Modélisation du couplage mutuel présent dans un réseau d'antennes : étude théorique, applications au radar MIMO et à un contexte RFID. Le couplage mutuel est un phénomène électromagnétique susceptible de se produire dans les réseaux d'antennes. Il est dû aux interactions électromagnétiques qui se produisent entre les éléments d'un réseau d'antennes et induisent une modification des paramètres intrinsèques des antennes. Lorsque la distance inter-élément diminue, les effets du couplage mutuel augmentent. La prise en compte du couplage mutuel dans les réseaux d'antennes, lors de leur conception ou dans les algorithmes de traitement d'antennes, permet d'avoir accès aux caractéristiques de rayonnement réel de chaque élément du réseau, ce qui peut par exemple permettre d'améliorer les performances de détection/localisation de cibles à l'aide d'un radar MIMO (Multiple Input Multiple Output). Dans un contexte RFID (Radio Frequency IDentification), modéliser le couplage mutuel permet de modéliser le système formé par un ensemble de tags et de statuer sur le comportement du système dans une configuration donnée. Cette thèse porte sur la modélisation du couplage mutuel présent dans un réseau d'antennes. Nous avons d'abord proposé une nouvelle méthode de modélisation du diagramme de rayonnement de l'élément actif basée sur la résolution de problèmes d'optimisation au sens des moindres carrés pour trouver les pondérations complexes qui modélisent les interactions électromagnétiques entre les éléments du réseau. Ces pondérations complexes peuvent être utilisées comme des lois d'excitation à appliquer à une antenne isolée décrivant les positions des éléments du réseau, afin d'étudier expérimentalement le comportement d'un réseau d'antennes. Cette modélisation du couplage mutuel est ensuite appliquée dans un contexte radar MIMO où nous montrons qu'il est possible de synthétiser le diagramme de rayonnement de l'élément actif sur une plateforme expérimentale de radar MIMO composée d'une seule antenne émettrice et d'une seule antenne réceptrice qui se déplacent sur des rails en des positions prédéfinies. A la réception, la matrice des signaux reçus est obtenue en appliquant le principe de superposition. Nous avons également cherché à modéliser le couplage mutuel en proposant une formulation théorique de l'impédance mutuelle entre les éléments d'un réseau de dipôles fins aléatoirement répartis dans un plan afin d'appliquer cette modélisation du couplage mutuel à un contexte RFID, où les tags, représentés par les dipôles, sont éparpillés dans un plan et éclairés par un lecteur. Nous avons également proposé une formulation théorique de l'impédance d'entrée du dipôle environné et avons étudié les effets du couplage mutuel sur les deux paramètres intervenant dans le bilan d'une liaison RFID : l'adaptation (la bande passante) et le diagramme de rayonnement du dipôle environné. Nous avons montré qu'il était possible de synthétiser le diagramme de rayonnement du dipôle environné et de trouver la modification de l'adaptation du dipôle environné, ce qui, à terme, permettrait de statuer sur le taux et/ou la distance de lecture d'une communication RFID dans un contexte haute densité / Modeling of the Mutual Coupling Present in an Antenna Array: TheoreticalStudy, Applications to MIMO Radar and RFID ContextMutual coupling is an electromagnetic phenomenon that can occur in antenna arrays. It is due to the electromagnetic interactions that occur between the elements of an antenna array and induce a modification of the intrinsic parameters of the antennas. Taking into account mutual coupling in antenna arrays, when designing them or in antenna processing algorithms, provides access to the real radiation characteristics of each array element which can, for example, improve target detection/localization performance using a Multiple Input Multiple Output (MIMO) radar. In an RFID (Radio Frequency IDentification) context, modeling mutual coupling makes it possible to model the system formed by a set of tags and to decide on the behavior of the system in a given configuration. This thesis focuses on the modeling of the mutual coupling present in an antenna array. We first new method for the active element pattern synthesis based on solving optimization problems in the least squares sense to find the complex weights that model electromagnetic interactions between network elements. These complex weights can be used as excitation laws to be applied to an isolated antenna describing the positions of the array elements, in order to experimentally study the behavior of an array of antennas. This mutual coupling modeling is then applied in a MIMO radar context where we show that it is possible to synthesize the radiation pattern of the active element on an experimental MIMO radar platform composed of a single transmitting and a single receiving antenna that moves on rails in predefined positions. On reception, the matrix of received signals is obtained by applying the principle of superposition. We also sought to model mutual coupling by proposing a theoretical formulation of the mutual impedance between the elements of an array of fine dipoles randomly distributed in a plane in order to apply this mutual coupling modeling to an RFID context, where the tags, represented by the dipoles, are scattered in a plane and illuminated by a reader. We also proposed a theoretical formulation of the input impedance of the surrounding dipole and studied the effects of mutual coupling on the two parameters involved in the balance of an RFID link: the adaptation (bandwidth) and the radiation pattern of the surrounding dipole. We have shown that it is possible to synthesize the radiation pattern of the surrounded dipole and to find the modification of the adaptation of the surrounded dipole, which, in the long term, would allow to decide on the read rate and/or the reading distance of an RFID communication in a high density context.

