Les méthodes de trajectographie conventionnelles par mesures d’angle supposent que la source est en mouvement rectiligne uniforme tandis que l’observateur est manœuvrant. Dans cette thèse, nous remettons en cause cette hypothèse en proposant un autre modèle de cinématique de la source : le mouvement circulaire uniforme. Nous prouvons qu’une telle trajectoire est observable à partir d’un observateur en mouvement rectiligne uniforme. Puis, nous étudions l’apport de mesures additionnelles de fréquence ou la faisabilité de la trajectographie par mesures de distances. Le cas d’une source en mouvement rectiligne uniforme et d’un observateur manœuvrant est étudié pour ce dernier type de mesures. Chaque cas donne lieu à une analyse de l’observabilité de la trajectoire de la source et à la mise au point de l’estimateur du maximum de vraisemblance. Nous montrons que ce dernier s’avère le plus souvent efficace. / The conventional bearings-only target motion analysis methods assume that the source is in constant velocity motion (constant speed and heading) while the observer maneuvers. In this thesis, we reassess this hypothesis and propose another model of the kinematics of the source: the constant turn motion (an arc of circle followed at constant speed). We prove that this kind of trajectory is observable by an observer in constant velocity motion. Then, we study the contribution of the addition of frequency measurements or the feasibility of target motion analysis methods that use range only measurements. The case of a source in constant velocity motion with a maneuvering observer is examined for this last type of measurements. Each case leads to an analysis of the observability of the trajectory of the source and to the development of the associated maximum likelihood estimator. We show that this estimator often appears to be efficient.

La nécessité d’économiser de l'énergie est l’un des axes importants de ces dernières décennies, d’où le besoin de surveiller la consommation d'énergie des processus résidentiels et industriels. Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit s’inscrit plus particulièrement dans le suivi de la consommation électrique afin de permettre l’économie d’énergie. Le but final étant d'avoir une connaissance précise et fiable d'un réseau électrique donné. Cela passe par la décomposition de la consommation électrique globale du réseau électrique étudié afin de fournir une analyse détaillée de l'énergie consommée par usage. L’objectif de cette thèse est la mise en place d’une approche non-intrusive permettant de réaliser les étapes de détection d’évènements et d’extraction de caractéristiques, qui précédent les étapes de classification et d’estimation de la consommation électrique par usage. L’algorithme résultant des travaux effectués durant cette thèse permet de détecter les évènements qui surviennent sur le courant et d’y associer un vecteur d’information contenant des paramètres caractérisant le régime permanent et le régime transitoire. Ce vecteur d’information permet ensuite de reconnaître tous les évènements liés à la même charge électrique. / The need to save energy is an important focus of recent decades, hence the need to monitor the energy consumption of residential and industrial processes. The research works presented in this manuscript are within the monitoring power consumption area in order to enable energy saving. The final goal is to have a clear and reliable knowledge of a given grid. This involves the decomposition of the overall power consumption of the electrical network to provide a detailed analysis of the consumed energy. The objective of this thesis is to develop a non-intrusive approach to achieve the event detection and feature extraction steps, which precede the classification and the power consumption estimation steps. The algorithm resulting from the works performed in this thesis can detect events which occur on the current and associates to them an information vector containing the parameters characterizing the steady and transient states. Then this information vector is used to recognize all the events linked to the same electrical load.

Les méthodes de trajectographie conventionnelles par mesures d'angle supposent que la source est en mouvement rectiligne uniforme tandis que l'observateur est manœuvrant. Dans cette thèse, nous remettons en cause cette hypothèse en proposant un autre modèle de cinématique de la source : le mouvement circulaire uniforme. Nous prouvons qu'une telle trajectoire est observable à partir d'un observateur en mouvement rectiligne uniforme. Puis, nous étudions l'apport de mesures additionnelles de fréquence ou la faisabilité de la trajectographie par mesures de distances. Le cas d'une source en mouvement rectiligne uniforme et d'un observateur manœuvrant est étudié pour ce dernier type de mesures. Chaque cas donne lieu à une analyse de l'observabilité de la trajectoire de la source et à la mise au point de l'estimateur du maximum de vraisemblance. Nous montrons que ce dernier s'avère le plus souvent efficace.

