Phase error estimation for synthetic aperture imagery.

The estimation of phase errors in synthetic aperture imagery is important for high quality images. Many methods of autofocus, or the estimation of phase errors from the measured data, are developed using certain assumptions about the imaged scene. This thesis develops improved methods of phase estimation which make full use of the information in the recorded signal. This results in both a more accurate estimate of the image phase error and improved imagery compared to using standard techniques. The standard phase estimation kernel used in echo-correlation techniques is shear-average. This technique averages the phase-difference between each ping over all range-bins, weighted by the signal strength. It is shown in this thesis that this is not the optimal method of weighting each phase estimate. In images where the signal to clutter ratio (SCR) is not proportional to the signal amplitude, shear-average does not meet the predicted error bound. This condition may be met by many image types, including those with shadows, distributed targets and varying surface structure. By measuring the average coherence between echos at each range-bin, it is possible to accurately estimate the variance of each phase estimate, and weight accordingly. A weighted phase-difference estimation (WPDE) using this coherence weighting meets the performance bound for all images tested. Thus an improved performance over shear-average is shown for many image types. The WPDE phase estimation method can be used within the framework of many echo-correlation techniques, such as phase-gradient autofocus (PGA), phase curvature estimation, redundant phase-centre or displaced phase-centre algorithms. In addition, a direct centre-shifting method is developed which reduces bias compared to the centre-shifting method used in PGA. For stripmap images, a weighted phase curvature estimator shows better performance than amplitude weighted shear-average for images with high SCR. A different method of phase estimation, known as sharpness maximisation, perturbs an estimate of the phase error to maximise the sharpness of the reconstructed image. Several improvements are made to the technique of sharpness maximisation. These include the reduction of over-sharpening using regularisation and an improvement in accuracy of the phase estimate using range-weighting based on the coherence measure. A cascaded parametric optimisation method is developed which converges significantly faster than standard optimisation methods for stripmap images. A number of novel insights into the method of sharpness maximisation are presented. A derivation of the phase that gives maximum intensity squared sharpness is extended from a noncoherent imaging system to a coherent spotlight system. A bound on the performance of sharpness-maximisation is presented. A method is developed which allows the direct calculation of the result of a sharpness maximisation for a single ping of a spotlight synthetic aperture image. The phase correction that maximises sharpness can be directly calculated from the signal in a manner similar to a high-order echo-correlation. This calculation can be made for all pings in a recursive manner. No optimisation is required, resulting in a significantly faster phase estimation. The techniques of sharpness maximisation and echo-correlation can be shown to be closely related. This is confirmed by direct comparisons of the results. However, the classical intensity-squared sharpness measure gives poorer results than WPDE and different sharpness measures tested for a distributed target. The standard methods of shear average and maximisation of the intensity-squared sharpness measure, both perform well below the theoretical performance bound. Two of the techniques developed, WPDE and direct entropy minimisation perform at the bound, showing improved performance over standard techniques. The contributions of this thesis add considerably to the body of knowledge on the technique of sharpness maximisation. This allows an improvement in the accuracy of some phase estimation methods, as well as an increase in the understanding of how these techniques work on coherent imagery in general

Étude et réalisation d'un système d'imagerie SAR exploitant des signaux et configurations de communication numérique

