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Identification Des Cibles Aeriennes Par Un Classifieur Neuronal

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Text of Identification Des Cibles Aeriennes Par Un Classifieur Neuronal

DJABER Mahfoud

IDENTIFICATION DE CIBLES ARIENNES PAR UN CLASSIFIEUR NEURONAL

SommaireIntroduction gnrale...........................................................................................................01 CHAPITRE I : INTRODUCTION AU RADARIntroduction...03 1- gnralit sur les radar03 1.1- dfinition du radar..03 1.2- principe du radar....03 2- composition dun radar.....04 3- les frquences radar..06 4- caractristiques dun systme radar..07 4.1- type de radar ...07 4.2- modes dmission du radar..07 5- leffet doppler...07 6- quation radar...08 7- la surface quivalent radar....09 8- notation sur les performances des radars..10 8.1- la porte...10 8.2- localisation en ongle ...10 8.3- localisation en distance ...11 9le bruit ..11 9.1- le bruit thermique.12 9.2- le bruit extrieurs (clutter)...12 9.3- aspect probabilistique de signal radar.12 10- application radar ....13 Conclusion.13

CHAPITRE II : LE RADAR OUVERTURE SYNTHETIQUE INVERSE (ISAR)Introduction ..14 1- Identification des cibles au moyen des systmes IFF...14 1.1- Principe de fonctionnement..14 1.2- Caractristiques des antennes...15 - Le faisceau dinterrogation...15 - Le faisceau de contrle..15 1.3 - Signal dinterrogation.16 1.4- Signal de rponse.....18

1.5- Les inconvnients de system (IFF).18 2- Reconnaissance des cibles non coopratives20 2.1-dfinition .20 2.2- Techniques de reconnaissance des cibles non coopratives .20 2.2.1- Radar Haute Rsolution..20 2.2.2- Limage 2D-ISAR22 2.3- Comparaison des techniques de reconnaissance de cibles non coopratives 23 3- principes de fonctionnement des radars imageurs SAR et ISAR.23 3.1- Principe de fonctionnement des radars SAR24 3.1.1- Avantages du radar SAR et ses applications.24 3.1.2- Rsolution du radar SAR25 3.2- la radar a ouverture synthtique inverse (ISAR)29 3.2.1- Principe de fonctionnement du radar ISAR.30 3.2.2- Recouvrement de donnes ISAR..31 3.2.3- Rsolution de l'ISAR.33 4- Les oprations de pr-traitement effectues sur les images ISAR34 4.1- technique d'extraction des caractristiques.34 4.1.1- Extraction de contour 34 4.2- Technique de rduction de la taille de donne36 4.3- transforme de radon (TR) 38 4.4- technique de slection des caractristique 39 4.4.1- l'analyse en composantes principales (ACP)40 Conclusion 42

CHAPITRE III : Classification par rseaux de neuronesIntroduction .....43 1- mthode de classification..43 2- prsentation des rseaux de neurones.44 2.1- dfinition .44 2.2- transition du neurone biologique au neurone formel45 2.3- le principe et les tapes de constriction dun rseau de neurones.46 2.4- rseaux de neurones formels.47 3- Diffrents type de fonction dactivation 49 4- lapprentissage..50 4.1- lapprentissage supervis50

4.2- lapprentissage non supervis51 4.3- techniques dapprentissages51 5- Architecture51 5.1- les rseaux non rcurrents.....51 5.2- les rseaux rcurrents.52 6- le perceptron multicouches53 7- Algorithme de rtropropagation .54 7.1- modification des poids de la couche de sortie..54 7.2- mise jour des poids des couches caches.55 7.3- lissage de la classification 57 8- rseau de neurones pour la classification 58 8.1- classification et approximation des fonctions58 8.2- classification neuronale et non neuronale..59 9- les avantages et les inconvnients du rseau de neurones59 9.1- les avantages du RN59 9.2- les inconvnients du TN..60 Conclusion..61

CHAPITRE VI : Mise en uvre dun Classifieur NeuronalIntroduction62 1- Dmarche gnrale ..62 2- Prtraitement et compression.64 2.1- Donnes brutes 64 2.2- Application de la transforme de radon aux images 64 2.3- slection des caractristiques.67 3- Base de donnes de notre travail..67 4-Conception et mise en oeuvre par MATLAB ..69 4.1-Conditionnement des entres69 4.2- Architecture du rseau et apprentissage.69 Etude en fonction du nombre de couches caches.70 Etude en fonction du nombre de neurones dans la couche cache70 Etude en fonction du pas dapprentissage......................................................71 Etude en fonction du nombre ditrations.71 Etude en fonction du nombre ditrations72 5- Interface graphique..72 Conclusion..76

Conclusion gnrale....77

Liste des figuresFig.1.1: Schma synoptique dun radar moderne04 Fig.1.2 : Localisation en distance..11 Fig 1.3: Rsolution en distance11 Fig.2.1: Schma synoptique gnral15 Fig.2.2: Les signaux dantennes.16 Fig.2.3: Dfinition des modes militaires..18 Fig. 2.4: Profil en porte d'un avion vu du ct gauche21 Fig.2.5: image 2D ISAR.22 Fig.2.6 :gomtrie du radar SAR.24 Fig.2.7: Le SAR embarqu sur plate forme dplaant une vitesse constante v26 Fig.2.7: Situation des donnes avant et aprs focalisation27 Fig.2.8: Principe de focalisation du radar SAR27 Fig.2.10: Schma comparatif entre la rsolution de trois types de radar28 Fig.2.11:Gomtrie du l'ISAR.29 Fig.2.12 : Equivalence SAR/ISAR.30 Fig.2.13: deux points rflecteurs dune cible pour le cas de limagerie ISAR..30 Fig.2.14: Spectres dun point rflecteur deux instants diffrents.31 Fig.2.15:reprsentation de la forme d'onde de M- bus et N- impulsions32 Fig.2.16: montre l'application de plusieurs techniques d'extraction de contours sur une image 2D-ISAR.35 Fig2.17: les diffrent niveau de la transforme en endelette appliqus a un mig-2537 Fig.2.18: Les diffrents niveaux de la transforme en ondelette appliqus un bateau.37 Fig.2.19: Limage f ( x, y ) projete sur l'axe x qui Est orient selon un ongle Par apport l'axe x38 Fig.2.20: La transforme de radon sur une image ISAR39 Fig.2.21: Rsultat aprs lapplication de lACP sur une image ISAR42 Fig.3.1: diagramme d'un systme de classification.44 Fig. 3.2 : Neurone biologique..45 Fig.3.3 : Neurone artificiel45 Fig.3.4: architecture d'un perceptron multicouches.46 Fig.3.5: neurone formel..48

Fig.3.6: Rseaux non rcurrents52 Fig.3.7 : Les rseaux de neurones rcurrents52 Fig.3.8 : rseau MLP.53 Fig.4.1 : Dmarche gnrale de lapproche propose63 Fig.4.2: Organigramme de notre dmarche de travail.64 Fig.4.3 : Image ISAR dun MIG 2565 Fig.4.4 : Squence dimages ISAR dun MIG25 a des instants successifs. 65 Fig.4.5 : Image ISAR du MIG25 a 0 et 45 et leur transforme de Radon. 66 Fig.4.6 : Application de la transformation Radon et SVD sur limage ISAR MIG2567 Fig.4.7 : Images brutes des avions utiliss pour la base de rfrence68 Fig.4.8 : tude en fonction de nombre de couches caches..70 Fig.4.9 : tude en fonction de nombre de neurones.70 Fig.4.10 : tude en fonction de pas dapprentissage.71 Fig.4.11: tude en fonction de momentum.72 Fig.4.12: tude en fonction de nombre ditration.72 Fig.4.13 : Forme principale.73 Fig.4.14 : Forme Architecture rseau ..73 Fig.4.15 : Forme de progression de lacquisition.74 Fig.4.16: Forme de la cible identifie.74 Fig.4.17 :forme choix avion.75 Fig.4.18 : forme a propos75

Liste des tableauxTab.1-1 : les frquences radar06 Tab.2-1 : Modes civils17 Tab.2-2 : Modes militaires17 TAB.2-3 :Comparaison des techniques de classification..23 Tab.3-1 : Elments de ressemblance entre le neurone biologique et le neurone formel.46 Tab.3-1: Diffrents types de fonction dactivation..49

DdicacesJe ddie ce travail : Ma chre mre, pour ses sacrifices depuis quelle ma mis au monde Mon pre, qui ma toujours soutenu et aid affronter les difficults Toute la famille:khadra, nakhla,said,hafidha,nadjat et hayat Mon binme et frre hassen ainsi que toute sa famille, A mes amis : rachid, aissa,dahman,chibout,abdo,saleh, brahim,taytah, amin,mourad et Benatala,smaile somia,maria , noura, messouda, zinab. Toute la promotion 2008.Djaber

Introduction gnrale :La surveillance arienne est lune des proccupations majeures de la dfense militaire. Depuis les deux dernires guerres mondiales, beaucoup defforts ont t dploys pour lidentification des cibles. Les premiers systmes dvelopps pour examiner lidentit dune cible arienne sont les systmes IFF (Identification Friend-Foe). LIFF est base sur une boucle de questions/rponses. En rponse une interrogation code, le code didentification de la cible est transmis la station de surveillance, la cible est dite cooprative. Toutefois, lIFF prsente beaucoup dinconvnients qui peuvent fausser lidentification de la cible et conduire une dcision prilleuse. Pour pallier aux problmes poss par lutilisation de lIFF, les recherches se sont orientes de plus en plus vers la reconnaissance de la cible sans sa participation active. A partir du moment ou la gomtrie de la cible et ses parties en rotation imposent une certaine rponse vis--vis des ondes lectromagntiques, la signature radar est largement utilise pour la reconnaissance des cibles non coopratives. Plusieurs types de signatures radar peuvent tre utiliss. La signature radar de la cible est fonction de sa surface "vue" par le radar appele surface quivalente radar (SER). La difficult premire de la reconnaissance des cibles radar est que laSER est fortement dpendante de la frquence utilise et de langle de vise du radar. Pour

rsoudre ce problme, il est essentiel dobtenir des caractristiques efficaces et robustes partir de la SER de la cible, par consquent, les frquences de rsonances, les profils en porte(HRR) et les images radar ouverture synthtique inverse (ISAR) ont t utiliss cette fin.

