Revue recherche Supelec 2006-2007

Transcription

ÉCOLE
SUPÉRIEURE
D’ÉLECTRICITÉ
REVUE
DE LA RECHERCHE
RESEARCH REVIEW
2006 - 2007
Numéro 5
Éditorial / Editorial
De plus en plus l’information, l’énergie et les systèmes sont au
Information, energy and systems are increasingly at the center of recent
cœur des avancées de la connaissance et sont essentiels à la diffu-
advancements in human knowledge. They are also essential factors for
sion du progrès.
the promotion and spread of progress.
Dans un contexte scientifique et technologique qui évolue
Today’s scientific and technological world is changing at an ever faster
significativement, ne serait-ce que sous l’effet de la mondialisation,
pace, thanks to the impetus of globalization as well. In this respect,
Supélec veut affirmer sa volonté d’être au rendez-vous d’un triple
Supélec wishes to express its firm commitment to meeting a triple
défi :
challenge:
- d’abord le défi d’une relation de plus en plus féconde entre
- First, the challenge of managing a very rich relationship between
enseignement, recherche et innovation ;
higher education, research and innovation;
- ensuite défi d’une offre de services d’innovation attractive pour
- Second, the challenge of offering innovative and attractive services for
les groupes industriels, les sociétés des services et les PME ;
industrial groups, service companies and SMEs;
- enfin défi d’une science des systèmes de plus en plus maîtrisée.
- Third, the challenge of better controlling the science of systems.
Tous ces défis, Supélec ne compte pas les relever seule et le
Yet Supélec does not intend to tackle all of these challenges alone.
développement de coopérations fortes avec nos partenaires sur les
Therefore, developing strong cooperation with our partners at the three
trois campus de Gif-sur-Yvette, de Metz et de Rennes est un
main campuses of Gif-sur-Yvette, Metz and Rennes will be a key factor
élément clé des années à venir : coopérations multilatérales au sein
in the years to come. Such joint efforts will also lead to multilateral
des pôles de compétitivité et des réseaux thématiques de recherche
cooperation within the competitive clusters and thematic networks in
avancée, coopération bilatérale comme dans l’accord-cadre avec
advanced research in which we participate, not to mention bilateral
cooperation as seen within the framework agreement signed with Ecole
l’Ecole Centrale Paris.
Centrale de Paris.
Puisse cette édition 2006-2007 de notre Revue Recherche
May this edition of our Research Review 2006-2007 continue to
illustrer cette démarche et convaincre de sa pertinence !
illustrate the unique features of our strategy and convince everyone of its
relevance!
Alain Bravo
Directeur Général
Alain Bravo
General Director
3
Avant-Propos / Foreword
Depuis sa première parution en 1998, la revue de la recherche de
Ever since it was first published in 1998, the Research Review by Supélec
Supélec présente les différents thèmes selon une classification en
has presented different topics by classifying them into six categories
six grands domaines scientifiques et techniques majeurs pour
reflecting the school’s major scientific and technological domains.
l’École. Ce cinquième numéro ne déroge pas à cette règle et intro-
Currently in its fifth edition, the Review does not intend to depart from
duit même un septième domaine issu de la scission de « Signaux
this rule and has decided to introduce a seventh domain obtained from
et Communications » en « Signaux et Statistiques » d’une part et
the split of “Signals and Communications” into “Signals and Statistics”
« Télécommunications » d’autre part.
on one hand and “Telecommunications” on the other.
Le domaine des télécommunications s’est en effet progressive-
The field of telecommunications has progressively established itself as a
ment affirmé comme un domaine majeur pour Supélec, aussi bien
full-fledged area of study at Supélec, in terms of education and training
au niveau de la formation (ingénieurs, master ou docteurs) qu’au
(for engineers, during Masters or Doctoral programs) as well as in terms
niveau de l’activité de recherche proprement dite, qu’elle soit
of research activities, whether academic in nature or by contract. Today,
académique ou contractuelle. L’exercice de cette activité, his-
the exercise of such activities—historically rooted in the “radio” layers—
toriquement ancrée dans la couche « radio », exige aujourd’hui
requires a more comprehensive approach. Communication systems, in
une approche globale. En effet, les systèmes de communication
fact, are becoming increasingly heterogeneous and self-adapting. Within
sont de plus en plus hétérogènes et auto-adaptables. Dans ce con-
this context, flexibility, overall (or cross-layer) optimization and quality
texte, flexibilité, optimisation globale (ou inter-couches) et qualité
of service are at the heart of many of the challenges aiming to offer the
de service sont au centre des défis actuels pour offrir le meilleur
best price/efficiency ratio. At the same time, this area is also becoming
rapport coût/efficacité. Par là même, ce domaine accentue son
increasingly interdisciplinary.
caractère interdisciplinaire.
The area of signal processing (similar to that of automatic control) is
Le domaine du traitement du signal (tout comme celui de l’au-
positioned as a transversal discipline, i.e. one that produces methods
tomatique) se positionne comme une discipline transverse, pro-
serving most applications (from telecommunications to biology and even
ductrice de méthodes au service de la plupart des applications (des
finance, etc). This discipline will have to meet the ever newer challenges
télécommunications à la biologie en passant par la finance…).
arising from the growing complexity of devices and systems that are
Cette discipline doit répondre à de nouveaux défis, introduits
explored, designed, produced and implemented by today’s socio-economic
notamment par la complexité sans cesse croissante des dispositifs
world. Among these challenges, mastering uncertainty has become a very
et systèmes que le monde socio-économique explore, conçoit,
crucial issue, requiring us to make increasing use of mathematics in
produit ou met en œuvre. Parmi ces défis, la maîtrise de l’incertain
general and more specifically of statistics.
est devenue cruciale et nécessite de faire de plus en plus appel aux
Hence, given this ongoing confrontation between scientific research and
mathématiques en général et aux statistiques en particulier.
the problems raised by applications, Supélec is doing everything it can to
promote the sciences of systems.
Ainsi, par la confrontation constante de ses recherches scientifiques aux questions soulevées par les applications, Supélec
entend faire progresser les sciences des systèmes.
Yves Tanguy
Director of Research and Industry Partnerships
Yves Tanguy
Directeur de la Recherche et des Relations Industrielles
5
Chiffres clés
410 personnels de recherche / Research staff
- 200 personnels permanents de recherche / Permanent research staff
Key figures
- 115 enseignants-chercheurs de Supélec / Supélec faculty members
- 30 chercheurs CNRS / CNRS researchers
- 55 universitaires / University faculty members
- 210 doctorants / Ph. D. students
Production scientifique et technologique (par an) / Scientific and technological output
(per year)
- 485 publications ou communications majeures / journal papers or major publications
- 15 brevets / patents
Partenariats entreprises et organismes (par an) / Partnerships with companies
or organizations (per year)
- 250 actions actives / ongoing projects
- 100 entreprises ou organismes partenaires / partner companies or organizations
- 4,8 M Euros de recettes contractuelles / million Euros of contract-related revenue
À qui s’adresser ?