The work presented in this thesis focuses on the design and implementation of a SAR system operating with two Digital Communications technology: MIMO configuration and OFDM signals. In the first part of this study, various methods for focusing received signals for MIMO configuration are proposed in order to measure the impact of the MIMO configuration on the robustness. In addition, the impact of the MIMO configuration on the azimuth resolution is measured. Finally, an experimental system is developed in order to validate the results obtained by simulation. In the second part of this study, a range ambiguity suppression method is proposed and validated by simulation. However, the use of conventional chirp signals showed the limits of its use for the range ambiguity suppression. Thus, a design method of OFDM signals is developed in order to solve this problem. The last study on the OFDM signals is carried out in the context of its use with the MIMO configuration. The impact of the OFDM signals on the azimuth resolution and the imaging quality parameters are studied.Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l'étude et la réalisation d'un système d'imagerie SAR (synthetic aperture radar) exploitant deux techniques provenant des communications numériques: la configuration MIMO et les signaux OFDM. Dans la première partie de cette étude, différentes méthodes de focalisation des signaux reçus pour la configuration MIMO sont proposées afin de mesurer l'impact de la configuration MIMO sur la robustesse du système d'imagerie SAR par rapport aux bruits. Par ailleurs, on mesure aussi l'impact de la configuration MIMO sur la résolution en azimut. Finalement, un système expérimental est développé au sein du laboratoire afin de confirmer les résultats obtenus par simulation. Dans la deuxième partie de cette étude, une méthode de réduction de l'ambiguïté en distance est proposée et validée par simulation. Cependant, l'utilisation de signaux classiques de type \textit{chirps} montre ses limites pour la réduction de l'ambiguïté en distance. Ainsi, une méthode de conception de signaux OFDM est développée afin de résoudre ce problème. Une dernière étude sur les signaux OFDM est mené dans le cadre de son utilisation dans la configuration MIMO pour l'imagerie SAR. L'impact des signaux OFDM sur la résolution azimutale ainsi que sur les différents paramètres de qualité images est étudié

Étude et réalisation d'un système d'imagerie SAR exploitant des signaux et configurations de communication numérique

The work presented in this thesis focuses on the design and implementation of a SAR system operating with two Digital Communications technology: MIMO configuration and OFDM signals. In the first part of this study, various methods for focusing received signals for MIMO configuration are proposed in order to measure the impact of the MIMO configuration on the robustness. In addition, the impact of the MIMO configuration on the azimuth resolution is measured. Finally, an experimental system is developed in order to validate the results obtained by simulation. In the second part of this study, a range ambiguity suppression method is proposed and validated by simulation. However, the use of conventional chirp signals showed the limits of its use for the range ambiguity suppression. Thus, a design method of OFDM signals is developed in order to solve this problem. The last study on the OFDM signals is carried out in the context of its use with the MIMO configuration. The impact of the OFDM signals on the azimuth resolution and the imaging quality parameters are studied.Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l'étude et la réalisation d'un système d'imagerie SAR (synthetic aperture radar) exploitant deux techniques provenant des communications numériques: la configuration MIMO et les signaux OFDM. Dans la première partie de cette étude, différentes méthodes de focalisation des signaux reçus pour la configuration MIMO sont proposées afin de mesurer l'impact de la configuration MIMO sur la robustesse du système d'imagerie SAR par rapport aux bruits. Par ailleurs, on mesure aussi l'impact de la configuration MIMO sur la résolution en azimut. Finalement, un système expérimental est développé au sein du laboratoire afin de confirmer les résultats obtenus par simulation. Dans la deuxième partie de cette étude, une méthode de réduction de l'ambiguïté en distance est proposée et validée par simulation. Cependant, l'utilisation de signaux classiques de type \textit{chirps} montre ses limites pour la réduction de l'ambiguïté en distance. Ainsi, une méthode de conception de signaux OFDM est développée afin de résoudre ce problème. Une dernière étude sur les signaux OFDM est mené dans le cadre de son utilisation dans la configuration MIMO pour l'imagerie SAR. L'impact des signaux OFDM sur la résolution azimutale ainsi que sur les différents paramètres de qualité images est étudié

Deception jamming against anti-ship missiles which use doppler beam sharpening modes

Missile seekers are becoming increasingly more capable of using Doppler Beam Sharpening (DBS) modes as part of the homing cycle, which requires new countermeasures against this mode. One type of countermeasure, is to create false targets within the seeker DBS image. This thesis presents two implementation methods to insert false targets into DBS images. Both methods are used to create false targets at a precise location within a seeker DBS image, but are implemented in different ways. The first method proposes repeat jamming with a time-varying delay, whilst the second proposes a fixed delay and adding a specific Doppler shift to received waveforms. The effects of tracking errors on the position of the false target are analysed, both analytically and with simulations and used to assess the practical implementation of the jamming scheme. An experimental DBS system was built to test the effectiveness of the jamming scheme against a platform moving in steps and assess errors caused by incorrectly estimating the seeker trajectory. The overall result of the thesis is that using the derived jamming methods, false targets can be created at specific locations in the DBS image of the victim radar, providing the trajectory of the victim radar is known

