Développement d'une approche radar pour l'étude des réflexions sur les bâtiments et l'analyse des irrégularités de façade, Radar approach method for the modelling of building scattering, and analysis of facade irregularities

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Sous la direction de Odile Picon
Thèse soutenue le 10 décembre 2010: Paris Est
Cette thèse s'inscrit dans la lignée des travaux sur la prédiction du champ électromagnétique réfléchi par les bâtiments en milieu urbain. Nous avons développé une méthode de prédiction basée sur la Surface Équivalente Radar (SER) pour le traitement spécifique des bâtiments situés en zone lointaine. Contrairement aux méthodes classiques de lancer et le tracé de rayons où les réflexions sont traitées rayons par rayons, notre approche utilise la SER global d'un ensemble de bâtiments pour décrire la réflectivité des scènes. Le champ électrique est ensuite reconstruit au point de réception à partir de cette SER. La méthode de calcul est analytique et essentiellement basée sur la combinaison de l'optique géométrique (OG) et du calcul de l'intégrale de Kirchhoff-Huygens. Les interactions multiples de l'onde entre les bâtiments sont également prises en compte dans le modèle proposé. Les résultats obtenus en termes de précision de prédiction dans les directions spéculaires et non-spéculaires sont très satisfaisants. Les temps de calcul n'excédent pas 5 secondes pour les scénarios les plus complexes simulés ; ils permettent ainsi de réduire les temps de calcul et de surmonter les contraintes en place mémoire lors de l'étude d'une scène urbaine. Dans une seconde étude, l'influence des irrégularités des façades sur le champ électromagnétique diffracté a été évaluée. Nous utilisons la méthode des moments (MoM) bidimensionnelles (2D) pour résoudre de façon rigoureuse le problème de diffraction lié à trois types de façades : façade plane, façade corruguée et façade avec des balcons. A partir de la distribution du champ diffracté en zone proche et des diagrammes de rayonnement des façades en zone lointaine, nous décrivons les différents mécanismes de diffraction qui s'y produisent et les directions de réflexion prépondérantes sont données pour chacune des façades. Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre du projet ANR OP2H (Outil de Prédiction par navigation Hiérarchique et Homogénéisation de matériaux)
-Propagation outdoor
-Réflexions multiples
-Technique radar
-MoM
-Irrégularités de façade
The motivation of this dissertation is to propose an efficient approach for the prediction of the electromagnetic field scattered from a set of buildings in urban area. Unlike the ray tracing and ray lanching methods where the reflection mechanics are treated building by building, the proposed approach uses the radar cross section (RCS) as a global quantity to describe the reflection by a set of buildings and to predict the scattered field at the receiver position. An analytical expression is obtained to model building scattering using the vector form of Kirchhoff-Huygens integral and the geometrical optics (GO) method, and the multiple reflections between building facades are taken into account. The model is applied on various buildings configurations and accurate results are obtained in the predominant scattering directions with simulation times inferior to five seconds for the most complex scenarios. Since our approach is compatible to the classical methods based on ray techniques or the radiation of surface currents, it can be useful to accelerate the existing softwares. The second part of this thesis is devoted to the study of the influence of building facade irregularities such as balconies. As the complexity of these facades is incompatible with the use of asymptotic methods, the rigorous method of moments (MoM) has been chosen to determine the scattered field from these façades. The field distribution in the near zone of the facades as well as the radiation patterns in the far zone have been considered. It appears that single and second order reflections are the main scattering mechanisms for these facades. We also show that from a certain distance from the facade, the corrugated facade can be used as a simplified equivalent model for the facade with balconies. This thesis is supported by the French ANR project OP2H
-Outdoor propagation
-Multiples reflections
-Technique radar
-Method of Moments
-Facade irregularities
Source: http://www.theses.fr/2010PEST1036/document

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Langue Français
Poids de l'ouvrage 10 Mo
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École doctorale : Mathématiques et STIC
THÈSE
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Paris Est
Spécialité :
Électronique, optronique et systèmes
Présentée et soutenue le 10/12/2010 par
Ouattara Yélakan J.P Bérenger
DÉVELOPPEMENT D’UNE APPROCHE RADAR POUR L’ÉTUDE DES
RÉFLEXIONS SUR LES BÂTIMENTS ET L’ANALYSE DES
IRRÉGULARITÉS DE FAÇADE
Directeur de thèse
Odile PICON
Jury
Rodolphe Vauzelle Professeur des Universités, XLIM-SIC Poitiers Rapporteur
Professeur des Universités, IREENA, Ecole Polytechnique de
Joseph Saillard Rapporteur
l’université de Nantes
Jean-Marc Laheurte Professeur des Universités, UPEMLV-ESYCOM Président
Yves Lostanlen Ingénieur à SIRADEL Examinateur
Joe Wiart Ingénieur en chef à Orange Labs Invité
Odile Picon Professeur des Universités, UPEMLV-ESYCOM Directeur de thèse
Elodie Richalot Professeur des Universités, UPEMLV-ESYCOM Examinateur
Chargé de Recherche HDR, IREENA , Ecole Polytechnique
Christophe Bourlier Invité
de l’université de Nantes
© UMLV

