Thèse de doctorat : Lasers, molécules et rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2001. / Textes et résumés en français et en anglais. Bibliogr. p. 117-122. Notes bibliogr.

La diffraction d'une onde électromagnétique est étudiée dans de nombreux domaines industriels. Certaines études, concernant les objets diffractant de petite taille par rapport à la fréquence, utilisent des<br />méthodes numériques basées sur les équations de Maxwell sous forme intégrale : les Méthodes de Moments et plus récemment les Méthodes Multipôles. Dans le cadre d'études sur de grands objets ou à hautes fréquences, ces méthodes deviennent rapidement trop coûteuses.<br />L'objet de cette thèse est de fournir une autre approche permettant de pallier ces problèmes grâce à une formulation utilisant des développements asymptotiques basés sur la Théorie Géométrique de la Diffraction (TGD).\\<br />L'application d'une méthode de couche limite à ces problèmes pour des corps réguliers dans la région proche de la frontière ombre-lumière et dans la zone d'ombre nous amène, en utilisant l'équation d'Airy, à des expressions intégrales du champ diffracté.<br />Une telle application de méthode de couche limite à des géométries de corps allongés donne plutôt une équation bi-confluente réduite de Heun. N'ayant pas de solution analytique de cette équation de Heun, nous obtenons des solutions par<br />approximations de l'équation étudiée.<br />Les résultats numériques obtenus par une implémentation de ces formulations associée à un algorithme de lancer de rayons montrent une très bonne correspondance avec des résultats de méthodes intégrales.

Ce travail de thèse de doctorat étudie la diffusion de la lumière par des nuages de bulles au voisinage de l'angle de diffusion critique. Les bulles sont définies comme des particules dont l'indice de réfraction relatif est inférieur à l'unité. Dans l'hypothèse d'un régime de diffusion simple, le diagramme de diffusion critique produit par un ensemble de bulles peut être modélisé à l'aide de la théorie de Lorenz-Mie et d'une intégrale de Fredholm du premier type. Fondamentalement, ces diagrammes sont composés d'arcs (ou franges circulaires) qui présentent de grandes similarités avec ceux observés dans la zone de diffraction vers l'avant ou la région de l'angle d'arc-en-ciel. Il existe un lien clair entre l'étalement angulaire, la visibilité et la position globale de ces arcs avec le diamètre moyen, la dispersion et l'indice de réfraction (c.-à-d. composition) des bulles diffusantes. Différents effets particuliers ont été étudiés, comme ceux liés au profil d'intensité gaussien du faisceau laser incident, les effets de filtrage spatial de l'optique de Fourier, la non sphéricité des bulles, la possibilité de produire l'équivalent d'un arc-en-ciel sous-marin. Des simulations numériques, ainsi que la mise au point de différentes méthodes d'inversion et expériences ont permis de démontrer la validité et la fiabilité de ce que nous avons appelé la « Critical-Angle Refractometry and Sizing (CARS) technique ». Au delà des aspects fondamentaux, cette nouvelle méthode optique de caractérisation de particules s'avère prometteuse pour l'étude des écoulements à bulles et plus particulièrement quand la composition des bulles est recherchée.

