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Bistatic electromagnetic signature of a complex target integrated in its environment : Application to ISAR imaging of a maritime scene
No full textLe travail réalisé dans le cadre de cette thèse s’intègre bien dans le domaine de la télédétection de l’environnement maritime. Il porte notamment, d’une part sur l’étude de l’interaction d’une onde électromagnétique avec une surface maritime en présence d’une cible complexe et observée en configuration bi-statique. D’autre part l’étude est complétée par l’étude et l’analyse de l’influence des différents paramètres à la fois liés à la cible et aussi à l’environnement. Dans ce contexte d’étude, le présent travail s’articule autour de deux volets importants. Le premier vise l’étude et la simulation de la Surface Equivalente Radar(SER) d’une cible complexe placée dans son environnement maritime. Et un deuxième volet applicatif traite l’imagerie radar ISAR d’une scène observée, avec prise en compte des cibles présentes sur la surface. Afin de traiter le premier point, le modèle électromagnétique retenu est basé sur une combinaison de méthodes asymptotiques (Optique Physique (OP), Optique Géométrique (OG), Méthode des courants équivalents (MCE)). Pour l’étude de l’influence de la surface de mer sur la réponse électromagnétique de la cible, nous avons opté pour une représentation de la scène (cible+surface de mer) par un ensemble de facettes triangulaires. Dans ce cadre, la cible discrétisée par un maillage triangulaire est générée à l’aide d’un outil de CAO (CATIA V5), quant à la surface de la mer, elle est générée en utilisant le spectre de mer d’Elfouhaily (et le modèle de Debye pour la prise en compte des paramètres diélectriques de l’eau de mer). Enfin, pour l’application de l’imagerie radar ISAR, le calcul de la SER de la cible navale a été effectué en considérant une nouvelle représentation de la cible en parallélépipèdes. La méthodologie proposée a été évalué via des simulations ainsi que des expérimentations sur un modèle générique d’un navire.The work presented here interset with remote sensing of the maritime environment.It espacially carried with the study of electromagnetic scattering by sea surface with the presence of the target. This study is done in bistatic configuration. So, it is completed by the analysis of the influence of various parameters related to the target and also to the environment. In this context, this work focuses on two important parts. The first is the study and simulation of Radar Cross Section (RCS) of a complex target placed in the maritime environment.And the second part deals with the application of ISAR radar imagery of an observed scene, with consideration of target on the sea surface. We have opted for a combination between Physical Optics (PO), Geometrical Optics (GO) and Equivalent Edge Currents (ECM) (POGO/ EMC) to estimate the RCS. In order to take into account the infuence of sea surface, we have genereted a 2D sea surface from the Elfouhaily spectrum. In order to integrate the target into the scenario (the target in its environment, radar imagery), we propose a parallelepiped representation of the naval taget and RCS calculation. The proposed methodology was evaluated through simulations and measurements on a generic model of a ship
Khenchaf “The bistatic electromagnetic signature of heterogeneous sea surface: Study of the hydrodynamic phenomena” IGARSS 2010. ha l-0 0, v er sio n - 3 M ay
No full textABSTRACT The main goal of the development of new radar systems is to improve the characterization of the observed target, which has to be identified in a complex and evolutionary medium, like for marine environments (seas, oceans and large lakes). In marine environments and particularly in coastal areas, there are different physical phenomena or object which can change the characteristics of the seas surface. For example, we may find ship wake which can change the geometric characteristics of the surface. Also, we may find some pollutant like petrol or oil, which change the dielectric constant of the surface. The breaking wave is another complicate phenomenon, which can change completely the features of the sea surface. All these phenomena are showed in the followin
Space-Based Displacement Monitoring of Coastal Urban Areas: The Case of Limassol’s Coastal Front
Get PDFIn the last five years, the urban development of the city of Limassol has rapidly increased in the sectors of industry, trade, real estate, and many others. This exponentially increased urban development arises several concerns about the aggravation of potential land subsidence in the Limassol coastal front. Forty six Copernicus Sentinel-1 acquisitions from 2017 to 2021 have been processed and analyzed using the Sentinel Application Platform (SNAP) and the Stanford Method for Persistent Scatterers (StaMPS). A case study for the identification and analysis of the persistent scatterers (PS) in pixels in a series of interferograms and the quantity of the land displacements in the line of sight of the Limassol coastal front is presented in this research, with subsidence rates up to about (−5 to 4 mm/year). For the validation of the detected deformation, accurate ground-based geodetic measurements along the coastal area were used. Concordantly, considering that there is a significant number of skyscrapers planned or currently under construction, this study attempts a preliminary assessment of the impact these structures will pose on the coastal front of the area of Limasso
