Réalisation d'un radar continu à modulation de fréquence pour l'aide à la reconnaissance de l'environnement

Évaluation des méthodes polarimétriques et d'imagerie SAR

Thèse de doctorat de l'université P&M Curie Paris VI

LIS UPMC P6 - ELAN Cemagref Antony

1> Résumé de la thèse		7> Images SAR
2> La Robotique agricole au Cemagref		8> Application au radar FM-CW
3> Traitement du signal avec le radar FM-CW		9> Suite
4> Reconnaissance standard avec un radar FM-CW		10> Suite
5> Temps-Fréquence : Wigner-Ville		11> Suite
6> Signatures polarimétriques		12> Suite

Résumé Un capteur radar à modulation de fréquence permet d'évaluer des méthodes de perception de l'environnement. Les réponses des objets sont analysées par des techniques de traitement du signal telles que la transformée de Fourier, la TF deux dimensions, l'analyse temps fréquence de Wigner-Ville dont les potentialités et les limites sont évaluées.
Dans le cadre agricole de cette étude, un capteur terrain original a été développé et permet d'utiliser des méthodes généralement définies pour des radars aéroportés et satellitaires. Les méthodes d'imagerie SAR, spécialement mises en œuvre pour les radars FM-CW, ainsi que les techniques de perception polarimétriques sont appliquées en conditions de mesures extérieures.
Ce capteur donne un nouvel éclairage des moyens de caractérisation de l'environnement.
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La Robotique Agricole au Cemagref Le Cemagref (Centre d'Étude du Machinisme Agricole, du Génie Rural des Eaux et des Forêts) développe au sein de son département EAA (Équipements pour l'Agriculture et l'Agro-alimentaire) des capteurs pour l'agriculture de futur.
Ces capteurs vont permettre de rendre les machines plus autonomes.
Elles se localiseront (GPS, Radar), elles seront guidées de manière automatique (Camera), elles effectueront des tâches toujours plus complexes : traie automatique (Plan Laser), récoltes (Robot Magaly)...
Quelques exemples de tels capteurs sont donnés dans le tableau ci-dessous.

Quelques exemples de capteurs pour la robotique agricole
*Guidage automatique d'engin : exemple de camera placée sur un tracteur*	*Type d'image obtenue avec ce capteur*
*Radar FM-CW de localisation d'engin agricole*	*Cibles utilisées pour la localisation des machines : trièdre métallique de 1 mètre de coté*

C'est dans ce cadre particulier que nous avons étudié un nouveau type de capteur de perception de l'environnement : le radar FM-CW.
Bien qu'ancien, le radar FM-CW peut apporter de nouvelles solutions à la perception dans un environnement extérieur.
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Traitement du signal FM-CW

Acquisition

Le signal émis est une sinusoïde de fréquence centrale 10 GHz et modulée en fréquence de 60 MHz autour de cette valeur centrale.
Cette onde se propage dans son milieu et est réfléchie par un obstacle.
Pour une modulation linéaire, la différence entre la fréquence de l'onde reçue et celle de l'onde actuellement émise est proportionnelle à la distance radar-cible.
Au niveau du récepteur, nous mesurons un battement entre ces deux ondes. Après un filtrage adéquat, il ne restera plus qu'un signal de battement basse fréquence.
Ce signal est utilisé pour réaliser l'image radar que nous nommerons conventionnelle ou standard.

Transformée de Fourier

La différence de fréquence entre le signal émis et son écho porte l'information de distance.
Une transformée de Fourier du signal de battement permet de remonter à l'information de distance.
Le module de cette transformée donne l'emplacement des différentes fréquences, ainsi que leurs amplitudes, correspondants aux objets qui composent l'environnement autour du radar.
Avec une antenne tournante, nous effectuons une image tous les degrés. Ainsi sur 360°, nous obtenons une image panoramique de l'environnement proche du radar.

Image panoramique représentant le site d'expérimentation
du Cemagref d'Antony

Cette image est composée des contours des objets (en vert) et des balises de localisation (en rouge).

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Reconnaissance standard avec un radar FM-CW

Traitements basés sur le module de la FFT

Quelques exemples de traitements appliqués aux signaux réels
*Module de la Transformée de Fourier d'un trièdre*	*Suite Texte*	*Suite Texte*
Texte explication de l'image de droite	*Suite Texte*	*Conclusion : Texte conclusion*

Traitements basés sur la FFT

Quelques exemples de traitements appliqués aux signaux réels
*Transformée de Fourier bi-dimensionnelle (FFT 2D)*	*Zero filling angulaire et FFT 2D*	*Interpolation angulaire*
Texte explication de l'image de droite	*Resultats de classification à l'aide de ces traitements*	*Conclusion : Texte conclusion*

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Temps-Fréquence avec un radar FM-CW

Wigner-Ville sur les signaux réels
*Fenêtre de largeur : 03, 91 spectres*
*Fenêtre de largeur : 07, 91 spectres*
*Fenêtre de largeur : 30, 91 spectres*

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Signatures polarimétriques avec un radar FM-CW

Signatures polarimétriques calculées à partir de signaux réels
	*Copolarisées*	*Contrapolarisées*
*Dièdre droit*
*Dièdre à 45 degrés*
*Trièdre*

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Imagerie SAR avec un radar FM-CW de terrain

Exemples d'images SAR et RADAR des mêmes objets
	*Images RADAR*	*Images SAR*
*Dièdre droit*
*Dièdre à 45 degrés*
*Trièdre*

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Applications du radar FM-CW dans l'agriculture

Panoramique

L'image 11.GIF représente un panoramique du château de Versailles. Cette image fut réalisée avec le radar FM-CW actuellement en cours d'utilisation. Un tel outils permet de réaliser un cartographie rapide, une image de l'environnement...

Localisation

Ce même radar est capable de détecter des balises dans un champs, celles-ci sont des dièdres et trièdres métalliques, ce qui permet à un engin autonome de se localiser à 3 cm près. La thèse de Marie-Odile Monod, 21 décembre 1995, développe cet aspect de façon très précise.

Télémètre hyperfréquence

Et finalement, ce radar est capable d'effectuer par tout temps et tout environnement extérieur de travail, une mesure de distance dont l'écart type n'excède pas 1 cm à 100 m. Le graphique 12.GIF représente la mesure au vol sur un même objet durant une heure.

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Page de Jacques Dusi

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