Cette thèse, réalisée en partenariat avec Rockwell-Collins France, s'inscrit dans le cadre du développement d'un radar FMCW aéroporté de détection d'obstacles fonctionnant en bande X. Dans cette thèse, nous nous plaçons dans le contexte plus général de détection de cibles présentant un risque de collision avec le porteur radar dans du fouillis de sol. Les performances de détection des cibles d'intérêt diminuent grandement lorsqu'elles se retrouvent dans les zones de fouillis. Le principal objectif de cette thèse réside ainsi dans la conception de traitements en vue d'améliorer les capacités de détection et de reconnaissance de cibles présentant un risque de collision avec le porteur radar dans les zones de fouillis de sol. Dans un premier temps, nous effectuons une revue des traitements adaptés à la détection d'obstacles par un radar aéroporté FMCW: formation de faisceaux conventionnelle, compensation de migration distance, et création d'une cartographie distance-vitesse par double FFT. Dans un second temps, nous utilisons ensuite un traitement d'antennes adaptatif pour séparer en élévation le fouillis de sol et d'éventuels obstacles situés au-dessus du sol pouvant présenter un risque pour le porteur (câbles, pylônes, immeubles, ...). Dans la seconde partie de cette thèse, nous incluons une information supplémentaire sur le signal temporel d'une case distance avec un temps d'intégration plus long~: la variation de fréquence Doppler des cibles. Une cible de collision ou un câble ne changent pas de fréquence tandis qu'un élément au sol aura une variation connue dépendant de la vitesse du porteur et de son angle de vue. Cette information nous a tout d'abord permis de séparer le signal d'un pylône et d'un câble, pour ensuite séparer la cible de collision du fouillis de sol. Enfin, nous effectuons la détection adaptative d'une cible mobile de collision étendue en distance et noyée dans le fouillis de sol. Les algorithmes développés dans cette thèse ont été testés avec succès sur données expérimentales. / This thesis, in collaboration with Rockwell-Collins France, forms part of the development of an X-band FMCW airborne radar designed for obstacles detection and collision avoidance. More precisely, this thesis deals with the problem of detecting targets which exhibit a collision trajectory with the radar carrier, in presence of ground clutter. Target detection performances are highly degraded when the targets of interest fall into ground clutter. The main goal of this thesis is to develop signal processing methods to increase radar detection capacities and recognition for collision targets inside ground clutter. First, we give a brief review of signal processing methods for target detection using an airborne FMCW radar : conventional beamforming, range migration compensation, double-FFTs for Range-Doppler Map visualization. We then derive an adaptive antenna array processing to separate ground clutter and fixed hazardous obstacles above the ground (cables, pylons, buildings, ...) using their difference in elevation angle. In the second part of this thesis, we use a long integration time and include extra information on the time model of a range cell signal : Doppler frequency variation. A collision target does not exhibit Doppler frequency variation, whereas fixed obstacle or ground clutter exhibits a known variation depending on the carrier velocity and the aspect angle. We take advantage of this variation first to separate a cable from a pylon, and then separate collision target from ground clutter. We finally tackle the problem of adaptively detecting a collision mobile spread target in ground clutter region. The proposed algorithms in this thesis have been successively tested on experimental data.

