Contributions aux bornes inférieures de l’erreur quadratique moyenne en traitement du signal

A l’aide des bornes inférieures de l’erreur quadratique moyenne, la caractérisation du décrochement des estimateurs, l’analyse de la position optimale des capteurs dans un réseau ainsi que les limites de résolution statistiques sont étudiées dans le contexte du traitement d’antenne et du radar

Estudi comparatiu de la publicació científica de la UPC i l’ETSETB vs. altres universitats (2006-2016)

L'informe es centra en la publicació científica especialitzada en l'àmbit temàtic propi de l'ETSETB: l'enginyeria de telecomunicacions i l'electrònica. Es comparen indicadors bibliomètrics de la UPC i l'ETSETB amb els d'altres universitats nacionals, europees i internacionals amb activitat de recerca notable en l'àrea de les telecomunicacions i l'electrònica.Postprint (published version

Reconnaissance de locuteurs pour robot mobile

L'audition artificielle est de plus en plus utilisée en robotique mobile pour améliorer l'interaction humain-robot. La reconnaissance de la parole occupe présentement une place importante tandis qu'un intérêt particulier se développe pour la reconnaissance de locuteurs. Le système ManyEars permet actuellement à un robot mobile de localiser, suivre et séparer plusieurs sources sonores. Ce système utilise un ensemble de huit microphones qui sont disposés en cube. Ce mémoire porte sur la conception et l'évaluation d'un système de reconnaissance de locuteurs, baptisé WISS (Who IS Speaking), couplé au système ManyEars. Le système de reconnaissance de locuteurs conçu est robuste au bruit ambiant et au changement d'environnement. Une technique de combinaison de modèle parallèle (parallel model combination (PMC)) et des masques sont utilisés pour améliorer le taux d'identification dans un milieu bruité. Un indice de confiance est également introduit pour pondérer les identifications obtenues. La simplicité du système proposé fait en sorte qu'il est possible d'exécuter en temps réel l'algorithme sur un processeur généraliste ( General Purpose Processor (GPP)). Les performances du système sont établies à l'aide de plusieurs scénarios. Dans un premier lieu, des enregistrements sont diffusés dans des haut-parleurs pour un ensemble de vingt locuteurs. Le système est ainsi caractérisé en fonction des positions angulaires et radiales des sources sonores. Le taux de reconnaissance est affecté par la qualité du signal (i.e. diminution du rapport signal sur bruit ( Signal-to-Noise Ratio (SNR))) : il passe de 95.6% à 84.3% en moyenne lorsque le SNR passe d'environ 16 dB à 2 dB lorsque le locuteur se situe à 1.5 mètres des microphones. Par la suite, un scénario dit statique est vérifié à l'aide de quatre locuteurs qui récitent chacun leur tour des phrases à un volume de voix naturel. Finalement, un scénario dynamique dans lequel un groupe de quatre locuteurs ont une conversation naturelle avec des chevauchements entre les segments de paroles est étudié. Le taux de reconnaissance varie entre 74.2% et 100.0% (avec une moyenne de 90.6%) avec le scénario statique, et entre 42.6% et 100.0% avec le scénario dynamique (avec des moyennes de 58.3%, 72.8% et 81.4% pour des segments de 1, 2 et 3 secondes respectivement). Des solutions sont identifiées afin d'améliorer les performances lors de travaux futurs. Au meilleur de notre connaissance, il n'existe aucun système qui effectue une reconnaissance de locuteurs dans un environnement contaminé simultanément par des bruits convolutif et additif. De plus, l'utilisation de masques pour estimer ces bruits est un nouveau concept. Ces masques sont d'ailleurs généralement employés pour la reconnaissance de la parole et leur utilisation dans un contexte de reconnaissance de locuteur est une première. De plus, une caractérisation complète du système qui inclue les SNRs est proposée en fonction de la position du locuteur, ce qui est rarement disponible dans la littérature en audition artificielle pour les robots

Échantillonnage stochastique efficace par modèle Bernoulli mélange de Gaussiennes pour la résolution des problèmes inverses parcimonieux

