Inférence de la réfraction troposphérique par méthodes d'optimisation
Inferring tropospheric radio refractivity using optimization methods
Résumé
Anomalous tropospheric refraction causes performance of naval radar systems to deviate from
the normal. The main goal of this thesis is to develop a refractivity inversion technique to predict
the anomalies in radar coverage accurately in real-time. In this study, the altitude-dependent
refractivity 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 de-
veloped 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 confirmed the nonlinear and ill-posed character of the inverse problem
which often led to inaccurate inversion results, even in ideal conditions when no modeling or
measurement errors existed. Quality of the results was improved by using multiscale strategies
which overcame non convexity and 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.
Une réfraction troposphérique anormale peut entraîner une perte de performances des systèmes
radar par rapport à la normale. L’objectif principal de cette 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 estimée à partir de mesures faites en module des ondes radio en configuration bistatique.
Nous sommes intéressés par l’exploration de techniques d’inversion qui sont efficaces dans
des scénarios réalistes pendant les opérations maritimes et qui peuvent maintenir la précision
avec un minimum de besoin en connaissances a priori spécifiques au cas étudié. 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 idéale pour améliorer
l’autodéfense des navires, mais qui est plus complexe à analyser et à développer correctement.
Le problème inverse est formulé comme un problème d’optimisation non linéaire, qui est
résolu à l’aide de méthodes de Quasi-Newton. Les simulations sont effectuées en utilisant
l’équation d’onde parabolique dite grand angle de Thomson et Chapman. Le gradient du prob-
lème d’optimisation est obtenu à l’aide de l’approche variationnelle adjointe. Il est calculé grâce
à deux simulations du modèle direct, quelle que soit la dimension de l’espace des paramètres. Les
développements sont validés numériquement en utilisant des mesures générées synthétiquement.
Les tests numériques ont confirmé le caractère non linéaire et 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. Comme le problème est non linéaire et non
convexe, des stratégies multi-échelles sont développées pour améliorer la qualité de la solution.
Des résultats d’inversion plus précis sont obtenus en réduisant les espaces de paramètres et de
mesures. Les avantages et les limites de cette méthode sont discutés à partir de scénarios réalistes
en dimension élevée.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)