Multiple-input multiple-output (MIMO) radar has been receiving increasing attention in recent years due to the dramatic advantages offered by MIMO systems in communications. The amount of energy reflected from a common radar target varies considerably with the observation angle, and these scintillations may cause signal fading which severely degrades the performance of conventional radars. MIMO radar with widely spaced antennas is able to view several aspects of a target simultaneously, which realizes a spatial diversity gain to overcome the target scintillation problem, leading to significantly enhanced system performance. Building on the initial studies presented in the literature, MIMO radar is investigated in detail in this thesis. First of all, a finite scatterers model is proposed, based on which the target detection performance of a MIMO radar system with arbitrary array-target configurations is evaluated and analyzed. A MIMO radar involving a realistic target is also set up, whose simulation results corroborate the conclusions drawn based on theoretical target models, validating in a practical setting the improvements in detection performance brought in by the MIMO radar configuration. Next, a hybrid bistatic radar is introduced, which combines the phased-array and MIMO radar configurations to take advantage of both coherent processing gain and spatial diversity gain simultaneously. The target detection performance is first assessed, followed by the evaluation of the direction finding performance, i.e., performance of estimating angle of arrival as well as angel of departure. The presented theoretical expressions can be used to select the best architecture for a radar system, particularly when the total number of antennas is fixed. Finally, a novel two phase radar scheme involving signal retransmission is studied. It is based on the time-reversal (TR) detection and is investigated to improve the detection performance of a wideband MIMO radar or sonar system. Three detectors demanding various amounts of a priori information are developed, whose performance is evaluated and compared. Three schemes are proposed to design the retransmitted waveform with constraints on the transmitted signal power, further enhancing the detection performance with respect to the TR approach.

Un radar MIMO (Multiple Input Multiple Output) est un système radar qui utilise plusieurs antennes émettrices et réceptrices, dans lequel les formes d'ondes émises peuvent être indépendantes. Par rapport aux radars utilisant des antennes en réseaux phasés, les radars MIMO offrent davantage de degrés de liberté, ce qui permet d'améliorer les performances du système en termes de détection et localisation. La technique MIMO offre également la possibilité de synthétiser un diagramme de rayonnement désiré par une définition judicieuse des formes d'ondes émises. Dans la mesure où les paramètres des cibles (positions, vitesses, directions d'arrivée (DOA), ...) sont estimés à partir des échos des signaux émis, on comprend aisément que les formes d'ondes employées jouent un rôle clé dans les performances du système. Cette thèse porte sur l'estimation de DOA et sur la conception des formes d'ondes pour un radar MIMO. Le cadre d'étude est restreint au cas où les antennes sont colocalisées et les cibles sont immobiles et supposées ponctuelles. La plupart des travaux antérieurs (au commencement de la thèse) portaient sur le radar MIMO bande étroite et faisaient l'hypothèse d'émetteurs-récepteurs idéaux et indépendants. Cette thèse contribue à élargir le cadre d'étude en s'intéressant d'une part au passage en large bande et d'autre part à la modélisation et à la prise en compte de la non-indépendance des émetteurs-récepteurs et autres imperfections. Dans la mesure où le recours à des signaux large bande est nécessaire lorsqu'une résolution importante est souhaitée, nous nous sommes attachés dans cette thèse à adapter le modèle d'un système de radar MIMO au cas large bande et à proposer de nouvelles techniques visant à améliorer les performances d'estimation de DOA dans le cas de signaux large bande. Cette thèse analyse également l'influence de conditions non idéales comme l'impact des phénomènes de couplage électromagnétique sur les diagrammes de rayonnement dans un réseau d'antennes. Cette étude est menée dans le cas bande étroite. En particulier, nous étudions l'influence du couplage direct entre les réseaux d'antennes d'émission et de réception (appelé « crosstalk ») sur les performances des techniques proposées. Nous établissons un modèle du signal permettant de prendre en compte ce phénomène et proposons une technique de réduction du « crosstalk » qui permet une estimation efficace des DOA des cibles. Nous montrons par ailleurs comment améliorer les performances