Cette thèse aborde la résolution des problèmes inverses parcimonieux quand les données observées peuvent être considérées comme une combinaison linéaire d'un faible nombre d'éléments dits « atomes » (e.g., impulsions, réponse instrumentale décalée ou sinusoïdes). Ces problèmes sont rencontrés dans différents domaines d'application, allant du contrôle non destructif ultrasonore, à la spectroscopie et l'analyse spectrale. Dans le contexte bayésien, ces problèmes peuvent être abordés en considérant des modèles a priori sur les paramètres d'intérêts, prenant en compte la parcimonie de façon explicite via l'introduction de variables binaires (e.g., modèle Bernoulli-Gaussien). L'estimation des paramètres se fait ensuite en calculant un estimateur de type espérance a posteriori à partir d'échantillons générés par des méthodes Monte-Carlo par chaînes de Markov (MCMC). L'avantage majeur des méthodes MCMC dans le contexte bayésien, par rapport aux approches d'optimisation déterministes, est la possibilité d'intégrer sans grande difficulté l'estimation des hyper-paramètres du modèle (e.g., la variance du bruit d'observation) ainsi que de se placer dans un cadre semi-aveugle ou aveugle, c'est-à-dire des cas où les atomes sont partiellement ou totalement inconnus. Cependant, ces méthodes MCMC sont généralement très coûteuses en temps de calcul et nécessitent d'être manipulées avec soin afin de garantir leur convergence. Des approches d'échantillonnage efficace s'appuyant sur le Partially Collapsed Gibbs Sampler (PCGS) ont été développées dans le cas du modèle Bernoulli-Gaussien. Cependant, elles ne peuvent pas être utilisées dès que l'on souhaite considérer d'autres a priori parcimonieux, avec des lois à longues queues (e.g., Bernoulli-Laplace) qui sont préférables à la Gaussienne car elles induisent une moindre régularisation ; ou avec des lois à support réduit (e.g., Bernoulli-Exponentiel) afin de garantir une contrainte de non-négativité. On est alors restreint à l'utilisation des méthodes MCMC classiques coûteuses en temps de calcul. L'objectif de cette thèse est de réconcilier l'échantillonnage PCGS avec des modèles prenant en compte la parcimonie de façon explicite autres que le modèle Bernoulli-Gaussien. La principale contribution est l'introduction et l'étude d'un nouveau modèle a priori dit « Bernoulli Mélange de Gaussiennes » (BMG). Ce dernier repose sur les lois de mélange continu de Gaussiennes et permet l'amélioration des propriétés de convergence des méthodes MCMC grâce à une implémentation numérique efficace d'algorithmes PCGS. D'autre part, le modèle est présenté dans un cadre général, permettant de prendre en compte, de manière systématique, de nombreuses lois de probabilité. Pour ces travaux, nous avons exploité des lois de probabilité de la famille LSMG (Location and Scale Mixture of Gaussians), peu étudiée dans la littérature, que nous avons caractérisées plus précisément. Une deuxième contribution majeure consiste à étendre le champ d'application du modèle BMG aux lois de probabilité à support réduit. Ainsi, nous avons proposé une nouvelle approche d'approximation de lois de probabilité dénommée « asymptotically Exact Location-Scale Approximations » (ELSA) pour laquelle nous avons montré le bon comportement, à la fois en théorie et en pratique et avons montré empiriquement son efficacité par rapport aux approches de l'état de l'art. Enfin, l'efficacité du nouveau modèle BMG, de son échantillonneur PCGS et des approximations ELSA est étudiée et validée dans le cadre des problèmes inverses parcimonieux sur un exemple de déconvolution de train d'impulsions.This thesis deals with sparse inverse problems when the observed data can be considered as a linear combination of a small number of elements called « atoms » (e.g., pulses, shifted instrumental response or sinusoids). These problems are encountered in various domains, ranging from ultrasonic non-destructive testing to spectroscopy and spectral analysis. In the Bayesian framework, these problems can be addressed by considering a priori models on the parameters of interest that take into account the sparsity explicitly via the introduction of binary variables (e.g., Bernoulli-Gaussian model). The estimation of the parameters is done by computing the posterior mean estimator from samples generated by Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods. The major advantage of MCMC methods in the Bayesian framework, compared to deterministic optimization approaches, is the possibility of integrating without much difficulty the estimation of the hyper-parameters of the model (e.g., the variance of the observation noise) as well as considering semi-blind or blind settings, i.e., cases where the atoms are partially or totally unknown. However, MCMC methods are generally computationally expensive and need to be handled carefully to ensure their convergence. An efficient sampling approaches based on the Partially Collapsed Gibbs Sampler (PCGS) have been developed for the Bernoulli-Gaussian model. However, it cannot be used with other sparse enforcing priors, such as priors with long-tailed distributions (e.g., Bernoulli-Laplace) which are preferable to the Gaussian because they induce less regularization; or with distributions supported in a bonded interval (e.g., Bernoulli-Exponential) in order to guarantee a non-negativity constraint. As a result one is restricted to the computationally expensive classical MCMC methods. The objective of this thesis is to reconcile PCGS sampling with models that explicitly take into account sparsity other than the Bernoulli-Gaussian model. The main contribution is the introduction and study of a new prior model called « Bernoulli Mixture of Gaussians » (BMG). The latter, based on continuous Gaussian mixtures improves the convergence properties of MCMC methods thanks to an efficient numerical implementation of PCGS algorithms. On the other hand, the model is presented in a general framework, allowing to take into account, in a systematic way, a rich family of probability distributions. More precisely, the BMG relies on the LSMG (Location and Scale Mixture of Gaussians) family, which we have studied and characterized. The second major contribution consists in extending the field of application of the BMG model to probability distributions supported on a bounded interval. Thus, we have proposed a new approach to approximate probability distributions called « asymptotically Exact Location-Scale Approximations » (ELSA) for which we have shown good behavior, both in theory and in practice and empirically validate its efficiency compared to state-of-the-art approaches. Finally, the efficiency of the BMG model, its PCGS sampler and ELSA approximations is studied and validated in the context of sparse inverse problems on an example of spike train deconvolution