Dans ce mmoire, nous avons essay dutiliser un classifieur neuronal pour identifier un cible inconnu a partir de son image ISAR. Lide de base est de ne slectionner que linformation pertinente (intressante) par rapport ce but. Ceci permet alors daboutir une base de donnes de rfrence de taille raisonnable et acclrer les diffrents calculs. Cette slection se fait en off-line et naffecte en rien la dure ncessaire la prise de dcision concernant une cible nouvellement dtecte. La premire tape de lapproche est un prtraitement qui permet de rduire la taille des donnes (ACP) et dextraire les caractristiques indpendamment de langle dorientation (transform Radon). Ensuite, la base de donne sera utilise par Matlab pour faire lapprentissage dun rseau de neurones, afin de reconnatre automatiquement une cible

inconnue. Ultrieurement, le classifieur neuronal sera exporter vers une application, de Type C++, qui se charge de faire lidentification automatique. La manuscrit qui reprsente notre travail sera organiser de la manire suivant : Le premier chapitre a t rserv a une introduction gnrale sur le radar. Nous allons parle des principes de fonctionnement dun systme radar, la composition dun radar, et les quations radar. Nous allons aussi prsente dans ce chapitre leffet doppler et les applications des radars. Dans le deuxime chapitre, nous allons prsenter la technique didentification des cibles (IFF), ses avantages et ses inconvnients. Pour rduire la probabilit de fratricide caus par un des inconvnients de lIFF nous allons prsenter le systme didentification des cibles non cooprative base sur la classification des images des cibles de type ISAR. Les tapes de prtraitements des images ISAR (extraction des caractristiques, rduction de la taille des donnes, slection des caractristiques), sont aussi exposes dans ce chapitre. Le troisime chapitre a pour but de prsenter la mthode de classification par une approche neuronale base sur lalgorithme de rtro-propagation. Le fondement mathmatique de lalgorithme a t prsent, ainsi que son application en classification. Puis nous citons les diffrents facteurs qui influent sur la classification neuronale, la fin de ce chapitre nous donnons la procdure dtablissement dun classifieur base de rseau de neurones. Le quatrime chapitre est consacr aux rsultats dapplication, sur des images ISAR. Nous prsentons les rsultats de lapplication de la transformation de radon et de lACP. Ensuite, nous parlons de la conception de notre rseau de neurones et la mise en uvre de ce dernier. Le dernier parti, est la prsentation de la ralisation finale de lexportation du rseau, ainsi que linterface utilisateur de notre application C++. Nous terminons ce mmoire par une conclusion gnrale.

CHAPITRE I :

Gnralits sur les radars

1- gnralit sur les radar 2- composition dun radar 3- les frquences radar 4- caractristiques dun systme radar 5- leffet doppler 6- quation radar 7- la surface quivalent radar 8- notation sur les performances des radars 9- le bruit 10- application radar

Introduction:Ce chapitre a t labor dans le but d'tayer le principe de fonctionnement du systme radar. Le terme radar est li son mot dorigine, qui est RADIO DETECTION AND RANGING , le principe est la dtermination de la prsence et la localisation dun objet en utilisant les chos des ondes radio. Le dveloppement du radar, est due en premier lieu, a la rvlation technologique qui a pris place en XX sicles et surtout, durant la deuxime guerre mondiale, o il a connu un progrs considrable. Dans ce premier chapitre nous allons parler sur le principe et la composition d'un systme radar. Ensuite, nous essayons d'exposer les caractristiques d'un tel systme et aussi prsent l'effet doppler, ainsi que les quations radar, le bruit, notion sur performances des radar et les applications du radar.

1. Gnralits sur le radar :1.1- Dfinition du radar : RADAR est une abrviation de RADIO DETECTION AND RANGING. 9 Radio : le radar utilise des ondes radio lectriques. 9 Dtection : le rle essentiel de radar est la dtection, c'est--dire la rvlation de la prsence dune cible. 9 Ranging : indique les paramtres qui caractrisent la cible. C'est un systme qui utilise les ondes lectromagntiques fin de dtecter l'existence de cible, leur position, leurs vitesses et ventuellement d'identifier leurs caractristiques. 1.2. Principe du radar : Lmetteur diffuse au moyen dune antenne, un faisceau dondes lectromagntiques, la plus grande partie de l'nergie dlivrer par le radar est transmise dans la direction du lobe principale de l'antenne. Cette nergie se propage dans l'aire une vitesse proche de la vitesse de la lumire c. La rflexion se fait dans plusieurs directions suivant la forme de l'objet, le seul cho intercept par le radar est celui rflchi dans la direction de son rcepteur. Lantenne capte le signal cho, ce signal va donc indiquer la prsence de la cible [1]. De plus, le radar peut recevoir une partie de l'nergie rflchie par le sol, la mer ou les nuages. Ces signaux interfrant, appels clutters, peuvent nuire la dtection des cibles. A la rception, l'nergie reue des diffrents chos est amplifie et filtre. Malheureusement, le rcepteur rajoute des bruits alatoires au signal reu. Pour extraire le signal utile des

interfrences, des traitements sont effectus, le signal rsultant est compar un certain niveau de rfrence appel le seuil de dtection. Ce seuil doit tre soigneusement choisi de manire avoir un minimum probabilit de fausse alarme [2]. La distance entre le radar et la cible est calcule a partir du temps ncessaire a l'onde pour parcourir le trajet aller retour entre le radar et la cible. Cette distance est proportionnelle cette dure et vaut: t1 + t 2 = 2R c

(1.1)

Ou c est la vitesse de la lumire et R la distance radar cible [3].

2- Compositions dun radar :

Le fonctionnement du radar correspond au schma donn la figure (1.1) : Antenne SerovM i

Duplexeur

metteur

pilote

Rcepteur

Traitement du Signal

Traitement de

linformation

Interface Homme/ Machine

Fig.1.1: Schma synoptique dun radar moderne. Lantenne : le radar est dot dune antenne directive, permet de dtecter et de

localiser une cible. Ses caractristiques dpendent essentiellement de lapplication, et en particulier de la place disponible. On recherche gnralement obtenir des faisceaux troits pour mieux localiser la cible. Le duplexeur : cet lment hyperfrquence autorise lutilisation de la mme antenne lmission et la rception. Son rle est daiguiller lnergie mise de lmetteur vers lantenne et le signal reu de lantenne vers le rcepteur, il doit offrir une isolation parfaite entre les deux tages metteur et rcepteur, car le premier gre des puissances

de lordre du mgawatts, alors que le second se caractrise par une sensibilit de quelques nano watts, voire des pico watts. Lmetteur : Lmetteur est le gnrateur de londe radiolectrique mise par le radar. Le pilote : cest un sous-ensemble qui gnre lensemble des signaux des rfrences ncessaires au fonctionnement du radar cest-dire : - Loscillateur local (OL) utilis par la rception super htro type du radar. - Londe FI (frquence intermdiaire) qui servira dmoduler le signal aprs rception. - Londe dmission : est obtenu par battement (transposition) de londe OL et de londe FI. - Les horloges de base du radar. Le rcepteur : Le rcepteur radar est du type htrodyne (avec changement de frquence) avec en plus souvent un tage amplificateur hyperfrquence (faible bruit) En tte. Aprs changement de frquence, la frquence du signal devient alors FI+ FD, o FD est la frquence doppler du signal. Le recepteur, qui doit tre linaire dans toute,la dynamique de rception, amplifie le signal recu pour permettre un traitement ultrieure, sa sensibilit est de lordre de 10-14 W. Traitement du signal : Les signaux fournis par le rcepteur sont composs de signaux utiles (chos de cible) mlangs des signaux parasites. Le rle du traitement de signal est : - Dtecter les cibles utiles, cest dire de dcider si le mlange rsultant contient ou non des cibles utiles - Mesurer les paramtres de ces cibles (distance, vitesse doppler, carts angulaires etc.). Systme de traitement de linformation: Ce systme manipule les donnes partir des informations brutes fournies par le systme de traitement du signal. Le Servomcanisme: partir des informations fournis par le calculateur, le servomcanisme commande la position de lantenne. Linterface Homme/ Machine: Linterface Homme/Machine est un lment qui permet de commander le fonctionnement du radar dune part, et dexploiter les informations dautre part. Lexploitation de ces informations se fait gnralement sur oscilloscope cathodique sur lequel sont inscrites des informations (soit des informations brutes ou des informations synthtises).