Study of EM bistatic signature of a heterogeneous sea surface with consideration of hydrodynamic phenomena
No full textLe travail réalisé dans cette thèse s'intègre globalement dans le cadre de I'observation et la surveillance maritime.Afin d'améliorer la reconnaissance et I'identification automatique de cibles noyées dans un environnement perturbé, nous avons opté à la fusion de différentes connaissances et informations concernant une scène observée à distance par des capteurs micro-ondes. En effet, plusieurs phénomènes physiques co-existent et perturbent la propagation des ondes électromagnétiques au-dessus d'une surface et notamment au-dessus d'une surface maritime hétérogène (la réfraction due aux gradients d'indice, la rugosité de la surface de mer, les effets hydrodynamiques non linéaires du type vagues déferlantes, la présence d'objets, les polluants, sillage de navires, zones côtières, ...). Dans ce contexte, le travail présenté dans cette thèse porte sur l'étude de la signature électromagnétique (coefficients de diffusion) d'une surface maritime hétérogène avec la prise en compte des phénomènes hydrodynamiques (linéaires : vagues de capillarité et de gravité, non linéaires : vagues déferlantes). Cette estimation de la signature électromagnétique est effectuée en configuration bistatique (monostatique et propagation avant) et en bande X. L'étude complète de cette problématique est difficile. En effet, le déferlement est un processus dissipatif de l'énergie qui correspond à la dernière étape de la vie d'une vague et qui a donc le plus souvent lieu à I'approche du rivage. Ce phénomène non linéaire produit un pic de mer qui est une augmentation rapide des coefficients de diffusion et qui peut dépasser 10 dB dans une période de 100 ms. Ce pic peut conduire à des échos parasites, qui peuvent être identifiés comme des cibles virtuelles, et par la suite elles peuvent perturber le système de détection radar (fausses alarmes). Par conséquent, pour améliorer le processus de détection et pour réduire le taux de fausses alarmes, il est important de distinguer entre les cibles et les pics de mer générés par des vagues déferlantes. Ceci constitue I’une des motivations et aussi I'intérêt d'étudier la signature électromagnétique des vagues déferlantes dans différentes configurations d'observation de sorte que nous puissions facilement indiquer la présence voir I'identification des pics de mer. Pour contribuer à cette problématique, nous avons proposé une méthodologie basée sur un modèle électromagnétique hybride basé sur une combinaison d'une part de méthodes asymptotiques(SPMI utilisée dans le cadre de ce travail) pour simuler la réponse radar des vagues linéaire (vagues de capillarité et de gravité décrites via le spectre de mer d'Elfouhaily), et d'autre part de méthodes exactes (MoM, FB < Forward-Backward ) retenue dans le travail présenté dans ce manuscrit) pour calculer la réponse électromagnétique des vagues non-linéaires (profils considérés sont issus des résultats du code LONGTANK). Afìn de compléter l'étude théorique et les simulations réalisées, nous avons effectué une phase d'évaluation et de validation par des mesures de signature radar réalisées dans la chambre anéchoïque de I'Ensta Bretagne.The work done in this thesis fits generally under the observation and maritime surveillance. To improve the detection and automatic identification of targets embedded in a noisy environment targets, we opted for the fusion of different knowledge and information regarding a remotely observed scene by microwave sensors. Indeed, several physical phenomena co-exist and interfere with the propagation of electromagnetic waves over a heterogeneous sea surface (the refraction due to the index gradients, the roughness of the sea surface, nonlinear hydrodynamic effects like waves breaking, the presence of objects, pollutants, ship wake, coastal areas,..). In this context, the work presented in this thesis focuses on the study of electromagnetic signature (diffusion coefficients) of a heterogeneous sea surface with consideration of hydrodynamic phenomena (linear: capillary and gravity waves, nonlinear: breaking waves). The electromagnetic signature is performed in bistatic configuration (monostatic and forward propagating) and in X-band. The complete study of this problem is difficult.Indeed, the breaking wave is a dissipative process of energy that corresponds to the last stage of the life of a wave and therefore has most often held in the shore. This nonlinear phenomenon produces a sea peak which is a rapid increase of the diffusion coefficients and can exceed l0 dB in a 100 ms period. This peak can lead to clutter, which can be