Adaptive Sigma-Punkte-Filter-Auslegung zur Zustands- und Parameterschätzung an Black-Box-Modellen

In dieser Arbeit wird eine neuartige Methodik zur Zustands- und Parameterschätzungan nicht-analytischen, als Black-Box vorliegenden Multi-Domänen-Modellenvon technischen Systemen vorgestellt sowie alle notwendigen Werkzeuge zur Modelleinbindung,Filtertest und Bewertung der Schätzgüte entwickelt. HerausragendesMerkmal der entwickelten Methodik stellt die vollkommene Unabhängigkeitvon Expertenwissen über das zugrundeliegende Filtermodell und die Filtertechnologiedar. Dies macht die Filterauslegung an Multi-Domänen-Modellenmöglich, die mittels moderner Entwicklungswerkzeuge auf Basis von Bibliothekenoder sogar teil automatisiert erstellt wurden und über die somit keine Informationenüber Zustände, Struktur und Nichtlinearitäten vorliegen.In dieser Arbeit wurden echtzeitfähige Varianten von Sigma-Punkte-Kalman-Filtern erweitert, damit als Black-Box vorliegende Filtermodelle verwendbar werden.Es wurde ein Interface entwickelt, das in der Lage ist, Modelle aus einerVielzahl an Modellierungswerkzeugen zu nutzen. Diese Arbeit liefert einen wesentlichenNeuerungswert, um einen Filter mit hoher Schätzgüte auch bei starknichtlinearen, als Black-Box vorliegenden Systemen ohne Expertenwissen im zugrundeliegendenFiltermodell oder der Filtertechnologie auszulegen, da der Filterentwurfvollständig automatisiert auf Basis von Szenarien erfolgt. Alle erarbeitetenAlgorithmen und Methoden wurden in einer unter MATLAB zur Verfügungstehenden Toolbox zusammengefasst, um so ein Werkzeug für die Zustands- undParameterschätzung an unbekannten, stark nichtlinearen Modellen zur Verfügungzu stellen.The thesis presents a new methodology for state- and parameter estimation withnon-analytical multi-domain models of highly nonlinear technical systems thatexist only in the shape of black-box models and details the development of allnecessary tools. An outstanding characteristic of the methodology is its completeindependence of expert knowledge of the underlying lter model and lter technology.It enables lter design with multi-domain models that were constructedeither by means of modern development tools on the basis of libraries or evenin a partly automated way so there is no information available on their states,structure, and nonlinearities.Variations of Sigma-point Kalman lters to be used in real time were extendedin such a way as to enable use of lter models that exist only in the shape ofblack-box models. An interface was developed that is able to use models made upby any one of many dierent modelling tools. All algorithms and procedures thusdeveloped were gathered in a toolbox available in MATLAB so as to provide a toolfor state- and parameter estimation on unknown and highly nonlinear models.von Dipl.-Ing. Christoph Schweers ; Referent: Prof. Dr.-Ing. habil. Ansgar Trächtler, Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Sören HohmannTag der Verteidigung: 19.12.2016Universität Paderborn, Dissertation, 201