La synchronisation entre lmission et la rception est ncessaire pour le calcul des distances. La vitesse des cibles est dtermine grce leffet doppler. Il se manifeste par un dcalage en frquence du signal reu par rapport au signal mis proportionnel la vitesse radiale de la cible (si le radar est fixe):

fd =

2Vr . f c

(1.2)

Cette relation permet de dduire la vitesse radiale Vr dune cible radar en fonction de la frquence porteuse f , La vitesse de propagation c et de dcalage en frquence f d .

3- Frquences radar :La dsignation de la bande de frquence radar est spcifie par un accord international. La table 1.1 illustre l'allocation de chaque bande de frquence avec leurs symboles correspondants.

Dsignation de la bande HF VHF UHF L S C X Ku K Ka

Plage des frquences 3-30 MHZ 30-300 MHZ 300-1000 MHZ 1-2 GHZ 2-4 GHZ 4-8 GHZ 8-12 GHZ 12-18 GHZ 18-27 GHZ 27-40 GHZ

Tab.1.1 : Frquences radar.

4- Caractristiques du systme radar :4.1- Types de radar Les radars peuvent tre classs suivant plusieurs caractristiques (mission de radar, relation entre l'antenne mettrice et l'antenne rceptrice, la bande de frquence utilise,..etc). Cependant la classification la plus commune est base sur le mode de transmission du signal. Deux grandes familles sont distingues : Les radars impulsion. Les radars ondes continues. Le radar a impulsions illumine la cible en mettant de courtes impulsions suivant une frquence de rptition (PRF). Le radar a ondes continues met un signal de faon continue. 4.2- Modes d'mission du radar: Il existe trois modes principaux modes d'mission: Mode en onde continue : la forme la plus simple d'un signal a onde continue est la forme sinusodale, il est principalement utilis pour la mesure de la vitesse et la poursuite de cible. Mode a impulsion : il travaille sur le principe de l'mission de courtes impulsions d'nergie. si le rapport auquel les impulsions mises est petit, alors les premires mesures faites sont celles de la porte et la position angulaire, sinon ce sont des mesures formes d'ondes doppler (mesures de vitesse). Mode pulse-doppler : c'est un type spcial de signaux, il peut atteindre une bonne rsolution en porte des signaux mise a impulsions et une grande capacit de discrimination en frquence des signaux a ondes continues.

5- Leffet Doppler :Lorsquune cible, claire par un metteur radar et lorsquelle est mobile par rapport ce dernier, soit parce quelle se dplace, soit parce que le radar se dplace, londe quelle renvoie vers celui-ci est affecte deffet Doppler. Ceci peut tre utilis pour mesurer la vitesse relative radar cible, o pour caractriser celle-ci, si elle se dplace par rapport son environnement. Considrons une antenne radar qui met une onde de frquence fe que nous supposerons pour le moment rigoureusement constant. Sil y a une cible une distance D0, celle ci renvoie un cho qui donne la sortie du rcepteur du radar un signal de la forme :S 0 = cos( 2 . f e .t 2

.2 D0 )

(1-3)

Le terme correspond au dphasage d a la propagation le long du trajet aller retour.

4 .D0

Au bout dun temps t1, la cible se trouve une distance D1 et le signal reu aura la forme suivante :2 S1 (t ) = cos 2 . f e .t .2 D1

(1.4)

V est la vitesse radiale de la cible (V sera positive si la cible se rapproche, ngative si elle sloigne), nous aurons : D0-D1=V.t1 On voit que S1(t) et S0(t) sont dphass, lun par rapport lautre dune quantit :2 2

(1.5)

1 =

2( D0 D1 ) =

2.V .t1

(1.6)

Mais la variation de la phase 1 correspond une variation de frquence Avec = .t 1 , soit une variation de frquence fd :

angulaire

1 = 2 . f d .t1Do la frquence doppler sera de la forme : f f+

(1-7)

Cible ce rapproche Cible sloigne

6- Equation du radar :Considrons un radar, qui peut fonctionner en impulsions ou en ondes continues. Ce radar est quip dune antenne qui prsente un gain G. Soit P la puissance totale rayonne par lantenne : P sera la puissance crte dans limpulsion ou la puissance de londe continue. La puissance rayonne par unit dangle solide dans la direction o le gain est G, daprs la dfinition du gain :

P1 =

P .G 4P.G 4 .R 2

(1-8)

A une distance R o se trouve une cible, cette puissance exprime en W/m2 est :P2 =

(1-9)

Puisque langle solide unit dcoupe sur une sphre de rayon une surface R2.

Une partie de cette puissance incidente est rayonne par la cible dans toutes les directions. Cependant si la cible tait ponctuelle, elle renverrait dans lespace une certaine puissance P3, qui est proportionnelle P2, soit : P3 = .P2 .

: est appel la surface quivalente radar ( SER ) de la cible par unit dangle solide, nousaurons donc une puissance :

P4 =

P3 .P2 P.G. = = 4 4 (4 .R) 2

(1.10)

Cette puissance P4 donne au niveau de lantenne du radar une densit surfacique de puissance:

P4 =Pour la mme raison que ci-dessus.

P.G. 1 . ( 4 .R ) 2 R 2

W /m2

(1.11)

Cependant le gain G de lantenne est li sa surface quivalente de rception (eq ) Par relation :G= 4 . eq

2

(1.12)

De telle sorte que lantenne se comporte, pour une onde plane comme une ouverture absorbante de surface :

2 .G eq = 4

(1.13)

Il sensuit que le signal S dlivr par lantenne est le produit de la densit de puissance P4 par eq , ce qui donne : S= P.G. 2 .G . 4 4 (1.14)

Soit:

S=

P.G 2 .2 . (4 ) 3 R 4

(1.15)

7- La surface quivalent radar :La connaissance de la SER de la cible, est trs difficile prvoir priori avec exactitude compte tenu de lextrme sensibilit de cette valeur aux diffrents paramtres prendre en compte. Elle est gnralement obtenue par des mesures.

La SER dune cible est dfinie comme le rapport entre la puissance rflchie de la source [5]. la puissance incidente.

= 4

puissance rflichie / unit d ' engle solide puissance incidente / unit de surface

(1.16)

Cette quation est valable juste pour les cibles qui rayonnent de faon isotropique et dans la direction de lmetteur. Seule la puissance rflchie vers lmetteur participe dans la valeur de la SER. Donc la SER est forme par trois paramtres principaux: la surface de la cible, la Rflexivit et le gain de la cible dans la direction de lmetteur:

= Ac .c .GcO :9 Ac : La surface de la cible vue dans la direction de lmetteur. 9 c : La rflexivit de la cible : puissance rflechie c = puissance incidente

(1-17)

9 Gc : Le gain de la cible dans la direction de lmetteur. 8- Notions sur les performances des radars [4]:8.1- Porte :

On appelle porte dun radar, la distance maximale laquelle on peut dtecter ou bien suivre une cible donne. La distance est obtenue en gnral par la mesure de dlai de transmission de limpulsion.8.2- Localisation en angle :

La directivit de lantenne mettrice permet deffectuer une localisation angulaire. Lantenne nmet que dans un domaine angulaire restreint. Suivant lcart relatif entre la direction vers laquelle est pointe lantenne et celle de lobstacle. Lintensit de lcho capt varie et passe par un maximum lorsque ces deux directions sont confondues.

8.3- Localisation en distance :

Le retard dans la rception du signal retour permet doprer une localisation en distance (voir figure 1.2).

T

impulsion mise

Radar

Impulsion rflchie

Cible T

Fig.1.2 : Localisation en distance.

Limpulsion revient aprs un temps (t ) : (t ) =

2R o R est la distance radar cible, est le C

temps de trajet radar cible aller et retour. Cible1 Impulsion mise cho cible1 cho cible2 Cible2

T

cho effectivementFig.1.3: Rsolution en distance. La figure montre quon a deux cibles situes dans la mme direction mais distances

voisines. Ces deux cibles peuvent tre discrimines que par la langueur r de limpulsion. r est appele la rsolution en distance radar .Cette rsolution en distance dpend de la largeur de l impulsion et donc de sa dure

9- Le bruit :Dans la rception du signal utile, un certain paramtre limite la sensibilit du radar, donc ils sont des facteurs gnant et il ne suffit pas dvaluer la capacit de dtection du radar partir de la puissance reue. Ces paramtres sont appels bruit ou parasites au sens gnral. Un bruit est un phnomne alatoire et gnant qui accompagne une information utile en la

dnaturant. Cette dfinition implique que le bruit est une notion subjective, ce qui est bruit

pour lun ne peut tre bruit pour lautre. Les diffrents types de bruit sont : le bruit interne du radar ou bruit thermique. les chos parasites dus lenvironnement naturel appel (fouillis ou clutter).

