National audienceUne technique de compression permettant l'acquisi-tion d'images RADAR 3D à haute résolution est présen-tée dans cet article. Basée sur un principe d'acquisition comprimée, les informations reçues par un réseau d'an-tennes MIMO ULB sont mesurées sur un port unique. Après reconstruction des formes d'ondes reçues en post-processing, il est alors possible de réaliser des images 3D de façon rapide grâce aux développements récents en terme d'algorithmes MIMO

Carsenat, David

Decroze, Cyril

Fromenteze, Thomas

Kpré, Ettien Lazare

HAL-UNILIM

Imagerie MIMO ULB a` haute re´solution par uncomposant passif a` port uniqueThomas Fromenteze, Cyril Decroze, David Carsenat, Ettien Lazare Kpre´To cite this version:Thomas Fromenteze, Cyril Decroze, David Carsenat, Ettien Lazare Kpre´. Imagerie MIMOULB a` haute re´solution par un composant passif a` port unique. XIXe`mes Journe´es NationalesMicroondes, Jun 2015, Bordeaux, France. <hal-01213878>HAL Id: hal-01213878https://hal-unilim.archives-ouvertes.fr/hal-01213878Submitted on 9 Oct 2015HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.XIXèmes Journées Nationales Microondes3-4-5 Juin 2015 - BordeauxImagerie MIMO ULB à haute résolutionpar un composant passif à port uniqueThomas Fromenteze, Cyril Decroze, David Carsenat, Ettien. L. KpréInstitut de Recherche Xlim, Université de Limoges, Francethomas.fromenteze@unilim.frRésuméUne technique de compression permettant l’acquisi-tion d’images RADAR 3D à haute résolution est présen-tée dans cet article. Basée sur un principe d’acquisitioncomprimée, les informations reçues par un réseau d’an-tennes MIMO ULB sont mesurées sur un port unique.Après reconstruction des formes d’ondes reçues en post-processing, il est alors possible de réaliser des images3D de façon rapide grâce aux développements récents enterme d’algorithmes MIMO.1. IntroductionLes récentes améliorations des RADAR microondesà haute-résolution ont été rendus possibles grâce auxdéveloppements de systèmes MIMO (Multiple-InputsMultiple-Outputs) fonctionnant en ultra-large bande, per-mettant ainsi un accroissement conjoint des quantitésd’informations spatiales et temporelles mesurées [1]. Lesapplications de tels systèmes sont multiples, allant dudomaine médical à la détection d’armes enfouies. Ce-pendant, l’implémentation de ces techniques à grandeéchelle est fortement limitée par le coût et la complexitédes systèmes actifs ULB multipliés par le nombre devoies d’émission et de réception. Ainsi, une techniquea été introduite dans [2] afin de réduire la complexitédes systèmes actifs nécessaires au fonctionnement desRADAR ULB. Cette méthode de multiplexage passif uti-lise la propagation au sein d’un composant dispersif afinde compresser les formes d’ondes émises ou reçues. Ceprincipe a été étendu dans [3] au cas des RADARs MIMO,réalisant un prototype fonctionnant de façon passive dansle domaine ultra large bande. La théorie associée à cettetechnique est présentée dans la section suivante, suivie derésultats expérimentaux.2. Principe théoriqueUn montage illustratif est présenté en figure (1). Unemesure en réflexion est réalisée à l’entrée du composantcompressif de canaux [H(f)], reliant le port d’accès auxN antennes. Le signal mesuré S(f) correspond alors auproduit matriciel suivant :S(f) = [H(f)]︸ ︷︷ ︸1×N[M(f)]︸ ︷︷ ︸N×N[H(f)]T︸ ︷︷ ︸N×1, (1)avec [M(f)] la réponse fréquentielle entre chaquecouple d’antennes d’émission et de réception correspon-dant à la signature des cibles.Entre´e - Sortiecompresse´eSyste`me d’acquisition etde reconstruction d’imagesAffichage dela reconstructionComposantcompressifAntennes ULBFigure 1. Illustration d’un RADARMIMOULB à portd’accès unique. Les formes d’ondes émises et reçuespar le réseau d’antennes sont codées par la propaga-tion dans un composant compressif, permettant la me-sure d’une unique forme d’onde.Afin d’extraire la réponse des cibles du signal com-primé mesuré en réflexion du composant passif, des ma-trices de pseudo-inverses sont