Caractérisation des phénomènes dynamiques à l’aide de l’analyse du signal dans les diagrammes des phases

par Angela Digulescu

Thèse de doctorat en Signal image parole telecoms

Sous la direction de Cornel-Eugen Ioana.

Le président du jury était Corneliu Burileanu.

Le jury était composé de Alexandru Serbanescu, Gabriel Ciocan, Jérôme Mars, Alexandre Girard.

Les rapporteurs étaient Charles L. Webber, Marie Chabert.


  • Résumé

    La déformation des signaux au long de leur trajet de propagation est un des plus importants facteurs qui doivent être considérés à la réception. Ces effets sont dus à des phénomènes comme l’atténuation, la réflexion, la dispersion et le bruit. Alors que les premiers deux phénomènes sont assez facile à surveiller, parce qu’elles affectent l’amplitude, respectivement le retard des signaux, les deux derniers phénomènes sont plus difficiles à contrôler, parce qu’elles changent les paramètres du signal (amplitude, fréquence et phase) de manière totalement dépendante de l’environnement.Dans cette thèse, l’objectif principal est de contribuer à l’analyse des signaux liés aux différents phénomènes physiques, en visant une meilleure compréhension de ces phénomènes, ainsi que l’estimation de leurs paramètres qui sont intéressants de point de vue applicatif. Plusieurs contextes applicatifs ont été investigués dans deux configurations de : active et passive.Pour la configuration active, le premier contexte applicatif consiste en l’étude du phénomène de cavitation dans le domaine de la surveillance de systèmes hydrauliques. La deuxième application de la configuration active est la détection et le suivi des objets immergés sans synchronisation entre les capteurs d’émission et de réception.Pour la configuration passive, nous nous concentrons sur l’analyse des transitoires de pression dans les conduites d’eau en utilisant une méthode non-intrusive ainsi que sur la surveillance des réseaux d’énergie électrique en présence des phénomènes transitoires comme les arcs électriques.Malgré les différences entre les considérations physiques spécifiques à ces applications, nous proposons un modèle mathématique unique pour les signaux issus des deux types de configurations. Le modèle est basé sur l’analyse des récurrences. Avec ce concept, nous proposons une nouvelle approche pour les ondes basées sur l’espace des phases. Cette technique de construction des formes d’ondes présente l’intérêt de conduire à des méthodes de d’investigation active à haut cadence, très utiles pour la surveillance des phénomènes dynamiques.En plus, nous proposons des approches nouvelles pour l’investigation des caractéristiques des signaux. La première est la mesure TDR* (Time Distributed Recurrences) qui quantifie la matrice des récurrences/ distances et qui est utilisée pour la détection des signaux transitoires. La deuxième approche est l’analyse des phases à plusieurs retards et elle est utilisée pour la discrimination entre des signaux avec des paramètres très proches. Finalement, la quantification des lignes diagonales de la matrice des récurrences est proposée comme alternative pour l’analyse des signaux modulés en fréquence.Les travaux présentent les résultats expérimentaux en utilisant les méthodes théorétiques proposées dans cette thèse. Les résultats sont comparés avec des techniques classiques.Des perspectives de ces travaux, tant dans les domaines théorique et qu’applicatif, sont discutés à la fin du mémoire.

  • Titre traduit

    Characterization of dynamic phenomena based on the signal analysis in phase diagram representation domain


  • Résumé

    Signals’ deformation along their propagation path is among the most important aspect which has to be taken into account at reception. These effects are caused by phenomena like attenuation, reflection, dispersion and noise. Whereas the first two are rather easy to monitor, because they affect the amplitude, respectively the delay, the latter two are more difficult to control, because they change signals’ parameters (amplitude, frequency and phase) in an environment-dependent manner.In this thesis, the main objective is to contribute to the analysis of signals related to different physical phenomena, aiming to better understand them as well as to estimate their parameters that are interesting from application point of view. Different applicative contexts have been investigated in active and passive sensing configurations. For the active part, we mention the monitoring of cavitation phenomena and its characterization for hydraulic system surveillance. The second application of the active sensing is the underwater object detection and tracking without synchronization between sensors. For the passive configuration, we focus on the pressure transient analysis in water pipes investigation with a non-intrusive method and on the surveillance of electrical power systems in the presence of transient phenomena such as electrical arcs.Despite the differences between the physical considerations, we propose a unique mathematical model of the signals issued from the active/passive sensing system used to analyze the considered phenomena. This model is based on the Recurrence Plot Analysis (RPA) method. With this concept, we propose the phase-space based waveform design. This waveform design technique presents the interest to conduct to a high speed sensing methods, very useful to monitor dynamic phenomena.Moreover, we propose new tools for the investigation of the signals characteristics. The first one is the TDR* measure (Time Distributed Recurrences) that quantifies the recurrence/ distance matrix and it is used for the detection of transient signals. The second one is the multi-lag phase analysis using multiple lags and it is successfully used to discriminate between signals with close parameters. Finally, the diagonal lines quantification of RPA matrix is proposed as an alternative for the analysis of modulated signals.Our work presents the experimental results using the proposed theoretical methods introduced by this thesis. The results are compared with classical techniques.The perspectives of this thesis are presented at the end of this paper.


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