Étant donné l'urgence environnementale, le développement des énergies renouvelables s'est fortement accru ces dernières années. L'implantation de champs d'éoliennes est notamment en pleine expansion dans toute l'Europe. Ces éoliennes, de structure diélectrique et métallique et de grande taille, peuvent avoir un impact significatif sur les systèmes radiofréquences. En particulier, les systèmes de radionavigation et de surveillance opérés par la DGAC (VOR, radar) doivent cohabiter avec de nouveaux champs d'éoliennes. En effet, ces dernières influent sur le champ électromagnétique des systèmes et peuvent dégrader leurs performances (multitrajets, masquages... ). Il est alors important de pouvoir quantifier ces dégradations, en particulier dans le cas du VOR où les multitrajets engendrent une erreur de relèvement. Dans ce travail de thèse, un simulateur électromagnétique appelé VERSO (VOR ERror SimulatOr) est développé. Il permet d'estimer l'impact d'objets diffractants, en particulier d'éoliennes, sur le signal VOR. Dans la littérature, différentes techniques de modélisation sont proposées pour prédire ces phénomènes. Certaines sont trop approximatives, d'autres trop coûteuses en temps. Ainsi, le choix des techniques utilisées dans ce simulateur a été guidé par le compromis entre précision et temps de calcul. L'équation parabolique est utilisée pour modéliser la propagation de la source jusqu'aux éoliennes afin de prendre en compte le relief. Ensuite, une méthode d'optique physique sur matériaux diélectriques est mise en œuvre pour calculer le champ diffracté par ces objets. Le modèle électromagnétique de l'éolienne et les hypothèses inhérentes aux méthodes utilisées par VERSO ont été validés aux fréquences VHF (VOR) par comparaison avec la méthode des moments qui fait office de référence. Une extension de VERSO pour les systèmes radars a été abordée. Par conséquent des validations similaires à ces fréquences ont été réalisées. Plus spécifiquement, un modèle de pale d'éolienne prenant en compte la présence du parafoudre est proposé aux fréquences VOR et radar. Les effets de masquage sont eux aussi quantifiés pour ces 2 domaines de fréquences. Il est notamment démontré que l'effet de masquage pour des éoliennes alignées radialement à un VOR est négligeable. Cette approximation ainsi que le modèle de pale sont ensuite utilisés dans le programme VERSO. Ce dernier est validé à l'aide de contrôles en vol sur un scénario de 9 éoliennes implantées à 5 km du VOR de Boulogne-sur-Mer. Une étude quantitative de l'impact de chaque partie des éoliennes est menée afin de discriminer la source majoritaire d'erreur VOR. On constate notamment qu'à grande distance du VOR dans le scénario d'observation considéré, le mât constitue le principal contributeur en terme de champ diffracté et d'erreur VOR. Enfin, une étude statistique sur l'erreur VOR a permis d'obtenir un simulateur de scénarios qui donne l'erreur maximale avec une confiance fixée, en minimisant le nombre de simulations à effectuer. Pour accélérer cette méthode, une expression analytique approchée de l'erreur VOR maximum a été développée en fonction de la distance d'implantation et de la hauteur du mât de l'éolienne. Cette dernière étude fournit une méthode rapide pour évaluer l'impact de la construction d'un champ d'éoliennes quelconque à proximité de systèmes de l'aviation civile. / Considering the ecological emergency, the renewable energy development has greatly increased for a decade. In particular, the windfarms implantation rapidly expands in Europe. These windturbines are large obstacles composed by dielectric and metallic materials. So their impact on electromagnetic devices is significant. The radionavigation systems for the civil aviation services are particularly concerned. However, they have to work side with new windfarms. Actually, these latter cause scattering effects on the electromagnetic signals and can degrade the performances of these equipments (multipaths, shadowing effects etc.). Thus, quantifying these degradations is crucial, particularly on the VOR devices where multipath effects cause an error on the azimuth. In this thesis work, an electromagnetic simulator called VERSO (VOR ERror SimulatOr) is developed. It can estimate the impact of scattering objects, especially windturbines, on the VOR signal. In literature, several techniques are proposed to model these phenomena: some make coarse approximations and some others are memory intensive. Thus, the choice over the methods used in VERSO is a compromise between precision and memory requirement. The parabolic equation is used to model the propagation from the source to the windturbines so as to take the relief into account. A physical optic based method is used to compute the field scattered by these objects. The electromagnetic model of the windturbine and the hypothesis due to the methods used by VERSO have been validated in the VHF (VOR) frequency by comparison with the method of moments, which is the reference. An extension of VERSO for the radar systems is introduced. Consequently similar validations have been performed at radar frequencies. In particular, a windturbine blade model taking into account the lightning protection is proposed for the VOR and the radar frequencies. The shadowing effects are also quantified in both frequency domains. Especially, a demonstration that the shadowing effects due to radially implemented windturbines can be neglected around a VOR beacon is proposed. This approximation and the blade model are used for the implementation of VERSO. This simulator is validated by comparison with measurements on 9 windturbines built 5~km far from a VORC in Boulogne-sur-Mer (France). A study is performed to quantify the influence of each part of the windturbine. The mast is shown to be the main contributor regarding to the electromagnetic field and the VOR error. Finally, parametric simulations are performed and analytic expressions are proposed to describe the evolution of the maximum VOR error with respect to the mast size and the distance VOR-windturbine. The latter study gives some key parameters that need to be considered for the elaboration of a windfarm building plan close to civil aviation systems for the project to be viable.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse s'intègre dans le domaine de la télédétection de l'environnement maritime. Il porte, 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 bistatique. D'autre part, le travail est complété par l'étude et l'analyse de l'influence sur cette interaction des différents paramètres à la fois liés à la cible et 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 un environnement marin. Et un deuxième volet applicatif qui traite l'imagerie radar ISAR d'une cible complexe. 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)) intégrant les phénomènes d'ombrage et les multitrajets. Afin d'introduire l'influence de la surface de mer sur la réponse électromagnétique de la cible dans son environnement, 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, afin d'appliquer la méthode développée dans le cadre 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 évaluée via des simulations ainsi que des expérimentations (dans la chambre anéchoïque de l'ENSTA Bretagne) sur un modèle générique d'un navire.