d’abord calculées par unerégularization de Tikhonov :[H(f)]+ = ([H(f)]†[H(f)] + β[IN ])−1[H(f)]† (2)où β est un paramètre de régularisation permettantd’améliorer le conditionnement du terme inversé et † estl’opérateur transposé-conjugué. Si les canaux [H(f)] sontorthogonaux entre eux, on a alors :[H(f)]+[H(f)] = [H(f)][H(f)]+ = [IN ] (3)XIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-4-5 Juin 2015 - BordeauxAinsi, une estimation [Mr(f)] de [M(f)] peut être cal-culée :[Mr(f)] = [H(f)]+[S(f)]([H(f)]+)T (4)A partir de l’équation (3), le développement suivant estréalisé :[Mr(f)] = [H(f)]−1[H(f)]︸ ︷︷ ︸[IN ][M(f)] [H(f)]T ([H(f)]−1)T︸ ︷︷ ︸[IN ](5)menant à une parfaite reconstruction de la réponse descibles. En pratique, cette déconvolution ne peut pas êtreidéale pour une fréquence unique, mais l’effet constructifen temporel permet de s’en approcher en fonction du ni-veau de corrélation des canaux. Cette technique est doncd’autant plus efficace que la bande passante utilisée estimportante, permettant d’augmenter la diversité fréquen-tielle des canaux et de limiter leurs niveaux de corrélation.Dans la prochaine section, la faisabilité de ce principe estdémontrée par un montage expérimental.3. Montage experimental et mesuresLe composant utilisé pour cette preuve de concept estune cavité reverberante de 0.6m3 dans laquelle une portd’entrée et 20 ports de sortie sont reliés à des sondes ULB(Fig. 2).Figure 2. Représentation schématique de la cavité re-verbérante utilisée comme composant dispersif.Une mesure des canaux dispersifs du composant com-pressif est réalisée dans la bande 2−10GHz à l’aide d’unVNA Rohde and Schwarz ZVL 13 (Fig. 3).Figure 3. Caractérisation des canaux de la cellule ré-verbérante et vue des sondes ULB utilisées pour lescréer.Le niveau de corrélation entre chaque couple de ca-naux est calculé (Fig. 4). Un rapport moyen de 17 relevéentre les niveaux d’autocorrélations et d’intercorrelationspermet d’assurer une projection inter-signaux limitées lorsde l’étape de reconstruction.Figure 4. Niveau de corrélation maximum entrechaque couple possible de canaux et de pseudo-inverses.Des antennes Vivaldi adaptées à partir de [4] sont en-suite connectées aux sorties du composant dispersif et dis-posée en réseau rectangulaire 4× 5, en utilisant un espaceinter-éléments de 6.25cm (Fig 5).Figure 5. Montage du RADAR MIMO à port uniqueUne mesure RADAR est réalisée afin d’imager unesphère métallique de 7.5cm de diamètre placée à 50cmen regard du réseau (Fig 6). À partir des signaux recons-titués, une image en trois dimensions est calculée à l’aided’un algorithme de backpropagation (Fig. 7).L’image 3D de la sphère métallique est reconstruite,malgré la présence quelques résidus spatiaux probable-ment liés à de légères modifications des canaux [H(f)]depuis l’étape de caractérisation.Dans la mesure où l’approche développée reste équi-valente aux systèmes MIMO conventionnels, il est pos-sible de disposer d’une ouverture synthétique plus grandeen utilisant le même nombre d’antennes au moyen d’unréseau en croix [5]. L’ouverture équivalente ainsi crée cor-respond à la convolution spatiale de la position des an-tennes d’émission et de réception et permet de mettre enévidence la faible redondance spatiale d’informations quitend à apparaitre dans le cas du réseau rectangle utilisé enXIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-4-5 Juin 2015 - BordeauxFigure 6. Cible sphérique placée en face du réseau rec-tangulaire.Figure 7. Gauche : Image 3D reconstruite à partir dusignal comprimé - Droite : Coupe à une distance de 50cm.MIMO. La figure (8) présente le montage du réseau uti-lisé pour lequel l’espacement entre antennes de 6.25cmsur chaque branche est utilisé.Cette mesure reproduit une expérience présentéedans [5] où un algorithme rapide de Range Migration basésur une décomposition en ondes planes est adapté au casMIMO. Le but de cette expérience est ainsi d’exploiter larapidité de cette approche conventionnelle et de