Computation tools for radar propagation in complex environments based on Gaussian beam shooting techniques

L’objectif de ce travail de thèse est d’enrichir la formulation du Lancer de Faisceaux Gaussiens (LFG) et de tester sa capacité à répondre à certains des besoins actuels en calculs de propagation dans le domaine du Radar terrestre. Le LFG est envisagé comme une alternative possible aux méthodes classiques (Equation Parabolique, méthodes de rayons) en environnement complexe urbanisé, en particulier en présence d’obstacles latéraux, avec une cible située en non visibilité. La méthode de LFG "de base", qui utilise des expressions analytiques obtenues par approximation paraxiale, permet des calculs de propagation rapides en environnements complexes, sans problèmes de caustiques. Elle conduit à des résultats de précision satisfaisante dans le domaine millimétrique, par exemple pour des calculs de champs intra-bâtiments. Aux fréquences plus basses comme celles utilisées en Radar terrestre, elle est limitée par une prise en compte trop approximative des effets de diffraction et par l’élargissement spatial des faisceaux gaussiens au regard des dimensions des obstacles. La théorie des frames est utilisée dans cette thèse pour dépasser ces limites. La théorie des frames fournit un cadre rigoureux pour la décomposition initiale du champ rayonné en faisceaux gaussiens, et permet de calibrer le nombre et les directions des faisceaux à lancer. Dans ce travail de thèse, l’emploi de frames de fenêtres gaussiennes pour décomposer des distributions de champs ou de sources équivalentes est généralisé aux distributions de champs incidents sur des plans ou des portions de plans, choisis en fonction des obstacles rencontrés et des distances parcourues. Les champs rayonnés à partir de ces plans sont alors obtenus par sommation des faisceaux gaussiens lancés depuis ces frames dits de "re-décomposition". Les transformations de faisceaux gaussiens par des obstacles de taille limitée sont ainsi traitées par redécomposition : les faisceaux incidents partiellement interceptés par des surfaces limitées sont "re-décomposés" successivement sur deux frames de re-décomposition, à fenêtres "étroites" puis "larges", définis dans les plans de ces surfaces. Le frame à fenêtres "étroites" permet de traiter les discontinuités physiques, tandis que le frame à fenêtres "larges" permet de propager les champs transformés sous la forme de faisceaux "collimatés". Dans cette thèse, nous présentons une formulation de ces re-décompositions permettant une mise en œuvre numériquement efficace, grâce à des expressions analytiques approchées des coefficients de frame pour la première décomposition, et des éléments de la matrice de changement de frame pour la seconde. Cette formulation est mise en œuvre numériquement, et l’influence de différents paramètres sur la précision des re-décompositions est analysée. Finalement, l’algorithme de LFG enrichi de ces re-décompositions successives est utilisé dans un scénario simplifié proche de situations rencontrées en propagation Radar terrestre.In this work the Gaussian Beam Shooting (GBS) algorithm is complemented with new original formulations, and the ability of this "augmented" GBS algorithm to address specific problems encountered in electromagnetic field computations for ground-based Radar applications is tested. GBS is considered as an alternative to methods (Parabolic Equation, ray based methods) currently used for such computations in complex urban environments, especially when lateral obstacles and Non-Line-Of-Sight (NLOS) targets are involved. The "basic" GBS algorithm makes use of analytical expressions obtained through paraxial approximations. It allows to perform fast computations in complex environments, without suffering from any caustics problems. Reasonably accurate results have been obtained with this method in the millimetric range, e.g. for indoor field calculations. At lower frequencies, such as used in ground Radar systems, "basic" GBS cannot model diffraction effects accurately enough, and Gaussian beam width with respect to obstacle dimensions becomes a problem after some propagation distance. Frame theory is used in this PhD to overcome these limitations. Frame theory provides a rigorous framework for the initial decomposition of radiated fields into a set of Gaussian beams, providing flexible rules to adjust the number and directions of the launched beams. In this thesis, frame theory is used to discretize not only the source field distribution but also incident field distributions over planes or parts of planes of interest, according to encountered obstacles and propagation distances. The radiated fields are then obtained by summation of Gaussian beams launched from these frames called "reexpansion frames". Gaussian beam transformations by finite sized obstacles are addressed by this re-expansion scheme : the incident beams partially impinging on limited areas are successively "re-expanded" on two re-expansion frames, the first one composed of "narrow" windows and the second one of "wide" windows, both defined in the plane containing the limited area. Spatially narrow window frames allow to take into account abrupt transitions in space, and spatially wide window frames radiate in the form of collimated Gaussian beams. The re-expansion formulation proposed in this work is designed for efficient numerical implementation. Approximate analytical expressions are established for expansion coefficients on narrow window frames, and for frame change matrix elements. This formulation has been implemented, and the influence of frame parameters on re-expansion accuracy is analyzed. Finally, the GBS algorithm augmented with successive re-expansions is used to compute fields in simplified scenarios similar to situations encountered in ground-based Radar propagation problems