Dans l'océan, les changements de température induisent des perturbations de la vitesse de propagation des ondes acoustiques. La tomographie acoustique océanique utilise les fluctuations de signaux acoustiques enregistrés pour cartographier ces perturbations de vitesse du son. Cette étude propose une méthode alternative utilisant la direction de propagation des ondes acoustiques (plutôt que les temps de propagation utilisés classiquement) pour imager un guide d'onde océanique peu profond (~100 m), petite échelle (1 à 10 km), avec une haute résolution spatiale (10 m horizontalement, 2 m en profondeur). Dans ce contexte, les ondes acoustiques basse fréquence (~1 kHz) à large bande spectrale (~1.5 kHz) se propagent selon des trajectoires multiples assimilables à des rayons géométriques épais spatialement. L'utilisation d'un couple d'antennes (émission/réception) et de la double formation de voies permet de séparer les signaux en provenance des différents trajets acoustiques et de mesurer leur : temps de propagation (TP), direction d'arrivée (DA) et direction de départ (DD). Dans l'hypothèse de faibles perturbations, les variations des TP, DA et DD sont reliées linéairement aux perturbations de la distribution de vitesse du son de manière analytique. Cette formulation, basée sur la physique de la diffraction de Born au 1er ordre, utilise des fonctions noyaux appelées : noyaux de sensibilité temps-angles (NSTA). Les méthodes classiques d'inversion permettent alors de retrouver les perturbations de vitesse à partir des variations de TP, DA et DD en utilisant les NSTA. Les méthodes développées ont été validées sur données simulées, puis appliquées à des données réelles d'expériences à échelle réduites réalisées dans la cuve ultrasonore de l'ISTerre, Grenoble. / In the ocean, temperature changes induce sound-speed perturbations. Ocean acoustic tomography uses the fluctuations of recorded acoustic signals, to map those sound-speed perturbations. To this end, sound-speed perturbations are classically related to the acoustic-wave travel-times measured on the records. This study suggests an alternative method to perform acoustic thermometry based on acoustic-wave propagation directions. It allows imaging a shallow-water waveguide (~100 m), at small scale (1 to 10 km), with high spatial resolution (10 m in range, 2 m in depth). In this context, wideband (~1.5 kHz) low frequency (~1 kHz) acoustic waves propagates along multiple paths similar to spatially « fat » geometrical rays. Using a pair of arrays (source/receiver) and the double-beamforming processing to separate acoustic signals coming from different paths and measure their: travel-time (TT), directions-of-arrival (DOA) and directions-of-departure (DOD). Under the hypothesis of small perturbations, TP, DOA and DOD variations are linearly related to sound-speed perturbations in an analytical way. This formulation based on Born's diffraction physics at the first order uses kernel functions called: the time-angle sensitivity kernels (T-A-SK). The T-A-SK model is then combined to classical inversion methods to retrieve sound-speed perturbations from TT, DOA and DOD variations. The methods developed here have been validated on simulated data, and applied on real small-scale data coming from the ultrasonic tank of the ISTerre, Grenoble.

Le développement des antennes modales, qui sont des antennes actives reconfigurables en diagramme de rayonnement mais pas en réseaux, a commencé pour pouvoir implémenter le dépointage électronique dans les téléphones portables. Cette solution est généralement réalisée par un réseau d’antennes, ce qui est très difficile, voire impossible, dans un téléphone portable. Le dépointage permettrait d’améliorer le bilan de liaison et d’augmenter le débit des données.Le premier objectif de cette thèse est donc de développer des antennes modales pour la norme LTE. Trois concepts d’antennes modales ont été présentés. Le premier est une antenne de type « folded loop » active reconfigurable par permutation des points d’alimentation et de retour à la masse. Le deuxième propose une architecture pour rassembler l’antenne principale et l’antenne diversité en bas du téléphone, tout en supportant le MIMO et l’agrégation de porteuses, deux des spécificités de la LTE. Le dernier optimise l’utilisation de la seconde antenne des systèmes LTE MIMO pour procéder au dépointage électronique.Ces antennes modales ne peuvent délivrer leur réel potentiel qu’en étant utilisées avec un algorithme de pilotage, qui choisira la configuration ou le mode approprié(e) à la situation. Le second objectif de cette thèse est donc le développement d’algorithmes intelligents de pilotage d’antennes modales. Le premier algorithme développé et breveté par la société Ethertronics a la particularité de prédire à chaque instant quel sera le meilleur mode à l’instant suivant, à l’aide de données en bande de base pour la LTE. Le second algorithme est déterministe et permet d’estimer et de suivre la direction d’arrivée du signal. Il sélectionne ensuite le mode qui possède le meilleur gain dans cette direction, dans le but d’améliorer le bilan de liaison. / The development of modal antennas which are radiation pattern reconfigurable active antennas, but not arrays, started in order to implement beam forming in cellphones. This solution is generally made with an antenna array, which is very difficult, even impossible, in a mobile phone. Beam forming could improve the link budget and increase the data rate. The first aim of this thesis is the development of modal antennas for LTE standard. Three modal antennas concepts were presented. The first one is a reconfigurable “folded loop” active antenna by permutation of feed and ground points. The second one is a solution to gather the main and the diversity antenna in the bottom part of the phone, and to support MIMO and carrier aggregation, which are two features of LTE. The last one optimizes the use of the second antenna in LTE MIMO systems in order to perform beam forming. These modal antennas will provide their real potential only by being used by a driving algorithm which will choose the best mode or configuration according to the situation. So, the second aim of this thesis is the development of smart modal antenna driving algorithms. The first algorithm, developed and patented by Ethertronics, has the specificity to predict, at each moment, which mode will be the best for the next moment, by using baseband data for LTE. The second algorithm is deterministic and can estimate and track the direction of arrival of the signal. Then, it selects the mode which has the best gain in this direction in order to improve the link budget.

