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.

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.

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.

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.

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.

Les travaux de cette thèse concernent l'analyse des signatures de cibles aériennes dans le domaine des basses fréquences, à l'aide du radar HF-VHF multifréquence et multipolarisation MOSAR. On considère en particulier les possibilités de reconnaissance de cibles par le comportement de la surface équivalente radar (SER) dans cette bande de fréquence où les cibles ne peuvent être furtives. <br />Dans un premier temps, les capacités du radar MOSAR sont décrites, ainsi que les évolutions et améliorations que le système a subi pour atteindre un fonctionnement optimal. Ensuite, une première analyse est effectuée sur les campagnes de mesures. Elle met en évidence les difficultés de caractériser les cibles par une signature sans la connaissance de leur trajectoire. <br />Dans un second temps, les possibilités de développement de modèles numériques d'avions sont étudiées, pour essayer de mieux caractériser la SER des cibles dans la bande de fréquence utilisée. Un modèle d'avion commercial est réalisé et est évalué par comparaison à des mesures effectuées en chambre anéchoïde. Ses performances ont permis de quantifier l'influence de la trajectoire sur les signatures des cibles et de confirmer les observations.<br />Finalement, les possibilités de classification de cibles sont considérées. A cet effet, deux méthodes de classification sont utilisées : la méthode du plus proche voisin et la méthode du réseau de neurones perceptron multicouche (MLP). L'importance du choix des critères discriminants, ainsi que du nombre de fréquences émises, est mise en évidence, et l'application de ces méthodes aux données du système MOSAR est discutée.

Ce manuscrit est consacré à l'étude de la méthode du développement en singularités (SEM) appliquée aux antennes. Dans la première partie de ce travail, trois méthodes d'extraction des pôles de résonance sont présentées et comparées : les méthodes de Prony et Matrix Pencil dans le domaine temporel et la méthode de Cauchy dans le domaine fréquentiel. Une procédure est établie pour optimiser l'extraction avec chaque méthode et une étude de robustesse montre que la méthode Matrix Pencil permet d'obtenir plus de pôles et avec une meilleure précision que les deux autres méthodes en présence de bruit. Dans un second temps, la méthode Matrix Pencil est appliquée sur des réponses d'antennes, obtenues en rayonnement et en Surface Equivalente Radar (SER), et les pôles de résonance extraits sont identiques pour les deux approches. Cette étude valide donc la possibilité d'extraire les pôles de résonance d'une antenne directement à partir de sa SER. La variation de la position des pôles de résonance en fonction des dimensions et de la charge de deux antennes est ensuite étudiée et met en évidence le lien entre l'impédance d'entrée de l'antenne et ses pôles de résonance. Enfin, les mesures de la SER de trois antennes valident expérimentalement l'extraction des pôles de résonance à partir de la SER d'une antenne. Ce travail pose donc les bases de la caractérisation d'antennes à l'aide de la SEM appliquée à la SER de l'antenne.

