Automatic target classification based on radar backscattered ultra wide band signals

par Mahmoud Khodjet-Kesba

Thèse de doctorat en Electromagnétisme

Sous la direction de Khalil El Khamlichi Drissi et de Sukhan Lee.

Soutenue le 06-11-2014

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) (laboratoire) .

Le président du jury était Hélène Roussel.

Le jury était composé de Khalil El Khamlichi Drissi, Sukhan Lee, Claire Faure, Andrea Bianchi, Dong Ryeol Shin, Christophe Pasquier.

Les rapporteurs étaient Christian Brousseau.

  • Titre traduit

    Classification automatique des cibles en utilisant les signaux rétrodiffusés par un radar ultra large bande


  • Résumé

    L’objectif de cette thèse est la classification automatique des cibles (ATC) en utilisant les signaux rétrodiffusés par un radar ultra large bande (UWB). La classification des cibles est réalisée en comparant les signatures des cibles et les signatures stockées dans une base de données. Premièrement, une étude sur la théorie de diffusion nous a permis de comprendre le sens physique des paramètres extraits et de les exprimer mathématiquement. Deuxièmement, des méthodes d’extraction de paramètres sont appliquées afin de déterminer les signatures des cibles. Un bon choix des paramètres est important afin de distinguer les différentes cibles. Différentes méthodes d’extraction de paramètres sont comparées notamment : méthode de Prony, Racine-classification des signaux multiples (Root-MUSIC), l’estimation des paramètres des signaux par des techniques d’invariances rotationnels (ESPRIT), et la méthode Matrix Pencil (MPM). Troisièmement, une méthode efficace de classification supervisée est nécessaire afin de classer les cibles inconnues par l’utilisation de leurs signatures extraites. Différentes méthodes de classification sont comparées notamment : Classification par la distance de Mahalanobis (MDC), Naïve Bayes (NB), k-plus proches voisins (k-NN), Machines à Vecteurs de Support (SVM). Une bonne technique de classification doit avoir une bonne précision en présence de signaux bruités et quelques soit l’angle d’émission. Les différents algorithmes ont été validés en utilisant les simulations des données rétrodiffusées par des objets canoniques et des cibles de géométries complexes modélisées par des fils minces et parfaitement conducteurs. Une méthode de classification automatique de cibles basée sur l’utilisation de la méthode Matrix Pencil dans le domaine fréquentiel (MPMFD) pour l’extraction des paramètres et la classification par la distance de Mahalanobis est proposée. Les résultats de simulation montrent que les paramètres extraits par MPMFD présentent une solution plausible pour la classification automatique des cibles. En outre, nous avons prouvé que la méthode proposée a une bonne tolérance aux bruits lors de la classification des cibles. Enfin, les différents algorithmes sont validés sur des données expérimentales et cibles réelles.


  • Résumé

    The objective of this thesis is the Automatic Target Classification (ATC) based on radar backscattered Ultra WideBand (UWB) signals. The classification of the targets is realized by making comparison between the deduced target properties and the different target features which are already recorded in a database. First, the study of scattering theory allows us to understand the physical meaning of the extracted features and describe them mathematically. Second, feature extraction methods are applied in order to extract signatures of the targets. A good choice of features is important to distinguish different targets. Different methods of feature extraction are compared including wavelet transform and high resolution techniques such as: Prony’s method, Root-Multiple SIgnal Classification (Root-MUSIC), Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques (ESPRIT) and Matrix Pencil Method (MPM). Third, an efficient method of supervised classification is necessary to classify unknown targets by using the extracted features. Different methods of classification are compared: Mahalanobis Distance Classifier (MDC), Naïve Bayes (NB), k-Nearest Neighbors (k-NN) and Support Vector Machine (SVM). A useful classifier design technique should have a high rate of accuracy in the presence of noisy data coming from different aspect angles. The different algorithms are demonstrated using simulated backscattered data from canonical objects and complex target geometries modeled by perfectly conducting thin wires. A method of ATC based on the use of Matrix Pencil Method in Frequency Domain (MPMFD) for feature extraction and MDC for classification is proposed. Simulation results illustrate that features extracted with MPMFD present a plausible solution to automatic target classification. In addition, we prove that the proposed method has better ability to tolerate noise effects in radar target classification. Finally, the different algorithms are validated on experimental data and real targets.


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