d'estimation de DOA en présence de diagrammes de rayonnement incluant le couplage entre antennes. Le dernier apport principal de cette thèse est la conception et réalisation d'une plateforme expérimentale comportant une seule architecture d'émetteur-récepteur, qui permet de simuler un système MIMO utilisant des antennes colocalisées en appliquant le principe de superposition. Cette plateforme nous a permis d'évaluer les performances des techniques proposées dans des conditions plus réalistes / A Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radar is a system employing multiple transmitters and receivers in which the waveforms to be transmitted can be totally independent. Compared to standard phased-array radar systems, MIMO radars offer more degrees of freedom which leads to improved angular resolution and parameter identifiability, and provides more flexibility for transmit beampattern design. The main issues of interest in the context of MIMO radar are the estimation of several target parameters (which include range, Doppler, and Direction-of-Arrival (DOA), among others). Since the information on the targets is obtained from the echoes of the transmitted signals, it is straightforward that the design of the waveforms plays an important role in the system accuracy. This document addresses the investigation of DOA estimation of non-moving targets and waveform design techniques for MIMO radar with colocated antennas. Although narrowband MIMO radars have been deeply studied in the literature, the existing DOA estimation techniques have been usually proposed and analyzed from a theoretical point of view, often assuming ideal conditions. This thesis analyzes existing signal processing algorithms and proposes new ones in order to improve the DOA estimation performance in the case of narrowband and wideband signals. The proposed techniques are studied under ideal and non-ideal conditions considering punctual targets. Additionally, we study the influence of mutual coupling on the performance of the proposed techniques and we establish a more realistic signal model which takes this phenomenon into account. We then show how to improve the DOA estimation performance in the presence of distorted radiation patterns and we propose a crosstalk reduction technique, which makes possible an efficient estimation of the target DOAs. Finally, we present an experimental platform for MIMO radar with colocated antennas which has been developed in order to evaluate the performance of the proposed techniques under more realistic conditions. The proposed platform, which employs only one transmitter and one receiver architectures, relies on the superposition principle to simulate a real MIMO system

Le concept du radar MIMO est prometteur en raison des nombreux avantages qu'il apporte par rapport aux architectures radars actuelles : flexibilité pour la formation de faisceau à l'émission - large illumination de la scène et résolution fine après traitement - et allègement de la complexité des systèmes, via la réduction du nombre d'antennes et la possibilité de transférer des fonctions de contrôle et d'étalonnage du système dans le domaine numérique. Cependant, le radar MIMO reste au stade du concept théorique, avec une prise en compte insuffisante des impacts du manque d'orthogonalité des formes d'onde et des défauts matériels.Ce travail de thèse, dans son ambition de contribuer à ouvrir la voie vers le radar MIMO opérationnel, consiste à anticiper et compenser les défauts du monde réel par des traitements numériques. La première partie traite de l'élaboration des formes d'onde MIMO. Nous montrons que les codes de phase sont optimaux en termes de résolution spatiale. Nous présentons également leurs limites en termes d'apparition de lobes secondaires en sortie de filtre adapté. La seconde partie consiste à accepter les défauts intrinsèques des formes d'onde et proposer des traitements adaptés au modèle de signal permettant d'éliminer les lobes secondaires résiduels induits. Nous développons une extension de l'Orthogonal Matching Pursuit (OMP) qui satisfait les conditions opérationnelles, notamment par sa robustesse aux erreurs de localisation, sa faible complexité calculatoire et la non nécessité de données d'apprentissage. La troisième partie traite de la robustesse des traitements vis-à-vis des écarts au modèle de signal, et particulièrement la prévention et l'anticipation de ces phénomènes afin d'éviter des dégradations de performance. En particulier, nous proposons une méthode numérique d'étalonnage des phases des émetteurs. La dernière partie consiste à mener des expérimentations en conditions réelles avec la plateforme radar MIMO Hycam. Nous montrons que certaines distorsions subies non anticipées, même limitées en sortie de filtre adapté, peuvent