Vers le développement d'une station de télécommunication aérienne pour le milieu isolé

RÉSUMÉ : Le projet de recherche « Développement d'une station de télécommunication aérienne pour le milieu isolé » est basé sur la problématique de la quasi-absence de solutions de télécommunication pour le milieu isolé à part les tours de télécommunication, déployées partiellement, la fibre optique très onéreuse et présente dans de petits secteurs isolés et le satellite avec des coûts d'utilisation assez importants. Pourtant, lorsque l'on prend l'exemple du nord du Québec, la population, mais aussi certains secteurs industriels comme les mines ou le fret ferroviaire revendiquent la nécessité d'avoir des solutions de télécommunication innovantes ou à défaut simplement adéquates. La thèse, après avoir balayé en détail et évalué toutes les solutions de télécommunication existantes, propose une solution innovante : le ballon captif de télécommunications. Cette solution avec peu de ballons répartis sur un vaste secteur isolé permet de lui apporter une couverture radio totale. Cette solution est autonome en alimentation électrique et est déployable rapidement sur site. Les ballons captifs associés à des nanosatellites en plein essor de nos jours permettront d'apporter au milieu isolé les dernières technologies de télécommunication comme l'internet des objets, réservées pour le moment au milieu urbain. Ce projet de développement d'une solution de ballons captifs-nanosatellite pour le milieu isolé est en réalité un vaste projet dans lequel s'insère la thèse. Cette dernière vise donc à développer et à valider des concepts pour le milieu isolé qui seront utilisés lorsque, plus tard, les ballons et les nanosatellites se parleront dans le milieu isolé. L'un de ces concepts, la géolocalisation, constitue une des problématiques majeures en milieu isolé avec de multiples applications: la géolocalisation de personnes comme les employés travaillant dans les mines, la géolocalisation de trains nordiques, la géolocalisation de matériel, ou la géolocalisation d'animaux pour évaluer leur parcours migratoire par exemple. La thèse s'articule donc autour des thématiques de milieu isolé, de paramètres d'un système de télécommunication, de l'internet des objets, de techniques de géolocalisation avec estimateurs. Quatre études de cas sont mises en œuvre dans cette thèse, en utilisant pour chacune d'elles des techniques de modélisation, de simulations et bien évidemment de validations expérimentales. La première étude de cas a permis de développer avec succès un système de sécurité ferroviaire, pour des employés d'une compagnie ferroviaire travaillant sur des voies ferrées au nord du Québec en milieu isolé, donc sans connexion internet ni réseau électrique, avec la mise en œuvre d'un système de télécommunication basé sur le protocole IEEE 802.15.4. La seconde étude de cas a consisté à étudier la portée d'un système de télécommunication internet des objets utilisant le protocole LoRaWAN dans le cadre du milieu isolé: un résultat de 25 km a été établi. La troisième étude de cas, fondamentale dans un environnement isolé est concentrée sur l'optimisation de l'autonomie en énergie d'un nœud LoRa, donc pour l'internet des objets: une autonomie de 5 ans sur batterie lithium-ion a été obtenue. Enfin la dernière étude de cas met en œuvre un système de géolocalisation par l'internet des objets avec étude de différents estimateurs : une précision de 20 cm sur la géolocalisation d'un nœud LoRa a été obtenue. Ce projet de recherche a permis d'apporter des résultats fort intéressants et très prometteurs sur des concepts très présents dans les thématiques de recherche actuelles. Ces contributions scientifiques ont d'ailleurs débouché sur la publication d'un article et la soumission d'un autre, mais surtout, elles se manifesteront par un potentiel de soumission de 3 articles sous peu. Enfin, ce travail de recherche démontre la pertinence de l'association entre ballons captifs et nanosatellites pour le milieu isolé et il pose les bases du développement de cette solution innovante. -- Mot(s) clé(s) en français : milieu