En environnements hostiles, les signaux GNSS (Global Navigation Satellite System)peuvent être soumis à des risques de brouillages intentionnels. Basées sur un réseau d'antennes adaptatif, les solutions spatio-temporelles (STAP) ont déjà montré de bonnes performances de réjection des interférences. Toutefois, lorsque le module GNSS est placé sous les pales d'un hélicoptère, des effets non-stationnaires, appelés Rotor Blade Modulation (RBM), créés par les multiples réflexions du signal sur les pales du rotor, peuvent dégrader les techniques usuelles d’antibrouillage. Le signal utile GNSS n’est alors plus accessible. Le travail de la thèse consiste donc à élaborer un système de protection des signaux GNSS adapté à la RBM. Pour cela, un modèle innovant de multitrajets, adapté à ce type de phénomène, a été développé. La comparaison de simulations électromagnétiques représentatives et de mesures expérimentales sur hélicoptère EC-120 a permis de valider ce modèle. Celui-ci permet d'estimer, par maximum de vraisemblance, les paramètres de la contribution non-stationnaire du signal reçu. Enfin, l'association d'un algorithme de filtrage des multitrajets par projection oblique et d'un traitement STAP permet d'éliminer la contribution dynamique puis statique de l'interférence. Les simulations montrent que le signal utile GNSS est alors de nouveau exploitable. / In hostile environments, Global Navigation Satellite System (GNSS) can be disturbed by intentional jamming. Using antenna arrays, space-time adaptive algorithm (STAP) isone of the most efficient methods to deal with these threats. However, when a GNSS receiver is placed near rotating bodies, non-stationary effects called Rotor Blade Modulation (RBM) are created by the multipaths on the blades of the helicopter. They can degrade significantly the anti-jamming system and the signal of interest could belost. The work of the thesis is, consequently, to develop a GNSS protection system adapted to the RBM. In this way, an innovative multipath model, adapted to this phenomenon, has been developed. The model is then confirmed by comparison with a symptotic electromagnetic simulations and experiments conducted on an EC-120helicopter. Using a Maximum Likelihood algorithm, the parameters of the non-stationary part of the received signal have been estimated. And finally, the RBM anti-jamming solution, combining oblique projection algorithm and academic STAP, can mitigate dynamic and static contributions of interferences. In the end, the navigation information is available again.

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.