Imaging sensors in underwaters robotics: present and future trends

The two main visual sensors in underwater robotics are sonar and video. In a first part, we present the fundamentals of acoustic imagery. If some technics are well known, others, like synthetic aperture antenna, interferometry and parametric array are still research topics. In a second part, acoustic image processing techniques are presented. They are mainly applied to sea bottom characterization and robot navigation. The third part addresses video technology and processing. This sensor is complementary to sonar, due to its high resolution and the ease of interpretation of the images.Les deux principaux instruments utilisés comme capteurs de perception en robotique sous-marine sont le sonar et la vidéo. Dans une première partie, nous présentons les principes utilisés en imagerie acoustique. Si certaines techniques sont classiques, d'autres, telles que l'antenne synthétique, l'interférométrie et l'antenne paramétrique sont encore du domaine de la recherche appliquée. Dans une seconde partie, les applications de l'imagerie acoustique sont évoquées. Elles sont essentiellement axées sur la caractérisation des fonds sous-marins et sur l'aide que l'image peut apporter à la navigation du robot. Enfin, la troisième partie évoque les technologies et les traitements vidéo. Ce capteur s'avère très complémentaire du sonar grâce à sa haute résolution et à la facilité d'interprétation des images

Approche de reconstruction d’images fondée sur l’inversion de certaines transformations de Radon généralisées

