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Avec le contexte actuel des défis sécuritaires, la détection de petits objets devient un enjeu majeur pour lutter contre les actes malveillants. Mais les évolutions des technologies en bandes millimétriques et le potentiel de ces bandes, notamment autour de 60 GHz peuvent faciliter la conception de systèmes de plus en plus performants, permettant de répondre à ces enjeux. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte pour proposer un système de détection ultra-large bande (ULB) millimétrique pour des applications de courte portée. Après un état de l'art détaillé des fondamentaux de la détection, nous présentons une validation de l'estimation de la surface équivalente radar (SER) par simulation avec le logiciel HFSS et par mesures en chambre anéchoïque. Ces deux études nous ont permis d'identifier les éléments essentiels à l'analyse système et les paramètres critiques de la détection d'objets canoniques cylindres et plaques. Une fois l'analyse système cernée, nous avons proposé une approche de détection multi-bande basée sur le radar monostatique pour améliorer la couverture de détection des systèmes, mais aussi et surtout pour pallier la limitation de la détection des objets en fonction de leur orientation par rapport à l'axe de viser de l'antenne. Nous avons également proposé une architecture (émetteur-récepteur) simple pouvant être associée au principe de détection. Le dimensionnement du système nous a permis d'identifier les amplificateurs faible bruit (LNAs) comme éléments critiques du récepteur et ainsi d'établir leurs spécifications pour atteindre les performances visées. Une comparaison des technologies SG13S de IHP et D007IH de OMMIC est menée dans la dernière partie de ce travail. Le choix de la technologie est justifié et la conception des LNAs sous ADS Keysight est détaillée. Une simulation de l'ensemble du système basée sur les performances des LNAs conçus et sur les simulations de SER est présentée pour illustrer la mise en œuvre de la détection. Enfin, les performances de la détection sont évaluées pour des cibles cylindriques et les apports du système proposé sont illustrés en comparaison avec une détection classique mono-bande / With the current context of security challenges, small objects detection is becoming a major issue in the fight against malicious acts. However, developments in millimeter-band technologies and the potential of these bands, particularly around 60 GHz, can facilitate the design of increasingly efficient systems to meet these challenges. This thesis is part of this context to propose an ultra-wideband (UWB) millimeter-wave detection system for short-range applications.After a detailed state-of-the-art of the fundamentals of detection, we present a validation of the radar cross-section (RCS) estimation by simulations with HFSS software and by measurements in anechoic chamber. These two studies allowed us to identify the essential elements for system analysis and the critical parameters for the detection of canonical objects such as cylinders and plates.Once the system analysis was identified, we proposed a multi-band detection approach based on monostatic radar to improve the detection coverage of the systems, but also and especially to overcome the limitation of objects detection according to their orientation in relation to the antenna boresight. We also proposed a simple architecture (transceiver) that could be associated with the detection principle. The system design allowed us to identify low noise amplifiers (LNAs) as critical elements of the receiver and thus establish their specifications to achieve the targeted performances.A comparison of IHP's SG13S and OMMIC's D007IH technologies is conducted in the last part of this work. The choice of technology is justified and the design of LNAs under ADS Keysight is detailed. A simulation of the entire system based on the performance of the designed LNAs and RCS simulations is presented to illustrate the implementation of detection. Finally, detection performances are evaluated for cylindrical targets and the contributions of the proposed system are illustrated in comparison with conventional single-band detection

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Dans cette thèse, nous présentons la conception, le développement et le test de trois systèmes de reconnaissance automatique de cibles (ATR) visant à reconnaître des avions non-coopératifs, c’est-à-dire des avions ne fournissant par leur identité, en utilisant des signaux de radars passifs bistatiques. Les radars passifs bistatiques utilisent un ou plusieurs émetteurs d’opportunité (déjà présents sur le terrain), avec des fréquences allant jusqu’à 1 GHz pour les émetteurs considérés ici, et un ou plusieurs récepteurs déployés par le gestionnaire du système et non-colocalisés avec les émetteurs. Les seules informations utilisées sont les signaux réfléchis sur les avions et les signaux directement reçus qui sont tous les deux collectés par le récepteur, quelques informations concernant l’émetteur, et la configuration géométrique