Who to contact?
Pour toute question à caractère général /For further information, please contact:
Direction de la Recherche et des Relations Industrielles (D2RI) / Research and Industry Partnerships
http://www.supelec.fr/d2ri - Tél. : +33 [0]1 69 85 12 52
• Yves Tanguy, Directeur de la Recherche et des Relations Industrielles :
Tél. : +33 [0]1 69 85 12 51 - E-mail : [email protected]
• Jacques Oksman, Directeur adjoint de la Recherche et des Relations Industrielles :
• Jean-Michel Le Roux, Adjoint D2RI, chargé de la valorisation et de l’innovation
• Joël Jacquet, Délégué à la Recherche et aux Relations Industrielles - Campus de Metz
• Bernard Jouga, Délégué à la Recherche et aux Relations Industrielles - Campus de Rennes
Pour toute information complémentaire sur un thème / For information on research
topics or examples, please contact:
S’adresser aux correspondants désignés sur chaque fiche thématique / The main authors specified
in each report.
6
Sommaire
Contents
Activités de recherche
Research activities
8
Domaines et thèmes
14
Areas and topics
1. Automatique
Automatic Control
16
2. Énergie
Energy
32
3. Électromagnétisme et Ondes
Electromagnetics and Waves
48
4. Signaux et Statistiques
Signals and Statistics
66
5. Télécommunications
Telecommunications
80
6. Microélectronique et Photonique
Microelectronics and Photonics
94
7. Informatique et Réseaux
Computer Science and Networks
Mots-clés
112
126
Keywords
7
Caractéristiques de la recherche / Research characteristics
Une recherche
nourrie des
problèmes
industriels…
Research sustained
by industrial
problems...
En faisant de l’innovation industrielle le
moteur de sa politique de recherche, Supélec
agit en cohérence avec sa mission fondamentale
de formation d’ingénieurs. En s’intéressant aux
problématiques industrielles (et plus généralement aux problématiques socio-économiques)
pour susciter de nouveaux questionnements
théoriques visant naturellement à l’accroissement des connaissances, Supélec agit en acteur
du monde scientifique et académique.
La politique de recherche de l’École est en effet
fondée sur la conviction que, pour produire
efficacement des connaissances nouvelles utiles
aux entreprises, la recherche doit s’inscrire dans
une dynamique perpétuelle des « rebonds »,
selon laquelle les besoins des entreprises et les
études finalisées interpellent les théories et les
résultats « amont » sont sans cesse confrontés à
la demande industrielle. Cette dynamique,
suppose que les enseignants-chercheurs et les
chercheurs de l’École se placent délibérément
dans une démarche de décloisonnement, loin
du schéma linéaire traditionnel segmentant le
parcours allant du fondamental à la valorisation.
By making industrial innovation the driving force
of its research policies, Supélec is conducting work in
line with its core mission of providing higher
education to engineers. By showing a keen interest
for the problems of industry (and more in general to
socio-economic problems) that stimulate new theoretical issues with the aim of expanding today’s body
of knowledge, Supélec continues to play a key role in
the world of science and academia.
Indeed, the research policies of Supélec are based on
the conviction that in order to effectively generate
new knowledge that is useful to industry, research
must be part of an ongoing feedback process,
characterized by the constant flow of information,
whereby the needs of industry and targeted studies
tap into scientific theories while upstream results are
consistently set against industrial requirements. The
dynamics of this process presupposes that faculty
members and full-time researchers of the Institute
are deliberately part of a strategy aiming to
decompartmentalize research activities, thus far
from the conventional, linear schemes dividing up
the process that goes from basic research to final
development.
Figure 1 : La dynamique des rebonds / The feedback process
...et étroitement liée
à l’enseignement
...and closely linked
to higher education
L'apport scientifique des recherches se place
principalement au niveau méthodologique,
prenant généralement en compte une approche
globale et pluridisciplinaire (« approche système ») à l'exemple des projets fédérateurs (voir
p. 13). Même lorsque la recherche porte sur des
matériaux et des composants, leur intégration
fonctionnelle dans des dispositifs ou dans des
systèmes demeure un objectif important.
The scientific contribution is primarily concentrated
on methodology, generally taking into account a
more global, multidisciplinary approach (also
referred to as "system approach"), a good example
being special multidisciplinary projects (see pg.13).
Even when research activities are based on materials and components, their functional integration into
devices and systems essentially remains an important
objective.
La recherche est aussi au service de l’enseignement en permettant à Supélec d’offrir à ses étudiants une véritable formation par et à la
recherche et l’innovation industrielle, au travers de multiples actions telles que les
Conventions d’Études Industrielles (CEI, cf.
p 11) ou, plus généralement, les programmes de
master et les formations doctorales.
Research is also intended to serve the higher
education of engineers and thus has enabled Supélec
to offer students a more comprehensive program, one
that is guided by research methods and industrial
innovations through several different courses of
study, such as Special projects with industry (CEI,
see pg. 11,) and more in general Graduate
programs (Masters and Ph.D.).
8
Organisation et potentiel / Organization and research potential
Un potentiel de 410
chercheurs
A potential of 410
researchers
Unités de recherche
Research units
La recherche à Supélec rassemble des personnels permanents de différents statuts, principalement des personnels salariés de Supélec,
des personnels des universités des trois sites
d’implantation de Supélec et des personnels
CNRS.
Research conducted at Supélec has brought together
a permanent staff that is primarily composed of
Supélec employees, plus employees of universities
located around the three Supélec campuses and
employees of CNRS (France’s National Scientific
Research Center).
Les unités de recherche qui regroupent ces
personnels sont pour la plupart hébergées en
totalité à Supélec : il s’agit d’équipes de
recherche propres à l’Ecole et d’unités en association avec des institutions telles que le CNRS
ou des universités (dans lesquelles certaines
équipes propres à Supélec sont intégrées).
L’ensemble de ces structures regroupe
410 chercheurs dans les locaux de Supélec :
115 enseignants-chercheurs de Supélec,
55 enseignants-chercheurs des universités ou
d’autres institutions, 30 chercheurs du CNRS
et 210 doctorants.
