L’objectif de ce travail de thèse est d’enrichir la formulation du Lancer de Faisceaux Gaussiens (LFG) et de tester sa capacité à répondre à certains des besoins actuels en calculs de propagation dans le domaine du Radar terrestre. Le LFG est envisagé comme une alternative possible aux méthodes classiques (Equation Parabolique, méthodes de rayons) en environnement complexe urbanisé, en particulier en présence d’obstacles latéraux, avec une cible située en non visibilité. La méthode de LFG "de base", qui utilise des expressions analytiques obtenues par approximation paraxiale, permet des calculs de propagation rapides en environnements complexes, sans problèmes de caustiques. Elle conduit à des résultats de précision satisfaisante dans le domaine millimétrique, par exemple pour des calculs de champs intra-bâtiments. Aux fréquences plus basses comme celles utilisées en Radar terrestre, elle est limitée par une prise en compte trop approximative des effets de diffraction et par l’élargissement spatial des faisceaux gaussiens au regard des dimensions des obstacles. La théorie des frames est utilisée dans cette thèse pour dépasser ces limites. La théorie des frames fournit un cadre rigoureux pour la décomposition initiale du champ rayonné en faisceaux gaussiens, et permet de calibrer le nombre et les directions des faisceaux à lancer. Dans ce travail de thèse, l’emploi de frames de fenêtres gaussiennes pour décomposer des distributions de champs ou de sources équivalentes est généralisé aux distributions de champs incidents sur des plans ou des portions de plans, choisis en fonction des obstacles rencontrés et des distances parcourues. Les champs rayonnés à partir de ces plans sont alors obtenus par sommation des faisceaux gaussiens lancés depuis ces frames dits de "re-décomposition". Les transformations de faisceaux gaussiens par des obstacles de taille limitée sont ainsi traitées par redécomposition : les faisceaux incidents partiellement interceptés par des surfaces limitées sont "re-décomposés" successivement sur deux frames de re-décomposition, à fenêtres "étroites" puis "larges", définis dans les plans de ces surfaces. Le frame à fenêtres "étroites" permet de traiter les discontinuités physiques, tandis que le frame à fenêtres "larges" permet de propager les champs transformés sous la forme de faisceaux "collimatés". Dans cette thèse, nous présentons une formulation de ces re-décompositions permettant une mise en œuvre numériquement efficace, grâce à des expressions analytiques approchées des coefficients de frame pour la première décomposition, et des éléments de la matrice de changement de frame pour la seconde. Cette formulation est mise en œuvre numériquement, et l’influence de différents paramètres sur la précision des re-décompositions est analysée. Finalement, l’algorithme de LFG enrichi de ces re-décompositions successives est utilisé dans un scénario simplifié proche de situations rencontrées en propagation Radar terrestre. / In this work the Gaussian Beam Shooting (GBS) algorithm is complemented with new original formulations, and the ability of this "augmented" GBS algorithm to address specific problems encountered in electromagnetic field computations for ground-based Radar applications is tested. GBS is considered as an alternative to methods (Parabolic Equation, ray based methods) currently used for such computations in complex urban environments, especially when lateral obstacles and Non-Line-Of-Sight (NLOS) targets are involved. The "basic" GBS algorithm makes use of analytical expressions obtained through paraxial approximations. It allows to perform fast computations in complex environments, without suffering from any caustics problems. Reasonably accurate results have been obtained with this method in the millimetric range, e.g. for indoor field calculations. At lower frequencies, such as used in ground Radar systems, "basic" GBS cannot model diffraction effects accurately enough, and Gaussian beam width with respect to obstacle dimensions becomes a problem after some propagation distance. Frame theory is used in this PhD to overcome these limitations. Frame theory provides a rigorous framework for the initial decomposition of radiated fields into a set of Gaussian beams, providing flexible rules to adjust the number and directions of the launched beams. In this thesis, frame theory is used to discretize not only the source field distribution but also incident field distributions over planes or parts of planes of interest, according to encountered obstacles and propagation distances. The radiated fields are then obtained by summation of Gaussian beams launched from these frames called "reexpansion frames". Gaussian beam transformations by finite sized obstacles are addressed by this re-expansion scheme : the incident beams partially impinging on limited areas are successively "re-expanded" on two re-expansion frames, the first one composed of "narrow" windows and the second one of "wide" windows, both defined in the plane containing the limited area. Spatially narrow window frames allow to take into account abrupt transitions in space, and spatially wide window frames radiate in the form of collimated Gaussian beams. The re-expansion formulation proposed in this work is designed for efficient numerical implementation. Approximate analytical expressions are established for expansion coefficients on narrow window frames, and for frame change matrix elements. This formulation has been implemented, and the influence of frame parameters on re-expansion accuracy is analyzed. Finally, the GBS algorithm augmented with successive re-expansions is used to compute fields in simplified scenarios similar to situations encountered in ground-based Radar propagation problems.

A frame is a possibly linearly dependent set of vectors in a Hilbert space that facilitates the decomposition and reconstruction of vectors. A Parseval frame is a frame that acts as its own dual frame. A Gabor frame comprises all translations and phase modulations of an appropriate window function. We show that the space of all frames on a Hilbert space indexed by a common measure space can be fibrated into orbits under the action of invertible linear deformations and that any maximal set of unitarily inequivalent Parseval frames is a complete set of representatives of the orbits. We show that all such frames are connected by transformations that are linear in the larger Hilbert space of square-integrable functions on the indexing space. We apply our results to frames on finite-dimensional Hilbert spaces and to the discretization of the Gabor frame with a band-limited window function.