du radar bistatique.Les trois systèmes ATR que nous avons construits utilisent respectivement les images radar, les surfaces équivalentes radar (SER) complexes bistatiques et les SER réelles bistatiques. Nous utilisons des données acquises soit sur des modèles d’avions placés en chambre anéchoique à l’ONERA, soit sur des avions réels en utilisant un banc d’essai bistatique consistant en un émetteur VOR et un récepteur basé sur la radio-logicielle (SDR), et que nous avons déployé aux alentours de l’aéroport d’Orly. Nous décrivons d’abord la phénoménologie radar pertinente pour notre problème ainsi que les fondements mathématiques pour la dérivation de la SER bistatique d’un objet, et pour la construction d’images radar d’un objet.Nous utilisons deux méthodes pour la classification de cibles en classes prédéfinies : les arbres extrêmement aléatoires (extra-trees) et les méthodes de sous-espaces. Une caractéristique-clé de notre approche est que nous divisons le problème de reconnaissance global en un ensemble de sous-problèmes par décomposition de l’espace des paramètres (fréquence, polarisation, angle d’aspect et angle bistatique) en régions. Nous construisons un classificateur par région.Nous validons en premier lieu la méthode des extra-trees sur la base de données MSTAR, composée d’images radar de véhicules terrestres. Ensuite, nous testons cette méthode sur des images radar d’avions que nous avons construites à partir des données acquises en chambre anéchoique. Nous obtenons un pourcentage de classification allant jusqu’à 99%. Nous testons ensuite la méthode de sous-espaces sur les SER bistatiques (complexes et réelles) des avions que nous avons extraits des données de chambre anéchoique. Nous obtenons un pourcentage de classification allant jusqu’à 98%, avec des variations suivant la fréquence, la polarisation, l’angle d’aspect, l’angle bistatique et le nombre de paires émetteur-récepteur utilisées. Nous testons enfin la méthode de sous-espaces sur les SER bistatiques (réelles) extraites des signaux acquis par le banc d’essai déployé à Orly. Nous obtenons une probabilité de classification de 82%, avec des variations suivant l’angle d’aspect et l’angle bistatique. On a donc démontré dans cette thèse que l’on peut reconnaitre des cibles aériennes à partir de leur SER acquise en utilisant des signaux de radars passifs bistatiques. / We present the design, development, and test of three novel, distinct automatic target recognition (ATR) systems for the recognition of airplanes and, more specifically, non-cooperative airplanes, i.e. airplanes that do not provide information when interrogated, in the framework of passive bistatic radar systems. Passive bistatic radar systems use one or more illuminators of opportunity (already present in the field), with frequencies up to 1 GHz for the transmitter part of the systems considered here, and one or more receivers, deployed by the persons managing the system, and not co-located with the transmitters. The sole source of information are the signal scattered on the airplane and the direct-path signal that are collected by the receiver, some basic knowledge about the transmitter, and the geometrical bistatic radar configuration. The three distinct ATR systems that we built respectively use the radar images, the bistatic complex radar cross-section (BS-RCS), and the bistatic radar cross-section (BS-RCS) of the targets. We use data acquired either on scale models of airplanes placed in an anechoic, electromagnetic chamber or on real-size airplanes using a bistatic testbed consisting of a VOR transmitter and a software-defined radio (SDR) receiver, located near Orly airport, France. We describe the radar phenomenology pertinent for the problem at hand, as well as the mathematical underpinnings of the derivation of the bistatic RCS values and of the construction of the radar images.For the classification of the observed targets into pre-defined classes, we use either extremely randomized trees or subspace methods. A key feature of our approach is that we break the recognition problem into a set of sub-problems by decomposing the parameter space, which consists of the frequency, the polarization, the aspect angle, and the bistatic angle, into regions. We build one recognizer for each region. We first validate the extra-trees method on the radar images of the MSTAR dataset, featuring ground vehicles. We then test the method on the images of the airplanes constructed from data acquired in the anechoic chamber, achieving a probability of correct recognition up to 0.99.We test the subspace methods on the BS-CRCS and on the BS-RCS of the airplanes extracted from the data acquired in the anechoic chamber, achieving a probability of correct recognition up to 0.98, with variations according to the frequency band, the polarization, the sector of aspect angle, the sector of bistatic angle, and the number of (Tx,Rx) pairs used. The ATR system deployed in the field gives a probability of correct recognition of $0.82$, with variations according to the sector of aspect angle and the sector of bistatic angle.

Das Radar mit synthetischer Apertur (Synthetic Aperture Radar - SAR) liefert eine quasi-fotographische Abbildung der beleuchteten Bodenoberfläche mit zusätzlichen Informationen, die von der gesendeten und empfangenen Polarisation der Wellen abhängig sind. Eine nützliche Anwendung der polarimetrischen SAR-Daten liegt bei der Klassifizierung der Bodenstruktur anhand der polarimetrischen Streuungseigenschaften. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Untersuchung neuer polarimetrischen Fokussierungsfunktion für die SAR-Datenverarbeitung mit Hilfe der polarimetrischen Rückstreuungseigenschaft, die zu einer alternativen quantitativen Auswertung der polarimerischen SAR-Daten führen kann. Die physikalische Optik Approximation wird für die numerische Berechnung der rückgestreuten elektrischen Felder der kanonischen Ziele unter SAR-Geometrie unter Berücksichtigung der Polarisationslage verwendet. Aus den rückgestreuten elektrischen Felder werden die polarimetrischen Radarrückstreuquerschnitte berechnet. Ein SAR-Simulator wird zur Datenverarbeitung der E-SAR des DLR entwickelt. Der Ansatz des polarimetrischen Radarrückstreuquerschnittes ermöglicht die approximierte numerische Berechnung der Rückstreuungseigenschaften der kanonischen Ziele sowohl im kopolaren als auch im kreuzpolaren Polarisationsbetrieb. Bei der SAR-Datenverarbeitung werden die Rohdatensätze durch die Referenzfunktion eines Punktzieles in der Entfernungsrichtung verarbeitet. Bei der Azimutkompression werden die vier Referenzfunktionen, das heißt die Referenzfunktion eines Punktzieles, die polarimetrische Fokussierungsfunktion einer flachen Platte, die polarimetrische Fokussierungsfunktion eines Zweifach-Reflektors und die polarimetrische Fokussierungsfunktion eines Dreifach-Reflektors, eingesetzt. Die qunatitativen Auswertung der SAR-Daten werden anhand des Pauli-Zerlegungstheorems, der differentiellen Reflektivität und des linearen Depolarisationsverhältnises durchgeführt.

Avec l'ouverture de la bande 57-66 GHz en Europe, de nouvelles technologies de communication sans fil à haut débit sont en cours de développement. De nombreux avantages liés à cette bande de fréquence ont notamment conduit à envisager la transposition du principe de l'identification par radiofréquence (RFID) en bande millimétrique : la MMID. Les réglementations internationales font notamment apparaître une bande passante commune de 5 GHz qui permettrait la mise en place de solutions universelles. De plus la sécurisation des communications point-à-point et la directivité des réseaux d'antennes offrent des perspectives intéressantes.Les travaux présentés dans cette thèse visent à contribuer au développement de la MMID. Ils soulignent les principaux verrous de cette technologie et présentent les différentes solutions proposées qui couvrent de multiples aspects : conception d'antennes et de réseaux d'antennes, conception de prototypes de tags MMID passifs, caractérisation et méthodologie de mesure dont la conception intégrale d'un banc de mesure en bande V, amélioration des performances des tags, et étude de fonctionnalités de capteur intégrées aux tags. Les différents prototypes de tags MMID fabriqués ont permis de réaliser des communications passives de type rétro-modulation jusqu'à 20 cm. De plus, des fonctions de capteur d'humidité et capteur de pression intégrées aux tags MMID ont été montrées expérimentalement. L'ensemble de ces résultats ouvre la voie à de nouvelles perspectives pour les domaines des télécommunications et des réseaux de capteurs en bande millimétrique. / With the opening of the 57-66 GHz band in Europe, new high data-rate wireless communication technologies are currently under development. Numerous advantages linked to the frequency band conducted to consider the transposition of the radiofrequency identificaion (RFID) principle to the millimeter frequency band: the MMID. The international regulations provide a common bandwidth of 5 GHz allowing universal solutions. Moreover, the communication security of point-to-point networks and the directivities of the antennas present interesting perspectives.The presented work in this thesis looks for contributing to the development of MMID. The work underlines the principal locks of this technology and it presents the different proposed solutions covering multiple aspects: conception of antennas and antennas arrays, conception of MMID tags prototypes, characterization and measurement methodology including the complete conception of a measurement bench in V-band, improvement of the tags performances and study of sensing functionalities integrated in the tags. Different prototypes of MMID tags are fabricated and passive communications based on the backscattering of the tags were demonstrated up to 20 cm. In addition, humidity and pressure sensing functionalities were proved by experimentations. The overall of these results pave the way for new perspectives for the wireless communication domain and sensors networks in the millimeter-wave band.