Since the invention of radiography at the beginning of the 20th century and of the radar during the 2nd world war, the need of information on our environment is ever increasing. This goes from the exploration of internal structures using non-invasive numerous imaging techniques to satellite imaging which rapidly expands with space exploration. A huge number of imaging systems have been conceived to provide faithful images of the objects of interest. Computed Tomography (or the medical scanner) has experienced a tremendous success since it was invented. The reason for this success lies in the fact that its mathematical foundation is the Radon transform (RT), which has an inverse formula allowing the faithful reconstruction of the interior of an object.The Radon transform is a geometric integral transform which integrates a physical density of interest along a straight line in the plane. It is natural to expect that, when the line is replaced by a curve or a surface as an integration support, new imaging processes may emerge. In this thesis, we study two generalized Radon transforms which are defined on broken lines in the form of a letter V (called V-line RT or VRT) and on spheres centered on a fixed plane (called spherical RT or SRT), as well as their resulting imaging processes.The Radon transforms on V-lines (VRT) form the mathematical foundation of three tomographic modalities. The first modality exploits not only the attenuation of X-rays in traversed matter (as in Computed Tomography) but also the phenomenon of reflection on an impenetrable surface. The second modality makes use of Compton scattering for emission imaging. The third modality combines transmission and emission imaging modalities into a bimodal imaging system from scattered ionizing radiation. This study puts forward new imaging systems which compete with the existing ones and develops new algorithms for attenuation corrections (in emission imaging the attenuation is one of factors degrading seriously tomographic image quality up to now).The Radon transform on spheres centered on a fixed plane (SRT) is a generalization of the classical Radon transform in three dimensions. It has been proposed as a mathematical model for Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging. We show through the setting up of appropriate algorithms that the inversion of the SRT yields an efficient solution to the landscape reconstruction problem, directly in three dimensions.The theoretical feasibility of these new imaging systems based on generalized Radon transforms and the good performance of inversion algorithms based on inversion formulas open the way to several perspectives: 3D extension of bimodal imaging by scattered radiation or SAR target motion detection through the introduction of other generalized Radon transforms. Moreover the algorithmic methods developed here may serve in other imaging activities such as: seismics with the parabolic Radon transform, Doppler radar with the hyperbolic Radon transform, thermo-opto-acoustic imaging with the Radon transform on circles centered on a fixed circle.Depuis l'invention de la radiographie au début du vingtième siècle et des premiers radars lors la seconde guerre mondiale, le besoin de connaître notre environnement par différentes techniques d'imagerie n'a cessé de croître. Ce besoin a pris de multiples formes, allant de l'exploration d'une structure interne avec la prolifération des techniques d'imagerie non invasives à l'imagerie par satellite qui accompagna la conquête de l'espace. Nombre de systèmes d'imagerie ont donc été proposés pour arriver à créer les images les plus représentatives des milieux étudiés. Parmi eux la tomodensitométrie, ou scanner médical, a connu un succès remarquable depuis son invention. La raison de ce succès vient du fait que son principe de fonctionnement est fondé sur la transformée de Radon dont l'inversion permet de restituer une image fidèle de l'intérieur du milieu étudié.La transformée de Radon (TR) est une transformée géométrique intégrale, qui intègre une densité physique d'intérêt, le long d'une droite du plan. Il est donc naturel de penser qu'une généralisation de la TR, qui consiste à remplacer la droite, support d'intégration, par une courbe ou par une surface, peut amener à une nouvelle imagerie. Dans cette thèse, nous étudions deux types de transformées de Radon généralisées qui sont définies sur des lignes brisées en V du plan (appelées TRV) et des sphères centrées sur un plan fixe (appelées TRS) ainsi que leurs imageries correspondantes.Les transformées de Radon généralisées sur des lignes brisées (TRV) nous permettent de proposer trois nouvelles modalités tomographiques. La première, comme la tomodensitométrie, exploite le phénomène d'atténuation du rayonnement X lors de sa propagation dans un milieu mais utilise aussi le phénomène de réflexion du rayonnement sur une surface impénétrable. La deuxième exploite le phénomène de diffusion Compton du rayonnement émis par un objet. La troisième combine deux modalités d'imageries par transmission et par émission sous la forme d'une imagerie bimodale à partir du rayonnement ionisant diffusé. Cette étude permet non seulement de faire émerger de nouvelles imageries pouvant concurrencer celles existantes mais aussi d'établir de nouveaux algorithmes pour la correction de l'atténuation (un des facteurs physiques dégradant sérieusement la qualité d'image tomographique actuellement).La transformée de Radon sur des sphères centrées sur un plan fixe (TRS) est une généralisation connue de la transformée de Radon en trois dimensions. Elle a été proposée comme modèle mathématique de l'imagerie radar à synthèse d'ouverture (RSO). On montre par la construction d'algorithmes appropriés que l'inversion de cette TRS donne une solution efficace à la reconstruction d'images de l'environnement directement en 3D.La faisabilité théorique de ces nouvelles imageries modélisées par ces deux classes de transformées de Radon généralisées et la performance des algorithmes de reconstruction d'images basés sur les formules d'inversion de ces transformées ouvrent plusieurs perspectives : extension en 3D de l'imagerie bimodale par rayonnement ionisant diffusé, ou possibilité de détection de cibles mobiles en imagerie RSO par introduction d'autres généralisations de la TR. De plus, les méthodes développés dans cette thèse sont susceptibles d'application dans d'autres imageries : imagerie sismique modélisée par la transformée de Radon définie sur des paraboles, imagerie radar Doppler par la TR sur des hyperboles ou encore imagerie thermo-opto-acoustique modélisée par la TR sur des cercles centrés sur un cercle fixe

Développement d'algorithmes pour la fonction NCTR - Application des calculs parallèles sur les processeurs GPU.