l’adap-ter au cas compressif étudié. Après capture d’un uniquesignal mesuré par l’analyseur de réseau, la matrice d’in-teraction des antennes avec la scène est reconstruite puistraitée par l’algorithme d’imagerie présenté dans [5]. Uneforme d’arme à feu est utilisée pour cette expérience, afinde présenter les performances de cette technique pour descibles plus complexes et d’introduire sa potentielle implé-mentation au domaine de la détection d’objets enfouis.L’image obtenue en 3D ainsi qu’une coupe dans le plande la cible sont présentées en figure (9). Cette image a étécalculée en moins de 2s grâce à l’implémentation de l’al-gorithme de Range Migration.La reconstruction obtenue permet de retrouver laforme de l’arme à feu dans l’espace. Une rotation de 45◦de la scène est obtenue lors de l’application de l’algo-rithme rapide introduit dans [5], dû à une reconstructionorientée selon les branches du réseau en croix.Figure 8. Réseau en croix utilisant le même nombred’éléments que précédemment, connecté à la cellule ré-verbérante.Figure 9. Reconstruction d’une cible en forme d’armeà feu en 3D et extraction d’une image 2D dans le plande la cible. La scène a subi une rotation de 45◦ du faitde l’algorithme rapide d’imagerie utilisé [5].4. ConclusionUne méthode d’imagerie à haute résolution ne nécessi-tant que la mesure d’un unique signal a été réalisée. Cettepreuve de concept permet de démontrer la possible réduc-tion de complexité des architectures actives mises en jeuxdans les systèmes d’imagerie microonde MIMO. Dansla mesure où la qualité de la reconstruction des signauxdépend de la diversité fréquentielle des canaux du com-posant compressif, cette technique est particulièrementbien adaptée au domaine ULB, voyant ses performancesaugmenter avec la bande passante utilisée contrairementà l’ensemble des systèmes existants. Le principe d’ac-quisition "one shot" permettrait l’implémentation decette technique dans de nombreux domaines allant de ladétection d’objets enfouis à l’imagerie médicale. Unefois les signaux reconstruits par pseudo-inversion, cetteapproche est compatible avec l’ensemble des algorithmesd’imagerie développés pour les systèmes conventionnels,permettant de s’adapter aux contraintes de temps de calculet de complexité de cible, impliquant par exemple desformes complexes et des matériaux hétérogènes.XIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-4-5 Juin 2015 - BordeauxUn nouveau composant a été développé pour de fu-tures expériences (Fig. 10). Les câbles reliant les an-tennes au composant compressif ont été supprimés dansla mesure où ils représentaient la plus grande source d’in-stabilité. De prochaines études théoriques et expérimen-tales seront ainsi menées afin d’améliorer la reconstructiondes signaux compressés et la qualité des images haute-résolution obtenues par cette technique.Figure 10. Nouveau système compressif appliqué àl’imagerie microonde MIMO ULB "One shot".Références[1] D.W. Bliss et K.W. Forsythe, "Multiple-inputmultiple-output (MIMO) radar and imaging : degreesof freedom and resolution" Sig, Sys and Comp, Conf.on. Vol. 1. IEEE, 2003.[2] D. Carsenat et C. Decroze, UWB Antennas beamfor-ming using passive time reversal device, IEEE Ant.Wire. Prop. Lett., vol.11, pp.779-782, 2012.[3] T. Fromenteze, C. Decroze et D. Carsenat, "PassiveUWB multiplexing device for a single-port MIMORADAR", Microwave Symposium (IMS), 2014 IEEEMTT-S International , vol., no., pp.1,4, 1-6 June 2014.[4] X. Zhuge et A.G. Yarovoy, "Design of low profile an-tipodal Vivaldi antenna for ultra-wideband near-fieldimaging" Antennas and Propagation (EuCAP) Procee-dings of the Fourth European Conference on. IEEE,pp. 1-5, 2010.[5] X. Zhuge et A.G. Yarovoy, "Three-Dimensional Near-Field MIMO Array Imaging Using Range MigrationTechniques", Image Processing, IEEE Transactionson, vol.21, no.6, pp. 3026-3033, 2012.XIXèmes Journées Nationales Microondes, 3-4-5 Juin 2015 - Bordeaux

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