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse a pour but de caractériser des signaux aléatoires, rencontrés dans le domaine aérien et sous-marin, en s’appuyant sur une approche statistique. En traitement du signal, l'analyse statistique a longtemps été fondée sous l'hypothèse de Gaussianité des données. Cependant, ce modèle n'est plus valide dès lors que la densité de probabilité des données se caractérise par des phénomènes de queues lourdes et d'asymétrie. Une famille de lois est particulièrement adaptée pour représenter de tels phénomènes : les distributions α-stables. Dans un premier temps, les distributions α-stables ont été présentées et utilisées pour estimer des données synthétiques et réelles, issues d'un sondeur monofaisceau, dans une stratégie de classification de fonds marins. La classification est réalisée à partir de la théorie des fonctions de croyance, permettant ainsi de prendre en compte l'imprécision et l'incertitude liées aux données et à l'estimation de celles-ci. Les résultats obtenus ont été comparés à un classifieur Bayésien. Dans un second temps, dans le contexte de la surveillance maritime, une approche statistique à partir des distributions α-stables a été réalisée afin de caractériser les échos indésirables réfléchis par la surface maritime, appelés aussi fouillis de mer, où la surface est observée en configuration bistatique. La surface maritime a d'abord été générée à partir du spectre d'Elfouhaily puis la Surface Équivalente Radar (SER) de celle-ci a été déterminée à partir de l'Optique Physique (OP). Les distributions de Weibull et ont été utilisées et comparées au modèle α-stable. La validité de chaque modèle a été étudiée à partir d'un test de Kolmogorov-Smirnov. / The purpose of this thesis is to characterize random signals, observed in air and underwater context, by using a statistical approach. In signal processing, the hypothesis of Gaussian model is often used for a statistical study. However, the Gaussian model is not valid when the probability density function of data are characterized by heavy-tailed and skewness phenomena. A family of laws can fit these phenomena: the α-stable distributions. Firstly, the α-stable distribution have been used to estimate generated and real data, extracted from a mono-beam echo-sounder, for seabed sediments classification. The classification is made by using the theory of belief functions, which can take into account the imprecision and uncertainty of data and theirs estimations. The results have been compared to a Bayesian approach. Secondly, in a context a marine surveillance, a statistical study from the α-stable distribution has been made to characterize undesirable echo reflected by a sea surface, called sea clutter, where the sea surface is considered in a bistatic configuration. The sea surface has been firstly generated by the Elfouhaily sea spectrum and the Radar Cross Section (RCS) of the sea surface has been computed by the Physical Optics (PO). The Weibull and distributions have been used and the results compared to the α-stable model. The validity of each model has been evaluated by a Kolmogorov-Smirnov test.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse s’intègre bien dans le domaine de la télédétection de l’environnement maritime. Il porte notamment, d’une part sur l’étude de l’interaction d’une onde électromagnétique avec une surface maritime en présence d’une cible complexe et observée en configuration bi-statique. D’autre part l’étude est complétée par l’étude et l’analyse de l’influence des différents paramètres à la fois liés à la cible et aussi à l’environnement. Dans ce contexte d’étude, le présent travail s’articule autour de deux volets importants. Le premier vise l’étude et la simulation de la Surface Equivalente Radar(SER) d’une cible complexe placée dans son environnement maritime. Et un deuxième volet applicatif traite l’imagerie radar ISAR d’une scène observée, avec prise en compte des cibles présentes sur la surface. Afin de traiter le premier point, le modèle électromagnétique retenu est basé sur une combinaison de méthodes asymptotiques (Optique Physique (OP), Optique Géométrique (OG), Méthode des courants équivalents (MCE)). Pour l’étude de l’influence de la surface de mer sur la réponse électromagnétique de la cible, nous avons opté pour une représentation de la scène (cible+surface de mer) par un ensemble de facettes triangulaires. Dans ce cadre, la cible discrétisée par un maillage triangulaire est générée à l’aide d’un outil de CAO (CATIA V5), quant à la surface de la mer, elle est générée en utilisant le spectre de mer d’Elfouhaily (et le modèle de Debye pour la prise en compte des paramètres diélectriques de l’eau de mer). Enfin, pour l’application de l’imagerie radar ISAR, le calcul de la SER de la cible navale a été effectué en considérant une nouvelle représentation de la cible en parallélépipèdes. La méthodologie proposée a été évalué via des simulations ainsi que des expérimentations sur un modèle générique d’un navire. / The work presented here interset with remote sensing of the maritime environment.It espacially carried with the study of electromagnetic scattering by sea surface with the presence of the target. This study is done in bistatic configuration. So, it is completed by the analysis of the influence of various parameters related to the target and also to the environment. In this context, this work focuses on two important parts. The first is the study and simulation of Radar Cross Section (RCS) of a complex target placed in the maritime environment.And the second part deals with the application of ISAR radar imagery of an observed scene, with consideration of target on the sea surface. We have opted for a combination between Physical Optics (PO), Geometrical Optics (GO) and Equivalent Edge Currents (ECM) (POGO/ EMC) to estimate the RCS. In order to take into account the infuence of sea surface, we have genereted a 2D sea surface from the Elfouhaily spectrum. In order to integrate the target into the scenario (the target in its environment, radar imagery), we propose a parallelepiped representation of the naval taget and RCS calculation. The proposed methodology was evaluated through simulations and measurements on a generic model of a ship.