L’amélioration de la sécurité routière ainsi que le développement des systèmes de transports intelligents sont des enjeux d’avenir dans le secteur automobile avec un essor considérable du véhicule semi autonome et autonome. Les systèmes de sécurité active qui équipent de plus en plus les véhicules commercialisés utilisent des capteurs radar (longue et courte portée) fonctionnant dans les bandes 24 GHz ou 77 GHz. L’étude et la mise au point de tels capteurs peuvent être facilitées via l’utilisation d’une plate-forme de simulation générique permettant de simuler un système radar couplé à son environnement selon des scénarios types prédéfinis. Il est alors nécessaire de disposer d’une représentation fiable et réaliste de l’environnement et des objets présents.Cette thèse aborde la caractérisation et la modélisation du canal de propagation et plus largement de l’environnement radioélectrique en ondes millimétriques pour des applications radar, en termes de phénomènes de propagation (trajets multiples, réflexion, diffraction …) et de cibles électriquement larges. Une combinaison de méthodes asymptotiques a été mise en œuvre afin de permettre l'analyse de problèmes électriquement larges en bande W, tout en réduisant les exigences en temps de calcul et en capacité de mémoire. La précision du simulateur a été évaluée à l’aide d’une campagne de mesures de SER de cibles canoniques et complexes de petite taille (inférieure 6cm) dans une chambre anéchoïque. Le banc de mesure mis en œuvre a permis également de valider une procédure expérimentale de détermination de la signature radar. En effet, la procédure expérimentale a été généralisée à la mesure de la signature radar d’objets de taille réelle, dans un milieu « indoor ». Les mesures effectuées ont montré une bonne adéquation avec les résultats présentés dans la littérature. En outre, ces données expérimentales permettent d’extraire une description de la cible par des points brillants qui modélisent les phénomènes de diffusion et de réflexion spéculaire. La réponse à haute fréquence d’une cible peut être approchée par la somme de réponses de ses points brillants. On propose ainsi de simplifier les signatures mesurées pour maximiser l'efficacité de calcul. Comparé aux modèles géométriques détaillés d’une cible complexe, le modèle de points brillants conduit à une meilleure efficacité des simulations de propagation basées sur des rayons dans des scénarios routiers. Le modèle tient également compte de l’anisotropie des diffuseurs (dans le plan azimutal) en modélisant leurs amplitudes par des gaussiennes. / Improving road safety as well as the development of intelligent transport systems are issues of the future in the automotive sector with a considerable rise of the semi-autonomous and autonomous vehicle. The active safety systems that increasingly equip commercial vehicles use radar sensors (long and short range) operating in the 24 GHz or 77GHz bands. The study and development of such sensors can be facilitated through the use of a generic simulation platform to simulate a radar system coupled to its environment according to predefined standard scenarios. It is then necessary to have a reliable and realistic representation of the environment as well as targets. This thesis deals with the characterization and modelling of the propagation channel for radar applications, in terms of propagation phenomena (multipath, reflection, diffraction …) and electrically large targets. A combination of asymptotic methods was developed for the analysis of electrically large problems in W band, while reducing the requirements in CPU time and memory. The accuracy of the simulator was evaluated with radar cross section measurement of canonical and complex small targets (not exceeding 6 cm) in an anechoic chamber. The developed bench measurement also made it possible to validate an experimental procedure for determining the radar signature. Indeed, the experimental characterization was generalized to characterize various automotive related targets in an “indoor” environment. Measurement results matched well with the results presented in the literature. Moreover, the experimental data allows the extraction of a simple target description in terms of scattering points which model the diffusion and specular reflection phenomena. The high frequency response of a target can be approached by the sum of the responses of its scattering centres. It is thus proposed to simplify the measured signatures in order to increase the computation efficiency. Compared to detailed geometrical representation of a complex target, scattering centre model leads to better efficiency of ray-based propagation simulations of road scenarios. The model also takes into account the scattering centre anisotropy (in the azimuth plan) by modelling their amplitudes by Gaussian ones.

Ce manuscrit est consacré à l’étude de la méthode du développement en singularités (SEM) appliquée aux antennes. Dans la première partie de ce travail, trois méthodes d’extraction des pôles de résonance sont présentées et comparées : les méthodes de Prony et Matrix Pencil dans le domaine temporel et la méthode de Cauchy dans le domaine fréquentiel. Une procédure est établie pour optimiser l’extraction avec chaque méthode et une étude de robustesse montre que la méthode Matrix Pencil permet d’obtenir plus de pôles et avec une meilleure précision que les deux autres méthodes en présence de bruit. Dans un second temps, la méthode Matrix Pencil est appliquée sur des réponses d’antennes, obtenues en rayonnement et en Surface Equivalente Radar (SER), et les pôles de résonance extraits sont identiques pour les deux approches. Cette étude valide donc la possibilité d’extraire les pôles de résonance d’une antenne directement à partir de sa SER. La variation de la position des pôles de résonance en fonction des dimensions et de la charge de deux antennes est ensuite étudiée et met en évidence le lien entre l’impédance d’entrée de l’antenne et ses pôles de résonance. Enfin, les mesures de la SER de trois antennes valident expérimentalement l’extraction des pôles de résonance à partir de la SER d’une antenne. Ce travail pose donc les bases de la caractérisation d’antennes à l’aide de la SEM appliquée à la SER de l’antenne. / This manuscript deals with the Singularity Expansion Method (SEM) applied to antenna characterization. In the first part of this work, three resonant poles extraction methods are presented and compared: the Prony and Matrix Pencil methods in the transient domain and the Cauchy method in the frequency domain. A procedure is defined to optimize the extraction with each method and a robustness study shows that Matrix Pencil method allows obtaining more physical poles with a better accuracy than the two other methods in presence of noise. In a second part, the Matrix Pencil algorithm is applied on radiated and backscattered antenna responses. Extracted resonant poles from both responses are exactly the same. This study validates the possibility to extract poles directly from its backscattered response. The position of resonant poles is analyzed with respect to antenna’s dimension and its load for two different cases. This emphasizes the link between antenna poles and antenna input impedance. Finally, RCS measurements of three antennas validate antenna poles extraction directly from its RCS. This work lays the foundations of antenna characterization using the SEM applied to RCS measurements.