9.1- Le bruit thermique : Il est due lagitation thermique des conducteurs et rsistances .Il permet de limiter la sensibilit absolue du rcepteur .On peut citer aussi des bruits qui se trouvent aux bornes dun diple et des bruits gnrs par un quadriple. 9.2- Parasites extrieurs (Clutter) : Les chos parasites ce sont des chos de tout objet autre quune cible constituant une gne, ils peuvent masquer lcho utile. Ces chos, repartis de faon plus ou moins alatoire et plus ou moins dense, sont dsigns sur le nom Clutter. On a plusieurs types de Clutter citant quelques types :Clutter atmosphrique:

Ce clutter est d la rflexion des ondes sur les nuages, il est caractris par :9 9

une rpartition volumtrique plus ou moins uniforme. une vitesse propre (celle du vent) suffisante pour quil se distingue du clutter

de sol.Clutter de sol:

Le clutter du sol a des proprits trs diffrentes de celles du clutter atmosphrique:9 9

sa densit de probabilit suit une loi gaussienne. son spectre est gnralement plus troit, mais le niveau de rtro- diffusion est

beaucoup plus fort de plusieurs ondes de grandeur suprieure au niveau des cibles utiles. Le clutter de sol est caractris par un coefficient de rtro diffusion qui dpend videmment de la nature du sol et de la longueur donde.Clutter de mer :

Le clutter de mer est intermdiaire entre les deux prcdents clutters, il suit une distribution lognormal, en cas de force de mer moyenne ou faible (4) on lassimile au clutter de sol et on utilise leffet doppler.

9.3- Aspect probabilistique du signal radar :

En pratique, le signal reu est form du signal utile plus du bruit (signal composite). Pour dtecter le signal utile, le signal composite est compar aprs dtection un seuil qui permet de dcider sil y a ou non prsence de cible. Deux cas peuvent se prsenter : En absence du signal utile, le bruit peut dpasser le seuil impos, et quon dcide quil y a

cible, alors quil ny en a pas. On dit quil y a fausse alarme. Il sen suit la notion de probabilit de fausse alarme qui est la probabilit pour quune pointe de bruit dpasse le seuil impos. En prsence du signal utile, le signal composite peut dpasser au moins le seuil impos, do

la notion de probabilit de dtection, qui est la probabilit pour que le signal composite dpasse le seuil impos.

10- application radar:Les premires applications du radar taient dans le domaine militaire. Durant la deuxime gure mondial, le radar a t dvelopp aussi bien sur le plan thorique que technologie. Par la suite, ses applications civiles sont devenues plus rpandues. Son dveloppement rapide qualitativement et quantitativement dmontre le grande intrt a celui-ci. Parmi ses applications on peut citer: Le contrle du trafic arien. La navigation arienne. La navigation maritime. Les system d'alerte de dfense. Les mesures de porte et de vitesse pour les besoins de contrle de vitesse par la police. L'assistance pour atterrissage des vhicules sur la lune.

Conclusion :Ce premier chapitre a t rserv une introduction gnrale sur le radar et ses principes de fonctionnement. Les progrs rcents notamment, les techniques utilises ont contribu a largir le domaine dutilisation du radar. Ses applications se sont tendues de lobservation des missiles et des satellites, lexploitation de lespace etc. La dtection par le radar se fait par simple principe, il suffit dmettre au moyen dune antenne un faisceau dondes lectromagntiques dans une direction souhaite. Lorsque ces ondes rencontrent un objet elles sy rflchissent formant un cho radar. Lantenne capte le signal dcho, ce signal va donc indiquer la prsence de cible. Nous parlons dans le chapitre suivant de lutilisation des images ISAR, quest une des applications majeures du radar, dans lidentification des cibles.

CHAPITRE II:

Systmes didentification des cibles

1- Identification des cibles au moyen des systmes IFF 2- Reconnaissance des cibles non coopratives 3- principes de fonctionnement des radars imageurs SAR et ISAR 4- Les oprations de pr-traitement effectues sur les images ISAR

Introduction :Pendant la premire et deuxime guerre mondiale, la reconnaissance d'avions n'a pas pos des problmes srieux: La distance laquelle un avion pouvait visuellement tre identifi tait considrablement plus grande que la porte des systmes d'arme bord de l'avion. La cible tait facilement reconnaissable au moyen de signes montrant sa nation d'origine et par ses emblmes d'escadron. En outre, la forme de la cible tait gnralement spcifique son origine. Enfin, la reconnaissance partir de chacune des caractristiques tait facilite par la faible vitesse des cibles. Actuellement, tous les avions de chasse ont des formes comparables. Ils peuvent voler des vitesses supersoniques et la porte de leurs systmes d'armes a augment considrablement. La consquence est que l'avion est trop proche une fois quil est reconnu visuellement. Juste avant le dbut de la deuxime guerre mondiale, les premiers systmes ont t dvelopps pour examiner l'identit d'une cible arienne. Des versions amliores de la technique la plus importante: identification amiennemi (IFF, Identification Friend-Foe), restent toujours employes. Ce chapitre contient trois partie, la premier partie t labor dans le but dtayer le principe de fonctionnement du systme radar secondaire (IFF), ainsi que lutilisation de ces derniers dans la surveillance de lespace arien, et les inconvnients des radars secondaire (IFF). Dans la deuxime partie nous allons parle sur le radar imageur ISAR, principe de son fonctionnement et sa rsolution en distance. La troisime partie rserve pour les opration prtraitement des images ISAR (extraction des caractristiques, rduction de la taille des donnes et slection des caractristiques)

1- Identification des cibles au moyen des systmes IFF1.1- Principe de fonctionnement:

La figure (2.1) reprsente le systme radar de surveillance secondaire (SecondarySurveillance Radar / SSR), qui se constitue de deux parties : un quipement sol et un autre

embarqu. Lquipement au sol met des impulsions nergtiques travers un faisceau directif de lantenne tournante, avec une frquence de 1030MHZ. Quand un dispositif volant pntre le champ de rayonnement de lantenne dmission, lquipement embarqu connu sous le nom de transpondeur dtecte le signal dinterrogation mis, et module son propre metteur pour rpondre par signal de rponse modul avec une frquence de 1090MHZ, qui sera dtect par lquipement au sol, et trait par un extracteur de plots, ce dernier mesure la distance lazimut dcode les rponses pour dterminer lidentit, laltitude du dispositif et enfin transmet ces donnes vers la visualisation.

En comparaison avec le radar primaire, le radar secondaire utilise des puissances dmissions moins importantes, la puissance du transpondeur permet au signal rponse dtre modul de sorte que linformation additionnelle de lidentit et laltitude de vol soit communique entre le dispositif volant et linterrogateur. Le systme SSR dpend compltement du bon fonctionnement du transpondeur [6].

Fig.2.1: Schma synoptique gnral. 1.2- Caractristiques des antennes:

Lantenne de linterrogateur possde deux faisceaux principaux : - Le faisceau dinterrogation : caractris par un trs grand gain, constitu dun lobe principal troit et des lobes secondaire trs faibles. - Le faisceau de contrle : large avec un faible gain dans la direction du faisceau dinterrogation, et un gain plus grand dans toutes les directions restantes. Voir la figure fig(2.2). La dtection des aronefs qui se dplacent prs du radar est exclusivement dpendante de la direction du signal rponse par rapport la direction des lobes secondaires du faisceau dinterrogation sans mesures spciales. Des rponses excessives peuvent tre obtenues de laronef par consquent le nombre daronefs pourrait tre exagrs et la vraie direction de laronef peut tre fausse, pour viter ceci le faisceau de contrle est utilis pour empcher laronef dmettre ses rponses vers la direction des lobes secondaires [6].

Fig.2.2: Les signaux dantennes 1.3- Signal dinterrogation :

Le signal mis par la station au sol est appel signal dinterrogation, la figure ( Fig.2.3) nous donne les caractristiques de ce signal, tel que les impulsions P1 et P3 sont mises par le faisceau dinterrogation de lantenne. Lespacement entre ces deux impulsions dtermine le contenu de la donne rponse du transpondeur . Limpulsion P2 est rayonne par le faisceau de contrle. La figure (2.2) nous explique comment lamplitude relative des impulsions change avec la direction de lantenne, tel que limpulsion P2 est relativement grande par rapport P1 dans toutes les directions sauf dans la direction du lobe principal du faisceau dinterrogation, et cause de ceci le transpondeur aroport peut savoir si le signal quil reoit provient du lobe principal ou des lobes secondaires. Il peut donc, dterminer si une rponse de sa part est exige ou non. Par ce processus les rponses aux lobes secondaires sont supprimes et ceci est connu sous le nom suppression de leffet des lobes secondaire ISLS ou SLS , Le signal dinterrogation est caractris par :-

Une frquence dmission de 1030 0.2 MHz. Une paire dimpulsions P1 et P3, dont lespacement dfinit le mode dinterrogation. La dure des impulsions est de 0.8 0.1s avec des temps de monte compris entre 50 et 200 ns, des temps de descente compris entre 50 et 100 ns.

Pour les applications civiles du radar secondaire, il y a 4 modes dinterrogation, dsigns par A, B, C et D, auxquels correspondent les espacements suivants de la paire dimpulsion voir le tableau (2-1). Le mode A est celui universellement adopt pour l'identification.Espacement entre P1 et P3 en s 8 0.1 17 0.1 21 0.1 25 0.1 Tab.2.1 : Modes civils.