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« A mon père Ouattara Achille et ma mère
Ouattara Eugénie»

























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Remerciements


Ce travail a été réalisé au sein du laboratoire ESYCOM (Electronique, Système de
Communication et Microsystèmes) de l’Université Paris-Est Marne-la-Vallée. Je tiens tout
d’abord par la présente à remercier mon directeur de thèse responsable du laboratoire, Odile
Picon qui m’a fait confiance en m’accueillant au sein du laboratoire. J’ai beaucoup apprécié
son sens critique et sa vision scientifique qui nous ont permis constamment de nous remettre
en question et de rechercher l’innovation pour la valorisation des travaux. Je remercie tout
particulièrement Elodie Richalot pour son entière implication dans cette thèse. Son
encadrement et sa grande disponibilité ont été d’une aide sans équivoque à la réalisation de
ce travail. Merci pour tes conseils avisés et ton intégrité car tu as su me donner les
motivations pendant mes moments de décrochage.
Je remercie vivement Monsieur Rodolphe Vauzelle et Monsieur Joseph Saillard
d’avoir accepté d’évaluer mon travail en donnant leurs points de vue constructifs en tant que
rapporteurs. J’exprime toute ma reconnaissance à Monsieur Jean-Marc Laheurte pour avoir
présidé le jury lors de ma soutenance. Je tiens à t’exprimer particulièrement toute ma gratitude
d’une part pour m’avoir donné goût à la recherche depuis le temps où j’ai été ton stagiaire et
d’autre part d’avoir donné de ta personne pour que mes conditions de travail soient réunies.
J’adresse également mes remerciements à Monsieur Joe Wiart, Ingénieur en chef à
Orange Labs et coordinateur du projet OP2H pour avoir fait partie de mon jury. Les
nombreuses discussions pendant nos réunions m’ont ouvert l’esprit sur les grandes
problématiques de la propagation en milieu urbain. Je remercie à juste titre l’Agence National
de Recherche (ANR) pour avoir financé ce projet. Je suis très reconnaissant à Monsieur
Christophe Bourlier, chargé de recherche de l’IREENA (Institut de Recherche en
Electronique et Electrotechnique de Nantes Atlantique) pour la collaboration sur le sujet
avec l’ESYCOM, pour les grandes discussions scientifiques comme il sait les mener et pour
avoir accepté l’invitation à assister à ma soutenance.
Aux membres du laboratoire ESYCOM…
Pour toutes nos discussions fructueuses sur la thématique mais aussi pour ton esprit de
compréhension à toutes les difficultés que j’ai pu traversées pendant ces trois années,
Shermila, je te remercie énormément de ton soutien. Je tiens à exprimer toute ma gratitude à
l’ensemble du corps enseignant du laboratoire ESYCOM : Stéphanie Mengué pour avoir
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accepté que j’intervienne en tant qu’enseignant dans son master ; Marjorie Grzeskowiak pour
m’avoir délégué ses cours d’électronique afin que je puisse présenter un dossier de
qualification et à Benoit Poussot pour mon initiation à la recherche.
A mes collègues doctorants, Hakim et Kamel pour avoir partagé le même bureau et pour
toutes nos discussions scientifiques et politiques pendant cette période de mutation de nos
pays respectifs. A Thierry Alves, Julien, Faiz et Nasserdine pour la bonne ambiance et le
bonheur dont vous avez su créer autour de moi.
Enfin sans votre soutien financier et moral je ne serai pas arrivé à cette conclusion : je
veux remercier mon grand frère Ouattara Marius d’avoir tout donné pour nous les jeunes afin
que nous réussissions dans les études. Merci à toute ma famille, je n’ai cessé de penser à vous
durant toutes ces années passées en France.

















