Pistage par filtrage particulaire sur un radar passif

170 Pages·2011·12.93 MB·French

(cid:201)cole Doctorale EDITE
T H ¨ S E
prØsentØe pour l’obtention du dipl(cid:244)me de
Docteur de TØlØcom & Management SudParis
Doctorat conjoint TØlØcom & Management SudParis et UniversitØ Pierre et
Marie Curie
SpØcialitØ
INFORMATIQUE ET T(cid:201)L(cid:201)COMMUNICATIONS
Par
Khalil Jishy
Pistage de cibles manoeuvrantes en radar
passif par (cid:28)ltrage (cid:224) particules gaussiennes
soutenue le 22 mars 2011 devant le jury composØ de :
PrØsident : Monsieur Jean-luc Zarader - ISIR/UPMC
Rapporteurs : Madame Sylvie Marcos - LSS/SUPELEC
: Monsieur Jean-Charles Noyer - LISIC/ULCO
Directeur de thŁse : Monsieur GØrard Salut - LAAS/CNRS
Encadrant : Monsieur FrØdØric Lehmann - TØlØcom SudParis
Examinateur : Monsieur Fran(cid:231)ois Gosselin - THALES Air Systems
InvitØs : Monsieur Jacques Blanc-Talon - DGA/DS/QIS
: Monsieur Anis Ziadi - DSi
ThŁse n(cid:6)2011TELE0010

Remerciements
Je remercie M. GØrard Salut de m’avoir soumis ce sujet de thŁse. Merci (cid:224) l’encadrant de
ma thŁse M. FrØdØric Lehmann, enseignant-chercheur (cid:224) Telecom SudParis pour la con(cid:28)ance, la
disponibilitØ, la patience et la gØnØrositØ qu’il m’a montrØs durant ma thŁse.
Merci au Centre National de Recherche Scienti(cid:28)que (CNRS) d’avoir (cid:28)nancØ cette thŁse et (cid:224)
ThalŁs Air Systems d’avoir soutenu ces travaux.
Merci au dØpartement de Communications, Images et Traitement de l’Information (CITI) (cid:224)
Telecom SudParis pour m’avoir fourni d’excellentes conditions de travail.
Merci (cid:224) M. Jean-Luc Zarader d’avoir acceptØ d’Œtre le prØsident de jury. Merci aux rappor-
teurs, M. Jean-Charles Noyer et Mme Sylvie Marcos.
J’aimerais par ailleurs souligner l’importance de la contribution de M. Michel Morruzis et M.
Fran(cid:231)ois Gosselin, Experts Amont Radar au dØpartement Surface Radar (cid:224) Thales Air Systems,
Limours. Leurs conseils et leurs commentaires m’ont ØtØ fort utiles.
Je remercie (cid:224) Mlle Nagham Doghman de m’avoir supportØ et soutenu pendant les moments
di(cid:30)ciles tout le long de cette thŁse.
Ce mØmoire n’aurait pas vu le jour sans la priŁre de Mme Inaam Jishy ma mŁre et l’encou-
ragement de M. Hassan Jishy mon pŁre, que je veux vivement remercier.