Mode d'interrogation A B C D

Utilit Identification Identification Altitude Rarement utilis

Les applications militaires ont 3 modes conventionnels non scuriss. Dsigns par 1, 2 et 3, ils sont caractriss par les espacements suivants (voir le tableau 2-2) [6] :

Mode dinterrogation 1 2 3

Espacement entre P1 et P3 en s 3 0.1 5 0.1 8 0.1 Tab.2.2 Modes militaires

Utilit Varie dune force arienne une autre

Description des principaux modes : Mode 1 :

Ce mode, usage militaire permet lidentification tactique ami/ennemi dun aronef, dune unit arienne ou dun dispositif.Mode 2 :

Ce mode est aussi usage militaire seulement, il est utilis pour une identification plus dtaille de laronef.Modes 3 :

Les dfinitions des modes 3 (militaire) et A (civil) sont identiques. Ce mode commun, souvent appel 3/A, permet un interrogateur, qu'il soit civil ou militaire, de contrler l'ensemble des aronefs qui l'environnent, quelles que soit leurs appartenances. Les trois modes sont prsents par la figure (2-3)

Mode1

Mode2

Mode3

Fig.2.3: Dfinition des modes militaires 1.4- Signal de rponse :

Cest un signal hyperfrquence modul en impulsions. La frquence adopte est de 10903 MHz, la modulation comporte toujours une paire dimpulsions dites dencadrement, appeles F1 et F2 espaces de 20.3s. Entre ces impulsions ils existent 13 positions possibles dimpulsions au pas de 1.45s. Limpulsion centrale appele X nest pas utilise. Ainsi les 12 positions permettent de coder un mot de rponse de 12 bits (prsence dimpulsion cest--dire 1 , absence cest--dire 0 ) soit 212= 4096 rponses diffrentes [6].1.5- Inconvnients de system (IFF):

Les systmes IFF ont des limitations. Beaucoup de systmes d'IFF en service sont anciens et ne possdent pas de cryptage ou disposent de systme de cryptage qui ne peut plus tre compltement efficace. En consquence, ces systmes peuvent tre tromps. Mme avec le cryptage, il est encore possible quun avion hostile intercepte et retransmette une rponse d'un avion ami. Dans ce cas l'avion hostile passe pour un avion ami, moins que l'intervalle de validit du code soit extrmement court. Un autre inconvnient des systmes IFF rside dans le fait que des avions civils sont quips de transpondeurs conformment des normes internationales en vigueur. Ainsi, un avion militaire hostile peut tre quip d'un tel transpondeur pour apparatre comme tant un avion civil. De plus, le procd d'interrogation peut tre dfaillant

mme si l'avion est effectivement ami. Par exemple, le transpondeur bord de l'avion p e u t tre surcharg avec des interrogations d'IFF, la clef crypto peut tre affiche incorrectement, ou le transpondeur peut simplement tre dfectueux. L'chec peut galement tre provoqu par un brouillage hostile. Enfin, il peut y avoir des problmes pratiques graves assurant la pleine interoprabilit entre toutes paires d'interrogateurs et transpondeurs, en particulier dans des oprations militaires multinationales. Si la boucle d'interrogation d'IFF est interrompue pour n'importe quelle raison, la conclusion tire de l'absence d'une rponse correcte, savoir "ceci est un avion hostile" peut mener au fratricide (l'limination d'un avion ami). Des sources supplmentaires d'information peuvent tre utilises pour rduire la probabilit d'une dcision incorrecte, telle que les services de renseignement et les mesures lectroniques de soutien (ESM : Electronic Support Measures). Dans cette dernire technique, on "coute" les signaux radio et radar qui proviennent de l'avion. Une option additionnelle serait les conventions sur des couloirs qui ne doivent pas tre quitts par les avions amis. Si un objet non identifi se dplace hors d'un tel couloir, il est probable que ce soit un objet non-ami. Enfin, ces mthodes et procdures ne sont pas suffisantes pour faire face aux problmes didentification au moyen des systmes IFF. d'avions, avec des exemples dincidents connus dans les annes:1973 : les gyptiens ont abattus un nombre trs important de leurs propres avions. 1980 : Un avion italien DC-9 de passagers a t abattu par un missile prs de la Sicile.

Dans son livre sur la

reconnaissance radar, Nebabin [7] numre plusieurs incidents d'identification incorrecte

Le missile a t tir par erreur en raison de l'IFF incorrecte et de la discrimination du type d'avion. 81 passagers sont morts.1988 : Dans le golfe Persique, un avion Iranien de passagers de type Airbus a

t abattu par un missile standard SM-2 lanc partir du croiseur USS Vincennes. L'avion a t incorrectement identifi comme tant un avion de type F-14. 298 personnes sont mortes.1992 : Un hlicoptre de la mission des observateurs de la Communaut europenne

en Yougoslavie a t abattu 80 kilomtres au nord de Zagreb par un missile lanc partir d'un avion yougoslave. Cinq hommes sont morts. incorrecte du type d'avion sont supposes tre la cause.1994 : Deux hlicoptres des USA ont t abattus en Irak par deux avions de chasse

L'IFF et la reconnaissance

F-15 des USA. Quatorze hommes sont morts. Les hlicoptres ont t incorrectement

identifis en tant quavions irakiens. Une enqute minutieuse sur cet incident a montr que la clef IFF turque a t employe, tandis quau moment o elle devait tre commute la clef irakienne, les deux hlicoptres franchirent la frontire irako-turque. En consquence, aucune rponse n'a t retourne une fois que les hlicoptres taient en Irak. Pour rduire la probabilit du fratricide, des recherches ont t effectues, il y a quelque temps, dans les techniques de reconnaissance positive d'ennemi ou la reconnaissance de cible non cooprative (NCTR : Non-Cooperative Target Recognition).

2- Reconnaissance des cibles non coopratives:2.1-Dfinition :

Lutilisation des techniques de reconnaissance des cibles non coopratives vise la reconnaissance des cibles sans leur participation active. L'ide fondamentale de ces techniques est base sur le fait que la gomtrie dune cible donne ou ses parties mobiles imposent au signal radar rflchi des caractristiques qui sont spcifiques l'objet. Ces caractristiques peuvent alors tre utilises pour classifier la cible [8]. Le radar est un instrument trs attrayant pour la reconnaissance de cibles non coopratives. Il peut dtecter et poursuivre un avion sur des grandes distances (jusqu' plusieurs centaines de kilomtres) dans des conditions atmosphriques dfavorables, de jour et de nuit. D'autres dtecteurs (optique, infrarouge, laser) n'ont pas la mme porte et/ou n'ont pas les mmes capacits tous temps . Des dveloppements technologiques importants dans lquipement du radar ont t accomplis ces dernires dcennies, ce qui rend possible la mesure des signatures pour la reconnaissance des cibles.2.2- Techniques de reconnaissance des cibles non coopratives :

Plusieurs types de signatures radar peuvent tre utilises pour obtenir des informations sur les caractristiques de la cible. Les mthodes les plus importantes dans le domaine de la reconnaissance des cibles peuvent tre subdivises en deux familles. Elles dpendent du type de signature utilise. Les techniques du premier groupe sont bases sur le fait que le rayonnement du radar est rflchi par les parties en rotation des moteurs, des rotors dun hlicoptre ou des lames du racteur dans un moteur davion. Les techniques de la deuxime famille classifient une cible sur la base de son image radar. Les images unidimensionnelles sont des profils en porte du radar haute rsolution (HRR), ou simplement des profils en porte. Des images bidimensionnelles de l'avion peuvent tre produites laide de la technique du radar ouverture synthtique inverse deux dimensions(2D-ISAR). Cest la dernire technique qui est la plus utilise. Les mthodes de classification

qui seront dveloppes dans les sections qui suivent sont bases sur le traitement des images de type 2D-ISAR.2.2.1- Radar Haute Rsolution : Profil en Porte [8]

Les profils en porte acquis au moyen dun radar haute rsolution (HRR) sont essentiellement des images unidimensionnelles des cibles. Un HRR est un radar tel que la cellule de rsolution en distance est largement infrieure la taille de la cible. Cette performance est obtenue par lemploi des techniques de compression dimpulsion ou les ondes millimtriques. Les rflecteurs importants ou les structures de l'avion qui donnent lieu une rflexion leve de radar, sont projets sur la ligne de vise du radar figure (Fig.2.4).

Fig.2.4: Profil en porte d'un avion vu du ct gauche. Les rponses des diffuseurs de l'avion

(points) sont projetes sur la ligne vise, ayant pour rsultat un profil radar en porte. Les profils contiennent des informations sur la gomtrie de la cible et peuvent donc caractriser le type d'avion. Sur la base des profils prcdemment mesurs, un systme de classification peut tre conu pour reconnatre les cibles.

2.2.2- Limage 2D-ISAR [9]:

Le radar ouverture synthtique inverse se base sur le mouvement de rotation de la cible pour reconstituer limage, limage ISAR est une reprsentation 2D de la distribution de la SER de la cible en porte et dans la direction orthogonale la ligne de vise, ce sont les points les plus rflchissants qui fournissent plus dinformations sur une image 2D-ISAR.