Das Radar mit synthetischer Apertur (Synthetic Aperture Radar - SAR) liefert eine quasi-fotographische Abbildung der beleuchteten Bodenoberfläche mit zusätzlichen Informationen, die von der gesendeten und empfangenen Polarisation der Wellen abhängig sind. Eine nützliche Anwendung der polarimetrischen SAR-Daten liegt bei der Klassifizierung der Bodenstruktur anhand der polarimetrischen Streuungseigenschaften. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Untersuchung neuer polarimetrischen Fokussierungsfunktion für die SAR-Datenverarbeitung mit Hilfe der polarimetrischen Rückstreuungseigenschaft, die zu einer alternativen quantitativen Auswertung der polarimerischen SAR-Daten führen kann. Die physikalische Optik Approximation wird für die numerische Berechnung der rückgestreuten elektrischen Felder der kanonischen Ziele unter SAR-Geometrie unter Berücksichtigung der Polarisationslage verwendet. Aus den rückgestreuten elektrischen Felder werden die polarimetrischen Radarrückstreuquerschnitte berechnet. Ein SAR-Simulator wird zur Datenverarbeitung der E-SAR des DLR entwickelt. Der Ansatz des polarimetrischen Radarrückstreuquerschnittes ermöglicht die approximierte numerische Berechnung der Rückstreuungseigenschaften der kanonischen Ziele sowohl im kopolaren als auch im kreuzpolaren Polarisationsbetrieb. Bei der SAR-Datenverarbeitung werden die Rohdatensätze durch die Referenzfunktion eines Punktzieles in der Entfernungsrichtung verarbeitet. Bei der Azimutkompression werden die vier Referenzfunktionen, das heißt die Referenzfunktion eines Punktzieles, die polarimetrische Fokussierungsfunktion einer flachen Platte, die polarimetrische Fokussierungsfunktion eines Zweifach-Reflektors und die polarimetrische Fokussierungsfunktion eines Dreifach-Reflektors, eingesetzt. Die qunatitativen Auswertung der SAR-Daten werden anhand des Pauli-Zerlegungstheorems, der differentiellen Reflektivität und des linearen Depolarisationsverhältnises durchgeführt.

The emergence of Ultra-wideband (UWB) technology application has yielded tremendous and vital impacts in the field of microwave wireless communications. These applications include military radar imaging, security screening, and tumour detection, especially for early detection of breast cancer. These indicators have stimulated and inspired many researchers to make the best use of this promising technology. UWB technology challenges such as antenna design, the problem of imaging reconstruction techniques, challenges of severe signal attenuation and dispersion in high loss material. Others are lengthy computational time demand and large computer memory requirements are prevalent constraints that need to be tackled especially in a large scale and complex computational electromagnetic analysis. In this regard, it is necessary to find out recently developed optimisation techniques that can provide solutions to these problems. In this thesis, designing, optimisation, development, measurement, and analysis of UWB antennas for near-field microwave imaging applications are considered. This technology emulates the same concept of surface penetrating radar operating in various forms of the UWB spectrum. The initial design of UWB monopole antennas, including T-slots, rectangular slots, and hexagonal slots on a circular radiating patch, was explicitly implemented for medical imaging applications to cover the UWB frequency ranging from 3.1 GHz to 10.6 GHz. Based on this concept, a new bow-tie and Vivaldi UWB antennas were designed for a through-the-wall imaging application. The new antennas were designed to cover a spectrum on a lower frequency ranging from 1 GHz - 4 GHz to ease the high wall losses that will be encountered when using a higher frequency range and to guarantee deeper penetration of the electromagnetic wave. Finally, both simulated and calculated results of the designed, optimised antennas indicate excellent agreement with improved performance in terms of return loss, gain, radiation pattern, and fidelity over the entire UWB frequency. These breakthroughs provided reduced computational time and computer memory requirement for useful, efficient, reliable, and compact sensors for imaging applications, including security and breast cancer detection, thereby saving more lives. / Tertiary Education Trust Fund (TET Fund) Supported by the Nigerian Defence Academy (NDA)