Several research units have been set up to date and
most of them are fully housed at Supélec: some are
Supélec’s faculty research teams, others are special
units affiliated with external institutes, such as
CNRS or universities (including some of Supélec’s
faculty research teams). All in all, these units, teams
or groups have attracted a total of 410 researchers:
115 Supélec faculty members, 55 faculty members
from other universities or institutes, 30 CNRS
researchers, and 210 Ph.D. students.
Campus de Gif / Gif campus
- Laboratoire de Génie Électrique de Paris / Paris Laboratory of Electrical Engineering – LGEP : UMR 8507 CNRS,
Supélec, Universités de Paris XI et de Paris VI
- Laboratoire des Signaux et Systèmes / Laboratory of Signals and Systems - L2S : UMR 8506 CNRS, Supélec,
Université de Paris XI
- SONDRA, Laboratoire franco-singapourien de recherche en électromagnétisme et radars / Electromagnetisms
and Radars Research Lab - Supélec, ONERA, National University of Singapore, Defence Science and Technology
Agency of Singapore
- Équipe Automatique / Automatic Control - EA 1399
- Équipe Électrotechnique et Électronique Industrielle / Electrotechnics and Power Systems - EA 1400
- Équipe Signaux et Systèmes Électroniques / Signal Processing and Electronic Systems - EA 2523
- Équipe Systèmes d’information hétérogène / Heterogeneous Information Systems
- Équipe Télécommunications / Telecommunications - JE 2507
Campus de Metz / Metz campus
- Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes / Laboratory of Optical Materials, Photonics and Systems
LMOPS : UMR 7132 CNRS, Université de Metz, Supélec
- Unité Mixte Internationale - UMI 2958 : Georgia Institute of Technology, CNRS
- Équipe Information, Multimodalité & Signal / Information, Multimodality & Signal
Campus de Rennes / Rennes campus
- Institut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes / Rennes Institute of Electronics and
Telecommunications - IETR : UMR 6164, CNRS, Université de Rennes 1, INSA de Rennes,
Supélec (groupe « Automatique et communications »).
- Équipe Sécurité des Systèmes d’Information et Réseaux / Information Systems Security and Networks – EA 4039
Conseil Scientifique
Scientific committee
Les grandes orientations et la cohérence de la
politique de recherche de l’École sont définies
avec l'aide d’un Conseil Scientifique, où siègent
19 scientifiques universitaires et industriels,
français et étrangers, extérieurs à Supélec.
Cette instance a pour mission de conseiller la
Direction de l'École et les responsables
d'équipes sur les orientations de la politique de
recherche et de relations industrielles, les évolutions à long terme des thèmes et des
domaines de recherche, et les coopérations,
partenariats ou opérations à mettre en œuvre. Il
veille à la qualité, à l'efficacité et à la portée
internationale de la recherche de l'École. Il
porte une attention particulière aux retombées
sur le niveau et la qualité de la formation par la
ainsi
qu’à
la
production
recherche
deconnaissances scientifiques et d'innovations
technologiques
utiles
au
monde
socio-économique.
9
The major guidelines and consistency of the
Institute’s research policies are defined with the help
of a Scientific Committee. Its membership is made
up of 19 foreign or French scientists, taken from
industry or university, who are not part of Supélec.
The Committee’s mission is to advise Supélec’s
directors and team leaders on the different orientations of research policies and industrial relations, on
any long-term changes concerning major topics and
research areas, as well as on the opportunities for
implementing new forms of cooperation, partnership
or operations. The Committee also oversees and
ensures the quality, efficiency and international
scope of Supélec’s research programs. Particular
emphasis is placed on feedback regarding the high
level of education and training provided via
research, in addition to generating scientific
knowledge and technological innovations useful to
the socio-economic world.
Formation par et à la recherche / Education and training in research
Une formation
doctorale pour des
emplois scientifiques
de haut niveau
PhD programs for
high-level careers
in science
and technology
Supélec est un centre important de formation
de docteurs dans les domaines des sciences de
l’information et de l’énergie en accueillant 210
doctorants dans ses entités de recherche.
Quarante à cinquante docteurs sont ainsi
diplômés chaque année dans les domaines de
recherche de l’École.
Outre la qualité du recrutement, la formation
doctorale de Supélec se distingue par la
participation importante des entreprises au
financement des thèses.
Supélec is an important center for Ph.D. programs
in information and energy sciences. Currently, it
welcomes 210 Ph.D. students into its research units.
Forty to fifty of these students graduate from the
program each year, majoring in a variety of research
areas offered by the Institute.
In addition to the quality of its recruitment,
Supélec’s Ph.D. program is highly recognized for the
remarkable participation of companies in financing
many of the thesis projects.
Figure 2 : Répartition des doctorants selon leur mode principal de financement /
Distribution of Ph.D. students according to their prime mode of financing
Grâce au positionnement large de la recherche
à Supélec - de la recherche fondamentale aux
applications - et à la diversité des thèmes
traités, le candidat doctorant bénéficie d’un
large choix susceptible de répondre à des aspirations très variées, autant de facteurs qui
garantissent aux jeunes docteurs une insertion
professionnelle réussie, que celle-ci s’effectue
dans la recherche industrielle ou bien dans la
recherche publique ou l’enseignement
supérieur.
Cette formation de docteurs est menée dans le
cadre d’écoles doctorales en partenariat avec
des universités des trois sites de Supélec.
Dans le cadre de son développement international, Supélec a mis en place des programmes
de « Joint Ph.D. » ou « double Ph.D. » avec des
universités étrangères.
10
Thanks to the breadth of Supélec’s research programs—from basic to applied research—and to the
diversity of topics treated, Ph.D. candidates benefit
from a variety of programs that are intended to
meet a wide range of career opportunities. These are
just a few of the important factors that are paving
the way for young Ph.D. students to make a successful entry into the job market, whether it be industrial or academic research..
This Ph.D. program is conducted within the framework of the Doctoral Schools and a partnership with
universities located around the three Supélec campuses.
To promote more international growth, Supélec has
implemented Joint or double Ph.D. programs,
which have been set up thanks to strong partnerships
with international universities.
Formation par et à la recherche / Education and training in research
Les Conventions
d’Études
Industrielles (CEI)
Special project
works with industry
Les Conventions d’Etudes Industrielles (CEI)
des options de troisième année d’études
constituent une composante essentielle de la
pédagogie de Supélec pour la formation des
élèves-ingénieurs à l’innovation.
Les élèves, organisés en binômes ou en
trinômes, effectuent, au cours du premier
semestre de leur troisième année, un projet de
recherche ou de développement sur un sujet
proposé par une entreprise dans le cadre d'une
convention de partenariat. Ce projet se déroule
à Supélec sous la responsabilité scientifique et
pédagogique d'un enseignant-chercheur. Il fait
l'objet d'un mémoire et d'une soutenance
devant un jury siégeant à l'École.
