Détection et poursuite en contexte Track-Before-Detect par filtrage particulaire

Detection and tracking in Track-Before-Detect context with particle filter

• Auteur / Autrice : Alexandre Lepoutre
• Direction : François Le Gland, Olivier Rabaste
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance le 05/10/2016
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Rennes, Bretagne-Atlantique) - ONERA Palaiseau - Institut de recherche mathématique (Rennes ; 1996-....) - ASPI

Mots clés

Mots clés contrôlés

Filtrage du signal

Détection du signal

Mots clés libres

Pistage

Track-Before-Detect

Filtre particulaire

Calcul de vraisemblance

Tracking

Track-Before-Detect

Particle filter

Likelihood calculation

Résumé

Cette thèse s'intéresse à l'étude et au développement de méthodes de pistage mono et multicible en contexte Track-Before-Detect (TBD) par filtrage particulaire. Contrairement à l'approche classique qui effectue un seuillage préalable sur les données avant le pistage, l'approche TBD considère directement les données brutes afin de réaliser conjointement la détection et le pistage des différentes cibles. Il existe plusieurs solutions à ce problème, néanmoins cette thèse se restreint au cadre bayésien des Modèles de Markov Cachés pour lesquels le problème TBD peut être résolu à l'aide d'approximations particulaires. Dans un premier temps, nous nous intéressons à des méthodes particulaires monocibles existantes pour lesquels nous proposons différentes lois instrumentales permettant l'amélioration des performances en détection et estimation. Puis nous proposons une approche alternative du problème monocible fondée sur les temps d'apparition et de disparition de la cible; cette approche permet notamment un gain significatif au niveau du temps de calcul. Dans un second temps, nous nous intéressons au calcul de la vraisemblance en TBD -- nécessaire au bon fonctionnement des filtres particulaires -- rendu difficile par la présence des paramètres d'amplitudes des cibles qui sont inconnus et fluctuants au cours du temps. En particulier, nous étendons les travaux de Rutten et al. pour le calcul de la vraisemblance au modèle de fluctuations Swerling et au cas multicible. Enfin, nous traitons le problème multicible en contexte TBD. Nous montrons qu'en tenant compte de la structure particulière de la vraisemblance quand les cibles sont éloignées, il est possible de développer une solution multicible permettant d'utiliser, dans cette situation, un seule filtre par cible. Nous développons également un filtre TBD multicible complet permettant l'apparition et la disparition des cibles ainsi que les croisements.

This thesis deals with the study and the development of mono and multitarget tracking methods in a Track-Before-Detect (TBD) context with particle filters. Contrary to the classic approach that performs before the tracking stage a pre-detection and extraction step, the TBD approach directly works on raw data in order to jointly perform detection and tracking. Several solutions to this problem exist, however this thesis is restricted to the particular Hidden Markov Models considered in the Bayesian framework for which the TBD problem can be solved using particle filter approximations.Initially, we consider existing monotarget particle solutions and we propose several instrumental densities that allow to improve the performance both in detection and in estimation. Then, we propose an alternative approach of the monotarget TBD problem based on the target appearance and disappearance times. This new approach, in particular, allows to gain in terms of computational resources. Secondly, we investigate the calculation of the measurement likelihood in a TBD context -- necessary for the derivation of the particle filters -- that is difficult due to the presence of the target amplitude parameters that are unknown and fluctuate over time. In particular, we extend the work of Rutten et al. for the likelihood calculation to several Swerling models and to the multitarget case. Lastly, we consider the multitarget TBD problem. By taking advantage of the specific structure of the likelihood when targets are far apart from each other, we show that it is possible to develop a particle solution that considers only a particle filter per target. Moreover, we develop a whole multitarget TBD solution able to manage the target appearances and disappearances and also the crossing between targets.