impacter fortement les performances en détection des traitements dépendant du modèle de signal. / The MIMO radar concept promises numerous advantages compared to today's radar architectures: flexibility for the transmitting beampattern design - including wide scene illumination and fine resolution after processing - and system complexity reduction, through the use of less antennas and the possibility to transfer system control and calibration to the digital domain. However, the MIMO radar is still at the stage of theoretical concept, with insufficient consideration for the impacts of waveforms' lack of orthogonality and system hardware imperfections.The ambition of this thesis is to contribute to paving the way to the operational MIMO radar. In this perspective, this thesis work consists in anticipating and compensating the imperfections of the real world with processing techniques. The first part deals with MIMO waveform design and we show that phase code waveforms are optimal in terms of spatial resolution. We also exhibit their limits in terms of sidelobes appearance at matched filter output. The second part consists in taking on the waveform intrinsic imperfections and proposing data-dependent processing schemes for the rejection of the induced residual sidelobes. We develop an extension for the Orthogonal Matching Pursuit (OMP) that satisfies operational requirements, especially localization error robustness, low computation complexity, and nonnecessity of training data. The third part deals with processing robustness to signal model mismatch, especially how it can be prevented or anticipated to avoid performance degradation. In particular, we propose a digital method of transmitter phase calibration. The last part consists in carrying out experiments in real conditions with the Hycam MIMO radar testbed. We exhibit that some unanticipated encountered distortions, even when limited at the matched filter output, can greatly impact the performance in detection of the data-dependent processing methods.

L’objectif de cette thèse a consisté en l’étude des apports d’une architecture radar MIMO pour la détection d’êtres humains à l’intérieur des bâtiments. Pour ce faire, il a tout d’abord été mis en évidence sur un point théorique la supériorité d’une architecture radar MIMO comparée au SIMO, en terme de robustesse et de pouvoir discriminant de cibles rapprochées. Ensuite, les effets de la traversée du mur sur le signal radar furent décrits et une caractérisation quantitative de la transmission à travers un mur fut réalisée sur mesures expérimentales. Différents simulateurs de scénarii de détection à travers les murs ont été produits : un simulateur réaliste FDTD ainsi qu’un simulateur «comportemental» simplifié.La méthode de détection et de localisation retenue est l’imagerie radar.Ainsi, différents algorithmes d’imagerie radar pour une architecture MIMO furent développés. Des traitements incohérents (migration, multilatération),cohérents (filtrage adapté) et haute résolution (MVDR, MUSIC Time Reversal) furent détaillés. Enfin des considérations techniques (bilan de liaison, temps d’observation de la scène) ont été discutées et deux architectures radar MIMO ultra-large bande furent proposées. Une architecture radar MIMO avec 2GHz de bande et un multiplexage temporel pour l’adressage des antennes d’émission a été réalisée par le personnel du laboratoire. Des mesures expérimentales ont conduites permettant de réaliser la détection à travers les murs à l’aide du dispositif réalisé. / This thesis focused on the study of the contributions of MIMO radar systemfor human beings detection inside buildings. First, on a theoretical point, it was highlighted the superiority of MIMO systems compared with the SIMO, in term of robustness and discrimination abilities of close targets. Then, through the wall propagation effects were described and a quantitative characterization of the transmission through a wall wasrealised based on experimental measures. Various simulators of scenarios of detection through walls were produced : a full-wave FDTD simulator and a simplified «behavioral» one. The method of detection and localisation is the radar imaging. So, differents algorithms of radar imaging for MIMO system were developed. Among them, incoherent processings (migration,multi-lateration), coherent (matched filtering) and high resolution(MVDR, MUSIC Time Reversal) were detailed. Finally, technical considerations(link budget, observation time of the scene) were discussed and two ultrawide band MIMO radar architectures were proposed. A experimental bench of MIMO radar with 2GHz bandwidth and a temporal multiplexing was realized in the laboratory. Experimental measures allow to realize the detection through walls with the realized MIMO radar.