identified as virtual targets, and then they can disrupt the detection radar system (false alarms). Therefore, to improve the detection process and reduce the false alarm rate, it is important to distinguish between targets and sea peaks generated by breaking waves. This represents one of the motivations and also the interest to study the electromagnetic signature of breaking waves in different observation configurations so that we can easily detect and identify the sea peaks. To solve this problem, we proposed a methodology based on a hybrid electromagnetic model which is on a combination of asymptotic methods (SPMI used in this work) to simulate the radar response of linear waves (capillary and gravity waves described via the Elfouhaily sea spectrum) and an exact methods, the method of moment (the FB "Forward-Backward" method is used in this work), to calculate the electromagnetic response of nonlinear waves (profiles are produced by the LONGTANK code). To complement the theoretical study and simulations, we carried out an evaluation and validation phase by measuring the radar signature of breaking wave profiles in the ENSTA Bretagne anechoic chamber
Alpha-stable distributions for the characterization of random phenomena observed by sensors in a marine environment
No full textLe travail réalisé dans le cadre de cette thèse a pour but de caractériser des signaux aléatoires, rencontrés dans le domaine aérien et sous-marin, en s’appuyant sur une approche statistique. En traitement du signal, l'analyse statistique a longtemps été fondée sous l'hypothèse de Gaussianité des données. Cependant, ce modèle n'est plus valide dès lors que la densité de probabilité des données se caractérise par des phénomènes de queues lourdes et d'asymétrie. Une famille de lois est particulièrement adaptée pour représenter de tels phénomènes : les distributions α-stables. Dans un premier temps, les distributions α-stables ont été présentées et utilisées pour estimer des données synthétiques et réelles, issues d'un sondeur monofaisceau, dans une stratégie de classification de fonds marins. La classification est réalisée à partir de la théorie des fonctions de croyance, permettant ainsi de prendre en compte l'imprécision et l'incertitude liées aux données et à l'estimation de celles-ci. Les résultats obtenus ont été comparés à un classifieur Bayésien. Dans un second temps, dans le contexte de la surveillance maritime, une approche statistique à partir des distributions α-stables a été réalisée afin de caractériser les échos indésirables réfléchis par la surface maritime, appelés aussi fouillis de mer, où la surface est observée en configuration bistatique. La surface maritime a d'abord été générée à partir du spectre d'Elfouhaily puis la Surface Équivalente Radar (SER) de celle-ci a été déterminée à partir de l'Optique Physique (OP). Les distributions de Weibull et ont été utilisées et comparées au modèle α-stable. La validité de chaque modèle a été étudiée à partir d'un test de Kolmogorov-Smirnov.The purpose of this thesis is to characterize random signals, observed in air and underwater context, by using a statistical approach. In signal processing, the hypothesis of Gaussian model is often used for a statistical study. However, the Gaussian model is not valid when the probability density function of data are characterized by heavy-tailed and skewness phenomena. A family of laws can fit these phenomena: the α-stable distributions. Firstly, the α-stable distribution have been used to estimate generated and real data, extracted from a mono-beam echo-sounder, for seabed sediments classification. The classification is made by using the theory of belief functions, which can take into account the imprecision and uncertainty of data and theirs estimations. The results have been compared to a Bayesian approach. Secondly, in a context a marine surveillance, a statistical study from the α-stable distribution has been made to characterize undesirable echo reflected by a sea surface, called sea clutter, where the sea surface is considered in a bistatic configuration. The sea surface has been firstly generated by the Elfouhaily sea spectrum and the Radar Cross Section (RCS) of the sea surface has been computed by the Physical Optics (PO). The Weibull and distributions have been used and the results compared to the α-stable model. The validity of each model has been evaluated by a Kolmogorov-Smirnov test
Modeling of electromagnetic scattering by coastal breaking waves