L'émergence des formes d'onde numériques en radar et l'engouement de la communauté scientifique pour leur versatilité éprouvée en télécom, soulèvent naturellement chez les ingénieurs radaristes la question de l'amélioration effective des performances opérationnelles par ces nouvelles formes d'onde, notamment en matière de haute-résolution. Les travaux publiés sur le sujet sont prometteurs, à ceci près qu'ils sont le plus souvent basés sur des modèles théoriques un peu éloignés de la réalité opérationnelle ou sur des scénarios simplistes relativement à la capacité haute résolution envisagée (par exemple le faible nombre de sources pris en compte). En effet la prise en compte d'un modèle d'observation réaliste (large bande, à fréquence d'échantillonnage élevée) et de scénario à grand nombre de contributeurs conduit à des estimateurs dont la complexité d'implémentation n'est pas compatible des puissances de calcul actuelles. Une approche alternative, et compatible des puissances de calcul actuelles, pour la qualification des performances haute résolution est l'utilisation des bornes inférieures d'estimation, principalement la borne de Cramèr-Rao déterministe. L'examen de la littérature courante (notamment les monographies de référence) sur la borne de Cramèr-Rao déterministe a fait apparaître des lacunes relatives à sa formulation dans le contexte radar qui nous intéresse, à savoir MIMO large bande, multisources, multiparamètres à observations multiples. En effet dans la littérature courante, les observations multiples sont définies comme des réalisations multiples indépendantes d'un même modèle d'observation, alors qu'en radar il s'agit en général de la combinaison de modèles d'observation différents (variation de la forme d'onde). Ce constat a motivé l'essentiel de ce travail, à savoir l'établissement d'une expression analytique générale de la borne de Cramèr-Rao déterministe MIMO large bande, multisources, multiparamètres à modèles d'observations multiples pour la qualification (asymptotique) des performances en estimation d'un radar actif. Ce travail fournit un outil de comparaison des performances haute-résolution des différentes formes d'onde, dont les nouvelles formes d'onde numériques. De façon générale, l'expression analytique générale de la borne de Cramèr-Rao obtenue fournit la base théorique pour le développement des futurs radars à haute résolution.

L’émergence des formes d'onde numériques en radar et l’engouement de la communauté scientifique pour leur versatilité éprouvée en télécom, soulèvent naturellement chez les ingénieurs radaristes la question de l’amélioration effective des performances opérationnelles par ces nouvelles formes d’onde, notamment en matière de haute-résolution. Les travaux publiés sur le sujet sont prometteurs, à ceci près qu’ils sont le plus souvent basés sur des modèles théoriques un peu éloignés de la réalité opérationnelle ou sur des scénarios simplistes relativement à la capacité haute résolution envisagée (par exemple le faible nombre de sources pris en compte). En effet la prise en compte d’un modèle d’observation réaliste (large bande, à fréquence d’échantillonnage élevée) et de scénario à grand nombre de contributeurs conduit à des estimateurs dont la complexité d’implémentation n’est pas compatible des puissances de calcul actuelles. Une approche alternative, et compatible des puissances de calcul actuelles, pour la qualification des performances haute résolution est l’utilisation des bornes inférieures d’estimation, principalement la borne de Cramèr-Rao déterministe. L’examen de la littérature courante (notamment les monographies de référence) sur la borne de Cramèr-Rao déterministe a fait apparaître des lacunes relatives à sa formulation dans le contexte radar qui nous intéresse, à savoir MIMO large bande, multisources, multiparamètres à observations multiples. En effet dans la littérature courante, les observations multiples sont définies comme des réalisations multiples indépendantes d’un même modèle d’observation, alors qu’en radar il s’agit en général de la combinaison de modèles d’observation différents (variation de la forme d’onde). Ce constat a motivé l’essentiel de ce travail, à savoir l’établissement d’une expression analytique générale de la borne de Cramèr-Rao déterministe MIMO large bande, multisources, multiparamètres à modèles d’observations multiples pour la qualification (asymptotique) des performances en estimation d’un radar actif. Ce travail fournit un outil de comparaison des performances haute-résolution des différentes formes d’onde, dont les nouvelles formes d’onde numériques. De façon générale, l’expression analytique générale de la borne de Cramèr-Rao obtenue fournit la base théorique pour le développement des futurs radars à haute résolution. / The emergence of digital waveforms in radar and the enthusiasm of the scientific community for their versatility proven in telecom raise the question for radar engineers about improving operational performance by using these new waveforms, particularly in high-resolution scenarios. The results on the subject in open literature are promising, except that they are often based on theoretical models which are a little away from the operational reality or used in simplistic scenarios (e.g. the low number of sources taken into account). Indeed, taking into account a realistic observation model (wideband, high sampling frequency and multisource scenario) leads to estimators whose implementation complexity is not compatible with the computation power available nowadays. An alternative approach is the use of lower bounds on the mean square error of estimators, mainly the deterministic Cram´er-Rao bound. The review of the open literature (including reference books) on the deterministic Cramér-Rao bound reveals lacks in its formulation in the context of radar that interests us, namely MIMO wideband, multisource, multiparameter and multiple observations. Indeed, in the current literature, multiple observations are defined as multiple independent realizations of the same observation model, whereas in radar it is usually a combination of different observation models (waveforms change). This has motivated much of our work, namely the derivation of a general analytical expression for the Cram´er-Rao bound for deterministic MIMO wideband active radar. This work provides a tool for comparing the performance of different highresolution waveforms, including new digital waveforms. In general, the analytical expression of the general Cramér-Rao bound obtained provides the theoretical basis for the development of future high-resolution radar.