Le thème principal de cette thèse est l'étude d'algorithmes de reconnaissance de cibles non coopératives (NCTR). Il s'agit de faire de la reconnaissance au sein de la classe "chasseur" en utilisant le profil distance. Nous proposons l'étude de quatre algorithmes : un basé sur l'algorithme des KPPV, un sur les méthodes probabilistes et deux sur la logique floue. Une contrainte majeure des algorithmes NCTR est le contrôle du taux d'erreur tout en maximisant le taux de succès. Nous avons pu montrer que les deux premiers algorithmes ne permettait pas de respecter cette contrainte. Nous avons en revanche proposé deux algorithmes basés sur la logique floue qui permettent de respecter cette contrainte. Ceci se fait au détriment du taux de succès (notamment sur les données réelles) pour le premier des deux algorithmes. Cependant la deuxième version de l'algorithme a permis d'augmenter considérablement le taux de succès tout en gardant le contrôle du taux d'erreur. Le principe de cet algorithme est de caractériser, case distance par case distance, l'appartenance à une classe en introduisant notamment des données acquises en chambre sourde. Nous avons également proposé une procédure permettant d'adapter les données acquises en chambre sourde pour une classe donnée à d'autres classes de cibles. La deuxième contrainte forte des algorithmes NCTR est la contrainte du temps réel. Une étude poussée d'une parallélisation de l'algorithme basé sur les KPPV a été réalisée en début de thèse. Cette étude a permis de faire ressortir les points à prendre en compte lors d'une parallélisation sur GPU d'algorithmes NCTR. Les conclusions tirées de cette étude permettront par la suite de paralléliser de manière efficace sur GPU les futurs algorithmes NCTR et notamment ceux proposés dans le cadre de cette thèse.The main subject of this thesis is the study of algorithms for non-cooperative targets recognition (NCTR). The purpose is to make recognition within "fighter" class using range profile. The study of four algorithms is proposed : one based on the KNN algorithm, one on probabilistic methods and two on fuzzy logic. A major constraint of NCTR algorithms is to control the error rate while maximizing the success rate. We have shown that the two first algorithms are not sufficient to fulfill this requirement. On the other hand, two algorithms based on fuzzy logic have been proposed and meet this requirement. Compliance with this condition is made at the expense of success rate (in particular on real data) for the first of the two algorithms based on fuzzy-logic. However, a second version of the algorithm has greatly increased the success rate while keeping control of the error rate. The principle of this algorithm is to make classification range bin by range bin, with the introduction of data acquired in an anechoic chamber. We also proposed a procedure for adapting the data acquired in an anechoic chamber for a class to another class of targets. The second major constraint algorithms NCTR is the real time constraint. An advanced study of a parallelization on GPU of the algorithm based on KNN was conducted at the beginning of the thesis. This study has helped to identify key points of a parallelization on GPU of NCTR algorithms. Findings from this study will be used to parallelize efficiently on GPU future NCTR algorithms, including those proposed in the thesis.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Processeurs SAR Basés sur des Détecteurs de Sous-Espaces