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Résumé



Cette thèse s’inscrit dans la lignée des travaux sur la prédiction du champ électromagnétique
réfléchi par les bâtiments en milieu urbain. Nous avons développé une méthode de prédiction
basée sur la Surface Équivalente Radar (SER) pour le traitement spécifique des bâtiments
situés en zone lointaine. Contrairement aux méthodes classiques de lancer et le tracé de
rayons où les réflexions sont traitées rayons par rayons, notre approche utilise la SER global
d’un ensemble de bâtiments pour décrire la réflectivité des scènes. Le champ électrique est
ensuite reconstruit au point de réception à partir de cette SER. La méthode de calcul est
analytique et essentiellement basée sur la combinaison de l’optique géométrique (OG) et du
calcul de l’intégrale de Kirchhoff-Huygens. Les interactions multiples de l’onde entre les
bâtiments sont également prises en compte dans le modèle proposé. Les résultats obtenus en
termes de précision de prédiction dans les directions spéculaires et non-spéculaires sont très
satisfaisants. Les temps de calcul n’excédent pas 5 secondes pour les scénarios les plus
complexes simulés ; ils permettent ainsi de réduire les temps de calcul et de surmonter les
contraintes en place mémoire lors de l’étude d’une scène urbaine.

Dans une seconde étude, l’influence des irrégularités des façades sur le champ
électromagnétique diffracté a été évaluée. Nous utilisons la méthode des moments (MoM)
bidimensionnelles (2D) pour résoudre de façon rigoureuse le problème de diffraction lié à
trois types de façades : façade plane, façade corruguée et façade avec des balcons. A partir de
la distribution du champ diffracté en zone proche et des diagrammes de rayonnement des
façades en zone lointaine, nous décrivons les différents mécanismes de diffraction qui s’y
produisent et les directions de réflexion prépondérantes sont données pour chacune des
façades.
Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre du projet ANR OP2H (Outil
de Prédiction par navigation Hiérarchique et Homogénéisation de matériaux).






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Abstract


The motivation of this dissertation is to propose an efficient approach for the prediction of the
electromagnetic field scattered from a set of buildings in urban area. Unlike the ray tracing
and ray launching methods where the reflection mechanics are treated building by building,
the proposed approach uses the radar cross section (RCS) as a global quantity to describe the
reflection by a set of buildings and to predict the scattered field at the receiver position. An
analytical expression is obtained to model building scattering using the vector form of
Kirchhoff-Huygens integral and the geometrical optics (GO) method, and the multiple
reflections between building facades are taken into account. The model is applied on various
buildings configurations and accurate results are obtained in the predominant scattering
directions with simulation times inferior to five seconds for the most complex scenarios.
Since our approach is compatible to the classical methods based on ray techniques or the
radiation of surface currents, it can be useful to accelerate the existing softwares.