Un radar Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) est celui où les émetteurs envoient des formes d'ondes différentes (orthogonales ou partiellement corrélées) qui peuvent être séparées à la réception. En outre, les émetteurs et récepteurs peuvent être colocalisés ou largement séparés. La première partie de la thèse porte sur la détection dans des environnements gaussiens et non gaussiens en utilisant un radar MIMO, qui contient plusieurs sous-réseaux largement séparés avec un ou plusieurs éléments chacun. Deux situations différentes sont considérées. Premièrement, nous considérons que les interférences sont gaussiennes, mais une corrélation entre les sous-réseaux peut survenir en raison d'un espacement insuffisant et de l'orthogonalité imparfaite des formes d'ondes. Deuxièmement, nous considérons que les interférences sont non gaussiennes, une situation qui se présente quand il y a du fouillis de sol ou de mer et lorsque la résolution est très élevée. La deuxième partie est dédiée à l'utilisation de techniques MIMO pour le Space-Time Adaptive Processing (STAP). La configuration MIMO cohérente est étudiée en changeant la distribution et l'espacement des éléments d'antenne pour améliorer les performances de détection et d'estimation. En outre, une étude préliminaire est également présentée sur l'utilisation de la diversité spatiale pour rendre le radar plus robuste aux fluctuations de la RCS et à la variation de la vitesse de la cible par rapport à l'angle d'incidence du signal émis et reçu. / A Multiple-Input Multiple Output (MIMO) radar can be broadly defined as a radar system employing multiple transmit waveforms and having the ability to jointly process signals received at multiple receive antennas. In terms of configurations, the antennas can be widely separated or co-located. The first part of the thesis is on detection under Gaussian and non-Gaussian environments using a MIMO radar which contains several widely separated subarrays with one or more elements each. Two different situations are considered. Firstly, we consider that the interference is Gaussian but correlation between subarrays can arise due to insufficient spacing and the imperfect orthogonality of waveforms. Secondly, we consider that the interference is non-Gaussian, a situation which arises under sea and ground clutter and when the resolution is very high. The second part is on the application of MIMO techniques to Space-Time Adaptive Processing (STAP). The coherent MIMO configuration is studied in terms of antenna element distribution and inter-element spacing to improve detection and estimation performance. A preliminary study is also done on the use of spatial diversity to improve detection stability w.r.t. target Radar Cross Section (RCS) fluctuations and velocity direction changes.

L'objectif de ce mémoire est de développer et d'étudier un nouveau type de filtre particulaire appelé le filtre de Kalman-particulaire à noyaux (KPKF). Le KPKF modélise la densité conditionnelle de l'état comme un mélange de gaussiennes centrées sur les particules et ayant des matrices de covariance de norme petite. L'algorithme du KPKF utilise une correction de l'état de type Kalman et une correction de type particulaire modifiant les poids des particules. Un nouveau type de ré-échantillonnage permet de préserver la structure de cette mixture. Le KPKF combine les avantages du filtre particulaire régularisé en terme de robustesse et du filtre de Kalman étendu en terme de précision. Cette nouvelle méthode de filtrage a été appliquée au recalage de navigation inertielle d'un aéronef disposant d'un radio altimètre. Les résultats obtenus montrent que le KPKF fonctionne pour de grandes zones d'incertitude initiale de position.

L'étoile laser polychromatique (ELP) fournit la référence de phase à une optique adaptative (OA)pour corriger les surfaces d'onde turbulentes, y compris leur pente. L'ELP, générée dans la mésosphère parune excitation résonnante à deux photons du sodium, repose sur la déviation chromatique des images. Uneimagerie dans le visible devient possible, et est indispensable pour 80% des programmes astrophysiquesprioritaires de l'E-ELT.L'ELP requiert un écart-type des mesures de position 26 fois inférieur au cas classique. Cela m'a amené àétudier le projecteur laser interférométrique. J'ai mis au point un correcteur de base polychromatique pourégaliser la période des franges et un correcteur de phase pour compenser la réfraction atmosphérique. J'aiétudié l'optique de mesure des franges, et de séparation entre l'ELP et l'objet observé.La précision requise m'a conduit à étudier dans quelles conditions l'algorithme du maximum devraisemblance tend vers la borne de Cramér-Rao.J'ai également développé un modèle numérique de bout en bout pour simuler l'ELP depuis les lasersjusqu'à la mesure du rapport de Strehl. Je montre que pour un VLT, les rapports de Strehl sont supérieurs à40% à 500 nm sans étoile de référence, en prenant une OA qui aurait donné 50% instantané (Strehl depente : 80%). Une approche analytique valide ces résultats.Enfin, j'aborde l'application de l'ELP aux télécommunications interplanétaires et à la destruction des débrisorbitaux.