L'entreprise partenaire propose généralement à
l'un (ou à plusieurs) des élèves de poursuivre le
projet dans le cadre du stage de fin d'études.
Les parties prenantes de ce partenariat en
retirent toutes trois des bénéfices parmi
lesquels on peut citer :
pour l'entreprise : l'apport en créativité
d’élèves à l’esprit neuf, l'apport des compétences
de l'équipe d'enseignants-chercheurs responsable
du projet, la possibilité - souvent utilisée - de
poursuivre le projet par le stage d’un ou
plusieurs des élèves dans l'entreprise, une
meilleure connaissance des élèves pour des
embauches éventuelles, une présence fortement
visible au sein de l'École ;
pour les élèves-ingénieurs : une expérience
pédagogique nouvelle mettant en oeuvre une
démarche d'innovation en liaison avec une
en-treprise, une motivation accrue face à un
problème industriel répondant à un véritable
besoin et dont la solution n'est pas “toute faite”;
pour Supélec : une formation par la recherche
technologique, l'observation du comportement
des élèves “en situation” permettant de mesurer l'efficacité de leur formation sur les plans de
la créativité, de l’autonomie, de la capacité à
prendre en compte des exigences industrielles,
le renforcement de liens avec l'entreprise.
The Special projects with industry (or CEI) remain
an essential component of Supélec’s teaching method
at the Masters level
The students, organized into groups of two or three,
are required to carry out a research or development
project during the first semester, based on a subject
proposed by a partner company within the framework of a special agreement. The project then takes
place at Supélec under the scientific and academic
responsibility of a faculty member. The outcome is a
thesis paper to be defended before a panel of judges
seated at Supélec.
The partner company may offer one or more
students the opportunity to continue their research
project within the framework of a semester project
work in industry.
As a result, all three parties involved in this
partnership are able to fully reap the benefits, which
entails:
for the company: fresh student creativity, the
expertise of the academic staff responsible for the
project, the possibility for one or several students of
continuing the project in partner companies, better
knowledge of the job market and future employment
opportunities for students, and finally greater
visibility within Supélec;
for the students: a totally new learning experience,
capitalizing on innovative strategies in conjunction
with an industrial setting, and improved motivation
when faced with an industrial problem linked to a
need that has not yet been resolved by the company;
for Supélec: specific education and training
through applied research, an opportunity to observe
student behavior “on site”, thereby making it possible to measure the effectiveness of training in terms
of creativity, autonomy, ability to meet industrial
requirements, and strengthening of company relations.
Exemples récents / Some recent examples
- Modélisation du processus de prix intraday d'actions (ABC Arbitrage)
- Analyse de données issues de la mesure de puissance de téléphones portables (Bouygues Telecom)
- Détection de murs sur un plan et modélisation d’un réseau local radio (Celtrio)
- Optimisation d’un transfert orbital à poussée faible (CNES)
- Traçabilité des flux de puissance sur les réseaux électriques : méthodes et applications (CRE)
- Etude comparative de deux mesureurs de champs magnétiques basse fréquence (EDF)
- Comparaison de techniques de mesures de champs perturbateurs entre 80 MHz et 200 MHz (France Telecom)
- Conception et développement d'un algorithme d'analyse prédictive pour le commerce électronique (LoeLine
SAS)
- Segmentation automatique d’images SAR (MBDA)
- Modélisation et simulation d'un réseau de bord (RENAULT)
- Caractérisation des champs à proximité d’un téléphone mobile (Sagem Communication)
- Détermination du mouvement axial d’un outil de forage grâce à un capteur d’images (Schlumberger)
- Conception et réalisation d’une électronique de commande numérique de bobine de contacteur (Schneider
Electric)
- Simulation d'une odométrie à base de roue phonique et accéléromètre (Siemens Transportation Systems)
- Atelier intégré de production richmedia (THALES)
11
Partenariats avec les entreprises / Forging new partnerships
Des partenariats
industriels forts,
à long terme...
Strong long-term
partnerships
with industry...
...s’ouvrant sur une
fertilisation croisée
...that are also open
to cross-fertilization
La mondialisation entraîne une course incessante à l’innovation technologique et à la différenciation des produits et des services, si bien
que la capacité de l’entreprise à conduire une
R&D efficace devient plus que jamais un facteur déterminant de sa compétitivité.
L’externalisation d’une partie de sa recherche
constitue, pour l’entreprise, l’une des modalités
pour faire face à cette situation.
C’est dans ce contexte que Supélec propose à
ses partenaires des modalités souples et adaptées pour des partenariats forts et à long terme,
reposant sur l’écoute des besoins et des problématiques réciproques ainsi que sur la volonté de
chacun d’agir en force de propositions. Les
formes de coopération sont très diverses et
adaptées à chaque situation. Elles peuvent être
ponctuelles ou bien formalisées par un accordcadre au niveau stratégique. Ces coopérations
concernent la recherche amont, la réalisation
d’études finalisées et peuvent aussi comprendre
des prestations de service (essais, développements, expertise, veille technologique,…).
Today’s globalization has triggered an ever-faster
pace of technological innovation as well as
considerable differentiation in the products and
services provided; so much so that the ability of a
company to effectively conduct R&D is now more
than ever a determining factor of its competitive
edge. As a result, outsourcing part of a company’s
research requirements constitutes one possible way of
facing up to the situation.
Within this context Supélec intends to offer partners
softer terms and well-suited conditions for setting up
strong, long-term partnerships that are based on a
better understanding of company needs and
problems, as well as on the willingness of each party
to adopt a pro-active approach. Different forms of
cooperation exist to readily meet the needs of each
situation, ranging from one-off projects to
formalized programs within a framework agreement
at the strategic level. Cooperation may involve basic
research, or the completion of targeted studies, but it
may also entail such professional services as testing,
project development, consulting and technological
intelligence.
La diversité des partenariats noués dans des
secteurs industriels couvrant un large spectre,
permet à Supélec de réaliser une véritable fertilisation croisée entre sa recherche de base et
les multiples applications traitées et, de ce fait,
entre divers domaines scientifiques et technologiques.
A variety of partnerships established over the years
and covering a broad spectrum of industrial sectors
has enabled Supélec to achieve a veritable crossfertilization between basic research and industrial
applications and, therefore, between the different
fields of science and technology.