Cette thèse, effectuée au Laboratoire d'Electronique, Antennes et Télécommunications, a pour objectif la conception d'un système de détection en bande millimétrique dans le cadre de deux projets. Le projet INFRADAR en collaboration avec des partenaires industriels (ATE et Opéra Ergonomie) vise à développer un système d'aide au pilotage d'hélicoptère par la réalisation d'un système anticollision capable de détecter des obstacles comme les lignes à hautes tensions ou les pylônes électriques à longue portée. Le projet Sakura en collaboration avec un institut étranger (Electronic Navigation Research Institute, ENRI, of Tokyo) se focalise sur la détection d'objets et de débris sur piste d'aéroport. Le premier chapitre est un état de l'art des radars et antennes millimétriques. L'antenne retenue pour notre application est un réseau réflecteur(reflectarray). Le deuxième chapitre est consacré à l'étude de cellules élémentaires originales qui permettent la conversion de polarisation et la stabilité en fréquence. Le chapitre trois décrit les 3 réseaux réflecteurs développés avec pour objectif l'obtention d'une polarisation circulaire, d'un réseau réflecteur multi-lobes, d'un réseau réflecteur bas bruit. Le chapitre quatre illustre les différentes campagnes de mesures réalisées à Tokyo et Sendaï lors du Projet Sakura. Les résultats sont confrontés à un modèle théorique afin de comprendre les limites du système. Enfin nous discutons dans le chapitre cinq des mesures réalisées à Aix en Provence et Sophia Antipolis dans le cadre du Projet INFRADAR. Le projet commençant à peine, les premiers résultats présentés permettent d'entrevoir le potentiel de notre système pour l'aide au pilotage.

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.

Depuis quelques années on assiste à la prolifération de capteurs (pression, accélération, température) autonomes sans fil qui s'appuient sur la disponibilité d'une part d'éléments sensibles petits et performants et d'autre part sur de nouveaux circuits électroniques de communication à faible coût entre 300MHz et 3GHz. Ces composants répondent à la demande croissante pour des réseaux de capteurs communicants autonomes pour des applications distribuées de surveillance, d'analyse ou encore de diagnostic. Cependant, le développement de ces réseaux de capteurs communicants sans fil a mis en évidence une limitation intrinsèque de l'utilisation de la plupart des cellules de mesures existantes liée à l'autonomie énergétique du système. La majorité des recherches visant à augmenter l'autonomie des capteurs se focalisent d'une part sur la réduction de la consommation des cellules sensibles et des circuits électroniques et d'autre part sur la disponibilité de l'énergie embarquée. Bien que séduisantes, toutes ces solutions potentielles présentent des inconvénients majeurs tels que la complexité des dispositifs à mettre en Suvre, des faibles courants disponibles ou encore une quantité d'énergie stockée peu importante. Dans le cadre de cette thèse, on s'est intéressé au cas particulier des capteurs de pression et on a adopté une toute autre approche. En effet, l'objectif de ce travail consiste à repenser complètement le principe de fonctionnement du capteur en développant un nouveau mode de transduction complètement passif qui ne nécessite pas d'énergie embarquée et qui peut être interrogé à grande distance (plusieurs mètres à quelques dizaines de mètres) par radar. Ce mode baptisé 'transduction électromagnétique' est basé sur la modification de la fréquence de résonance d'une fonction hyperfréquence par la grandeur à mesurer. Cette méthode originale de transduction convertit l'effet d'un gradient de pression en un décalage en fréquence. Dans une première étape, une vali dation théorique, par modélisation électromagnétique, du principe de fonctionnement est présentée. Ensuite, le dimensionnement de la cellule de mesure est réalisé en tenant compte, d'une part de l'aspect électromagnétique lié au circuit résonant, et d'autre part de l'aspect mécanique relatif aux contraintes technologiques pour les structures avec membrane silicium. Par la suite, des simulations électromagnétiques simplifiées ainsi que des simulations tenant compte de la déformation réelle de la membrane ont été réalisées pour valider, par simulation, le décalage en fréquence et ainsi valider le principe de fonctionnement du capteur. L'étape suivante a permis d'identifier les procédés technologiques en salle blanche qui ont permis de réaliser les premiers prototypes du capteur. Une fois les cellules de mesures fabriquées, des mesures RF ont été réalisées et viennent confirmer les résultats de simulations. Ensuite, en utilisant un banc de mesure spécialement dédié à ce type de capteurs, des mesures RF combinées avec des mesures en pression ont été menées pour la caractérisation en pression des prototypes et pour en extraire la sensibilité. Enfin, des perspectives sont ouvertes sur les aspects sans-fil et interrogation Radar du capteur.