Fig.2.5: image 2D ISAR

Lavantage que donne limage 2D-ISAR est quelle contient des informations dtailles sur la gomtrie de la cible, mais de lautre cot on a toujours des inconvnients qui peuvent ralentir le processus didentification et de classification, il sagit de la compensation de mouvement et le temps ncessaire pour effectuer le processus, parce quil est clair que la notion deffectuer des calculs en temps rel soit vrifie, mais malheureusement la ncessite deffectuer beaucoup de pr-traitements avant de passer la classification savoir la transforme de radon et le pas choisi, les transformes qui peuvent extraire les caractristiques pertinentes et rduire la taille de limage (extraction des contours, transforme en ondelette, analyse en composantes principales, la corrlation) et la taille de la banque de donnes dont on dispose ont tendances augmenter le temps deffectuer le processus de la classification et didentification dune telle cible. Le problme le plus important en employant les images 2DISAR est la compensation de mouvement [10]. Les donnes usuelles de poursuite ne sont souvent pas assez prcises pour produire une image bien focalise. Par consquent la compensation doit tre effectue en utilisant des techniques d'autofocus o les paramtres du mouvement sont estims en utilisant les donnes radar elles-mmes [11]. Seules quelques publications traitent le problme de la classification 2D-ISAR. Novak [12] emploie un classificateur de forme statistique sur des mesures de quatre objets diffrents sur un plateau tournant. Bachmann et all [13] dmontrent comment les objets 2D-ISAR peuvent tre classifis en utilisant trois architectures diffrentes de rseau de neurones. Ioannidis [14] montre des rsultats de classification base sur les moments invariants et la dtection de

contour des images. De nouveaux dveloppements intressants ont t rapports par Rihaczek et Hershkowitz dans le domaine de la classification 2D-ISAR par l'utilisation de lanalyse dimage complexe [15].2.3- Comparaison des techniques de reconnaissance de cibles non coopratives :

Le tableau (Tab.2.3) rcapitule les avantages et les inconvnients des deux techniques de la reconnaissance des cibles non coopratives les plus importantes.Avantages Inconvnients

-Temps d'observation de la cibleHRR

relativement court. - Application sur touts les ongles d'observation.

-Base de donnes trs importante.

- Image dpend de la mouvement de cible.2D-ISAR

-Information dtailles sur l'objet.

- traitement complexe de compensation de mouvement de la cible. - Temps d'observation de la cible long -Base de donne trs importante.

Tab.2.3 : comparaison des techniques de classification

Il est clair quune image (2D) contient beaucoup plus d'information qu'un simple relev de profil en porte (1D) et devrait donc permettre de rduire les erreurs de classification.

3- Principes de fonctionnement des radars imageurs SAR et ISAR:La premire phase du processus d'identification, de classification et de reconnaissance des cibles non coopratives consiste a dtecter la cible et a disposer d'une "image" de cette cible au moyen d'un capteur adquat. La prsente tude est base sur l'utilisation des images bidimensionnelles (2D). Des images radar haut rsolution (2D) peuvent tre obtenues en utilisant des radars a ouverture synthtiques (SAR) ou a ouverture synthtique inverse (ISAR). Les techniques SAR et ISAR sont fondes sur la mme thorie de base. La diffrence essentielle rside dans les configurations gomtriques. Dans le cas de l'imagerie SAR, le radar est embarqu sur une plate forme mobile et les objets (cibles) sont stationnaires alors que dans le cas de l'imagerie ISAR, les objets sont en mouvement et le radar est fixe. Seuls les mouvement relatifs entre l'objet et le radar prsent une importance pour la construction de l'image de l'objet.

Le radar ouverture synthtique SAR est un instrument actif, utilis pour lobservation de la surface terrestre, permettant lacquisition des images de trs haute rsolution par tout temps. Les structures dans les images SAR donnent dimportantes informations contextuelles utiles pour la dtection et la classification des entits, comme la vgtation, les zones urbaines, les zones industrielles et de cibles militaires (chars, bateaux, transport de troupesetc.). Cependant, cause de la nature cohrente de londe radar, les images SAR sont dgrades par un bruit spcifique appel SPECKLE . Dans limagerieSAR, le speckle est gnralement modlis comme un fort bruit multiplicatif, distribu selon

une loi gamma de moyenne unit et de variance gale linverse du nombre quivalent de vues indpendantes (Equivalent Number of Indpendant Looks ENIL).3.1- Principe de fonctionnement des radars SAR:

Le radar ouverture synthtique ou le SAR est lune des techniques les plus utilises en imagerie radar. Limage SAR est obtenue grce au fait que lantenne du radar (embarque sur un avion ou un satellite) effectue un balayage de la surface de la cible claire. La figure (Fig.2.6) montre une plate forme se dplaant une vitesse V constante le long d'un trajet rectiligne. L'antenne du radar embarqu est monte de telle manire que le rayonnement se fait dans la direction perpendiculaire la direction de dplacement.

Fig.2.6 : Gomtrie du radar SAR 3.1.1- Avantages du radar SAR et ses applications :

Le radar Imageur SAR reste un instrument unique en tldtection de part de son aspect actif et ses avantages: - Sa capacit de fonctionnement en tout temps, (la faible sensibilit aux conditions atmosphriques qui est fondamentale surtout pour les zones tropicales qui sont souvent sous les nuages). - Sa grande porte.

- La possibilit de contrle de radiation lectromagntique mise : puissance, frquence, polarisation. - Possibilit de trs haute rsolution spatiale par lintermdiaire du traitement complexe du signal issu du rtro diffusion radar. Limagerie radar de type SAR a trouv de trs nombreuses applications que ce soit dans le domaine civil pour la dtection dicebergs, la cartographie gologique, locanographie (ltude des vagues et des courants), lurbanisme, ou dans le domaine militaire pour lobservation et la surveillance des territoires, ainsi que lidentification et la classification de cibles [16].3.1.2- Rsolution du radar SAR : Rsolution en distance :

Pour avoir une meilleure rsolution en distance il faut diminuer la dure de limpulsion, la rsolution en distance est donne par :

d = [(c. ) / 2].[1 / cos( )]Si le radar est perpendiculaire la surface rayonne ( = 0 ) on aura :

(2.1)

d = (c. ) / 2

(2.2)

Pour amliorer la rsolution en distance on utilise la technique de compression dimpulsion. Deux techniques peuvent tre utilises pour la compression savoir les techniques analogiques (modulation linaire de frquence), et les techniques numriques (codage binaire de phase).Rsolution orthogonale :

Pour avoir un lobe trs troit (une bonne rsolution orthogonale) il faut une antenne relle de grandes dimensions, ce qui rend lopration de monte cette antenne sur un avion ou un satellite trs difficile (arodynamisme, poids etc.). Une antenne d'ouverture a -3 dB et g permet d'obtenir a une distance R du radar, une rsolution orthogonale telle que :

cr = R * g g = K [ (metre) / D(metre)] RadO :

(2.3) (2.4)

K [0.9,1.3] .(en gnrale K=1), K : Due la distribution de courant le long de louverture.

L'antenne du radar embarqu est monte de telle manire que le rayonnement se fait dans la direction perpendiculaire a la direction du dplacement (radar a vision latrale "sidelooking radar" ) voir Fig. 2.7. Les (*) de la figure reprsentent la position de l'antenne du radar a chaque fois qu'une impulsion est mise.

Fig.2.7: Le SAR embarqu sur plate forme dplaant une vitesse constante v.

Si lcho reu chaque mission dune impulsion est enregistr, la sommation de ces (N) impulsions nous donnent leffet dun rseau dantenne linaire dont la longueur est gale la distance parcourue par l'avion pendant la transmission du N impulsions, la longueur effectiveLe est telle que Le = N * d , d = v * T R , d = v / f R ou f R est la frquence de rptition. - Rcapitulatif du procd:

1- Le rayonnement est perpendiculaire la direction du dplacement. 2- La vitesse v de dplacement est constante. 3- Enregistrement de lcho chaque position du radar ( chaque mission dune impulsion). 4- Les N impulsions enregistres sont sommes. 5- La longueur du rseau est Le = N * v * TR On considre que le radar SAR est un rseau dantenne ralis partir dun alignement linaire de N lments rayonnants. Donc le radar SAR peut se prsenter sous deux formes diffrentes :

Le radar SAR non focalis vrifiant la condition du champ lointain (onde plane), (cible situant linfini). La rsolution orthogonale dans ce cas est donne par la formule suivante: R 2

cr =

(2.5)

La rsolution dun radar non focalis ne dpend donc pas des dimensions de lantenne mais elle est plutt proportionnelle la distance radar cible pour une longueur donde donne.

Cette limite de rsolution peut tre surmonte en introduisant un traitement qui tient compte de la position angulaire des cibles par rapport au radar pendant l'clairement. Il s'agit donc de corriger les phase de chaque signal lmentaire de manire a rendre touts les lments du rseau rsultant a la mme distance de la cible.

