Inferring tropospheric radio refractivity using optimization methods (Inférence de la réfraction troposphérique par méthodes d’optimisation) Karabaş, Uygar 2021-11-04 Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace

Directeur(s) de thèse:  Salaün, Michel Laboratoire :  ENAC/DEVI ,  Institut Clément Ader -ICA Ecole doctorale :  Aéronautique - Astronautique -AA Classification : Sciences de l'ingénieur

Accès :  Texte intégral Mots-clés : Propagation des ondes radio, Optimisation numérique, Problèmes inverses, Inversion de la réfractivité, Equation parabolique grand angle, Modèle adjoint Résumé : La réfraction troposphérique anormale entraîne une déviation des performances des systèmes radar marine par rapport à la normale. L'objectif principal de la thèse est de développer une technique d'inversion de la réfractivité pour prédire les anomalies de la couverture du radar avec précision et en temps réel. Dans cette étude, la réfractivité est supposée ne dépendre que de l'altitude et elle est prédite à partir de mesures d'ondes radio sans phase prises en configuration bistatique. Nous sommes intéressés par l'exploration des techniques d'inversion qui sont efficaces dans des scénarios réalistes à haute dimension pendant les opérations maritimes et qui peuvent maintenir la précision avec un minimum de besoin de connaissance a priori spécifiques au cas par cas. L'objectif à long terme est de transférer les techniques et les connaissances développées pour progresser vers un système de 'Refractivity-From-Clutter', qui est la technique d'inversion autosuffisant idéale pour améliorer l'autodéfense des navires, mais plus complexe à analyser et à développer correctement. Le problème inverse est formulé comme un problème d'optimisation non linéaire basé sur la simulation, qui est abordé à l'aide de méthodes Quasi-Newton. Les simulations sont modélisées par l'équation d'onde parabolique grand angle de Thomson et Chapman. Le gradient du problème d'optimisation est obtenu à l'aide de l'approche variationnelle adjointe et il est estimé de manière peu coûteuse au coût de deux simulations du modèle direct, quelle que soit la dimension des paramètres. Les dérivations sont validées numériquement en utilisant des mesures générées synthétiquement. Les tests numériques ont révélé la gravité de la non-linéarité et du caractère mal posé du problème inverse qui conduit souvent à des résultats d'inversion inexacts, même dans des conditions idéales lorsqu'il n'existe aucune erreur de modélisation ou de mesure. Des stratégies multi-échelles sont utilisées pour atténuer la non-linéarité du problème. Des résultats d'inversion précis sont obtenus en réduisant les espaces de paramètre et de mesures. Les avantages et les limites de la technique sont discutés dans des scénarios réalistes à haute dimension. Mots clés: propagation des ondes radio, optimisation numérique, problèmes inverses, inversion de la réfractivité, équation parabolique grand angle, modèle adjoint. Résumé (anglais) : Anomalous tropospheric refraction causes performance of naval radar systems to deviate from the normal. The main goal of thesis is to develop a refractivity inversion technique to predict the anomalies in radar coverage accurately in real-time. In this study, the refractivity is assumed to depend only on altitude and it is predicted from phaseless radio wave measurements taken in bistatic configuration. We are interested in exploring the inversion techniques which are efficient in high-dimensional realistic scenarios during maritime operations and which can maintain accuracy with minimum possible need for case-specific a priori information. The long-term goal is to transfer the developed techniques and knowledge to advance to a 'Refractivity-From-Clutter' system, which is the ideal self-contained inversion technique to upgrade ship self-defense, but more complex to analyze and develop properly. The inverse problem is formulated as a simulation-driven nonlinear optimization problem which is tackled using Quasi-Newton methods. The simulations are modeled with the 2D wide angle parabolic wave equation of Thomson and Chapman. The gradient of the optimization problem is obtained using variational adjoint approach and it is estimated cheaply at the cost of two forward model simulations regardless of parameter dimension. The derivations are validated numerically using synthetically-generated measurements. The numerical tests revealed the severity of nonlinearity and ill-posedness of the inverse problem which often leads to inaccurate inversion results, even in ideal conditions when no modeling or measurement errors exist. Multiscale strategies are used for mitigating the nonlinearity of the problem. Accurate inversion results are obtained using reduction in search and data spaces. The advantages and the limitations of the technique is discussed in realistic high-dimensional scenarios. Keywords: radio wave propagation, numerical optimization, inverse problems, refractivity inversion, wide-angle parabolic equation, adjoint model. Langue : Anglais

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