Classical SAR Imagery algorithms or SAR processors are all based on the isotropic point model. When detecting Man Made Targets (MMT), this assumption shows its limitation because of the directive behavior of these kind of targets: this model does not take into account their physical properties. The basic idea of this thesis is that we shall be able to develop more efficient SAR processors for the detection of MMT, provided that we adopt a more suited description for these targets. A natural way to model these MMT is to consider them as sets of canonical elements with unknown orientation. If the signal backscattered by the canonical element, whatever its orientation, belongs to a low dimensional subspace, it is then possible to develop a SAR processor based on subspace detectors matched to the canonical element. This processor is called Subspace Signal Detector SAR (SSDSAR) algorithm. When the MMT is embedded in a medium, where specific scatterers create interferences, one can model the electromagnetic response of these scatterers to clear them from the SAR image. Once again, if the set of signals backscattered by the element used to model the scatterer, whatever its orientation, belongs to a low dimensional subspace, a SAR processor based on subspace detectors can be developed. This processor is called Signal or Interference Subspace Detector SAR (SISDSAR) algorithm. Different ways to implement SSDSAR and SISDSAR are presented. Theoretical performances of the two new algorithms are studied in details. Finally, we apply these two processors to simulated and real data.Les algorithmes classiques d'imagerie SAR sont tous basés sur le modèle du point isotrope. Lors de la détection de cibles manufacturées (Man-Made Targets ou MMT), cette hypothèse montre ses limites en raison de la diffusion directive de ce genre de cibles: ce modèle ne tient pas compte de leurs propriétés physiques. L'idée de base de cette thèse est que nous serons en mesure de développer des processeurs SAR plus efficaces pour la détection du MMT, à condition que nous adoptions une description plus adaptée à ces objectifs. Une façon naturelle de modéliser ces MMT est de les considérer comme des ensembles d'éléments canoniques avec orientation inconnue. Si le signal rétrodiffusé par l'élément canonique, quelle que soit son orientation, appartient à un sous-espace de faible dimension, il est alors possible d'élaborer un processeur SAR sur la base de détecteurs de sous-espaces adaptés à l'élément canonique. Cet algorithme est appelé processeur SAR basé sur un Détecteur de Sous Espaces Signaux (SSDSAR). Lorsque le MMT est intégré dans un milieu où les diffuseurs spécifiques créent des interférences, on peut modéliser la réponse électromagnétique de ces diffuseurs pour les faire disparaître de l'image SAR. Encore une fois, si l'ensemble des signaux rétrodiffusés par l'élément utilisé pour modéliser le diffuseur, quelle que soit son orientation, appartient à un sous-espace de dimension faible, un processeur SAR basé sur des détecteurs subspatiales peut être développé. Ce processeur est appelé processeur SAR basé sur des Détecteurs de Sous Espaces Signaux ou Interférences (SISDSAR). Différentes façons de mettre en œuvre SSDSAR et SISDSAR sont présentées. Les performances théoriques des deux nouveaux algorithmes sont étudiées en détail. Enfin, nous appliquons ces deux processeurs à des données réelles et simulées

Imagerie plénoptique à travers des milieux complexes par synthèse d'ouverture optique

Nous présentons un nouveau type d'imageur plénoptique appelé LOFI (Laser Optical Feedback Imaging). Le grand avantage de cette technique est qu'elle est auto-alignée, car le laser sert à la fois de source et de détecteur de photons. De plus, grâce à un effet d'amplification intra-cavité produit par la dynamique du laser, et grâce à un marquage acoustique des photons réinjectés, ce dispositif possède une sensibilité ultime au photon unique. Cette sensibilité est nécessaire si l'on veut réaliser des images à travers des milieux diffusants. L'autre intérêt présenté par le caractère plénoptique de notre imageur, est qu'il permet d'obtenir simultanément une double information: la position et la direction de propagation des rayons lumineux. Cette propriété offre des possibilités inhabituelles, comme celle de conserver la résolution d'un objectif de microscope bien au-delà de sa distance de travail, ou encore de pouvoir corriger par un post-traitement numérique les aberrations causées par la traversée d'un milieu hétérogène. Le dispositif LOFI plénoptique semble donc idéal pour une imagerie en profondeur à travers des milieux complexes, tels que les milieux biologiques. Les performances très intéressantes de cette imageur sont cependant obtenues au prix d'un filtrage spatial très coûteux en photons et au prix d'une acquisition des images réalisées point par point, donc relativement lente.We present LOFI (Laser Optical Feedback Imaging). The main advantage of this technique is that it is auto-aligned, as the laser plays both the role of an emitter and a receiver of photons. Furthermore, thanks to an intra-cavity amplification effect caused by the laser dynamics and an acoustic tagging of re-injected photons, this setup reaches a shot noise sensitivity (single photon sensitive). This sensitivity is necessary if our aim is to make images through scattering media. The other interest, which comes from the plenoptic property of our setup, is that one have access to a complete information about light rays (position and direction of propagation). This property implies unusual possibilities like keeping a constant resolution beyond microscope objectives working distance or being able to numerically compensate, after acquisition, aberrations caused by the propagation through heterogeneous media. Our setup is thus ideal for deep imaging through complex media (turbid and heterogeneous) like biological ones. These interesting properties are achieved at the price of a spatial filtering degrading photon collection efficiency and of a point by point image acquisition which is slow.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF