No description available.

No description available.

In industrial environments workers can be prone to dangerous situations that may cause harm. In order to prevent accidents and fulfill legislative requirements for safe working condition, a safety system can be needed to be installed in place. In an attempt to bring a principal improvement in the safety standards offered by conventional systems in existence, a radar sensor is proposed for the detection of dangerous situations. This thesis explores the limiting performance of the radar sensor in an industrial safety system. The radar sensor is an FMCW mode MIMO radar and we develop a model to simulate the radar sensor based on its hardware design. The model is utilized to deduce and analyze the performance limits of the radar sensor, by using a Finite Element Method to determine the electromagnetic scattering response of a target in the operating frequency band, 60-64 GHz. Appropriate dielectric and magnetic properties of human tissue is assigned to obtain accurate scattering responses of a human body target. The performance analysis is done by comparing the reflection from various protruding body parts, with the reflection from the torso, over a wide range of postures of the body. Further, CFAR, a common form of detection algorithm is applied on a few of the postures to detect a protruding part the body. Finally, a discussion on the limited performance is made, and potential methods to enhance the performance of the radar sensor in an industrial safety system are suggested. / I industriella miljöer kan arbetare utsättas för farliga situationer vilka kan orsaka skador. För att förhindra olyckor och uppfylla lagstadgade krav för säkra arbetsförhållanden kan säkerhetssystem behöva installeras på plats. I ett försök att åstadkomma en förbättring av de säkerhetsstandarder som erbjuds av konventionella system föreslås en radarsensor för att detektera farliga situationer. Denna avhandling undersöker möjliga begränsningar i prestanda hos en radarsensor, vilken ingår som komponent i ett industriellt säkerhetssystem. Radarsensorn är en MIMO-radar, som arbetar i FMCW-mod, och vi utvecklar en modell för att simulera radarsensorn utgående ifrån dess hårdvarudesign. Modellen används för att härleda och analysera begränsningar i prestanda hos radarsensorn, genom att med hjälp av finita elementmetoden beräkna spridningen av elektromagnetiska vågor från ett radarmål i frekvensbandet 60-64 GHz. Tillämpliga dielektriska och magnetiska egenskaper hos mänsklig vävnad har använts för att erhålla tillförlitliga data på spridningsresponsen för människokroppen. Prestandaanalysen görs genom att jämföra reflektionen från olika utskjutande kroppsdelar med reflektionen från bålen över ett stort antal kroppshållningar. Vidare, CFAR, en vanlig form av detektionsalgoritm tillämpas på några av hållningarna för att detektera utskjutande delar av kroppen. Avslutningsvis diskuteras begränsningarna i prestandan och potentiella metoder för att förbättra radarsensorns prestanda i ett industriellt säkerhetssystem föreslås.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: Radar Cross Section (RCS) is an important parameter in radar engineering. Often, electrically large structures are of interest in RCS analysis due to the high operating frequencies of radar systems. Simulation of these problems can be more e cient than measurement due to the cost associated with measurement. The Method of Moments/Physical Optics (MoM/PO) hybrid method combines the advantages of the MoM and PO, making it suited to solving electrically large problems that may contain some small complex detail. The requirement for high meshing resolution when analysing some electromagnetic problems, however, signi cantly increases memory requirements. As a result, the hybrid MoM/PO becomes computationally expensive for electrically large problems. In this work, a linear phase term is introduced into the RWG basis function formulation of the MoM/PO hybrid. The addition of the linear phase term allows the use of large triangular mesh elements in the PO region, resulting in the analysis of electrically large problems. The bene t of this formulation is that it allows a reduction in computational cost whilst maintaining the accuracy of the hybrid MoM/PO. This improved hybrid is tested on various planar test cases and results show that it attains the same level of accuracy as the original MoM/PO hybrid. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Radardeursnit is 'n belangrike parameter in radaringenieurswese. As gevolg van die hoë frekwensies wat deur baie radarstelsels gebruik word, is elektriesgroot probleme dikwels van belang in die berekening van die radardeursnit van teikens. Die modellering en berekening van die radardeursnit van teikens kan meer kostedoeltre end as metings wees, as gevolg van die beduidende koste van radardeursnitmetings. Die hibriede Moment-Metode/Fisiese-Optika tegniek kombineer die voordele van die twee tegnieke, wat dit geskik maak vir elektries-groot probleme met klein, komplekse detail. Indien die gewone benadering egter gevolg word om 'n hoë resolusie faset-model te gebruik, bly dit berekeningsintensief met groot rekenaar geheuevereistes vir elektries-groot probleme. In hierdie studie word 'n lineêre fase term ingesluit in die formulering van die Rao-Wilton-Glisson (RWG) basisfunksies vorm van die hibriede Moment-Metode/Fisiese-Optika tegniek. Die toevoeging van die lineêre fase term maak dit moontlik om groot driehoekfasette in die Fisiese-Optika gebied te gebruik, wat beteken dat elektries-groot probleme makliker opgelos kan word. Die voordeel van hierdie nuwe formulering is dat die berekeningslas en -tyd verminder word terwyl die akkuraatheid van die oorspronklike hibriede Moment-Metode/Fisiese-Optika tegniek behou word. Hierdie verbeterde hibriede tegniek word getoets aan die hand van verskeie platvlak toetsgevalle en die resultate dui daarop dat die akkuraatheid vergelykbaar is met die van die oorspronklike hibriede Moment-Metode/Fisiese-Optika tegniek.

Les matériaux absorbants électromagnétiques, ou « Radar Absorbing Materials » (RAM), ont été créés à la fois aux USA et en Allemagne lors de la seconde guerre mondiale. Les applications des absorbants appartiennent principalement aux domaines de la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) et de la discrétion radar. Ces absorbants sont lourds et encombrants. Au travers de cette thèse, nous cherchons à développer une solution pour pallier à ces inconvénients grâce aux absorbants à métamatériaux. Les métamatériaux sont des composites artificiels présentant des propriétés électromagnétiques que l'on ne retrouve pas dans la nature. En utilisant ce type de matériaux, nous pouvons obtenir des absorbants ultras fins, et par l'optimisation et la conception couvrir des bandes larges en fréquence. Nous proposons donc plusieurs formes basiques d'absorbant à métamatériaux. De ces formes, nous présentons un modèle théorique et développons les techniques pour définir leur fréquence de fonctionnement et les paramètres nécessaires pour obtenir une absorption totale. Puis nous étudions plus en détail nos différents prototypes à travers des simulations et des mesures. Nous étudions aussi le couplage des absorbants à métamatériaux avec des absorbants traditionnels pour créer un type d'absorbant inédit. / Electromagnetic absorbing materials, or "Radar Absorbing Materials" (RAM), were created in the U.S. and Germany at the same time during the Second World War. Applications of absorbers are mainly in the field of ElectroMagnetic Compatibility (EMC) and radar stealth. These absorbers are heavy and bulky. In this thesis, we seek to develop a solution to overcome these drawbacks using metamaterial absorbers. Metamaterials are artificial composites with electromagnetic properties that are not found in nature. By using this type of material, we can obtain ultra-thin absorbers over a wide band of frequency by optimizing the design. We introduce several basic forms of metamaterial absorbers. From these geometries, we present a theoretical model and we develop techniques to define their operating frequency and parameters required to achieve total absorption. Then we study in detail our various prototypes with simulations and measurements. We also study the coupling of metamaterial absorbers with traditional ones to create a new type of absorber.

This study focuses on the external configuration design of a tactical missile based on maximizing flight range while minimizing the radar signature which is a crucial performance parameter for survivability. It is known that shaping of a missile according to aerodynamic performance may have significant negative effects on the radar cross section. Thus, the impact of the geometry changes on the aerodynamic performance and the radar cross section is investigated. Suggorage models for the flight range, control effectiveness and the radar cross section (RCS) at an X band frequency are established by employing Genetic Algorithm. Accuracies of surrogate models are discussed in terms of statistical parameters. Seventeen geometrical parameters are considered as the design variables. Optimum combinations for the design variables are sought such that flight range is maximized while the radar cross section is minimized. The multi objective optimization problem is solved by imposing the static stability margin as a hard nonlinear constraint. Weighted sum approach is utilized to compare results with known missile configurations. Weights for flight range and Radar Cross Section are varied to obtain Pareto optimal solutions.

Dans le cadre de la guerre électronique en environnement marin, on cherche généralement à améliorer la furtivité d'un navire militaire afin de le rendre plus difficile à détecter et à localiser. Pour cela, il faut réduire la valeur de sa Surface Équivalente Radar (SER) afin de la rendre négligeable face aux perturbations apportées par l'environnement. La pratique a montré que la valeur de la SER mesurée est fortement influencée par l'environnement. Les estimateurs développés à ce jour offrent de bonnes performances pour déterminer la SER d'une cible navale de petite dimension mais deviennent imprécis pour un objet de grande taille placé dans un milieu inhomogène tel que l'environnement marin. Notre objectif est de proposer une nouvelle méthode de calcul de la SER qui prend en considération la nature volumique de la cible ainsi que les phénomènes de propagation intrinsèques à l'environnement marin. Une dyade de Green associée à la propagation d'une onde radioélectrique dans un conduit d'évaporation en présence d'une mer lisse et parfaitement conductrice, est alors développée et proposée pour calculer la SER de cibles navales de grandes dimensions. / In the naval electronic warfare, it is necessary to improve the stealth of military vessels in order to make them more difficult to be detected and be located. For that, the Radar Cross Section (RCS) value must be reduced to be negligible compared to the environment’s clutter. Experience has shown that the value of the measured RCS is strongly influenced by the environment. Nowadays, estimators developed offer good performance to determine the RCS of small naval targets but become inaccurate for large objects placed in inhomogeneous medium such as the marine environment. Our goal is to propose a new RCS estimation method which takes into account large targets and propagation phenomena in martime environment. A dyadic Green function, related to the radio wave propagation in an evaporation duct over smooth and perfectly conducting sea, is then developed and proposed to calculate the RCS of large naval targets.

Un nouvel axe de recherche sur les réseaux de capteurs a été initié au LAAS par la réalisation de nouveaux capteurs sans fil passifs utilisant une transduction électromagnétique dans la détection de pression et de gaz. Ces capteurs fortement intégrés ne nécessitent aucune alimentation embarquée et leur fréquence de fonctionnement se situe dans la bande de fréquence Ka (26 à 40 GHz). Cette thèse s'inscrit donc dans la conception et la réalisation d'un lecteur adapté à l'interrogation à distance de capteurs à transduction électromagnétique. Son principe de fonctionnement est basé sur une technologie radar de type FMCW. L'avantage principal de la lecture radar des données issues de ce type de capteurs passifs réside dans la possibilité d'avoir des portées de plusieurs dizaines de mètres, bien supérieures à celles classiquement obtenues dans les technologies SAW ou RFID. Dans une première étape est présenté le principe de fonctionnement du lecteur radar et la réalisation de deux prototypes centrés sur les fréquences de 3GHz et 30GHz. Une étude du spectre de la sortie radar, appelé signal de battement radar, est abordée afin de montrer comment les positions et les mesures des capteurs sont lues à distance par ce type de lecteur. Par la suite, un travail d'analyse de la communication sans fil permet de déterminer les paramètres de rétrodiffusion électromagnétique à prendre en compte, tels que les impédances et les fréquences de fonctionnement des capteurs. Ces paramètres sont la base d'une optimisation du système global en termes de sensibilité, de portée radar et des niveaux minimaux de Surface Equivalente Radar (SER) des cibles interrogées. La validation de cette analyse se borne à la mesure de la portée maximale associée à ce type de lecteur et aux différentes mesures de SER de plusieurs types de capteurs dans les bandes de fréquence de 3GHz et 30GHz. Deux principes d'identification de cellules passives sont ensuite présentés. Le premier est basé sur l'utilisation des deux modes de rétrodiffusion de la SER d'un capteur (mode de structure et mode d'antenne) favorisant dans le même temps l'identification sur un mode et la mesure de la grandeur physique sur l'autre, a distance du lecteur. Le deuxième principe utilise le spectre d'un diffuseur multi-bande dont sa SER reconfigurable permet d'associer l'identification de chaque capteur dans un réseau, à la manière d'un code barre. En conclusion, les résultats obtenus dans cette étude valident le principe d'interrogation à longue distance de réseau de capteurs passifs et ouvrent de nouvelles perspectives sur la conception de nouvelles cellules de mesures pour de nouvelles applications dans les secteurs de l'aéronautique, du nucléaire, et de l'environnement. / A new development on sensor networks has been started by LAAS to implement new wireless sensors using passive electromagnetic transduction in the detection of pressure and gas. These highly integrated sensors require no power and the embedded operating frequency is in the Ka band (26 to 40GHz). This thesis is on the design and the realization of a reader suitable for remote sensing of sensor electromagnetic transduction. Its working principle is based on an FMCW radar technology. The main advantage of this radar when reading passive sensors is the ability to have ranges of several tens of meters, much higher than those obtained with conventional SAW or RFID technology. In the first step, the principle of operation of the reader and also the realization of two prototypes focused on the frequencies of 3GHz and 30GHz are presented. A study of the output radar spectrum, called beat signal radar, is discussed to show how the positions and measurements from the sensors are read remotely by the reader. Afterwards, an analysis of the wireless communication is performed to take into account parameters of electromagnetic backscatter such as the impedance and operating frequency of these sensors. These parameters are the basis of an optimization of the global system in terms of sensitivity radar range and the minimal levels of Radar Cross Section (RCS) of the interrogated targets.The validation of this analysis is limited by the reader's maximum range and by various RCS measurements of several types of sensors in the frequency bands of 3GHz and 30GHz. Two principles of sensor passive identification are then presented. The first is based on the simultaneous use of both modes of the sensor's RCS (structural mode and antenna mode), facilitating the identification by one mode and measuring the physical quantity using the other mode. The second principle uses the spectrum of a multiband scatterer where its reconfigurable RCS can associate the identification of each sensor in a network, such as a barcode. In conclusion, the result obtained in this thesis validate the principle of an interrogating network of passive sensors over a long reading range and consequently open a new way of sensor design for future aerospace, nuclear and environment applications.