Faire le lien entre la morphologie d'un signal sonore et certains de ses attributs perceptifs est une étape capitale dans l'élaboration d'un synthétiseur proposant un contrôle intuitif. Certains aspects de cette morphologie peuvent être caractérisés au moyen de "descripteurs acoustiques". Lorsqu'ils sont choisis judicieusement, ces descripteurs permettent de classer des signaux dans des catégories ayant un sens perceptif ; ceci permet d'établir un lien entre morphologie et perception. Dans le travail présenté ici, on s'intéresse en particulier à la catégorisation perceptive de sons d'impact.La plupart des descripteurs considérés ici se construisent à partir d'une modélisation paramétrique du signal. Dans notre cas, la modélisation la plus appropriée semble être la décomposition en somme de sinusoïdes amorties. Une estimation stable et rigoureuse des paramètres du modèle étant essentielle au calcul des descripteurs, on se penche sur la comparaison de plusieurs méthodes de décomposition. Il ressort que la méthode à haute résolution ESPRIT semble la plus indiquée, mais qu'elle ne peut pas être utilisée sous sa forme classique. On propose donc différentes adaptations. En particulier, on s'intéresse à l'application d'ESPRIT dans des repères de Gabor. En outre, on propose des méthodes pour maximiser le caractère parcimonieux de la décomposition.On étudie finalement un cas d'application concret : à partir d'une banque de sons enregistrés en chambre anéchoïque résultant d'impacts sur divers objets du quotidien, on évalue la pertinence d'un ensemble de descripteurs pour la catégorisation en fonction du matériau perçu. / Linking an audio signal morphology with some of its perceptual attributes is a key step when elaborating a intuitively controlled synthesizer. Some of these morphology aspects can be characterized using "acoustical descriptors". When chosen wisely, descriptors can allow a classification of audio signals in categories which are perceptually relevant ; in such cases, this approach establishes a link between morphology and perception. The present work focuses on the perceptual categorization of impact sounds.Most of the descriptors proposed here are computed using a parametrized description of the signal. Here, the most appropriate parametrization seems to be a decomposition in exponentially damped sinusoids. A robust and stable estimation of the model parameters being essential to the computation of relevant descriptors, different parametrization methods are described and compared. From these comparisons, it appears that the high-resolution method ESPRIT is the most appropriate, but that it cannot be applied in its classical form. Several adaptations are therefore investigated. In particular, the application of ESPRIT in Gabor frames is considered. Besides, a method is proposed in order to minimize the number of components necessary for a satisfactory decomposition.Finally, a concrete application is addressed : from an impact sounds bank recorded in an anechoic chamber, elaborated with a wide range of everyday-life objects, the relevance of several acoustical descriptors for the perceptual categorization of the perceived material is investigated.

Dans certains contextes, les méthodes classiques utilisées pour le calcul de champs rayonnés ou diffractés en présence d'obstacles de grande taille par rapport à la longueur d'onde, comme l'Optique Physique ou les méthodes de rayons, ne sont pas valides ou deviennent très lourdes en temps de calcul. La théorie des frames de Gabor fournit un cadre rigoureux permettant de décomposer une distribution de sources électromagnétiques, définie dans une ouverture équivalente plane, en une somme plus ou moins redondante de fenêtres gaussiennes. Cette décomposition peut servir de base à des algorithme de lancer de faisceaux gaussiens.Jusqu'à présent cette théorie était limitée à des décompositions dans un plan (rayonnement dans un demi-espace). L'objet de cette thèse est d'utiliser cette théorie pour décomposer des champs rayonnés ou diffractés dans toutes les directions de l'espace. Ce travail de thèse commence par une étude approfondie de l'influence des paramètres utilisés pour le calcul des coefficients de frame. La mise en oeuvre numérique permet de tester l'efficacité de techniques de troncation et de compression en termes de compromis précision/temps de calcul. Le coeur de la thèse consiste en une méthode originale de partitionnement spectral, utilisant des fonctions de partition de l'unité, qui permet d'utiliser le lancer de faisceaux gaussiens à partir de frames définis dans six plans, pour un rayonnement dans tout l'espace tridimensionnel. La formulation de la méthode est présentée. Elle est appliquée à la décomposition en faisceaux gaussiens du champ rayonné par des antennes théoriques omnidirectionnelles (réseau de dipôles et dipôle demi-onde). Une antenne réaliste sert enfin de cas test pour la mise en œuvre de la décomposition à partir de données expérimentales discrètes / In some contexts, conventional methods used for large problems involving radiated or diffracted field computations in the presence of obstacles, such as Physical Optics and ray based methods, become really inaccurate or prohibitively time-consuming. Gabor frame theory provides a rigorous framework for the initial decomposition of equivalent source distributions into a redundant set of Gaussian windows. Frame decomposition has been introduced as a first discretization step into Gaussian Beam Shooting (GBS) algorithms. Until now, frame decomposition has essentially been restricted to planar source distributions, radiating into one half space. The main goal of this thesis is to extend the application range of this theory to radiated or diffracted field decomposition into Gaussian beams propagating into the whole space. The thesis begins with a thorough study of influence of the parameters used for frame coefficient calculation. Numerical implementation is used to test the efficiency of truncation and compression techniques in terms of accuracy / computation time balance optimization. The core of the thesis consists of an original spectral domain partitioning method involving partition of unity functions, which allows to use Gaussian beam shooting from frames defined in six planes, for radiation into the whole three-dimensional space. The formulation of the method is presented and applied to the decomposition of fields radiated by theoretical omnidirectional antennas (dipole array and half-wave dipole) into Gaussian beams. A realistic antenna is used as a test case for the implementation of decompositions based on experimental discrete initial data