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

In the field of civil engineering, the survey of the thin top layer of carriageways, i.e. the pavement layer, is hardly performed by the conventional radar Non Destructive Techniques. This thesis aims to improve the time resolution of the classical GPR radar by a factor of 3 at least, using super and high signal processing techniques applied to time delay estimation (TDE). At first, the most well-known super and high resolution techniques (LSMYW, MUSIC, ESPRIT, Min-Norm) are studied and evaluated on simulated data. The performances of the algorithms are assessed in terms of the root mean square error on the estimated thickness of pavement material. An accuracy criterion on the measured thickness allows to deduce the ultimate time resolution of each algorithm. For highly or totally correlated echoes, the sub-band smoothing techniques are optimized. Whatever the correlation magnitude, the performances of algorithms are sufficient to fulfil the required criterion for the NDT application under scope. Then, among the subspace algorithms, the study focusses on those which require a lower computational cost. The ESPRIT algorithm is adapted and extended to the signal model with the radar pulse and any noise characteristics accounted for. Moreover, two linear subspace algorithms (OPM and SWEDE) are introduced. A polynomial solution is proposed for OPM (root-OPM) which is more efficient to perform the TDE. SWEDE is reformulated to the TDE problem, and a more efficient whitening technique is proposed to improve its performances (FBD-SWEDE). At last, the principle of both SWEDE and ESPRIT algorithms are combined to develop three new algorithms applied to the TDE of radar signal (ESPRITWED, AV-ESPRITWED, G-ESPRITWED). Finally, the algorithms are tested on radar data, obtained from measurements on one layer and two-layers media. The implementation of the 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.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 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 chaussée, en fonction du rapport signal sur 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 ou totalement corrélés, on propose une optimisation du paramétrage de la technique de moyennage en sous-bande de fréquences. Quel que 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'algorithme 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) permettant d'accélérer la recherche des retards de propagation est proposée. La méthode SWEDE est transposée à l'estimation de retards ; une nouvelle procédure de blanchiment permettant d'améliorer ses performances est également suggérée (FBD-SWEDE). Puis, de nouveaux algorithmes sont développés, combinant les avantages calculatoires des algorithmes SWEDE et ESPRIT (ESPRITWED, AV-ESPRITWED, G-ESPRITWED). Enfin, les méthodes de traitement présentées dans ce document sont expérimentées sur des signaux d'un radar impulsionnel et à sauts de fréquence, mesurés 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