isolé, systèmes de télécommunication sans il, ballons captifs, photovoltaïque, internet des objets, LoRaWAN, géolocalisation, estimateurs, nanosatellites. -- ABSTRACT : "Development of an aerial telecommunication station for the isolated environment" research project is based on the problem of the lack of telecommunication solutions for the isolated environment apart from the telecommunication towers, partially deployed, the very expensive optical fiber located in small isolated areas and the satellite with fairly high operating costs. However, when we take the example of northern Quebec, the population but also certain industrial domains such as mining or rail freight claim the need for innovative or, by default, simply adequate telecommunication solutions. The thesis after having swept in detail and evaluated all the existing telecommunication solutions proposes an innovative solution: the tethered telecommunication balloon. This solution with few balloons distributed over a large isolated sector provides a high radio coverage. This solution is autonomous in terms of power supply and can be quickly deployed on the site. The tethered balloons associated with nanosatellites which is booming nowadays will bring to the isolated environment the latest telecommunication technologies like the internet of things reserved for the moment for urban environments. This project consisting to associate tethered balloons with nanosatellites for the isolated environment, is actually a vast project in which the thesis is part. Therefore, the thesis aims to develop and validate concepts for the isolated environment that will be used later, when tethered balloons and nanosatellites will talk to each other in the isolated environment. One of these concepts, the geolocalization, is one of the major issues in isolated environment with lots of applications: the geolocalization of people such as employees working in mines, the geolocalization of Nordic trains, the geolocalization of equipments, or the geolocalization of animals to assess their migratory journey, for example. Therefore, the thesis revolves around the themes of an isolated environment, of parameters for telecommunication systems, of the Internet of Things, of the geolocalization technics with estimators. Four case studies are implemented in this thesis, each using modeling, simulations and obviously experimental validation technic. The first case study made it possible to successfully develop a railway safety system, for employees of a railway company working on railways in northern Quebec in isolated areas therefore without internet connection or neither electrical network: the solution which has been developed was based on a telecommunication system working with the IEEE 802.15.4 protocol. The second case study consisted of studying the range of an Internet of Things telecommunication system based on the LoRaWAN protocol in the isolated environment context: a result of 25 km was established. The third case study, very important in an isolated sector, focuses on optimizing the energy autonomy of a LoRa node therefore for the Internet of Things: a 5-year autonomy on lithium-ion battery was obtained. Finally, the last case study implements a geolocalization system via the Internet of Things with a study of different estimators: a LoRa node geolocalization accuracy of 20 cm was obtained. This research project has made it possible to obtain very interesting and very promising results on concepts very present in current research themes. These scientific contributions result in the publication of one article and the submission of another one, but more importantly, there will be a potential submission of 3 articles. Finally, this research job demonstrates the relevance of the combination of tethered balloons and nanosatellites for isolated environments and it gives the foundations for the development of this innovative solution. -- Mot(s) clé(s) en anglais : isolated environment, wireless telecommunication systems, tethered balloons, photovoltaics, internet of things, LoRaWAN, geolocalization, estimators, nanosatellites