La figure 3 donne la répartition moyenne relative des montants des contrats bilatéraux avec
des entreprises (soit 70 à 80 % des recettes de
recherche contractuelle globale) selon les différents secteurs industriels concernés au cours
de ces trois dernières années.
Figure 3 shows the average distribution of bilateral
agreement amounts (that is to say 70 to 80% of
total revenue from research contracts) according to
the different industrial sectors served in the past
three years.
Figure 3 : Répartition du montant des contrats bilatéraux par secteur industriels /
Distribution of bilateral contract amounts by industrial sector
12
Partenariats avec les entreprises / Forging new partnerships
Projets fédérateurs
Multidisciplinary
Programs
€nergie
€nergie
Les évolutions techniques et structurelles du
secteur électrique soulèvent de nombreuses
questions dans un domaine clé de Supélec.
Pour traiter des problèmes tant techniques
qu'économiques liés à la nouvelle organisation
du secteur de l'énergie électrique, Supélec a
lancé un projet fédérateur pluridisciplinaire
(projet €nergie) sur l’optimisation technicoéconomique des systèmes d’énergie. Ce projet
associe plusieurs de ses laboratoires aux compétences complémentaires (électrotechnique,
automatique, signaux et systèmes), une équipe
d’économistes de la Faculté Jean Monnet
(Université Paris-Sud) et des partenaires industriels ou institutionnels : AREVA T&D,
Electricité de France (EDF), Réseau de
Transport d’Electricité (RTE) et la
Commission de Régulation de l’Energie (CRE).
Voir thèmes : 1.1, 1.3, 1.4, 2.1, 4.2
www.supelec.fr/ecole/eei/energie
Technical and structural changes in the field of
power production, transmission and distribution systems raise many questions in one of Supélec’s key
areas of activity.
Thus, Supélec has set up a multidisciplinary
program called “€nergie” dealing with the
optimization of power and energy systems in an
open-market environment. This particular project
involves cooperation with four of Supélec’s research
teams specializing in related fields (i.e. power systems, numerical optimization, statistics, and control
systems), one team of economists (from Faculté Jean
Monnet, University of Paris-Sud), and four industrial or institutional partners: AREVA T&D,
Electricité de France (EDF), Réseau de Transport
d’Electricité (RTE), and Commission de Régulation
de l’Energie (CRE - Committee for Energy
Regulation).
See topics: 1.1, 1.3, 1.4, 2.1, 4.2.
www.supelec.fr/ecole/eei/energie
Radio Intelligente
Cognitive Radio
Le projet fédérateur Radio Intelligente vise à
explorer les potentialités des concepts de la
radio logicielle et intelligente pour les
terminaux radio mobiles flexibles et
reconfigurables du futur. L’objectif principal est
de réaliser un démonstrateur basé sur
l’établissement d’un scénario pour valider les
concepts tels que l’adaptation inter-couche, la
reconfiguration multistandards, les capteurs
intelligents, les front-end analogique et
numérique, l’ingénierie logicielle… Ce projet
implique six équipes de recherche de Supélec,
en cohérence avec un ensemble de projets
nationaux et internationaux : projets RNRT,
E2R (projet IST, 6e PCRD), NEWCOM
(Réseaux d’Excellence).
Voir thèmes : 5.4, 5.6, 6.1, 6.2.
The objective of Supélec multidisciplinary program
on Cognitive Radio is to focus on all the fields
covered by software and cognitive radio. The main
task here is to develop a demonstrator so as to prove
certain concepts, among which cross-layer
adaptation, reconfigurability, HW heterogeneity,
smart sensors, analog and digital front-end,
operating systems, etc.
This project will see the participation of six of
Supélec’s research teams and it is currently moving
in line with several international and national
projects in which Supélec is involved: the French
RNRT projects, E2R (IST project, FP6), and
NEWCOM (Network of Excellence).
See topics: 5.4, 5.6, 6.1, 6.2.
Concevoir et produire
en environnement incertain
Mastering uncertainty
in design and production
Améliorer la production (qualité et coûts), concevoir efficacement nécessite en général plus
d’information, ou moins d’incertitude (mesures
ou modèles précis) Malheureusement, coûts et
difficulté d’obtention de ces informations
augmentent en fonction de la complexité. Il est
donc utile de disposer de méthodes pour
optimiser l’information disponible afin de
diminuer le nombre et la qualité des prises
d’information nécessaires (cas de la production),
ou pour concevoir à partir de modèles
incertains (cas de l’électronique du futur, ou de
la robustesse des commandes). Efficacité des
systèmes de production et de décision, capacité
de conception des systèmes complexes
devraient être largement améliorées par la
maitrise de l’incertain, et cela dans la plupart
des domaines (industrie, biotechnologies,
environnement, finance…).
Voir thèmes : 1.1, 1.6, 4.2, 7.3.
Improving quality, cutting costs and developing
efficient design generally rely upon more information
(or better, on less uncertainty) and thus require
accurate measurements or models.
Unfortunately, today’s level of complexity increases
the cost and difficulty of carrying out such tasks.
Therefore, methods are required to optimize the
amount of information vs. the quantity and accuracy
of data sources (production case) in order to permit
use of uncertain models for designing future
electronic components or for robust control.
Mastering uncertainty should vastly improve the
efficiency of production systems or how decisions are
made, together with enabling the design of more
complex systems in a number of areas, such as
industry, bio-technology, the environment, finance,
etc.
See topics: 1.1, 1.6, 4.2, 7.3.