The second part of this thesis is devoted to the study of the influence of building facade
irregularities such as balconies. As the complexity of these facades is incompatible with the
use of asymptotic methods, the rigorous method of moments (MoM) has been chosen to
determine the scattered field from these façades. The field distributions in the near zone of the
facades as well as the radiation patterns in the far zone have been considered. It appears that
single and second order reflections are the main scattering mechanisms for these facades. We
also show that from a certain distance from the facade, the corrugated facade can be used as a
simplified equivalent model for the facade with balconies.
This thesis is supported by the French ANR project OP2H.
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tel-00598279, version 1 - 6 Jun 2011 Table des matières
REMERCIEMENTS .................................................................................................... 5
RESUME .................................................................................................................... 7
ABSTRACT................................................................................................................ 8
LISTE DES FIGURES .............................................................................................. 13
LISTE DES TABLEAUX........................................................................................... 17
INTRODUCTION ...................................................................................................... 21
I.LES OUTILS DETERMINISTES AVANCES POUR LA PREDICTION……………….
DU CHAMP ELECTROMAGNETIQUE EN MILIEU URBAIN.................................. 27
I.1 Introduction ...................................................................................................................... 29
I.2 Le modèle de Hata-Okuruma ........................................................................................... 30
I.3 Les modèles asymptotiques basés sur les rayons ............................................................. 31
I.3.1 Les champs de l’optique géométrique...................................................................... 32
I.3.1.1 Les types d’ondes ............................................................................................. 32
I.3.1.2 L’interaction des champs de l’OG avec les obstacles du milieu..................... 35
I.3.1.2.b Les expressions des champs réfléchi et transmis ......................................... 36
I.3.2 Les problèmes de diffraction par les arêtes des bâtiments....................................... 39
I.3.3 Le lancer et le tracé de rayons.................................................................................. 44
I.3.3.1 Le lancer de rayons .......................................................................................... 44
I.3.3.2 Le tracé de rayons ............................................................................................ 46
I.4 Les modèles asymptotiques basés sur des courants ......................................................... 48
I.4.1 Les diffractions multiples par l’optique physique.................................................... 48
I.4.2 Les réflexions simples et multiples par l’optique physique .................................... 51
I.4.3 Le modèle de réflexion basé sur les fonctions de Green.......................................... 51
I.5 Les méthodes exactes ....................................................................................................... 52
I.6 A propos des zones de diffraction.................................................................................... 53
I.7 Conclusion du chapitre..................................................................................................... 55
I.8 Références bibliographiques ............................................................................................ 57
II.VERS UNE METHODE D’ANALYSE GLOBALE: APPROCHE SURFACE
EQUIVALENTE RADAR .......................................................................................... 59
II.1 Positionnement du problème............................................................................................ 60
II.2 L’approche proposée ........................................................................................................ 62
II.3 La Surface Équivalente Radar.......................................................................................... 64
II.4 Outils de calcul de la SER bistatique ............................................................................... 67
II.4.1 Le champ incident .................................................................................................... 67
II.4.2 La méthode vectorielle de l’intégrale de Kirchhoff-Huygens.................................. 69
II.4.2.1 L’approximation de Kirchhoff ......................................................................... 70
II.4.2.2 Le champ électrique diffracté........................................................................... 72
II.4.3 La forme analytique de la SER bistatique................................................................ 73
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Table des matières
II.4.3.1 Simplifications pour une géométrie rectangulaire de l’objet diffractant.......... 74
II.4.3.2 Simplifications appliquées aux surfaces hétérogènes ...................................... 75
II.4.3.3 Les surfaces inclinées....................................................................................... 76
II.4.4 La reconstruction du champ électrique .................................................................... 78
II.5 Application de l’approche SER aux bâtiments urbains.................................................... 78
II.5.1 Description des bâtiments ........................................................................................ 79
II.5.2 Simulation de la SER bistatique d’une façade inclinée............................................ 81
II.5.3 Simulation d’une façade inhomogène d’un bâtiment urbain ................................... 83
II.5.4 Propriétés de la SER bistatique ................................................................................ 84
II.6 La SER globale d’un ensemble de bâtiments................................................................... 85
II.6.1 La facettisation des bâtiments .................................................................................. 87
II.6.2 Calcul de la SER des contributions.......................................................................... 89
II.6.3 Calcul de SER globale.............................................................................................. 89
II.6.4 Simulations d’un ensemble de deux bâtiments ........................................................ 91
II.6.4.1 Simulation du modèle de validation................................................................. 91
II.6.4.2 Simulation d’un ensemble de bâtiments en configuration orthogonale ........... 93
II.6.5 Simulation d’un modèle à 3 bâtiments comprenant un bâtiment non planaire
décalé.. ……………………………………………………………………………..97
II.7 Conclusion du chapitre................................................................................................... 102
II.8 Références bibliographiques .......................................................................................... 103
III.ANALYSE DE LA DIFFRACTION DU CHAMP ELECTROMAGNETIQUE.............
PAR LES FAÇADES IRREGULIERES DES BATIMENTS.................................... 107
III.1 Introduction .................................................................................................................... 108
III.2 Description des irrégularités des façades ....................................................................... 109
III.3 L’équation de diffraction 2D.......................................................................................... 111
III.4 Résolution du problème de diffraction par la MoM....................................................... 113
III.4.1 Matrice impédance Z – cas du conducteur parfait ............................................ 114
III.4.2 Matrice impédance Z - cas du diélectrique ....................................................... 116
III.4.3 Inversion de la matrice ....................................................................................... 118
III.4.4 Champ total en zone proche et zone lointaine.................................................... 118
III.4.5 Problèmes de singularité de la fonction de Green et diffraction par les
coins ........ ……………………………………………………………………….119
III.5 Validation de la MdM sur une surface diélectrique à corrugations ............................... 120
III.6 Etude comparative de trois profils de façades................................................................ 122
III.6.1 Incidence normale ( =0 )............................................................................... 124 i
III.6.2 Incidence oblique (θ = +60 ) ........................................................................... 126 i
III.6.3 Incidence oblique (θ = 30 )............................................................................ 129 i
III.7 Modèle équivalent et erreurs .......................................................................................... 130
III.7.1 Erreur absolue .................................................................................................... 131
III.7.2 Erreur relative moyenne ..................................................................................... 133
III.8 Étude des paramètres de la façade créneau ................................................................... 135
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