No full textL’objectif de ce travail de thèse est d’étudier l’interaction des ondes électromagnétiques en bande L avec les vagues côtières déferlantes, en particulier pour un observateur situé à proximité de la surface. Le travail s’attache à effectuer une modélisation électromagnétique précise en lien étroit avec le modèle hydrodynamique. Pour modéliser et calculer les champs électromagnétiques diffusés par les vagues déferlantes, nous utilisons une approche numérique par intégrale de frontière, notamment la Méthode des Moments (MdM). Dans ce cadre, nous focalisons le travail sur la problématique de la fiabilité et la convergence du calcul numérique pour des géométries de forte courbure comme peuvent l’être des surfaces de vagues déferlantes. Après une analyse approfondie de la problématique, nous montrons qu’une solution fondée sur la Méthode des Moments d’Ordre Supérieur (MdM-OS) combinée avec la technique de maillage Non Uniform Rational Basis Splines (NURBS) permet d’améliorer les performances de la méthode MdM-Classique. En parallèle du travail de modélisation électromagnétique, nous nous attachons à introduire un modèle hydrodynamique capable de simuler le plus fidèlement possible le mouvement et la déformation des vagues à proximité de la côte. Nous retenons une modélisation hydrodynamique basée sur la Méthode Désingularisée. Cette approche méthodologique nous permet d’étudier l’évolution des vagues en fonction de la pente du fond, de la hauteur relative et de la cambrure des vagues. La combinaison des résultats issus de la modélisation numérique électromagnétique et de la description hydrodynamique permettent ainsi d’évaluer l’évolution des champs électromagnétiques diffusés par les vagues côtières déferlantes en fonction du temps pour trois types de déferlement standard : glissant, plongeant et gonflant.The purpose of this thesis work is to study the interaction of electromagnetic waves in L bandwith breaking coastal sea waves, in particular for an observer situated close to the surface. The work attempts to realize a precise electromagnetic modeling in narrow link with hydrodynamic model. To model and calculate electromagnetic fields scattered by breaking sea waves, we use a numerical approach by boundary integral technique, in particular Method of Moments (MoM). In this frame, we focus on the reliability and the convergence problem of numerical computation for strong curvature geometries as the surfaces of breaking sea waves are. After a thorough analysis of the problem, we show that a solution based on Higher-Order Method of Moments (HO-MoM) combined with Non Uniform Rational Basis Splines (NURBS) meshing technique allows the improvement of the performances of Classical-MoM. In parallel of the work on electromagnetic modeling, we attempt to introduce a hydrodynamic model able to precisely simulate the movement and the deformation of waves near the coast. We choose a hydrodynamic modeling based on Desingularized Method. This methodological approach allows the study of the evolution of waves according to the bottom slope, the relative height and the wave steepness. The combination of the results obtained from the numerical electromagnetic modeling and from the hydrodynamic description allows us to estimate the evolution of the electromagnetic fields scattered by breaking coastal sea waves according to time for three types of standard breaking : spilling, plunging and surging
Passive localization of radar emitters using TDOA measurements
No full textQuel que soit le théâtre d’opérations, la connaissance de la position géographique des émetteurs radar est une préoccupation majeure en GE (Guerre Electronique) : elle permet de décrire la situation tactique du terrain afin de pouvoir mener des actions adéquates. Les techniques traditionnelles de localisation passive utilisent le principe de la goniométrie d’amplitude ou de l’interférométrie. Ces méthodes, bien qu’ayant fait leurs preuves, possèdent certaines limitations et leur précision est perfectible. La localisation par TDOA (Time Difference Of Arrival, temps différentiel d’arrivée) permet d’obtenir de meilleures performances de localisation en exploitant le retard de l’onde émise, mesuré sur plusieurs plateformes. Bien que potentiellement plus performant, un tel système est complexe à mettre en oeuvre. Dans le manuscrit est décrite la chaine complète du traitement de l’information, depuis le signal émis, jusqu’au calcul des coordonnés géographique de la position estimée de la source. L’enjeu de cette thèse est d’identifier les points durs au sein de cette chaine, et d’apporter des solutions permettant de les dépasser. À chaque étape du traitement, les solutions sont illustrées sur des données réelles issues d’un système expérimental développé pour l’occasion, ainsi que sur des scénarios opérationnels de GE aéroportée ou spatiale. L’étude s’est concentrée sur les éléments suivants, qui influencent les performances finales de la localisation de la cible : le récepteur ESM (Electronic Support Measure), les méthodes d’estimation du TDOA, le dispositif de synchronisation des bases de temps ainsi que les algorithmes de localisation.For every theatre of operations, locating the enemy radar emitters is a major concern of EW (Electronic Warfare). This knowledge helps defining the tactical situation in order to take appropriate actions. The traditional techniques of passive localization consist in direction finding, either using an interferometer or amplitude difference measurements. Although these methods have proven their reliability, there are some constraints relative to their use, and the accuracy they achieve can be overcome. TDOA (Time Difference Of Arrival) localization can provide better