13
Areas and topics
1. Automatic Control
16
• Robust multivariable control
• Predictive control
• Hybrid systems
• Modelling and control of complex systems
• Estimation and modelling
• Nonlinear and hybrid systems analysis
• Electrical and mechanical systems
2. Energy
32
• Power networks
• Power electronics
• Electrical machines, drives and generation systems
• Modeling of electromagnetic systems : Materials, EMC, CAD and NDT
• Electrical contacts
• Aerosol and atmospheric pressure electrical discharge processes
• Insulating materials and partial discharges
3. Electromagnetics and Waves
48
• Near-field techniques
• Electromagnetic compatibility
• Inverse wave problems
• Microwave sensors and probes
• Electromagnetic dosimetry
• Electromagnetism of complex media applied to microwave devices
• Antennas and signal processing for the next generation of radars
• Synthetic aperture radar
4. Signals and Statistics
66
• Modelling and analysis of the signal
• Statistical information processing
• Singular sampling and signal processing
• Inverse problems
• Multimodal information processing
• Signals, image and sound: compression and analysis
5. Telecommunications
80
• Digital communications
• Signal processing for communications
• Wireless communications systems
• Software radio and cognitive radio
• Signal processing for multimedia
• Digitalisation systems
6. Microelectronics and Photonics
94
• Architectures of mixed-signal intergrated circuits and microsystems
• Algorithm integration and electronic systems
• Thin film semiconductors
• Superconducting thin films and devices
• Telecommunication optoelectronic systems and devices
• Photoinduced waveguides and optical interconnects
• Optical materials for laser beam generation and processing
• Dynamics of complex laser structures and applications
7. Computer Science and Networks
• Heterogeneous modeling and embedded software
• Networks and information systems security
• Heterogeneous information systems
• Distributed systems and computing grids
• Data-mining
• Performance evaluation methods
14
112
Domaines et thèmes
1. Automatique
17
• Commande multivariable robuste
• Commande prédictive
• Automatique des systèmes hybrides
• Modélisation et commande de systèmes complexes
• Estimation et modélisation
• Systèmes non linéaires et hybrides
• Systèmes électriques et mécaniques
2. Énergie
33
• Réseaux d’énergie
• Électronique de puissance
• Machines électriques et systèmes de conversion
• Modélisation de systèmes électromagnétiques : matériaux, CEM, CAO et CND
• Contacts électriques
• Procédés aérosol et décharges électriques à pression atmosphérique
• Matériaux isolants et décharges partielles
3. Électromagnétisme et Ondes
49
• Techniques de champs proches
• Compatibilité électromagnétique
• Problèmes inverses des ondes
• Senseurs et capteurs micro-ondes
• Dosimétrie électromagnétique
• Électromagnétisme des milieux complexes pour dispositifs micro-ondes
• Antennes et traitements pour les radars futurs
• Radar à synthèse d’ouverture
4. Signaux et Statistiques
67
• Modélisation et analyse du signal
• Traitement statistique de l’information
• Signaux et échantillonnage singuliers
• Problèmes inverses
• Traitement multimodal de l’information
• Signaux, image et son : compression et analyse
5. Télécommunications
81
• Communications numériques
• Traitement du signal en communications
• Systèmes de radiocommunications
• Radio logicielle / Radio intelligente
• Traitement du signal pour le multimédia
• Systèmes de numérisation
6. Microélectronique et Photonique
95
• Architectures de circuits mixtes et de micro-systèmes
• Intégration d’algorithmes et systèmes électroniques
• Semiconducteurs en couches minces
• Supra-conducteurs : films minces et dispositifs
• Étude de composants et systèmes optiques pour les télécommunications
• Guides photo-inscrits et interconnexions optiques
• Matériaux optiques pour la génération et le traitement de faisceau laser
• Dynamique de structures lasers complexes et applications
7. Informatique et Réseaux
• Modélisation hétérogène et logiciel enfoui
• Sécurité des systèmes d’information et réseaux
• Systèmes d’information hétérogènes
• Systèmes distribués et grilles de calcul
• Fouille de données
• Méthodes d’évaluation de performances
15
113
1
Automatic Control
1.1 Robust multivariable control
• Robust control for lateral driving
assistance of a road vehicule
18
1.2
Predictive control
• Explicit constrained predictive control
laws
20
1.3
Hybrid systems
• Hybrid approach for voltage control
of power systems
22
1.4
Modelling and control
of complex systems
• Modelling, optimisation and control
of complex district heating networks
24
1.5
Estimation and modelling
• Time-variant parameters estimation
26
1.6
Nonlinear and hybrid
systems analysis
• Guaranteeing stability of nonlinear
sampled-data systems
28
1.7
Electrical and mechanical
systems
• Power factor compensators
for nonlinear loads
30
16
1
Automatique
1.1
Commande multivariable
robuste
• Commande robuste pour l’assistance au contrôle latéral d’un
véhicule routier
18
1.2
Commande préditive
• Formulation explicite des lois
de commande prédictive sous
contraintes
20
1.3
Automatique des systèmes
hybrides
• Approche hybride
pour la commande en tension
d’un réseau électrique
22
1.4
Modélisation et commande
de systèmes complexes
• Modélisation, optimisation
et commande de réseaux multi
énergies complexes
24
1.5
Estimation et modélisation
• Estimation de paramètres variant
dans le temps
26
1.6
Systèmes non linéaires
et hybrides
• Garantir la stabilité des systèmes
non linéaires à données
échantillonées.
28
1.7
Systèmes électriques
et mécaniques
• Compensateur du facteur
de puissance pour les charges
non linéaires
30
17
1.1
Commande
multivariable
robuste
Robust
multivariable
control
Pour tout renseignement s’adresser à :
For further information, please contact:
Gilles DUC
Département Automatique
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 13 88
E-mail : [email protected]
Houria SIGUERDIDJANE
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 13 77
Sihem TEBBANI
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 13 85
1 Automatique
Automatic Control
Objectifs
Aims
Pour résoudre les problèmes de plus en plus complexes qui relèvent de l'Automatique, on utilise des
modèles qui sont à la fois suffisamment simples
pour être utilisables et sujets à des incertitudes.
On est donc conduit à exiger la robustesse de la
commande, de sorte que les propriétés de
l'asservissement puissent être garanties en dépit
des différentes sources d’incertitudes de modèle.
La puissance accrue des moyens de calcul, et
l’utilisation du formalisme par inégalités
matricielles, permettent d’envisager la synthèse de
la commande sous l'angle d'un problème d'optimisation, en général multi-critères. Parallèlement se
fait sentir le besoin de méthodes d'analyse puissantes et précises des performances et de la
robustesse, et d’une évaluation du potentiel de ces
approches dans le cadre non-linéaire.
Dès lors, nous développons des approches globales
et systématiques pour poser les divers problèmes
de faisabilité, d'analyse, de synthèse et de retouche
de correcteurs dans un cadre fédérateur, et de
mettre en place dans les deux cas des procédures
pratiques, simples et efficaces.
To solve increasingly complex automatic control
problems, it is necessary to use models that are both
simple enough for use and subject to uncertainties.
Robustness of the control law is therefore required in
order to guarantee the properties of the controlled
system despite different modeling uncertainties.
Recent improvements in computer capabilities, together
with matrix inequalities allow us to consider the
problem of designing a control law as an optimization
problem, which in general is more precisely a
multi-objective one. Meanwhile, new requirements are
emerging concerning powerful and efficient analysis
methods, capable of providing useful insight on
performance and robustness, and evaluating the
possibilities of such approaches in a non-linear context.
Therefore, global and systematic approaches for
expressing different control problems, such as feasibility,
analysis synthesis and retuning, are developed in a
unified way, establishing for each approach practical,
albeit simple and efficient procedures.
Sujets
Topics
1. Synthèse de lois de commande
Méthodologie pour la mise en œuvre de synthèses
à critères multiples par inégalités matricielles.