Situation des donnes sur la surface de la cible avant correction de focalisation

Situation des donnes sur la surface de la cible aprs correction de focalisation

Fig.2.7: Situation des donnes avant et aprs focalisation

La figure suivante montre comment apporter la correction de phase pour le nime lment de rseau . Position actuelle Position corrige du neme lmentTrajectoire

Fig.2.8: Principe de focalisation du radar SAR [12]

Lanalyse de cette figure montre que la diffrence de marche entre le signal rflchi par llment central de la figure et celui rflchi par le nime rflecteur est telle que: n 2 .d 2 2R

Rn =il lui correspond une diffrence de phase:

n =

2 n 2 d 2 . 2R

(2.6)

C'est la correction de phase qu'il faut apporter a chaque lment du rseau synthtique pour que touts ces lment soient a la mme distance par rapport a la cible.(n: ordre de l'lment) lorsque cette correction est apporte le radar a ouverture synthtique est dit focaliser. Touts les chos reus a partir d'une cible situe a cette distance R sont en phase. La rsolution orthogonale est alors donne par la relation suivante :

cr = R g =

D 2

(2.7)

La rsolution orthogonale est d'autant meilleure que la dimension du radar est petite. La figure (Fig.2.9) montre une comparaison entre les rsolution orthogonales d'un radar conventionnel, un radar SAR non focalis et un radar SAR focalis en fonction de la distance.

cr (m) cr = R g

Antenne conventionnelle

cr =

R 2

S.A.R non focalis

cr = D / 2

S.A.R focalis

Fig.2.9: Schma comparatif entre la rsolution de trois types de radar

La contrainte qui peut se poser pour le cas dun SAR focalis est que on diminuant D, la rsolution est amliore, mais le gain G diminue, or la puissance de lcho reu est proportionnelle G2 et par consquent le risque de ne pas dtecter lcho augmente cause Une autre contrainte lie la frquence de rptition peut se poser: FR doit tre d'une part.

suffisamment faible pour vit les ambiguts en distance RMax =

C , et suffisamment 2 FR

grande d'autre part pour vit les ambiguts angulaires lie a l'application des grating lobesv

crindpendante d'une de l'autre.

p FR p

R C C Max p 2 R Max cr 2v

(2.8)

La porte sons ambiguts est la rsolution orthogonale ne peuvent tre fixe de faon3.2- la radar a ouverture synthtique inverse (ISAR) [17]:

La technique ISAR (radar a ouverture synthtique inverse) est une simple variante de la technique SAR. Le radar ISAR exploite les mouvements en rotation de la cible au lieu du mouvement de l'antenne de radar, a fin d'obtenir une rsolution transversale lev. La cible dont on veut prendre l'image subit des mouvements de rotation et/ou de dplacement tandis que le radar est stationnaire, par consquent, la technique ISAR ncessite le mouvement de cible. Le terme inverse est utilis parce que l'ouverture synthtique est forme grce la rotation de la cible au lieu du mouvement de radar comme dans le cas de la technique SAR. Comme la cible en mouvement est situe a l'intrieur de lobe du radar, les signaux rflchis par les diffrentes surfaces de la cible peuvent tre intercepts. La figure.(2.11) montre une cible ISAR en rotation observe par le lobe d'un radar stationnaire. L'angle est l'angle de rotation effectu par la cible. L'axe des y correspond a la ligne de vise (line-of-sight(LOS)) du radar et R reprsente la distance radar-centre de la rotation de la cible. La distance instantane d'un diffuseur P de la cible est r. En imagerie ISAR, les mesures sont prises par rapport la rotation et la porte de la cible. Limage de la cible est forme, a partir de la dtermination de l'ongle d'aspect pour l'information d'azimut et par le traitement et la composition des donnes collectes des rflexions, la figure suivante indique la gomtrie d'un radar de type ISAR. Direction de Y'

X'

X

Radar distance rFig.2.11:Gomtrie du l'ISAR

Y Centre de rotation

La figure (Fig.2.12) montre la collection des donnes dune cible arienne par un radar stationnaire durant la rotation dun angle de la cible. Limage SAR quivalente est illustre par la figure (Fig.2.12.b) Les mmes donnes sont obtenues par le mouvement du radar qui survolerait, sur un segment circulaire, une cible identique mais stationnaire. La longueur L de louverture SAR de la figure (2.12.b) correspond langle dintgration dans la Figure(Fig.2.12.a)

Fig. 2.12: Equivalence SAR/ISAR: (a) ISAR; (b) SAR quivalent. 3.2.1- Principe de fonctionnement du radar ISAR:

Sur une cible il existe des points fortement rflchissante, ces points sont dtermins par la forme de la cible, alors que chaque cho reu dun point est dphas par rapport lautre, la rception pour le cas de limagerie ISAR on se base sur ces points rflecteurs pour L'extraction de la forme gomtrique de la cible [18].

Fig.2.13: deux points rflecteurs dune cible pour le cas de limagerie ISAR.

La trajectoire de l'avion est la combinaison de deux mouvements :

Un mouvement de translation qui dfinit le dplacement de l'avion. Un mouvement de rotation sur l'axe de l'avion, ces fluctuations ont pour consquences: 1- Deux points de la mme cible n'aient pas la mme vitesse angulaire. 2- Les deux signaux rflchis prsentent des doppler diffrents c'est--dire deux spectres diffrents.

Donc, cest cette proprit importante du signal reu donne une information sur la distance qui spare les deux point. Si on arrive a mettre puis enregistrs les M signaux reues au niveau du rcepteur, avec l'utilisation d'un traitement frquentiel de chaque signal, on aura M pixels qui dfinissent les points rflecteurs sur la cible [18].

Fig.2.14: Spectres dun point rflecteur deux instants diffrents 3.2.2- Recouvrement de donnes ISAR :

Les chos des signaux reus sont classs dans M-bus [19], chaque bus contient N impulsions. La repense frquentielle de signal reu pour une impulsion s'crit sous la forme suivante: U = A exp( j 4 .rf / c) H ( p, q) Avec : H ( p, q) = h( x , y ) exp( j 2 ( p x + q y ))dx dy O: H ( p, q) : La TF (transforme de fourrier en deux dimensions) de la fonction densit h( x , y ) du signal rflchi par la cible. A: L'amplitude associe a la transmission du signal (gain de l'antenne, l'attnuation due a l'atmosphre et les pertes du systme radar). A peut tre mis a un sans affecter aucune phase

(2.9)

(2.10)

des termes de la rponse frquentielle.

Fig.2.15: Reprsentation de la forme d'onde de M- bus et N- impulsions

Avec dans lquation (2.10) : p = 2( f / c) sin q = 2( f / c) cos

: est langle entre laxe du radar et laxe de la cible.

Pour touts les impulsions on peut remplacer f par f n , r devient (r0 + rm, n ) et devient m ,n . r0 : Reprsente la position initiale de la cible. rm ,n : Reprsente la position de la cible a t m ,n . Par consquent p et q devient : p m,n = 2( f / c) sin m ,n et q m.n = 2( f / c) cos m , n

m,n indiquent respectivement l'ordre de bus et de l'impulsion alors la rponse U s'crit : U = A exp( j 4f (r0 + rm , n )) H (m, n). (2.11)

O H(m,n)est dfinie par : H ( p, q ) = h( x , y ) exp( j 2 ( p m,n x + q m ,n y ))dx dy

(2.12)

rm, n est dfinie par :

rm, n = v 0 t m, n +

1 2 a 0 t m,n 2

(2.13)

v 0 et a0 sont la vitesse et lacclration initiales de centre de masse de la cible. t m , n est lie a la priode de l'impulsion t :

t m , n = ( n + mN ) t .f n = f 0 + nf

(2.14) (2.15) 1 . t

f 0 est la frquence initiale dans un bus.

f est l'cart de frquence entre deux impulsions successives f =

3.2.3- Rsolution du ISAR:

La relation qui donne la rsolution en distance en fonction de la bande passante est donne par : r = Pour N impulsions: rs =

C 2

(2.16)

C [2( N 1)f ]

(2.17)

La rsolution orthogonale dpend de frquence doppler f D = Elle est donne par : rc = cf / 2 0 f c = / 2 0 T O : est le taux de rotation de la cible et = d'un bus. La rsolution en profil est dtermine par la largeur de bande, la rsolution de frquence de Doppler (rsolution orthogonale) est dtermine par le temps d'observation M. Un temps d'observation plus long fourni une meilleure rsolution de Doppler et un meilleur rapport signal/bruit, mais il cause des erreurs de phase. En utilisant la DFT pour calculer la frquence de Doppler, il est ncessaire de supposer que la frquence de Doppler est constante au-dessus de la dure de temps de formation image, ainsi de la limite de la phase parasite qui est ngligeable. La frquence de Doppler change au cours du temps en raison du mouvement (2.19) 1 1 = [ N ( M 1)t ] T (2.18)

c , f c est le centre de la bande de frquence fc

non uniforme de la cible. Le spectre global de Fourier calcul par la DFT, mne souvent une image floue.