Analyse des sources du bruit de jeu dans les ventilateurs axiaux

L’écoulement de jeu est un phénomène hautement complexe et inévitable dant les turbomachines étant donné la nécessité de prévenir l’interférence des éléments statiques avec le rotor. Il mène cependant à des pertes potentiellement importantes au niveau de la performance aérodynamique ainsi qu’à une augmentation de la signature acoustique de ces machines. Les mécanismes associés à ce type d’écoulement secondaire ont été largement étudiés dans les dernières décennies, mais étant donné les phénomènes complexes en présence, l’espace limité ainsi que l’interaction de pièces en mouvement rapide, une investigation expérimentale in-situ de l’écoulement de jeu est souvent ardue et requiert l’emploi de techniques avancées. En conséquence, la caractérisation de ce mécanisme est encore incomplète et demeure un sujet d’actualité dans le monde de la recherche ; des analyses conjointes des aspects aérodynamique et aéroacoustique sont particulièrement rares. La présente thèse propose de tirer parti du potentiel des méthodes de simulation numérique d’écoulements fluide pour réaliser une étude aéroacoustique de l’écoulement de jeu dans les ventilateurs axiaux basse-vitesse. La méthode Lattice-Boltzmann a été choisie pour réaliser l’étude à cause de la capacité qu’elle a de réaliser simultanément une étude aérodynamique et aéroacoustique en propagation directe sur une série de ventilateurs basse-vitesse avec et sans virole tournante. Ceux-ci furent choisis en grande partie à cause de l’existence d’une banque de données expérimentale permettant de valider les résultats de simulation et dans l’optique de fournir une vue large sur les différents aspects géométriques et opérationnels pouvant avoir une influence sur la formation de l’écoulement de jeu. Les résultats numériques ont été employés pour réaliser une analyse détaillée du champ associé à l’écoulement de jeu et permettre l’identification des sources de bruits rattachées à l’aide de techniques de visualisations basées sur l’emploi d’isosurfaces de critère λ2 et l’emploi combiné de l’analogie acoustique de Ffowcs Williams et Hawkings et de visualisations de fluctuations de pression filtrés à la surface des rotors. La différence fondamentale dans le mécanisme de formation de l’écoulement de jeu entre les machines axiales avec et sans virole a été mis en évidence, mais l’apparition de composantes tonales dans le spectre acoustique associées à l’interaction des structures cohérentes provenant du jeu avec les pales des rotors a été observée dans tous les cas. Dans le but de fournir une évaluation quantitative du champ de distorsion responsable de l’apparition de ce bruit tonal, une technique de corrélation spectrale précédemment employée pour la caractérisation d’instabilités dans les machines centrifuges a été adaptée à l’étude du champ inhomogène induit par l’écoulement de jeu dans la région de bout de pale et permettre l’évaluation de son effet sur la signature acoustique des machines axiales étudiées.Abstract: Tip leakage flow is a highly complex phenomena that is unavoidable in turbomachinery applications due to the fact that a tip clearance is required to prevent the interference of the static elements of a turbomachine system with the moving rotor. It can lead to potentially large performance losses by modifying the aerodynamic conditions surrounding the blade as well as increases in the sound radiation of the fan. Tip leakage flow mechanics have been extensively studied in the last few decades, but given the complex flowfields encountered in turbomachine applications and the small geometric space coupled the moving parts of typical rotor geometries, in-situ experimental investigation of tip leakage flow is arduous at best, requiring advanced experimental setups, and at worst nigh impossible in normal turbomachine operation. As a result, the characterization of this highly complex phenomena is still incomplete and remains a very active research field. Furthermore, joint aerodynamic and aeroacoustic investigations are rare for that particular phenomena. The current study was designed to leverage the potential of CFD methods for the evaluation of tip leakage flow mechanics and its impact on the acoustic radiation of low-speed axial fans, which arguably represent the most common and simple archetype of fans. A relatively recent class of CFD method called the Lattice-Boltzmann Method (LBM) was used to jointly evaluate the aerodynamic and aeroacoustic performance of selected fan systems, both free-tipped and ring-shrouded configurations, with an available experimental database to which the simulation data was compared. The fans were selected on to allow for an extensive foray into the mechanics of tip leakage flow for a wide variety of configurations and operating conditions. The CFD results were leveraged to perform a detailed investigation of the tip clearance flowfield for each case and identify the noises sources associated with tip clearance flow using flow visualizations based on the λ2 criteria for the identification of vortical structures and the combined use of the Ffowcs Williams and Hawkings’ acoustic analogy with filtered wall-pressure fluctuation maps of the blade surfaces. The stark contrast in the tip flow mechanics associated with free-tipped and ring-shrouded fans was made evident from this analysis, but tonal components in the acoustic spectra of each of the configurations related to tip clearance mechanisms were also identified as a result of the interaction of the coherent turbulent structures generated by the rotor blades. In order to characterize the flow distortions reponsible for the identified narrowband noise, a spectral correlation technique previously used for the experimental characterization of flow instabilities in centrifugal fans that was adapted to quantify the distortions in the flow induced by the tip leakage flow and their impact of the acoustic radiation of the fan. The analysis is carried out on each of the fan configurations studied and the structure of the distortion fields responsible for the tonal noise radiated as a result of the interaction of the tip leakage flow with the rotor blades is investigated