performance in terms of position accuracy by using the difference in delay measured between two distant receivers. This improvement in accuracy comes at a cost: it is necessary to conceive acomplex multi-platform system. In this manuscript, the complete processing chain is detailed thoroughly, from the emitted signal to the final estimate of the target coordinates. This thesis aims to identify the key steps of the overall processing, and to develop solutions in order to improve them. For each of step, solutions are illustrated with real data acquired from an experimental system specially conceived for this thesis, as well as from airborne and spaceborne ESM (ElectronicSupport Measure). This study focuses on the following steps, which affect the final localization performance: reception of the signal, estimation of TDOA measurements, time base synchronization and localization algorithms
Detection and localization of radar signals (passive or discrete systems)
No full textL’objectif de cette thèse est de développer de nouvelles solutions pour détecter et localiser des sources électromagnétiques radar au niveau d'une unique station de réception en exploitant les signaux directs et indirects reçus. Dans le cadre de notre étude, nous avons dans un premier temps développé une modélisation du signal reçu au niveau d'un récepteur en tenant compte des caractéristiques des émetteurs et de la zone environnante. L'évaluation de cette modélisation a été effectuée en s'appuyant sur un cas particulier de détection et de localisation des réflecteurs. Ce dernier, traité dans la littérature, repose sur l’exploitation des trajets multiples. Ces derniers peuvent être également utilisés pour localiser des sources d’émission. Néanmoins, la plupart des méthodes existantes se basent sur des réflexions dites spéculaires. Les techniques employant les réflexions non spéculaires sur un réflecteur quelconque pour localiser des sources d'émission dans un environnement inconnu font l'objet de peu de publications dans la littérature ouverte. La méthode de localisation que nous proposons a l'avantage de n'employer qu'un récepteur fixe mesurant seulement deux types de grandeurs : les angles d'arrivée (AOA) et les différences de temps d'arrivée (TDOA). En pratique, un problème d'affectation doit être résolu avant de procéder à la localisation des émetteurs et des réflecteurs. Le problème consiste à affecter chaque paire de mesures TDOAAOA à un réflecteur donné, en supposant que chaque paire a déjà été affectée à un émetteur.La méthode que nous avons développée a été testée et évaluée, d'une part grâce à des données simulées et d'autre part en utilisant des mesures réelles.The purpose of this work is to develop new methods for the detection and the location of radar sources. The developed approach exploits the direct and indirect signals received at the receiving point. In our study, we first develop a model of these signals that takes into account the characteristics of the transmitters and the reflectors. We evaluate this model by simulating a particular case of reflectors detection and location, defined in the literature. Our goal is to use the multipaths to locate emission sources. Most existing methods are based on specular reflections. Methods based on non-specular reflections, to locate emission sources in an unknown environment, are rarely studied in the literature. In our study, we propose a new location method that uses a fixed receiver measuring the Angle of Arrival (AOA) and Time Difference of Arrival (TDOA). In practice, an assignment problem must be solved before locating the emitters and reflectors. The problem is to assign each pair of TDOA-AOA measurements to a given reflector, assuming that each pair has already been assigned to a transmitter. The method developed has been tested and evaluated by using simulated data and real measurements
Remote Sensing of the Sea Surface Fluctuation Characteristics For Low Grazing Angles
No full textInternational audienc
Modelling roughness effects on propagation of electromagnetic waves in a maritime environment: a hybrid approach
No full textWOSInternational audienceThis study presents work on radar links in the maritime environment. In order to understand and to optimise these links, the author have modelled electromagnetic wave propagation in the maritime environment, including in the presence of evaporation ducts. This modelling requires good propagation domain characterisation (maritime atmosphere, evaporation ducts etc.) and good modelling of the reflective effects of the sea surface (smooth or rough surface). In this study the author present a new method based on sea surface generation using sea spectra developed to model the sea surface roughness effects on electromagnetic wave propagation. Numerical results are given, in different configurations (duct height, transmitter altitude atmospheric conditions etc.), which enable the proposed model to be checked and highlight the interest of accurate roughness modelling in electromagnetic propagation over the sea surface
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