Étude et développement d’un outil efficace de simulation pour l’évaluation de SER : Application à la détection d’objets enfouis à partir de plates-formes aéroportées

Study and development of an efficient simulation tool for the RCS evaluation : Application to the detection of buried objects from airborne platforms

• Auteur / Autrice : Lisa-Marie Mazzolo
• Direction : Xavier Ferrieres
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et Applications
• Date : Soutenance le 25/11/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Signal, communication, antenne et navigation, radar (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Bonnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Ferrieres, Lionel Pichon, Hélène Barucq, Hélène Oriot, Gabriel Soriano, Sébastien Tordeux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Bonnet, Lionel Pichon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surface équivalente radar

Objets enfouis -- Détection

Grilles (analyse numérique)

Méthodes de volumes finis

Maxwell, Équations de -- Solutions numériques

Mots clés libres

Méthodes volumes finis

Équations de Maxwell instationnaires

Hybridation de schémas

Maillages hybrides cartésiens / non-Structurés

Objets enfouis

Simulation de SER

Finite volume methods

Time-Dependent Maxwell's equations

Scheme hybridization

Hybrid Cartesian/unstructured meshes

Buried objects

RCS simulation

Résumé

La détection d'objets enfouis, qu'il s'agisse d'engins explosifs dans un contexte militaire ou de structures archéologiques dans un contexte civil, constitue une préoccupation majeure. En termes de télédétection radar, les systèmes aéroportés, comme le radar à synthèse d’ouverture (SAR), permettent une imagerie non destructive des sous-sols tout en offrant la possibilité d'explorer de vastes zones avec une distance de sécurité par rapport à celles-ci. Cependant, leur efficacité pour la détection d’objets enfouis dépend de nombreux facteurs, tels que les caractéristiques diélectriques du sol, qui affectent la profondeur de pénétration des ondes électromagnétiques, la nature des cibles, le type d'émetteur... Une étude préliminaire, permettant de prédire la réponse des cibles en fonction des caractéristiques des systèmes et de la scène, serait alors un outil précieux pour évaluer les capacités de détection avant d'engager des campagnes de mesures.Cette thèse s'inscrit dans ce contexte, en se concentrant sur la recherche, le développement et l'optimisation d'un outil de simulation numérique destiné à évaluer précisément la surface équivalente radar (SER) d'objets enfouis. L'approche proposée repose sur une stratégie d'hybridation de solveurs FVTD (Finite Volume Time Domain) appliquée à des maillages hybrides cartésiens / non-structurés dans l'optique d'optimiser les coûts de calcul. En particulier, ces maillages hybrides permettent une représentation conforme des géométries courbes et une discrétisation spatiale localement adaptée aux vitesses de propagation des ondes électromagnétiques dans les différents milieux de la scène de calcul. La procédure d'obtention de ces maillages, basée sur le découpage du domaine de calcul en sous-domaines est détaillée, et les solveurs FVTD utilisés sont décrits en soulignant les choix effectués pour optimiser leur efficacité. L'implémentation des modèles permettant une description représentative du sol, la prise en compte précise d'une source de type onde plane et le calcul de champs lointains en présence d'un milieu avec pertes, est également abordée. L'hybridation des solveurs FVTD via une stratégie multi-domaines / multi-méthodes est présentée en détail, en mettant l'accent sur l'architecture logicielle proposée et en précisant la stabilité de la solution hybride ainsi que les enjeux de l'hybridation. Enfin, une comparaison de résultats simulés avec des données expérimentales obtenues dans le cadre d'une campagne de mesures mise en œuvre pour cette thèse, fournit une première appréciation des performances de l'outil de simulation développé. Pour conclure, la thèse met en avant la possibilité d'utiliser cet outil pour étudier l'impact des paramètres de configuration des systèmes radar sur la SER d'objets enfouis pour des scénarios donnés.

The detection of buried objects, whether explosive devices in a military context or archaeological structures in a civilian context, is a major concern. In radar remote sensing, airborne systems such as Synthetic Aperture Radar (SAR) allow non-destructive imaging of subsurface environments while offering the possibility of exploring large areas from a safe distance. However, their effectiveness in detecting buried objects depends on many factors, such as the dielectric properties of the soil, which affect the penetration depth of electromagnetic waves, the nature of targets, and the type of transmitter... A preliminary study that predicts target response based on system and scene characteristics would be a valuable tool for assessing detection capabilities before launching measurement campaigns.This thesis addresses such context by focusing on the research, development, and optimization of a numerical simulation tool designed to accurately evaluate the radar cross-section (RCS) of buried objects. The proposed approach is based on a hybridization strategy using Finite Volume Time Domain (FVTD) solvers applied to hybrid Cartesian/unstructured meshes to optimize computational costs. More specifically, these hybrid meshes allow for a conformal representation of curved geometries and spatial discretization adapted to the varying electromagnetic wave propagation speeds in different media. The procedure for generating these meshes, based on the subdivision of the computational domain into subdomains is detailed, and used FVTD solvers are described, highlighting the choices made to optimize their efficiency. The implementation of models for representative soil description, accurate handling of plane-wave sources, and far-field calculations in lossy media are also addressed. The hybridization of FVTD solvers through a multi-domain/multi-method strategy is presented in detail, emphasizing proposed software architecture, the stability of the hybrid solution, and the challenges of hybridization. Finally, a comparison of simulated results with experimental data obtained during a measurement campaign conducted for this thesis provides an initial assessment of the performance of developed simulation tool. In conclusion, this thesis highlights the potential of this tool in studying the impact of radar system configuration parameters on buried objects RCS in given scenarios.