Unified computational frameworks bridging low to high frequency simulations : fast and high fidelity modelling from brain to radio-frequency scenarios

par Adrien Merlini

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Francesco Paolo Andriulli.

Le président du jury était Joe Wiart.

Le jury était composé de Francesco Paolo Andriulli, Hélène Roussel, Roberto D. Graglia, Daniel Bourreau, Kristof Cools, Edouard Demaldent.

Les rapporteurs étaient Hélène Roussel, Roberto D. Graglia.

  • Titre traduit

    Systèmes computationnel unifiés pour simulations de basse à haute fréquence : modélisations rapides et haute-fidélité pour des applications du cerveau aux radiofréquences


  • Résumé

    Dans le domaine de l’électromagnétisme computationnel, les équations intégrales de frontière sont très largement utilisées pour résoudre certains des plus grands problèmes directs, grâce à leur grande efficacité. Cependant les équations intégrales du champ électrique et du champ combiné (EFIE et CFIE), deux des formulations les plus employées, souffrent d’instabilités à basse fréquence et à haute discrétisation, ce qui limite leur versatilité. Dans cette thèse différentes approches sont présentées pour obtenir des algorithmes applicables aussi bien à des problèmes de compatibilité électromagnétique qu’à des applications radar. Les solutions présentées incluent (i) l’extension des projecteurs dit quasi-Helmholtz (qH) aux modélisations d’ordre supérieur ; (ii) l’utilisation de ces projecteurs pour stabiliser l’équation intégrale du champ magnétique et former une CFIE extrêmement précise, augmentée par des techniques de type Calderón, qui ne souffre de problèmes ni à basse fréquence ni à haute discrétisation et qui n’est pas sujette aux résonances artificielles ; (iii) le développement d’une EFIE filaire, basée sur des B-splines linéaires et les projecteurs qH, stable aux deux extrémités du spectre. Ces travaux ont été suivis de l’ouverture d’un nouvel axe de recherche visant l’amélioration des techniques de résolution des problèmes inverses en électromagnétique, avec pour objectif principal l’augmentation des performances des interfaces cerveau machine (BCIs). Les premiers résultats obtenus incluent le développement de l’un des premiers systèmes libres de simulation de bout en bout de session de BCI ayant été publié après revue par les pairs.


  • Résumé

    In computational electromagnetics, boundary integral equations are the scheme of choice for solving extremely large forward electromagnetic problems due to their high efficiency. However, two of the most used of these formulations, the electric and combined field integral equations (EFIE and CFIE), suffer from stability issues at low frequency and dense discretization, limiting their applicability at both ends of the spectrum. This thesis focusses on remedying these issues to obtain full-wave solvers stable from low to high frequencies, capable of handling scenarios ranging from electromagnetic compatibility to radar applications. The solutions presented include (i) extending the quasi-Helmholtz (qH) projectors to higher order modeling thus combining stability with high order convergence rates; (ii) leveraging on the qH projectors to numerically stabilize the magnetic field integral equation and obtain a highly accurate and provably resonance-free Calderón-augmented CFIE immune to both of the aforementioned problems; and(iii) introducing a new low frequency and dense discretization stable wire EFIE based on projectors and linear B-splines. In addition, a research axis focused on enhancing Brain Computer Interface (BCIs) with high resolution electromagnetic modeling of the brain has been opened ; a particular attention is dedicated to the inverse problem of electromagnetics and the associated integral equation-based forward problem. The first results of this new line of investigations include the development of one of the first peer-reviewed, freely available framework for end-to-end simulation of BCI experiments.



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