Cartesian Space Linearized Control

abstract:
Controlling contact between the end-effector of a robot manipulator with its environment is a critical function for more advanced operations, whether working at intricate assembly tasks or in assisting and interacting with humans.  That such controlled interactions will become increasingly important in robotics, drives extensive research in the field of simultaneous position and force control.  The research conducted in this thesis aims to develop and implement such control schemes using a serial arm robot.

The kinematics and dynamics of a five degrees of freedom articulated manipulator, the CataLyst-5, were determined for use in designing various control systems to be applied both in simulation and experimentally.  Three position controllers of various complexity were developed and compared, including a PD Independent Joint controller, a Joint Space Linearized controller and a Cartesian Space Linearized controller.  The Cartesian space controller was used as a foundation to develop two position/force controllers, the first a Hybrid Position/Force controller and the second a Position Based Force controller.

The controllers were implemented to have the robot move along various shape trajectories on a horizontal plane, with the position controllers following the trajectories in free space and the force controllers maintaining contact with a chalkboard drawing surface and applying a specified force to draw the shape with chalk.  All controllers were initially applied to a SimMechanics model of the serial arm robot to ensure stability and allow for initial gains tuning.  Once proven stable, the controllers were implemented on the CataLyst-5 using Quanser's open-architecture control software.

During both simulation and experimentation, it was found that the highly complex Cartesian Space Linearized controller provided the most accurate trajectory following results, with a trade-off in lengthy simulation and compilation times.  Despite successful simulation results, the Hybrid controller could not be configured to maintain contact with the drawing surface during experimentation, necessitating the creation of a Modified Hybrid controller.  The Position Based Force controller provided the best experimental results, maintaining contact with the drawing surface throughout the trajectories.

abstract:
La commande de contact entre l'effecteur d'un robot manipulateur et son environnement est une fonction essentielle pour des opérations avancées, que ce soit dans le travail des tâches d'assemblage complexes ou dans l'assistance et l'interaction avec les humains.  Parce que les interactions contrôlées deviendront de plus en plus importantes dans le domaine de la robotique, des recherches approfondies sont conduites dans le domaine de commande simultanée de position et de force.  La recherche conduite dans cette thèse vise à développer et mettre en œuvre des systèmes de commande d'un bras de robot sériel.

La cinématique et la dynamique d'un manipulateur CataLyst-5 articulé à cinq degrés de liberté ont été déterminées pour une utilisation dans la conception de divers systèmes de commande applicables à la fois en simulation et en expérimentation.  Trois systèmes de commande de position de complexité variable ont été développés et comparés, y compris un contrôleur PD à joints indépendants, une commande linéarisée dans l'espace articulaire et une commande linéarisée de l'espace cartésien.  Cette dernière a été utilisée comme une base pour développer deux compensateurs de position et force.  Le premier est un contrôleur hybride de position/force et le deuxième est un contrôleur de force dépendant de la position.

Les systèmes de commande ont été mis en œuvre pour déplacer le robot suivant des trajectoires dans l'espace libre, puis selon différentes trajectoires sur un plan horizontal et pour maintenir le contact avec la surface d’un tableau de dessin et l'application d'une force spécifiée pour dessiner la forme avec la craie par le biais de la commande de force.  Tous les compensateurs ont été d'abord appliqués à un modèle SimMechanics du robot sériel pour assurer la stabilité et ajuster les gains initiaux.  Une fois assurer la stabilité, les systèmes de commande ont été mis en œuvre sur le robot CataLyst-5 en utilisant le logiciel de commande à architecture ouverte de Quanser.

Au cours des phases de simulation et d'expérimentation, il a été convenu que la ``très complexe’’ commande linéarisée dans l'espace cartésien fournit les résultats les plus précis en suivants les trajectoires, au coût de longues durées de simulation et compilation.  Malgré les succès observés dans les résultats des simulations, la commande hybride ne peut pas être configurée pour maintenir le contact avec la surface de contact au cours de l'expérimentation, ce qui nécessite la modification de cette commande hybride.  Le compensateur de force en fonction de la position a fourni de meilleurs résultats expérimentaux en maintenant le contact avec la surface de dessin tout au long des trajectoires.