L'objectif de cette thèse était de développer un capteur de température passif sans fil à transduction électromagnétique utilisant un couplage électromagnétique - fluide. Le principe de ce type de capteur est basé sur la dilation thermique d'un fluide dans un micro-canal qui modifie les propriétés électromagnétiques d'un dispositif aux fréquences millimétriques. Deux types de capteurs de température qui utilisent la transduction électromagnétique et la micro-fluidique ont été étudiés. Le premier est constitué d'une capacité planaire variable à l'aide d'un fluide diélectrique (eau distillée). La capacité est constituée par des électrodes en cuivre déposées sur un substrat en verre. La variation d'impédance, obtenue lors de la progression du front d'eau dans le micro-canal, permet de modifier l'impédance de charge d'une antenne et module ainsi le niveau de l'écho RADAR. Le second capteur utilise un fluide conducteur (Galinstan) qui court-circuite les deux brins d'une antenne dipôle lorsque le liquide se dilate. La structure utilisée est constituée d'un réseau d'antenne dont les deux brins sont court-circuités progressivement pour des températures différentes. On obtient ainsi une modulation de l'écho RADAR.

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 s ur 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.

Dans le cadre d'un suivi régulier de patients âgés pouvant souffrir de maladie d'Alzheimer, de nombreuses applications, dont leur localisation, s'avèrent utiles. Un système de localisation compact dédié à un environnement en intérieure est nécessaire. Cette thèse est dédiée à la réalisation d'un système de localisation pouvant répondre à cette attente. Le système développé (Indoor Localisation System, ILS) permet la localisation en trois dimensions d'un badge actif (Active Tag, AT) relativement à une ancre unique (Localisation Base Station, LBS). Le système utilise le principe de radar monopulse multistatique FMCW(Frequency Modulation Continuos Wave) et exploite la bande de fréquence Européenne ULB (6-8.5 GHz). La méthode employée pour l'ILS est une méthode goniométrique se basant sur la mesure conjointe de la différence de fréquence d'arrivée (FDoA) et la différence de phase d'arrivée (PDoA) pour l'estimation de la distance radiale et des angles de direction (azimut et élévation) de l'AT relativement au plan formé par l'ILS. Afin de valider ce système, un prototype d'ILS a été réalisé à Télécom ParisTech.L'objectif de cette thèse est d'obtenir un système de localisation compact permettant de localiser un badge actif avec une précision submétrique dédié pour les environnements en intérieurs exposés aux problèmes de multi-trajets. / Regular and accurate position monitoring of elderly suffering from dementia related problems (Alzheimer) may be required. To assist their monitoring a compact and a less complex indoor localization system is compulsary. This thesis is dedicated to design a Line-of-Sight (LoS) system to allow the indoor localization. The thesis aims to develop an Indoor Localization System (ILS) for three-dimension position estimates with respect to single Localization Base Station as an anchor. The designed ILS uses an Active-Tag (AT) as remote targel. The system uses the monopulse multistatic FMCW radar principle and covers the European UWB (6-8.5 GHz) frequency band. The designed ILS is based on the frequency-difference of arrival (FDoA) and the phase-difference-of-arrival (POoA) techniques for the radial-distance and the angles (azimuth and elevation) estimates. In order to validate this system, a prototype of the ILS is designed at Telecom ParisTech, France.The objective of the designed ILS is to have a localization system with an accuracy in few centimeters in Line-of-Sight condition. The system is designed to need a single anchor, and simultaneously addressing the indoor challenges such as multipaths, strong signal attenuations, reflections, etc.

