Apport de techniques de traitement du signal super et haute résolution à l'amélioration des performances du radar-chaussée

• Auteur / Autrice : Cédric Le Bastard
• Direction : Yide Wang, Xavier Dérobert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique et génie électrique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et technologies de l'information et des matériaux (Nantes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radar à pénétration de sol

Contrôle non destructif

Chaussées -- Entretien et réparations

Résumé

Dans le domaine du génie civil, l'auscultation de couches minces de chaussée (de l'ordre de 2 cm d'épaisseur) est mal résolue par les techniques radar actuelles de Contrôle Non Destructif. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif d'améliorer, d'un facteur 3 à 6, la résolution temporelle des radars actuels par des techniques de traitement du signal dites super et haute résolution. Dans un premier temps, les méthodes super et haute résolution les plus connues de la littérature (LSMYW, MUSIC, ESPRIT, Min-Norm) sont évaluées à partir de signaux simulés. Les résultats montrent les variations de l'erreur quadratique moyenne sur l'épaisseur estimée de matériau, en fonction du rapport signal à bruit et du retard différentiel entre échos. Un critère de précision sur la mesure d'épaisseur permet de déduire la limite de résolution temporelle de chacun des algorithmes. Pour des échos fortement corrélés, on propose une optimisation du paramétrage de la technique de moyennage en sous-bande de fréquences. Quelque soit le niveau de corrélation, la limite de résolution temporelle obtenue permet de montrer la faisabilité de l'application. Dans un second temps, le document se focalise sur l'amélioration de techniques haute résolution de complexité calculatoire plus réduite. Tout d'abord, une version généralisée de l'algoritme ESPRIT (G-ESPRIT) est proposée, pour tenir compte de la forme de l'impulsion radar et des caractéristiques d'un bruit quelconque. Ensuite, deux méthodes linéaires à sous-espaces (OPM et SWEDE) sont introduites. Une version polynomiale d'OPM (root-OPM) permet d'accélérer la recherche des retards de propagation. La méthode SWEDE est transposée à l'estimation de retards; une nouvelle procédure de blanchiment permet d'améliorer ses performances (FBD-SWEDE). Puis, trois nouveaux algorithmes de traitement sont proposés, alliant les avantages calculatoires des algorithmes SWEDE et ESPRIT (ESPRIT-WED, AV-ESPRIT-WED, G-ESPRIT-WED). Enfin, toutes les méthodes de traitement présentées dans ce document sont expérimentées sur des signaux radar impulsionnel et à sauts de fréquence, obtenus sur un «milieu-modèle» monocouche et bicouche. La mise en oeuvre des algorithmes est détaillée. Les résultats permettent d'une part de valider les résultats théoriques et de montrer la faisabilité de la mesure de couches minces de chaussée à l'aide d'un radar de 2 GHz de largeur de bande.

In the field of civil engineering, the pavement survey of the top-layer of roadways is hardly performed by the current radar Non Destructive Techniques. Thanks to the use of special signal processing techniques applied to time delay estimation (TDE), this thesis aims at improving the time resolution of the processing of radar data by 3 at least. At first, the most well-known super and high resolution techniques (LSMYW, MUSIC, ESPRIT, Min-Norm) are performed on simulated data. The performance of algorithhms are assessed in terms of the root mean square error on the estimated thickness of pavement material. For highly correlated echoes, the sub-band smoothing techniques is optimized. The ultimate time resolution of each algorithm is attached to a given accuracy on thickness. Whatever the correlation magnitude is, the performances of algorithms are sufficient to fullfil the required criterion for the NDT application. Then, among the subspace algorithms, the study focusses on those which require a lower computational cost. The ESPRIT algorithm is reconsidered and extended to the signal model with the radar pulse and any noise characteristics accounted for in the mathematical formalism. Moreover, two linear subspace algorithms (OPM and SWEDE) are introduced. A polynomial solution is proposed for OPM (root-OPM) to perform the TDE faster. SWEDE is formulated to the TDE, and a more efficient whitening technique is proposed to improve its performance (FBD-SWEDE). At last, the principle of both SWEDE and ESPRIT algorithms are joined to propose three new algorithms applied to the TDE of radar signal (ESPRIT-WED, AV-ESPRIT-WED, G-ESPRIT-WED). Endly, the algorithms are tested on radar data, which are obtained from measurements on one layer and two-layers media. The implementation of algorithms is detailed for both types of GPR devices (step-frequency and pulse radars). The results are found in accordance with the simulated results and allow us to conclude on the feasibility of the thin pavement thickness measurement from a 2 GHz radar bandwidth.