Contributions à la mise en œuvré de chaînes de traitement radar fondées sur des formes d'onde à bande synthétique

par Mahdi Saleh

Projet de thèse en Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique

Sous la direction de Éric Grivel et de Omar Samir-mohamad.


  • Résumé

    Dans divers syst`emes radar, un grand int´erˆet a ´et´e port´e `a la s´election d'une forme d'onde et `a la conception d'une chaˆıne de traitement compl`ete, de l'´emetteur au r´ecepteur, afin d'obtenir un profil distance haute r´esolution (HRRP, acronyme de High Range Resolution Profile en anglais). Au cours des derni`eres d´ecennies, les concepteurs d'algorithmes de traitement du signal radar ont concentr´e leur attention sur diff´erentes formes d'onde telles que les techniques de compression d'impulsion et les syst`emes `a bande synth´etique (SF acronyme de stepped frequency, en anglais). D'une part, trois types de formes d'onde de compression d'impulsions large bande ont ´et´e propos´es dans la litt´erature : la forme d'onde modul´ee lin´eairement en fr´equence (Linear Frequency Modulation), celle `a codes de phase (Phase Coded) et la forme d'onde modul´ee non lin´eairement en fr´equence (Non Linear Frequency Modulation). Ces approches sont tr`es populaires, mais elles recquirent une fr´equence d'´echantillonnage g´en´eralement ´elev´ee au niveau du r´ecepteur, et par voie de cons´equence un convertisseur analogique-num´erique coˆuteux. De plus, les formes d'onde PC et NLFM peuvent ˆetre pr´ef´erables dans certaines applications `a haute r´esolution, car elles conduisent `a de meilleurs PSLR et ISLR que ceux obtenus avec la forme d'onde LFM. D'autre part, lorsqu'il s'agit de sch´emas SF, une fr´equence d'´echantillonnage moins ´elev´ee peut ˆetre envisag´ee, ce qui permet d'utiliser un CAN meilleur march´e. Ces deux approches peuvent ˆetre combin´ees pour tirer avantage des deux familles. Bien que la combinaison standard m`ene `a l'exploitation d'un CAN bon march´e, les performances en termes de PSLR et ISLR ne sont pas n´ecessairement adapt´ees. Comme le PSLR et l'ISLR ont une grande influence sur la probabilit´e de ´etection et la probabilit´e de fausse alarme, notre objectif est de trouver des solutions alternatives. Ainsi, notre contribution dans ce m´emoire de th`ese consiste `a proposer deux nouvelles chaˆınes de traitement, de l'´emetteur au r´ecepteur: 1) Dans la premi`ere approche, le spectre de la forme d'onde `a large bande est d´ecompos´e en un nombre pr´ed´etermin´e de portions. Puis, les versions temporelles de ces derni`eres sont successivement transmises. Le signal rec¸u est alors trait´e soit en utilisant un algorithme FD (pour Frequency domain en anglais) modifi ´e, soit un algorithme de reconstruction de forme d'onde r´ealis´e directement dans le domaine temporel (TWR pour time wave reconstruction). Dans cette th`ese, les formes d'ondes PC et NLFM ont ´et´e s´election´ees. Une ´etude comparative est alors men´ee entre les diff´erentes chaˆınes de traitement, de l'´emetteur au r´ecepteur, que l'on peut constituer. Nos simulations montrent que les performances obtenues `a partir de l'algorithme TWR sont le plus souvent meilleures que celles de l'agorithme FD modifi´e. La contre-partie est une augmentation du coˆut calculatoire. De plus, que ce soit avec une forme d'onde PC ou NLFM, l'approche pr´esent´ee fournit de meilleurs r´esultats en termes de PSLR et ISLR que les formes d'onde SF classiques. 2) La seconde d´emarche propos´ee consiste `a approximer une forme d'onde NLFM `a large bande par une forme d'onde LFM par morceaux, puis de la combiner avec une approche de type SF. Cela donne lieu `a une forme d'onde combinant SF et un train d'impulsions LFM ayant diff´erentes dur´es et largeurs de bande. La s´election des param`etres de cette forme d'onde est faite en minimisant un crit`ere multiobjectif, tenant compte du PSLR, de l'ISLR et de la r´esolution distance. Cette estimation est op´er´ee par algorithmes g´en´etiques. Selon les poids utilis´es dans le crit`ere multi-objectif et le nombre d'impulsions LFM pris en compte, les performances des les formes d'onde r´esultantes varient. Une annexe est en outre fournie qui pr´esente des travaux compl´ementaires sur la comparaison de mod`eles `a partir de la divergence de Jeffreys.

  • Titre traduit

    Contributions to High Range Resolution Radar Waveforms: Design of Complete Processing Chains of Various Intra-Pulse Modulated Stepped-Frequency Waveforms


  • Résumé

    In various radar systems, a great deal of interest has been paid to selecting a waveform and designing a whole processing chain from the transmitter to the receiver to obtain the high range resolution profile (HRRP). For the last decades, radar designers have focused their attentions on different waveforms such as the pulse compression waveforms and the stepped frequency (SF) waveform: On the one hand, three different types of wide-band pulse compression waveforms have been proposed: the linear frequency modulation (LFM) waveform, the phase coded (PC) waveform, and the non-linear frequency modulation (NLFM) waveform. They are very popular but the sampling frequency at the receiver is usually large. This hence requires an expensive analog-to-digital convertor (ADC). In addition, the PC and NLFM waveforms may be preferable in some high range resolution applications since they lead to peak sidelobe ratio (PSLR) and integrated sidelobe ratio (ISLR) better than the ones obtained with the LFM waveform. On the other hand, when dealing with SF waveforms, a small sampling frequency can be considered, making it possible to use a cheap ADC. Pulse compression and SF waveforms can be combined to take advantage of both. Although the standard combination of PC or NLFM with SF leads to the exploitation of a cheap ADC, the performance of the PC waveform or NLFM waveform in terms of PSLR and ISLR cannot be attained. As the PSLR and the ISLR have a great influence on the probability of detection and probability of false alarm, our purpose in the PhD dissertation is to present two new processing chains, from the transmitter to the receiver: 1) In the first approach, the spectrum of a wide-band pulse compression pulse is split into a predetermined number of portions. Then, the time-domain transformed versions of these various portions are transmitted. At the receiver, the received echoes can be either processed with a modified FD algorithm or a novel time-waveform reconstruction (TWR) algorithm. A comparative study is carried out between the different processing chains, from the transmitter to the receiver, that can be designed. Our simulations show that the performance in terms of PSLR and ISLR obtained with the TWR algorithm is better than that of the modified FD algorithm for a certain number of portions. This comes at the expense of an additional computational cost. Moreover, whatever the pulse compression used, the approach we present outperforms the standard SF waveforms in terms of PSLR and ISLR. 2) In the second approach, we suggest approximating the wide-band NLFM by a piecewise linear waveform and then using it in a SF framework. Thus, a variable chirp rate SF-LFM waveform is proposed where SF is combined with a train of LFM pulses having different chirp rates with different durations and bandwidths. The parameters of the proposed waveform are derived from the wide-band NLFM waveform. Then, their selection is done by considering a multi-objective optimization issue taking into account the PSLR, the ISLR and the range resolution. The latter is addressed by using a genetic algorithm. Depending on the weights used in the multi-objective criterion and the number of LFM pulses that is considered, the performance of the resulting waveforms vary. An appendix is finally provided in which additional works are presented dealing with model comparison based on Jeffreys divergence.