4- Oprations de prtraitement effectues sur les images ISAR :Les images ISAR brutes comportent un nombre important de paramtres. Les classificateurs exigent un nombre des caractristiques relativement faible (cinquantaine) pour rpondre aux impratifs de traitement en temps rel. Une opration de prtraitement sur les donnes brutes est donc ncessaire pour prparer la phase de classification, Par ailleurs par rapport au radar est inconnues, il est donc important de rduire le bruit qu'il les accompagne et d'effectuer un traitement d'images indpendantes de l'orientation.4.1- Technique d'extraction des caractristiques:

Les techniques d'extraction des caractristiques nous permettent de n'utiliser dans les image ISAR que les informations comportant les caractristiques pertinentes concernant l'objet identifier.4.1.1- Extraction de contour :

L'extraction de contours est une opration importent dans la phase de prtraitement des image ISAR, Plusieurs techniques d'extraction de contours sont propose dans la littrature. Les contours peuvent tre dtects en utilisant des oprateurs diffrentiels tels que le gradient ou le Laplacien d'une image, Cette dtection va tre accompagne par une opration de seuillage qui est ncessaire pour liminer le bruit et affiner les contours a l'paisseur d'un pixel. Un contour est dfini comme une brusque variation de niveaux de gris dans l'image. L'extraction des contours est raliser par le calcule du gradient de l'image selon l'axe horizontale (x) et l'axe verticale (y). L'image considre est une fonction de niveaux de gris g ( x, y ) , Le gradient de l'image est donn par : g ( x, y ) xg ( x, y ) y

g x ( x, y ) =g y ( x, y ) =

(2.20)(2.21)

Le rsultat de l'extraction de contours d'une image binaire ou en niveaux de gris g ( x, y ) est une image binaire de mme dimension ou les contours sont en blanc et le reste est noir.Oprateurs du premier ordre Mthode de Roberts dtermine les contours en utilisant lapproximation de Roberts de

la drive. Elle donne les contours aux points o le gradient de limage est maximum. Mthode de Sobel dtermine les contours en utilisant lapproximation de Sobel de la

drive .Elle donne les contours aux points ou le gradient de l'image est maximum. Mthode de Prewitt dtermine les contours en utilisant l'approximation de perwitt des

points o le gradient de l'image est maximum. Oprateurs Gradients Directionnels : Kirsh 3 et 5 niveaux: Limage ISAR. Oprateur de second ordre

Mthode du Laplacien dune gaussienne dtermine les contours en cherchant les passages par zro aprs le filtrage de limage par le filtre Laplacien dune gaussienne. Oprateur de Marr et Hildreth bas sur un lissage par un filtre gaussien plus un calcul de la drive seconde du gradient et on recherche un passage par zro. Oprateur de Huertas: Cet oprateur est un filtre numrique a rponse impulsionnelle Finie (RIF).

Image brute

image en niveaux de gris

Mthode de roberts

Mthode de sobel

Mthode de prewitt

Mthode de canny

Mthode de Derriche

Fig.2.16: montre l'application de plusieurs techniques d'extraction de contours sur une image

2D-ISAR.

Approche par optimisation :

La mthode de Canny dtermine les contours en cherchant les maximums locaux du gradient de l'image. Le gradient est calcul en utilisant la drive d'un filtre gaussien. Cette mthode utilise deux seuillages, a fin de dtecter les conteurs forts et les contours faibles, Elle inclut les contours dans le rsultat seulement s'ils sont connects aux contours forts. Par consquent, cette mthode est moins sensible aux bruits, et elle a plus de chance pour dtecter les faibles vrais contours4.2- Technique de rduction de la taille de donne :

Le but recherch en utilisant ces techniques est de rduire la taille des donnes tout en prservant le maximum dinformation. Plusieurs techniques sont utilises dans ce domaine.La transforme en ondelette:

Lexpression gnrale de la transforme en ondelette s'crit de la faon suivante :T ond f (a, b) = 1 a+

f (t )

t b dt a

(2.22)

Le paramtre a est appel facteur d'chelle (pas de dilatation), et bfacteur de dcalage (paramtre de translation). La variable a joue un rle de l'inverse de frquence, plus a est petit moins l'ondelette (la fonction analysante) est tendue temporellement,donc plus la frquence centrale de son spectre est leve,On peut galement interprter cette expression comme une projection du signal sur une famille de fonction analysante a ,b construite a partir d'une fonction "mre" conformment a l'quation suivante:

a ,b =

1 a

t b a

(2.23)

La norme est conserve lors du changement de facteur d'chelle.

a ,bOn pourra noter:

2

1 t b 1 2 = dt = ( x ) adx = a a a

+

2

+

2

T ond f (a, b) =p f , a ,b f .

- Quelques images traites par la transforme en ondelette :

Mig.25 de taille 256*256

Matrice d'approximation de taille 128*128

Matrice d'approximation de taille 64*64

Matrice d'approximation de taille 32*32

Matrice d'approximation de taille 16*16

Fig..17: les diffrent niveau de la transforme en endelette appliqus a un mig-25

Echo de bateau taille 256*256

Matrice d'approximation de taille128*128

Matrice d'approximation de taille 64*64

Matrice d'approximation de taille 32*32

Matrice d'approximation de taille 16*16

Fig.2.18: Les diffrents niveaux de la transforme en ondelette appliqus un bateau

4.3- transforme de radon (TR) :

La transforme de radon d'une fonction bidimensionnelle est donne par un recueil de ses projections sur un axe suivant une direction. Chaque rayon est index par sa distance par rapport l'origine et son angle [20]. Cette transforme possde la possibilit de transformer une image 2D contenant des lignes en une autre image ou chaque ligne est reprsente par un pic localis suivant les paramtres de la ligne. Cette proprit a fait que cette transformation soit utilise dans la dtection des lignes dans les domaines de traitement d'images, de vision par ordinateur

Fig.(2.19): Limage f ( x, y ) est projete sur l'axe x qui est orient selon un ongle par apport

a l'axe x. La transforme de radon gnre une image dont l'intensit de chaque colonne correspond a la projection de l'image sur un plan.- Dfinition de transforme de radon :

La transforme de radon nous donne un recueil des projections d'une fonction sur un axe suivant une direction (angle de projection ) on peut donc crire :R0 ( x ) =+

f ( x cos y sin + y cos )dy

(2.24)

O le passage du repre xoy au repre x oy est donne par : x cos sin x y = sin cos y Avec

: L'ongle d'orientation de x par rapport a l'axe x .x : La plus petite distance a l'origine de l'image, (L'quation d'une ligne).

Ou encore :

p ( x , ) =

+ +

f ( x, y) ( x x cos y sin )

dxdy

(2.25)

Cependant en pratique, les mesures sont discrtes. En particulier les projections sont obtenues pour les valeur discret de . C'est alors plus convenable de dire que chaque projection R ( x ) nous fournit un chantillonnage de la fonction f ( x, y ) .La multiplication des projections obtenues dans des condition diffrentes nous permettent de "Remplire" progressivement le domaine de la transforme. Ainsi on constate que chaque projection dfinit un chantillonnage de la TR de la fonction qui caractrise l'image. Alors pour bien dfinit la TR d'une image il faut avoir plusieurs chantillons (des projection selon des ongles diffrents).- Exemple de la transforme de Radon dune image ISAR

La figure (Fig.2.20) montre le rsultat obtenu aprs lapplication de la transforme de radon sur une image ISAR

Fig.2.20: La transforme de radon sur une image ISAR 4.4- Technique de slection des caractristiques :

Mme aprs l'application de la technique de compression des donne, le nombre de caractristique a ente du classificateur reste toujours lev, par consquent le processus de classification et identification des cibles en temps rel est rendu difficile. La rduction de donne ne permet pas toujours de slectionner les bonnes caractristiques permettant de bien discriminer entre lments distincts. En raison de ces problmes, certaines mthodes permettant de bien distinguer entre deux lments ont t dveloppes. L'analyse en

composant principales (ACP) est un outil trs utilis dans ce domaine. Son but est d'extraire l'information pertinente a partir de donnes appartenant a un espace R N et de la prsentation dans un espace R M tel que M p N , autrement dit l'ACP reprsente un algorithme linaire de compression. La corrlation (dpendance) tre deux lment permet galement de mesurer le degr de ressemblance entre eux et par consquent liminer les redondances qui peuvent existes dans une image. Si le coefficient de corrlation entre deux caractristiques est suprieur au seuil, il est logique de les prendre pour un mme objet. L'application de cette mthode permet d'extraire l'information pertinente ainsi qu'elle rduit le nombre de caractristiques qui mne a valuer les calculs en un temps trs court.4.4.1- Analyse en composantes principales (ACP):

Lorsque N variables quantitatives x1,,xN sont corrle entre elles, l'information qu'elles vhiculent ensemble possde de ce fait un certain degr de redondance. Peut-on alors extraire de la liste redondante des N variables x1,..,xN une liste non redondante de M nouvelles variables ou facteurs f1 ,......., f M ( M p N ). Voila prcisment en quoi consiste l'analyse en composantes principales (ACP), qui procde a cette extraction de la faon la plus simple possible, c'est--dire linairement: Les facteur "y" sont, en effet, construits comme combinaisons linaire des variables et rciproquement. Dans ce contexte linaire, la condition de non-redondance de la liste des facteurs f 1 ,......., f M s'exprime alors par la condition de non-corlation des facteurs entre eux. En pratique les composantes principales sont calcules en utilisant la dcomposition en valeurs singulires (SVD) (voir annexe (1)) de la matrice de covariance de donne Alors l'Analyse en Composantes Principales est une technique d'analyse de donnes qui permet, partir de N variables initiales, de construire M (< ou = N) autres variables, appeles composantes principales, qui sont des combinaisons linaire des variables initiales et qui prsentent les proprits suivante :

Elles sont ordonnes selon l'information qu'elles restituent, la premire composante tant celle qui restitue le plus d'informations. La part d'information restitue par chaque composant principale st connue. Les composantes sont moins sensibles aux fluctuations alatoires que les variables initiales. Il y a une ingalit stricte m