Les systèmes d’imagerie microonde suscitent un grand intérêt actuellement dans le domaine de la recherche, notamment pour des applications de sécurité (scanners corporels, vision à travers les murs, etc). Plusieurs techniques d’acquisition déjà existantes permettent d’optimiser l’ouverture rayonnante afin de garantir une bonne résolution sur l’image finale. Cependant, le verrou actuel des systèmes d’imagerie est de pouvoir atteindre un temps de rafraîchissement temps réel et d’adresser un grand nombre d’antennes. La majorité des systèmes actuels peinent à concilier la rapidité et la résolution, tout en garantissant une bonne sensibilité. Les travaux réalisés dans ce manuscrit visent à proposer une alternative aux systèmes existants en se basant sur des techniques de codage analogique des signaux d’antennes. Globalement, l’objectif est de minimiser le nombre de récepteurs sans affecter les performances. Les architectures proposées sont essentiellement basées sur le concept du Radar MIMO (pour les systèmes actifs) et du radiomètre à synthèse d’ouverture interférométrique ou SAIR (pour les systèmes passifs). Ces deux systèmes permettent de réduire considérablement le nombre d’antennes sans affecter la résolution de l’image, ce qui permet une première levée de contraintes. En sus, des composants compressifs entièrement passifs sont utilisés pour réduire le nombre de récepteurs des systèmes Radar MIMO et SAIR. Ces composants à diversité spatiale et fréquentielle présentent des fonctions de transfert orthogonales. Utilisés en émission, ils permettent un adressage simultané et indépendant des antennes du réseau. En réception, ils permettent de coder les signaux reçus par les antennes vers un nombre de voies RF considérablement réduit. En appliquant des techniques de décodage appropriées, les signaux reçus par chacune des antennes peuvent être estimées afin d’appliquer les algorithmes dédiés à la reconstruction de l’image. Ces composants offrent l’avantage de réduire fortement le nombre de voies RF tout en conservant la même ouverture rayonnante et en autorisant une acquisition simultanée des signaux. Des démonstrateurs laboratoires ont été réalisés en bande S afin de montrer une preuve de faisabilité des alternatives proposées. Enfin, les résultats obtenus ont fait l'objet d'une demande de brevet et un prototype d'imageur radiométrique à ondes millimétriques est en cours de prototypage dans le cadre du projet ANR-PIXEL. / Microwave imaging systems are currently attracting great attention in the field of research, especially for security applications (body scanners, vision through walls, etc.). Several acquisition techniques already exist to optimize the antenna aperture in order to guarantee a good resolution on the final image. However, the current lock of imaging systems is to be able to achieve a real-time acquisition and address numerous antennas. Most of the current systems struggle to reconcile fast imaging and resolution while ensuring good sensitivity. The work carried out in this manuscript aims at proposing an alternative to the existing systems based on analog coding techniques of the antenna signals. Overall, the goal is to minimize the number of receivers without affecting performances. The proposed architectures are based essentially on the concept of the MIMO radar (for active systems) and the Synthetic Aperture Interferometric Radiometer or SAIR (for passive systems). These two systems allow a significant reduction of the number of antennas without affecting the resolution of the image, thus enabling a first lifting of constraints. In addition, passive compressive components are used to reduce the number of receivers in the MIMO Radar and the SAIR systems. These components with spatial and frequency diversity exhibit orthogonal transfer functions. Used in transmission, they allow simultaneous and independent addressing of each element of the antenna array. In reception, they allow the signals received by the antennas to be coded into a considerably reduced number of aggregate waveforms. By applying suitable decoding techniques, the signals received by each antenna can be estimated in order to apply imaging algorithms. These components offer the advantage of greatly reducing the number of RF channels while keeping the same number of antennas and allowing simultaneous acquisition of the signals. Laboratory demonstrators were carried out in S-band to demonstrate the feasibility of the proposed alternatives. Finally, the results obtained were the subject of a patent application and a prototype of a millimeter-wave radiometric imager is being developed in the framework of the ANR-PIXEL project.