En environnements hostiles, les signaux GNSS (Global Navigation Satellite System)peuvent être soumis à des risques de brouillages intentionnels. Basées sur un réseau d'antennes adaptatif, les solutions spatio-temporelles (STAP) ont déjà montré de bonnes performances de réjection des interférences. Toutefois, lorsque le module GNSS est placé sous les pales d'un hélicoptère, des effets non-stationnaires, appelés Rotor Blade Modulation (RBM), créés par les multiples réflexions du signal sur les pales du rotor, peuvent dégrader les techniques usuelles d’antibrouillage. Le signal utile GNSS n’est alors plus accessible. Le travail de la thèse consiste donc à élaborer un système de protection des signaux GNSS adapté à la RBM. Pour cela, un modèle innovant de multitrajets, adapté à ce type de phénomène, a été développé. La comparaison de simulations électromagnétiques représentatives et de mesures expérimentales sur hélicoptère EC-120 a permis de valider ce modèle. Celui-ci permet d'estimer, par maximum de vraisemblance, les paramètres de la contribution non-stationnaire du signal reçu. Enfin, l'association d'un algorithme de filtrage des multitrajets par projection oblique et d'un traitement STAP permet d'éliminer la contribution dynamique puis statique de l'interférence. Les simulations montrent que le signal utile GNSS est alors de nouveau exploitable. / In hostile environments, Global Navigation Satellite System (GNSS) can be disturbed by intentional jamming. Using antenna arrays, space-time adaptive algorithm (STAP) isone of the most efficient methods to deal with these threats. However, when a GNSS receiver is placed near rotating bodies, non-stationary effects called Rotor Blade Modulation (RBM) are created by the multipaths on the blades of the helicopter. They can degrade significantly the anti-jamming system and the signal of interest could belost. The work of the thesis is, consequently, to develop a GNSS protection system adapted to the RBM. In this way, an innovative multipath model, adapted to this phenomenon, has been developed. The model is then confirmed by comparison with a symptotic electromagnetic simulations and experiments conducted on an EC-120helicopter. Using a Maximum Likelihood algorithm, the parameters of the non-stationary part of the received signal have been estimated. And finally, the RBM anti-jamming solution, combining oblique projection algorithm and academic STAP, can mitigate dynamic and static contributions of interferences. In the end, the navigation information is available again.

Ce manuscrit est dédié à l’analyse de performances en traitement d’antenne pour l’estimation des paramètres d’intérêt à l’aide d’un réseau de capteurs. Il est divisé en deux parties :– Tout d’abord, nous présentons l’étude de certaines bornes inférieures de l’erreur quadratique moyenne liées à la localisation de sources dans le contexte champ proche. Nous utilisons la borne de Cramér-Rao pour l’étude de la zone asymptotique (notamment en terme de rapport signal à bruit avec un nombre fini d’observations). Puis, nous étudions d’autres bornes inférieures de l’erreur quadratique moyenne qui permettent de prévoir le phénomène de décrochement de l’erreur quadratique moyenne des estimateurs (on cite, par exemple, la borne de McAulay-Seidman, la borne de Hammersley-Chapman-Robbins et la borne de Fourier Cramér-Rao).– Deuxièmement, nous nous concentrons sur le concept du seuil statistique de résolution limite, c’est-à-dire, la distance minimale entre deux signaux noyés dans un bruit additif qui permet une ”correcte” estimation des paramètres. Nous présentons quelques applications bien connues en traitement d’antenne avant d’étendre les concepts existants au cas de signaux multidimensionnels. Par la suite, nous étudions la validité de notre extension en utilisant un test d’hypothèses binaire. Enfin, nous appliquons notre extension à certains modèles d’observation multidimensionnels / This manuscript concerns the performance analysis in array signal processing. It can bedivided into two parts :- First, we present the study of some lower bounds on the mean square error related to the source localization in the near eld context. Using the Cramér-Rao bound, we investigate the mean square error of the maximum likelihood estimator w.r.t. the direction of arrivals in the so-called asymptotic area (i.e., for a high signal to noise ratio with a nite number of observations.) Then, using other bounds than the Cramér-Rao bound, we predict the threshold phenomena.- Secondly, we focus on the concept of the statistical resolution limit (i.e., the minimum distance between two closely spaced signals embedded in an additive noise that allows a correct resolvability/parameter estimation.) We de ne and derive the statistical resolution limit using the Cramér-Rao bound and the hypothesis test approaches for the mono-dimensional case. Then, we extend this concept to the multidimensional case. Finally, a generalized likelihood ratio test based framework for the multidimensional statistical resolution limit is given to assess the validity of the proposed extension.