Contributions aux pistages mono et multi-cibles fondés sur les ensembles finis aléatoires

Contributions to single and multi-target tracking based on random finite sets

• Auteur / Autrice : Leo Legrand
• Direction : Éric Grivel, Audrey Giremus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique
• Date : Soutenance le 05/07/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Vanheeghe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Grivel, Audrey Giremus, Philippe Vanheeghe, François Septier, Jean-Yves Tourneret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Septier, Jean-Yves Tourneret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Filtrage du signal

Loi binomiale

Statistique bayésienne non paramétrique

Mots clés libres

Ensembles finis aléatoires

Filtre de Bernoulli

Approche conjointe de pistage et de classification

Estimation bayésienne

Filtrage particulaire

Pistage mono et multi-Cibles

Random finite sets

Bernoulli filter

Joint target tracking and classification

Bayesian estimation

Particle filter

Mono and multi-Target tracking

Résumé

La détection et le pistage de cibles de surface, maritimes ou terrestres, constituent l’un des champs d’application de la surveillance par radar aéroporté. Dans ce contexte spécifique, il s’agit d’estimer les trajectoires d’un ou de plusieurs objets mobiles au cours du temps à partir de mesures radar bruitées. Cependant, plusieurs contraintes s’additionnent au problème d’estimation des trajectoires :1. le nombre d’objets présents dans la région d’intérêt est inconnu et peut évoluer au cours du temps,2. les mesures fournies par le radar ne correspondent pas toutes à des objets mobiles car certaines sont dues à l’environnement ; il s’agit de fausses alarmes,3. une mesure n’est pas toujours disponible pour chaque objet à chaque instant ; il s’agit de non-détections,4. les cibles de surface peuvent être très diverses en termes de capacité de manoeuvre.Pour tenir compte des trois premières exigences, les modèles d’ensembles finis aléatoires peuvent être envisagés pour procéder aux estimations simultanées du nombre d’objets et de leur trajectoire dans un formalisme bayésien. Pour répondre à la quatrième contrainte, une classification des objets à pister peut s’avérer utile. Aussi, dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons à deux traitements adaptatifs qui intègrent ces deux principes.Tout d’abord, nous proposons une approche conjointe de pistage et de classification dédiée au cas d’un objet évoluant en présence de fausses alarmes. Notre contribution réside dans le développement d’un algorithme incorporant un filtre fondé sur un ensemble fini aléatoire de Bernoulli. L’algorithme résultant combine robustesse aux fausses alarmes et capacité à classer l’objet. Cette classification peut être renforcée grâce à l’estimation d’un paramètre discriminant comme la longueur, qui est déduite d’une mesure d’étalement distance.Le second traitement adaptatif présenté dans cette thèse est une technique de pistage de groupes de cibles dont les mouvements sont coordonnés. Chaque groupe est caractérisé par un paramètre commun définissant la coordination des mouvements de ses cibles. Cependant, ces dernières conservent une capacité de manoeuvre propre par rapport à la dynamique de groupe. S’appuyant sur le formalisme des ensembles finis aléatoires, la solution proposée modélise hiérarchiquement la configuration multi-groupes multi-cibles. Au niveau supérieur, la situation globale est représentée par un ensemble fini aléatoire dont les éléments correspondent aux groupes de cibles. Ils sont constitués du paramètredu groupe et d’un ensemble fini aléatoire multi-cibles. Ce dernier contient les vecteurs d’état des cibles du groupe dont le nombre peut évoluer au cours du temps. L’algorithme d’estimation développé est lui-aussi organisé de manière hiérarchique. Un filtre multi-Bernoulli labélisé (LMB) permet d’estimer le nombre de groupes, puis pour chacun d’entre eux, leur probabilité d’existence ainsi que leur paramètre commun. Pour ce faire, le filtre LMB interagit avec un banc de filtres multi-cibles qui opèrent conditionnellement à une hypothèse de groupe. Chaque filtre multi-cibles estime le nombre et les vecteurs d’état des objets du groupe. Cette approche permet de fournir à l’opérationnel des informations sur la situation tactique.

Detecting and tracking maritime or ground targets is one of the application fields for surveillance by airborne radar systems. In this specific context, the goal is to estimate the trajectories of one or more moving objects over time by using noisy radar measurements. However, several constraints have to be considered in addition to the problem of estimating trajectories:1. the number of objects inside the region of interest is unknown and may change over time,2. the measurements provided by the radar can arise from the environment and do not necessarily correspond to a mobile object; the phenomenon is called false detection,3. a measurement is not always available for each object; the phenomenon is called non-detection,4. the maneuverability depends on the surface targets.Concerning the three first points, random finite set models can be considered to simultaneously estimate the number of objects and their trajectories in a Bayesian formalism. To deal with the fourth constraint, a classification of the objects to be tracked can be useful. During this PhD thesis, we developped two adaptive approaches that take into account both principles.First of all, we propose a joint target tracking and classification method dedicated to an object with the presence of false detections. Our contribution is to incorporate a filter based on a Bernoulli random finite set. The resulting algorithm combines robustness to the false detections and the ability to classify the object. This classification can exploit the estimation of a discriminating parameter such as the target length that can be deduced from a target length extent measurement.The second adaptive approach presented in this PhD dissertation aims at tracking target groups whose movements are coordinated. Each group is characterized by a common parameter defining the coordination of the movements of its targets. However, the targets keep their own capabilities of maneuvering relatively to the group dynamics. Based on the random finite sets formalism, the proposed solution represents the multi-target multi-group configuration hierarchically. At the top level, the overall situation is modeled by a random finite set whose elements correspond to the target groups. They consist of the common parameter of the group and a multi-target random finite set. The latter contains the state vectors of the targets of the group whose number may change over time. The estimation algorithm developed is also organized hierarchically. A labeled multi-Bernoulli filter (LMB) makes it possible to estimate the number of groups, and for each of them, to obtain their probability of existence as well as their common parameter. For this purpose, the LMB filter interacts with a bank of multi-target filters working conditionally to a group hypothesis. Each multi-target filter estimates the number and state vectors of the objects in the group. This approach provides operational information on the tactical situation.