Méthodes d'estimation paramétriques appliquées à la caractérisation de milieux dispersifs du génie civil

by Khaled Chahine

Doctoral thesis in Électronique et génie électrique

Under the supervision of Yide Wang, Xavier Dérobert and Vincent Baltazart.

defended on 2010

in Nantes , in a partnership with Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques (autre partenaire) .

  • Alternative Title

    Model-based parameter estimation applied to electromagnetic characterization of dispersive civil engineering media


  • Abstract

    In the field of civil engineering, model-based high resolution methods are primarily used to estimate the parameters of lossless media with the aim of improving the time resolution of the ground penetrating radar. The objective of this thesis is to extend the application of these methods to the characterization of lossy and dispersive civil engineering materials. First, the constant-Q model is adopted to account for absorption and dispersion effects of the medium. This model satisfies the constraints of causality and frequency independence of the quality factor Q. Second, a sensitivity study is conducted to investigate the origin of subspace leakage and quantify the performance degradation experienced by linear prediction and subspace-based estimation methods in the context of dispersive media. Simulation results reveal severe performance degradation, especially in a wideband context. Third, the Matrix Pencil Method (MPM) is extended to joint parameter estimation of a medium obeying the constant-Q model. The extension is made possible through two theorems which define a data sequence enabling the singular extension of the Hankel data matrix. Unfortunately, the desired data sequence is shown to correspond to a set of nonuniform frequencies impossible to acquire from real measurements. The proposed solutions consist in either spline interpolating the data sequence (IB-MPM and RAP-MPM) or in linear interpolating the mode matrix (2D-MPM and RUN-MPM). Simulation results illustrate that the developed algorithms offer considerable improvement over conventional MPM, especially for wideband parameter estimation. Finally, the algorithms are validated on experimental data of hydraulic concrete and silty soil


  • Abstract

    Dans le domaine du génie civil, les méthodes à haute résolution sont généralement utilisées pour estimer les paramètres d'un milieu non dispersif, en offrant la possibilité d'améliorer la résolution temporelle dans une bande de fréquences limitée. L'objectif de cette thèse est d'étendre l'application de ces méthodes à la caractérisation des milieux absorbants et dispersifs. Dans un premier temps, le modèle à Q constant est adopté pour tenir compte de la dispersion et de l'absorption du milieu. Ce modèle satisfait les contraintes de causalité et d'indépendance fréquentielle du facteur de qualité Q. Dans un second temps, une étude de sensibilité permet de quantifier la dégradation de performance des méthodes d'estimation conventionnelles dans un milieu dispersif. On explique en outre l'origine de la surestimation du rang de la matrice de données. Les résultats de simulations montrent une sévère dégradation des performances avec la largeur de bande. Dans un troisième temps, la méthode de faisceau de matrices (Matrix Pencil Method) est étendue à la large bande pour l'estimation conjointe des retards de propagation et du facteur de qualité. La solution algorithmique proposée s'appuie sur deux théorèmes qui imposent comme solution, de disposer d'échantillons fréquentiels non uniformes. Les algorithmes proposés consistent à interpoler soit, la série de données par la technique de spline (algorithmes IB-MPM et RAP-MPM), soit la matrice mode (algorithmes 2D-MPM et RUN-MPM). Les résultats obtenus illustrent les capacités large bande des algorithmes développés. Enfin, les algorithmes sont validés à partir de mesures de permittivité de bétons hydrauliques et de sols limoneux

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Informations

  • Details : 1 vol. (171 f.)
  • Annexes : Bibliogr. f. 129-137 [123 réf.]

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