PROPOSITION DE SUJET POUR UN CONTRAT DOCTORAL UNIVERSITE DE LA ROCHELLE Ecole doctorale :

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DSP

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S2I

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LPAH

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SI-MMEA

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SORG

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GL Laboratoire :

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CEJEP

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MIA

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CEIR

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L3I

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CEBC

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LaSIE

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CRHIA

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LIENSs

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CEREGE Titre :

Concept de Radars novateurs pour la vision à travers les milieux opaques

Synthèse :

Les objectifs de cette thèse sont doubles:  le développement de nouvelles architectures radar pour la vision à travers les milieux  opaques, en particulier, des architectures ultra large bande (plusieurs GHz), utilisant des signaux impulsionnels ultra courts (de l’ordre de la nano seconde). la conception et le développement d’algorithmes temps réels spécifiques aux applications imagerie temps réelle, en vu de leurs implémentations dans des FPGA.

Directeur(s) de thèse (nom, grade, HDR): Michel MENARD PR1, HDR & Alain GAUGUE McF, HDR Contexte :

La « vision » à travers les milieux opaques (murs, cloisons, décombres, ou tout milieu qui occulte la vision humaine) est l’une des problèmes clefs du contrôle et de la sécurité. Il apparaît à l’heure actuelle un besoin de disposer de dispositifs d’observation à travers les milieux opaques pour des applications tant militaires (lors des assauts, des prises d’otages, etc.) que civiles (recherche de personnes enfouies dans des décombres, dans un incendie, etc). Au-delà du marché sécurité, des synergies apparaissent dans les domaines du BTP ou du contrôle non destructif dans un contexte industriel (l’environnement, l’aéronautique,…). Actuellement, l’Europe souffre d'un retard notable dans le développement de dispositifs d’observation à travers les milieux opaques, sauf peut-être en Angleterre et en Italie. Dans ce secteur hautement confidentiel, il est souvent difficile d'évaluer l'état d'avancement d'un pays. Les problématiques soulevées restent encore très ouvertes et sont porteuses d'innovation et de développement. C’est dans ce contexte que l’université de La Rochelle développe, depuis quelques années, des prototypes de radars centimétriques dans le cadre de thèses (Christophe Lièbe, Xaowei Zhao et Omar Benahmed Daho) et de projets de recherche (FEDER Visions à travers les murs, ANR DIAMS).

Descriptif du sujet :

Les radars courte portée pour la vision à travers un milieu opaque, et plus particulièrement, à travers un mur, existent maintenant depuis une décennie. On recense trois grandes familles: les radars ULB à balayage en fréquence (FMCW ou SFCW), les radars à bruit blanc à large spectre, et les radars ULB impulsionnels. Cette dernière technologie est

a priori

la plus performante en termes de résolution spatiale, et présente des avantages certains du fait de l'accès direct au temps de vol de l’écho de la cible. Cependant, elle n’est pas développée fréquemment car elle nécessite d’avoir un récepteur très large bande capable d’acquérir des impulsions ultra-courtes. Un des objectifs de cette thèse est d’étudier une nouvelle structure de récepteur ultra large bande (plus de 3 GHz sur une bande comprise entre 1 à 18 GHz), capable d’échantillonner un signal avec un pas inférieur à la vingtaine de pico secondes. Le principe novateur de cette architecture sera d’utiliser la dernière génération de composants

Track and Hold

, couplé à une technique d’échantillonnage équivalent. Il s'agit d'une technique novatrice qui se démarque totalement des dispositifs de

recherche actuels s'appuyant sur un mélangeur, qui présente les inconvénients d’une bande passante limitée et des pertes d’insertions importantes. Le second verrou technologique sera d’être capable de traiter ces dizaines de GSample/sec en temps réel. Ainsi le cœur du radar sera constitué d'un FPGA, seul dispositif actuellement capable d’acquérir et de traiter en temps réel de telles quantités d’information. De nombreux autres verrous technologiques devront être levés pour réaliser ce dispositif : la réalisation de préamplificateurs faible bruit large bande, la conception de cartes horloge faible

jitter

, le calibrage temporel de l’ordre de la dizaine de pico seconde, etc. Sachant que pour la plupart des utilisations, l’image réelle de la scène observée n’est pas nécessaire, seules certaines informations pertinentes suffisent : nombre de personnes, leurs positions au cours du temps, leur vitesse de déplacement, etc. C’est dans ce contexte que nous proposons l’étude et le développement d’algorithmes temps réels spécifiques aux applications radar courte portée en milieu complexe. La spécificité de notre système sera de lever des verrous technologiques liés à la perception d’une scène derrière un milieu opacifiant en utilisant la technique radar impulsionnel. Ce point fera l’objet d’un travail spécifique pour la détection/discrimination d’objets mobiles et d’objets statiques. Cette classification d’objets (cloison, objets mobiles, objets fixes, …) permettra de représenter symboliquement la scène observée. L’extraction de l’information spatio-temporelle à partir des échos RADAR nécessite le développement d’une chaîne de traitements d’images bas-niveau spécifique. La problématique principale porte sur la détection de la dynamique à partir de séquences d’images bruitées construites sur des signaux modulés et partiellement désynchronisés. La résolution de l’information spatiale dépend également de la directivité de l’antenne émettrice. Il s’avère donc nécessaire de mettre en œuvre des méthodes :  de traitements du signal spécifiques aux signaux RADAR (démodulation, détection d’enveloppes, synchronisation par corrélation, filtrage, déconvolution) ;  de traitements de séquences d’images afin d’extraire l’information statique relative à la scène et l’information dynamique liée à un être vivant se déplaçant dans la scène (segmentation spatio-temporelle, détection et reconnaissance, CFAR). La résolution de l’information au regard du mouvement à discriminer reste le verrou principal de cette chaîne de traitements. Les algorithmes, testés et développés sous MatLab, seront ensuite implantés sur le FPGA de la carte d’acquisition. Pour conclure, le projet proposé présente de nombreuses innovations :  une nouvelle architecture de radar impulsionnel très large bande à grande résolution et à fréquence centrale reconfigurable numériquement;  un traitement adapté des signaux pour acquérir l’information en un temps relativement court, permettant de détecter et de suivre en temps réels les grandeurs observées;  une reconstruction de la scène à partir de l’information mesurée et des connaissances 

a priori

sur la scène occultée. Il couple des domaines scientifiques complémentaires : conception de systèmes électroniques hyperfréquences et très large bandes;  développement de systèmes numériques reconfigurables (FPGA);  traitements du signal et de l’image pour les corrections et l’extraction de l’information;   fusion de donnée et analyse multimodale; reconnaissance des formes pour l’interprétation des objets de la scène. Il intègre des technologies « hardware » avec des approches « perceptives », de plus haut niveau, pour l’interprétation du contenu des images produites par les dispositifs mis en place.

Mots clés :

Radar impulsionnel, Milieux opaques, Détection, Traitement du signal et de l’information, FPGA