Table des matiŁres
1 Introduction 1
2 Principe du Radar Passif 3
2.1 Principe et Fonctionnement d’un Radar Passif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Avantages et InconvØnients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Con(cid:28)guration gØomØtrique d’un PBR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3.1 Mesure ØlØmentaire de la distance bistatique . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3.2 Mesure ØlØmentaire du dØcalage Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Equation Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 Notion de Rapport Signal sur Bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5.1 DØ(cid:28)nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5.2 Ovales de Cassini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 Surface Øquivalente radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7 RØception Passive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.7.1 Propagation des Signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.7.2 ModŁle de RØception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.7.3 InterfØrence du signal direct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7.4 Fouillis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7.5 Annulation des perturbations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.8 CorrØlation - Fonction d’ambigu(cid:239)tØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.8.1 Le bruit aprŁs la corrØlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.9 ThØorie de la dØtection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.9.1 dØtection radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.9.2 principe TFAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.10 Radar Multistatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.10.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.10.2 Localisation d’une cible (cid:224) partir d’un Radar Multistatique . . . . . . . . . 18
3 Estimation d’Øtat 19
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Processus Markovien et modŁle d’Øtat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 (cid:201)quations du (cid:28)ltrage non-linØaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Algorithmes BayØsiens rØcursifs exacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.1 ModŁle de Markov cachØ (HMM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.2 Filtre de Kalman (KF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.5 Algorithmes BayØsiens rØcursifs sous-optimaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5.1 Filtre de Kalman Øtendu (EKF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5.2 Filtre de Kalman sans parfum (UKF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5.3 Filtre (cid:224) somme de gaussiennes (GSF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.6 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
iv Table des matiŁres
4 MØthodes de Monte-Carlo pour le (cid:28)ltrage bayØsien 33
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Mise en oeuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3 IntØgration de Monte-Carlo (MC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3.1 (cid:201)chantillonnage d’importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4 (cid:201)chantillonnage d’importance sØquentiel (SIS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4.1 DØgØnØrescence de l’algorithme SIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.5 RØ-Øchantillonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.6 Filtrage Particulaire GØnØrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.7 Choix de la densitØ d’importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.8 Versions du Filtrage Particulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.8.1 Filtre particulaire SIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.8.2 Filtre Particulaire Rao-BlackwellisØ (RBPF) . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.9 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5 ModØlisation 49
5.1 ModŁle de trajectoire de la cible. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 Estimation pour des modŁles cinØtiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2.1 ModŁle cinØmatique du second ordre : accØlØration alØatoire . . . . . . . . 52
5.2.2 ModŁle cinØmatique du troisiŁme ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3 Sources d’opportunitØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3.1 Radio FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3.2 Digital Video Broadcasting - Terrestrial (DVB-T) . . . . . . . . . . . . . . 58
6 Approche conventionnelle 61
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 HypothŁses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.3 ImplØmentation Pratique de la mØthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.3.1 Batterie de Filtres AdaptØs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3.2 Seuillage et DØtection des pistes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.3.3 Association de DonnØes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3.4 Poursuite d’une cible par un Filtre de Kalman Øtendu . . . . . . . . . . . 66
7 Poursuite d’une cible par (cid:28)ltrage particulaire 69
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2 ImplØmentation pratique de la mØthode proposØe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.2.1 Choix des observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.2.2 (cid:201)quation d’Øtat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.3 (cid:201)quation de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.4 Correction de l’instant d’observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.2.5 Algorithme Particulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.3 Application NumØrique en mode poursuite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.3.1 Poursuite par (cid:28)ltrage particulaire pour un signal FM . . . . . . . . . . . . 75
7.3.2 Poursuite par (cid:28)ltrage particulaire pour un signal DVB-T . . . . . . . . . . 78
7.3.3 Comparaison entre la poursuite utilisant le signal FM et le signal DVB-T
- conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.4 Initialisation du (cid:28)ltre de poursuite - Phase de dØtection . . . . . . . . . . . . . . 81
7.4.1 Principe de dØtection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Table des matiŁres v
7.4.2 DØtection/poursuite des cibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.4.3 Comparaison avec la technique classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.5 Conclusion GØnØrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8 Nouvelle approche de dØtection sur un Radar Passif 93
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8.2 HypothŁses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.3 Choix des observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.4 ModŁle dynamique d’Øtat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
8.4.1 Grille retard/Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
8.5 (cid:201)quation d’observation locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
8.6 (cid:201)quations gØnØrales du (cid:28)ltrage non-linØaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
8.6.1 Approximations importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.7 ImplØmentation par (cid:28)ltrage (cid:224) somme de gaussiennes . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.7.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.7.2 Equations du (cid:28)ltre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.7.3 Redistribution des gaussiennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.7.4 Initialisation du (cid:28)ltre (cid:224) somme de gaussiennes . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8.8 ImplØmentation par (cid:28)ltrage particulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.8.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.8.2 (cid:201)quations du (cid:28)ltre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8.8.3 Redistribution des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.8.4 Initialisation du (cid:28)ltre particulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8.9 Extraction des modes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.9.1 CritŁre de l’entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.9.2 Seuil de dØtection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.9.3 CritŁre de dØtection pour le GSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.9.4 CritŁre de dØtection pour le FP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.9.5 Association de donnØes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.10 (cid:201)tude de performances du (cid:28)ltre avec un signal carrØ . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.10.1 Cas d’une cible unique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.10.2 Cas de l’absence de cible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.10.3 Cas multi-cible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.11 Annulation Successive d’interfØrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.11.1 Remodulation des cibles dØtectØes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.12 Simulation avec un signal FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.12.1 Comparaison GSF/FP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.13 Conclusion GØnØrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9 Conclusion GØnØrale 143
9.1 Contributions principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
A MØthodes de classi(cid:28)cation 145
A.1 classi(cid:28)cation ad hoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
A.2 Classi(cid:28)cation des particules par la mØthode K-means . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Liste des tableaux
4.1 Pseudo-code du (cid:28)ltrage par SIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Pseudo-code du rØ-Øchantillonnage systØmatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Pseudo-code du (cid:28)ltre particulaire gØnØrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.1 Pseudo-code pour simuler une trajectoire (cid:224) sauts alØatoires d’accØlØration . . . . 51
5.2 ParamŁtres du signal des sources typiques pour le radar passif . . . . . . . . . . . 55
5.3 LesvaleursnumØriquesdeparamŁtresd’OFDMenmodes2ket8kpourdescanaux
de 8MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.4 DurØe utile du symbole pour les di(cid:27)Ørents intervalles gardes pour des canaux de
8MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.1 FrØquences porteuses et lieux gØomØtriques des stations FM . . . . . . . . . . . . 76
7.2 Incertitudes sur la position, la vitesse et la phase de propagation en utilisant le
signal FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.3 Les frØquences porteuses des stations DVB-T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.4 Incertitudes sur la position, la vitesse et la phase de propagation en utilisant le
signal DVB-T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.5 La racine de l’erreur quadratique moyenne de la position et de la vitesse avec FP
et TC en utilisant le signal DVB-T en mode 2k avec un RSB = 40dB avant
−
corrØlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.6 Le temps de simulation sur matlab pour les deux mØthodes FP et TC en utilisant
le signal DVB-T en mode 2k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.1 CaractØristiques de la cible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.2 CaractØristiques de 8 cibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.3 CaractØristiques de 8 cibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.4 CaractØristiques de 3 cibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.5 La racine de l’erreur quadratique moyenne (REQM) sur la distance bistatique et
sur la vitesse avec FP et GSF en utilisant le signal FM avec un RSB = 20dB
−
et RSB = 30dB avant corrØlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
−