La SER (Surface Équivalente Radar) est une grandeur caractérisant le pouvoir rétrodiffuseurd’une cible soumise à un champ électromagnétique. Dans de nombreuses applications,il est capital d’analyser et de contrôler la SER. L’imagerie 3D est l’outil adapté pourlocaliser et caractériser en trois dimensions les principaux contributeurs à la SER. Cependant,ce traitement est un problème de synthèse de Fourier qui n’est pas inversible car il y aplus d’inconnues que de données. Les méthodes conventionnelles telles que le Polar FormatAlgorithm, consistant en un reformatage des données avec complétion de zéro suivi d’unetransformée de Fourier inverse rapide, fournissent des résultats de qualité limitée.Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode haute résolution. Elle est dénomméeSPRITE (pour SParse Radar Imaging TEchnique) et permet d’accroître considérablementla qualité des cartes de rétro-diffusion estimées. Elle repose sur une régularisation duproblème consistant en la prise en compte d’informations a priori de parcimonie et d’uneinformation de support. La solution est alors définie comme le minimiseur d’un critère pénaliséet contraint. L’optimisation est assurée par l’algorithme primal-dual ADMM (AlternatingDirection Method of Multiplier) dont une adaptation aux spécificités du problème mène à descalculs efficaces à l’aide de transformées de Fourier rapides.Finalement, la méthode est évaluée sur des données synthétiques et réelles. Comparativementà la méthode conventionnelle, la résolution est drastiquement accrue. Les images 3Dproduites sont alors un outil particulièrement adapté à l’analyse et au contrôle de SER. / The RCS (Radar Cross Section) is a quantity which characterizes the scattering power ofa target exposed to an electromagnetic field. Its analysis and control are important in manyapplications. 3D imaging is a suitable tool to accurately locate and characterize in 3D themain contributors to the RCS. However, this is a non-invertible Fourier synthesis problembecause the number of unknowns is larger than the number of data. Conventional methodssuch as the Polar Format Algorithm, which consists of data reformatting including zeropaddingfollowed by a fast inverse Fourier transform, provide results of limited quality.In this work, we propose a new high resolution method, named SPRITE (for SParse RadarImaging TEchnique), which considerably increases the quality of the estimated RCS maps. Itis based on a regularization scheme that accounts for information of sparsity and support. Thesolution is then defined as the minimizer of a penalized and constrained criterion. Optimizationis ensured by an appropriate adaptation of the ADMM (Alternating Direction Methodof Multiplier) algorithm that is able to quickly perform calculations using fast Fourier transforms.Finally, the method is evaluated on both simulated and real data. Compared to the conventionalmethod, the resolution is significantly increased and the images can support a betterRCS analysis and control.

Les mesures utilisées actuellement en chambres anéchoïque, pour la caractérisation de la surface équivalente radar (SER) sont généralement perturbées, en particulier en basse fréquence lorsque les parois de la chambre génèrent des trajets multiples. En basse fréquence l’épaisseur des matériaux absorbants devient faible devant la longueur d’onde et ceux-ci ne peuvent plus être considère comme parfaitement absorbants. Dans ce cas, le champ total incident sur la cible sous test est ainsi la somme du champ incident direct et des champs réfléchis par les parois. Basé sur le principe de retournement temporel qui permet de focaliser spatialement et temporellement une onde électromagnétique, l’objectif de la thèse est de présenter une nouvelle méthode d’imagerie microonde qui profite des degrés de liberté spatio-temporels de la propagation au sein d’un milieu diffusant afin de détecter une cible avec une haute résolution. / The currently used methods for radar cross section (RCS) measurements at low frequencies encounter several disturbing phenomena, such as the multipath propagation caused by reflections from the walls. Descending in frequency, the thickness of absorbent materials becomes small compared with the wavelength and they are no longer perfectly absorbent. Therefore, the total incident field on the target becomes the sum of the incident wave and the reflected waves from the walls of the chamber. Inspired by time reversal technique which allows spatial and temporal focusing of an electromagnetic wave, the objective of the thesis is to present a novel imaging method in the microwave range which benefits from the spatio-temporal degrees of freedom provided by the transmission through a random medium in order to detect a target with high resolution.