Synthèses de correcteurs à gains paramétrés.
Interpolation de correcteurs.
Synthèse de commandes non linéaires (par retour
d’état statique ou dynamique, par backstepping ou
par modes glissants) sur des systèmes dynamiques
non linéaires.
Stabilisation de systèmes dynamiques non linéaires
autour de trajectoires de référence.
1. Control law synthesis
Methodology for the development of multi-objective
design methods according to matrix inequalities.
Synthesis of gain-scheduled controllers.
Interpolation of controllers.
Synthesis of non linear control laws (by static or
dynamic state feedback, by backstepping or sliding
modes) for dynamic non-linear systems.
Stabilization of non-linear dynamic systems along
reference trajectories.
2. Réduction de complexité
Synthèse de régulateurs robustes avec contraintes
de structure (PID, décentralisée, cascade, …).
Synthèse de correcteurs linéaires ou paramétrés
d’ordre fixé.
3. Analyse des propriétés d'une loi de
commande
Développement de procédures par inégalités
matricielles pour l’étude des performances et de la
robustesse d’une commande.
Etude a priori de la faisabilité d'un cahier des
charges par optimisation convexe.
Retouche de correcteurs hors ligne ou en ligne.
Recherche de propriétés caractérisant la robustesse
d’un système dynamique non-linéaire.
18
2. Complexity reduction
Design of robust controllers with structural constraints
(such as PID, decentralized, cascade, etc.).
Design of linear or gain-scheduled controllers with a
fixed order.
3. Analysis of controlled system properties
Development of matrix inequality based procedures for
performance and robustness analysis.
A priori analysis of the feasibility of control requirements by convex optimization.
Controller retuning (off-line or, on-line).
Properties investigations for characterizing the robustness of dynamic non-linear systems.
Commande multivariable robuste / Robust multivariable control
Commande robuste pour l’assistance
au contrôle latéral d’un véhicule routier
Robust control for lateral driving assistance of a road vehicle
Abstract
Par Gilles Duc
This paper presents the design of a gain-scheduled controller for lateral driving assistance. The controller, whose parameters depend
on the longitudinal speed, adds a steering torque to that of the driver in order to improve lane keeping and yaw dynamics despite
external disturbances (lateral wind) and parameter uncertainties.
Introduction
dépend de façon affine du paramètre variant (ce qui est obtenu ici moyennant
quelques approximations).
Le projet ARCOS 2004 du programme PREDIT a été conçu dans le but de
contribuer à l’amélioration de la sécurité routière à partir d’une approche globale du système « véhicule-conducteur-infrastructure ».
Dans ce cadre, nous avons travaillé sur la prévention des sorties de route, en
développant des lois de commandes pour l'assistance au contrôle latéral permettant le suivi de l'axe de la voie et le rattrapage d'écarts excessifs. Celles-ci
doivent assurer une bonne robustesse du comportement en dépit de nombreuses incertitudes (les plus importantes portant sur les valeurs de la masse et
de l'adhérence), et évoluer en fonction de la vitesse longitudinale du véhicule,
qui modifie fortement son comportement dynamique.
Ces travaux ont été menés dans le cadre de la thèse de T. Raharijaona, coencadrée par Supélec et le LIVIC (Laboratoire sur les Interactions VéhiculeInfrastructure-Conducteur).
Validation en simulation
La stratégie d’assistance a été testée dans de multiples situations, en présence de
vent latéral, pour des pertes d’adhérence, à vitesse variable, … en utilisant un
modèle non linéaire de véhicule implanté dans le simulateur d’environnement
routier développé par le LIVIC. Nous avons ainsi évalué en simulation le comportement qui serait obtenu sur une piste pour laquelle nous disposions d’une
cartographie DGPS avec une précision centimétrique. Les figures 2 et 3 montrent, avec et sans assistance, la trajectoire suivie dans un virage et l’écart latéral
sur une partie de la piste pour des variations de vitesse de l’ordre de 10 m/s :
pour le véhicule assisté, l’écart reste inférieur à 40 cm, ce qui est très satisfaisant.
Structure de contrôle
La stratégie de commande (figure 1) consiste, à partir de mesures du déplacement latéral et de l'erreur sur l'angle de cap, à ajouter un couple à celui délivré
par le conducteur : le système fonctionne en mode partagé, le conducteur
restant maître du véhicule.
Figure 2 : Trajectoire suivie dans un virage
Figure 1 : Stratégie d’assistance retenue
Synthèse du correcteur
Nous avons tout d’abord effectué la synthèse d’un correcteur à vitesse longitudinale fixée. Moyennant quelques hypothèses simplificatrices, le processus à
contrôler peut être modélisé par un système linéaire invariant, dont certains
coefficients sont incertains (masse, adhérence). Dans ce contexte, la synthèse
H-infini a prouvé son efficacité et sa souplesse. Dans cette méthode fréquentielle, les performances sont obtenues en imposant la bande passante de
l’asservissement tandis que les propriétés de robustesse découlent principalement de la maîtrise des marges de stabilité et du comportement en hautes
fréquences. Le recours à la mu-analyse permet de vérifier a posteriori la
robustesse aux incertitudes sur les paramètres du modèle utilisé.
Lorsque la vitesse longitudinale varie, le modèle du processus à contrôler reste
linéaire, mais il est dit « à paramètre variant » (système LPV). La vitesse étant
mesurable, elle peut être utilisée pour modifier les paramètres du correcteur
en temps réel. La méthodologie se présente comme une extension naturelle de
la synthèse H-infini, qui est particulièrement simple lorsque de plus le modèle
Figure 3 : Comparaison des déplacements latéraux sur la piste
.....................................................................................................................................
Références / References
[1] T. Raharijaona, “Commande robuste pour l’assistance au contrôle latéral d’un
véhicule routier”, Thèse de Doctorat, Paris XI et Supélec, nov. 2004.
[2] S. Mammar, T. Raharijaona, S. Glaser, G. Duc, “Lateral driving assistance using
robust control embedded driver-vehicle-road model”, Vehicle System Dynamics, vol.
41 supplement, pp. 311-320, 2004.
19
1.2
Commande
prédictive
Predictive
control
Sujets 1 à 4 / Topics 1 to 4:
Didier DUMUR
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 13 75
1 Automatique
Automatic Control
Objectifs
Aims
La commande prédictive a prouvé aux travers
de très nombreuses applications industrielles sa
capacité à garantir des performances accrues
tout en s’avérant simple d’implantation. Le succès
de cette stratégie de commande avancée réside
principalement dans son apport théorique,
permettant d’inclure la connaissance d’une
trajectoire à suivre dans le futur, sur un horizon
fini. Sa description temporelle facilite de plus la
prise en compte des contraintes physiques des
systèmes.
