Modelling of rough natural and manmade surfaces at millimetre-wave frequencies – study of the interactions between a target and its natural environment
Modélisation de la diffusion par les surfaces rugueuses naturelles ou artificielles en ondes millimétriques - étude du couplage entre un objet et son environnement naturel
Résumé
Systematic characterisation of scattering behaviour of natural (oceans, snow, sand) and manmade (roads...) rough surfaces is required in many radar applications. The scattering elements of such surfaces have complex geometry and are randomly distributed; so their radar scattering involves complex interactions.
Moreover, in general, it is found that the overall scattering response of such surfaces is composed of surface (which is function of the surface height statistics) and volume scattering components (due to inclusions underneath the rough interface).
During this thesis, we propose and set out rigorous analytical formulations to calculate the scattered power by rough surfaces : Integral Equation Method (IEM) is used to work out the surface scattering and the Radiative Transfer Theory (RTT) is applied to model the volume scattering.
The applications of our work are focused on road surfaces such as asphalt and concrete. We studied the evolution of the monostatic scattering coefficients from the nadir to the hardly ever developed grazing incidence, even at millimeter-waves frequencies, in response to large requirements in modeling from remote sensing up to safety in road traffic. Then we evaluated the general bistatic scattering coefficients (scattering in the directions other than incidence direction).
An other interesting stage of our work was focused on the evaluation of the behaviour of an object in its close environment. Actually, it is sometimes necessary to take into account the contribution of the coupling of the targets and their immediate environment. We developed a method which evaluates the Radar Cross Section (RCS) of target considering their immediate environment influence, using both the bistatic scattering coefficients from the target and the terrain around it.
Moreover, in general, it is found that the overall scattering response of such surfaces is composed of surface (which is function of the surface height statistics) and volume scattering components (due to inclusions underneath the rough interface).
During this thesis, we propose and set out rigorous analytical formulations to calculate the scattered power by rough surfaces : Integral Equation Method (IEM) is used to work out the surface scattering and the Radiative Transfer Theory (RTT) is applied to model the volume scattering.
The applications of our work are focused on road surfaces such as asphalt and concrete. We studied the evolution of the monostatic scattering coefficients from the nadir to the hardly ever developed grazing incidence, even at millimeter-waves frequencies, in response to large requirements in modeling from remote sensing up to safety in road traffic. Then we evaluated the general bistatic scattering coefficients (scattering in the directions other than incidence direction).
An other interesting stage of our work was focused on the evaluation of the behaviour of an object in its close environment. Actually, it is sometimes necessary to take into account the contribution of the coupling of the targets and their immediate environment. We developed a method which evaluates the Radar Cross Section (RCS) of target considering their immediate environment influence, using both the bistatic scattering coefficients from the target and the terrain around it.
Le problème de la modélisation de la diffusion d'une onde électromagnétique par une surface rugueuse naturelle (océan, sable...) ou artificielle (routes...) intervient dans de nombreuses applications radar. La nature géométrique et physique des contributeurs ainsi que leur répartition sur la surface entraînent souvent des interactions difficiles à quantifier par des méthodes exactes et/ou asymptotiques numériques.
D'autre part, nous avons établi, à partir de nos recherches bibliographiques dans le domaine des surfaces rugueuses, que la diffusion totale par de telles surfaces est la somme d'une diffusion de surface (fonction des irrégularités sur la surface) et d'une diffusion de volume (due aux inclusions dans le sol).
Au cours de cette thèse, nous avons développé une méthode analytique rigoureuse de calcul de la puissance totale diffusée par des sols rugueux basée sur l'utilisation conjointe de la Méthode de l'Equation Intégrale ou IEM (diffusion de surface) et de la Théorie du Transfert Radiatif (diffusion de volume).
Dans nos applications, nous nous sommes intéressés à des surfaces rugueuses en asphalte et en béton. Nous avons évalué le coefficient de rétrodiffusion en considérant aussi le cas rarement traité de l'incidence rasante (pour des applications radar d'assistance à la conduite). Nous avons ensuite généralisé cette étude au comportement de la diffusion bistatique (diffusion dans des directions autres que la direction d'incidence).
Une autre partie intéressante de ces travaux a concerné l'évaluation du comportement d'un objet dans son environnement proche. Il s'avère en effet nécessaire, sous certaines incidences, de prendre, de plus, en compte la contribution du couplage entre un objet et son environnement immédiat. Les interactions directes onde électromagnétique - objet sont évaluées par les modules de calcul de la surface équivalente radar (SER) d'objets complexes 3D réalisés au laboratoire. L'environnement (surface rugueuse dans notre cas) est caractérisé par son coefficient de diffusion bistatique déterminé par les méthodes électromagnétiques étudiées et précitées. Ainsi, il a été possible d'élaborer une méthode de calcul de la SER d'un objet complexe 3D en tenant compte de l'influence de son environnement naturel.
D'autre part, nous avons établi, à partir de nos recherches bibliographiques dans le domaine des surfaces rugueuses, que la diffusion totale par de telles surfaces est la somme d'une diffusion de surface (fonction des irrégularités sur la surface) et d'une diffusion de volume (due aux inclusions dans le sol).
Au cours de cette thèse, nous avons développé une méthode analytique rigoureuse de calcul de la puissance totale diffusée par des sols rugueux basée sur l'utilisation conjointe de la Méthode de l'Equation Intégrale ou IEM (diffusion de surface) et de la Théorie du Transfert Radiatif (diffusion de volume).
Dans nos applications, nous nous sommes intéressés à des surfaces rugueuses en asphalte et en béton. Nous avons évalué le coefficient de rétrodiffusion en considérant aussi le cas rarement traité de l'incidence rasante (pour des applications radar d'assistance à la conduite). Nous avons ensuite généralisé cette étude au comportement de la diffusion bistatique (diffusion dans des directions autres que la direction d'incidence).
Une autre partie intéressante de ces travaux a concerné l'évaluation du comportement d'un objet dans son environnement proche. Il s'avère en effet nécessaire, sous certaines incidences, de prendre, de plus, en compte la contribution du couplage entre un objet et son environnement immédiat. Les interactions directes onde électromagnétique - objet sont évaluées par les modules de calcul de la surface équivalente radar (SER) d'objets complexes 3D réalisés au laboratoire. L'environnement (surface rugueuse dans notre cas) est caractérisé par son coefficient de diffusion bistatique déterminé par les méthodes électromagnétiques étudiées et précitées. Ainsi, il a été possible d'élaborer une méthode de calcul de la SER d'un objet complexe 3D en tenant compte de l'influence de son environnement naturel.
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