In this thesis, methods for radar-based environment perception from the vehicle safety point of view are presented. The proposed methods comprise advanced topics of radar-based target detection and tracking in dynamic pre-crash scenarios, as well as ghost object identification. The problem of a wandering dominant scatter point on the target surface and corresponding challenge for accurate target tracking in low-range configurations is considered. The proposed method presents a procedure to estimate target wheel positions and corresponding bulk velocities to serve as fixed scatter points on the target surface. Input to this method are raw radar data. The technique spatially resolves the micro-Doppler signals, generated by the rotating wheels of the target vehicle, to determine characteristic scatter points on the target surface. A micro-Doppler parameter is defined to quantify detections that are with high probability generated by the rotating target wheels. This group of detections is processed to estimate the wheel position and corresponding bulk velocities of the target, referred to as wheel hypotheses. The proposed method is evaluated in dynamic driving scenarios, where the driver performs an emergency evading action to avoid a collision. Subsequently, the detected wheel hypotheses serve as input to a developed tracking framework, which is used to estimate the target object static and dynamic states. Since the number of detected wheel hypotheses varies, a random-finite-set-based measurement model is used to incorporate multiple wheel hypotheses detected for one extended target object. The tracking performance is evaluated in critical evading scenarios using real vehicles as the target object. In addition, the thesis emphasized the problem of ghost object generation due to multipath propagation in pre-crash scenarios. Radar sensors, perceiving the immediate vehicle environment, show an elevated ghost object presence due to a higher probability illuminating potential reflection surfaces, e.g., road boundaries or buildings. At times, these ghost objects appear to be on a collision trajectory with the ego vehicle, whereas the vehicles are in uncritical driving scenarios, e.g., an urban intersection. In real-world driving scenarios, one target object may generate multiple false-positive targets. Based on the propagation and reflection behavior of electromagnetic waves, a geometric multipath model is derived, illustrating the occurring multipath reflections on real-world surfaces, e.g., buildings or road-bounding barriers. The proposed geometric propagation model describes the relative positions of the false-positive reflections and is validated with extensive real radar data. A custom reflector target mounted on a platform, creating deterministic point targets as dominant backscatter centers of a vehicle body, validated the different multipath reflections and the overall accuracy of the model. Moreover, radar measurements of a vehicle during an intersection scenario proved relevance to multipath reflection behavior and confirmed the model assumptions. Third, the relevance of skid scenarios with high magnitudes of side slip angles in pre-crash phases is highlighted. A novel test methodology, to non-destructively transfer vehicles with mounted surround sensors in skid situations, is developed and a survey analyzing a state-of-the-art radar sensor revealed the potential to improve object tracking performance. A test vehicle, equipped with a state-of-the-art automotive radar sensor and a reference sensor, was tested in real skid situations using a kick plate and a standardized radar target. The test method utilizes the side slip angle as a criticality criterion, which may be adjusted by the kick plate. Subsequently, a novel, modified motion model is derived, estimating side slip angles in these skid driving situations. The contribution emphasizes the estimation of horizontal vehicle motion using the proposed model considering an additional lateral force applied to the vehicle rear axle. Based on these results, an Extended-Kalman filter is designed to estimate the target object relative position and velocity in skid scenarios. The evaluation includes both the tracking and side slip angle estimations in real car tests using the above-mentioned test method.

La gestion et la maitrise du trafic autoroutier prend une importance particulière depuis cette dernière décennie de par l'augmentation constante du nombre de véhicules sur les routes. A cet égard, l'utilisation du télépéage est un moyen de fluidifier le trafic automobile aux abords des accès autoroutiers : les véhicules sont identifiés lorsque le badge à bord des véhicules est détecté par la balise de télépéage. L'objectif de l'étude présentée dans ce mémoire est l'ajout d'une fonction d'imagerie à un système de télépéage pour contrôler la nature du véhicule. La balise de télépéage émet un signal à ondes continues pour la détection du badge de l'usager. La cible (le véhicule), en passant sous la balise, crée le mouvement nécessaire à une synthèse d'ouverture. En effet, l'imagerie radar par synthèse d'ouverture permet l'obtention d'une image radar haute résolution. Dans l'axe distance (axe de propagation de l'onde émise), cette résolution peut être obtenue avec un signal impulsionnel et/ou modulé. La résolution dans l'axe azimut (sens de déplacement du radar ou de la cible) est atteinte grâce au mouvement relatif entre le radar et la cible.