Le système Cospas-Sarsat est un système de recherche et de sauvetage à l’échelle mondiale qui fonctionne à l’aide de satellites en orbite basse et de satellites en orbite géostationnaire. La constellation de satellites actuelle est en cours de remplacement par des satellites en orbite moyenne qui couvrent de plus grandes zones de la surface de la Terre permettant des alertes quasi instantanées. L’objectif de cette thèse est d’étudier les performances de localisation de ce nouveau système, qui a été nommé système MEOSAR (Medium Earth Orbit Search and Rescue). Nous étudions d’abord la qualité de la liaison entre la balise de détresse, le satellite, et la station de réception au sol à l’aide d’un bilan de liaison. Ensuite, nous proposons un modèle de signal basé sur des fonctions sigmoïdes afin de modéliser les transitions douces du signal de détresse. Pour ce modèle, les performances de localisation (en terme de bornes de Cramér-Rao et de la variance d’estimateurs) sont étudiées pour l’estimation de position de la balise, et pour l’estimation de différents paramètres, y compris le temps d’arrivée, la fréquence d’arrivée et la durée du symbole. Ensuite, nous étudions l’impact de l’ajout d’information a priori sur la période symbole et sur le temps de montée du signal, qui proviennent des tolérances autorisées sur les spécifications des balises de détresse. Nous étudions également l’erreur introduite par l’ajout de bruit de phase caractéristique des oscillateurs des balises, et nous considérons l’amélioration de l’estimation de position en prenant en compte les multiples émissions de la balise de détresse. Finalement, les performances de localisation du système MEOSAR sont données pour les balises de détresse de deuxième génération, qui sont en cours de développement, et qui utilisent une modulation avec étalement de spectre. / Cospas-Sarsat is an international search and rescue system that operates using low-orbit satellites and geostationary satellites. The current satellite constellation is being replaced by medium Earth orbit satellites which will cover larger areas of the surface of the Earth, permitting almost instantaneous alerts. The objective of this thesis is to study the localization performance of this new system, named MEOSAR (Medium Earth Orbit Search and Rescue). We first study the quality of the link between the beacon, the satellite and the ground receiving station through a link budget. Then, we propose a signal model based on sigmoidal functions to model the smooth transitions of the distress signal. For this model, the localization performance (in terms of Cramér-Rao bounds and estimator variances) is studied for the estimation of the beacon position and for different parameters including the time of arrival, the frequency of arrival and the symbol width. Then, we study the impact of adding prior information on the symbol width and the signal rise time, which are constructed from the allowed tolerances on the beacon specifications. We also investigate the error introduced by the addition of oscillator phase noise, and we show how the position estimation can be improved by taking into account multiple emissions of the beacon. Finally, the localization performance of the MEOSAR system is studied for second generation beacons, which are being developed using spread spectrum modulation.

Cette thèse aborde des problématiques d'estimation et de détection supervisée en imagerie hyperspectrale, appliquées ici aux environnements côtiers. Des modèles bathymétriques de réflectance sont utilisés afin de représenter l'influence de la colonne d'eau sur la lumière incidente. Différents paramètres sont dits optiquement actifs et agissent sur le spectre de réflectance (phytoplancton, matière organique dissoute colorée...). Nous proposons d'adopter une nouvelle approche statistique pour estimer ces paramètres, traditionnellement retrouvés par inversion des modèles physiques. Différentes méthodes telles que l'estimation du maximum de vraisemblance et du maximum a posteriori, ainsi que le calcul des bornes de Cramér-Rao, sont implémentées avec succès sur les données synthétiques et réelles. Par ailleurs, nous adaptons les filtres supervisés couramment utilisés au contexte de la détection de cibles immergées. Dans le cas où les paramètres caractéristiques de la colonne d'eau sont inconnus, nous développons un nouveau filtre issu du test du rapport de vraisemblance généralisé permettant la détection sans aucune connaissance a priori sur ces paramètres.