Elle est donc tout indiquée dans les problèmes de
suivi de trajectoires, notamment pour la commande d’axes en machine-outil ou en robotique,
mais aussi pour la commande de systèmes non
linéaires dont la trajectoire a été planifiée, ou
encore pour la conduite de systèmes plus lents,
en thermique du bâtiment ou agroalimentaire
par exemple. Dans un contexte adaptatif, elle
permet également de piloter les systèmes variant
dans le temps.
Through many industrial applications, predictive control has proven its ability to provide better performance
while keeping its implementation relatively easy. The
success of this advanced control strategy mainly relies on
its theoretical background that, during the design stage,
permits future trajectories to be followed over a finite
horizon. Its time-domain formulation also facilitates
consideration of the physical constraints of such systems.
Therefore, this technique is of growing interest to engineers wishing to solve trajectory tracking problems (e.g.
machine-tool axis control or robotics), but also for the
control of non-linear systems based on pre-specified trajectories; or for the control of slower systems (e.g. temperature control in buildings or agrifood applications).
Coupled with an adaptive module, this technique may
also effectively control time-variable systems.
Within this framework, it is important to develop specific methodologies for ensuring the robustness of predictive laws against uncertainties, or for taking into
account constraints on the system. It is also necessary to
extend the application field of predictive control, for
Dans ce cadre, il s’avère important de développer
des méthodologies garantissant la robustesse des
lois prédictives vis à vis d’incertitudes, ou encore
tenant compte des contraintes sur le système, et
par ailleurs d’en étendre le champ d’application
notamment aux systèmes hybrides, ou aux systèmes
embarqués en mécatronique.
example to hybrid systems or embedded systems in
mechatronics.
Sujets
Topics
1. Robustification de lois prédictives
Prise en compte d’incertitudes de modèles.
Robustification par la paramétrisation de Youla,
afin de définir la classe de régulateurs garantissant
stabilité et performances pour un niveau d’incerti-
1. Robustification of predictive control
laws
Robustification of predictive laws via Youla
parameterization was analyzed in order to define a
complete set of controllers ensuring stability and per-
tudes donné.
Application à la commande d’axes de machineoutil et en mécatronique.
Extension aux systèmes multivariables.
formance for a given level of uncertainties (e.g. model
uncertainties). Application to axis control of machine
tools and mechatronics.
Extension to multi-variable systems
2. Commande prédictive sous contraintes
Développement d’outils méthodologiques mixant
les théories des systèmes incertains et de la commande robuste, permettant la prise en compte de
contraintes en temps réel par détermination de la
solution explicite.
2. Constrained predictive control
Development of methodologies combining theories that
stem from systems subject to uncertainty and robust
control, taking into account real-time constraints,
followed by determination of an explicit solution.
3. Commande prédictive robuste de
systèmes hybrides incertains
Approches systématiques pour la faisabilité,
l’analyse et la synthèse dans un cadre hybride. Prise
en compte des contraintes d’exécution temporelles
pour une implantation pratique simple et efficace.
4. Commande prédictive non linéaire
Planification de trajectoires, conception de lois de
commande prédictive non-linéaires à horizon fini
et implantation temps réel. Application à la commande de bioréacteurs.
20
3. Robust predictive control of hybrid
systems subject to uncertainties
Systematic approach for feasibility, analysis and design
within a hybrid framework. Minimization of computational load for simple and efficient implementation.
4. Non-linear predictive control
Trajectory planning, design of non-linear finite horizon
predictive control laws and real-time implementation
architecture. Application to bioreactors control.
Commande prédictive / Predictive control
Formulation explicite des lois de commande
prédictive sous contraintes
Explicit constrained predictive control laws
Abstract
Par Sorin Olaru
et Didier Dumur
Constrained predictive control usually leads to on-line multiparametric optimization, which implies important computational load.
An alternative to this problem is the elaboration of an explicit solution, using a geometrical approach based on the concept of parameterized polyhedron. This results in an off-line design procedure that provides predictive laws with guarantee of feasibility. Their
effective implementation may use techniques spread from on-line optimization to fully explicit piecewise laws evaluated by look-up
table positioning mechanisms. This approach allows, beside the construction of explicit laws, the analysis of the redundancy phenomenon for the set of constraints.
Problème d’optimisation multiparamétrique
l’ensemble des contraintes [3]. Il en résulte une partition de l’espace des
paramètres en régions correspondant à des sous-ensembles de contraintes
localement non redondantes utilisables par l’approche explicite.
Cette caractérisation du domaine permet de plus d’établir des conditions
nécessaires et suffisantes de faisabilité de la loi prédictive, les relations avec la
stabilité du système bouclé étant mises en évidence grâce à la théorie des
ensembles invariants.
La commande prédictive permet, grâce à sa description temporelle, de prendre
en compte les contraintes inhérentes aux systèmes physiques. De plus, inclure
ces contraintes dès la phase de conception renforce les performances obtenues
en termes de faisabilité, stabilité et robustesse [1]. Cette démarche aboutit alors
à la résolution à chaque pas d’échantillonnage d’un problème d’optimisation
multiparamétrique, dans lequel un vecteur de paramètres (par exemple l’état du
système) intervient à la fois dans la fonction de coût et le système de contraintes.
Cette résolution s’avère cependant coûteuse en temps de calcul, restreignant de
Application et conclusions
On s’intéresse à la commande en position d’une machine asynchrone dont on
souhaite obtenir une réponse sans dépassement. La figure 2 illustre les résultats
obtenus dans le cas d’une loi prédictive GPC robuste sous contraintes, formulée
de façon explicite. On constate effectivement que l’erreur de suivi reste positive,
fait les applications potentielles de la méthode. Dans ce contexte, l’élaboration
d’une solution explicite au problème d’optimisation multiparamétrique
constitue une alternative intéressante, permettant non seulement la réduction
du temps de calcul en-ligne, mais encore l’analyse de la structure résultante.
cette contrainte n’ayant pas pénalisé par ailleurs la réponse en transitoire.
Utilisation des polyèdres paramétrés
Se distinguant d’autres stratégies rencontrées, la démarche ci-dessous propose
d’obtenir la solution explicite par une approche géométrique, basée sur le
concept de polyèdre paramétré [2]. En effet, le domaine issu d’un ensemble de
contraintes linéaires se représente dans de nombreux cas sous une forme
polyédrale, paramétrée en fonction de l’évolution de la dynamique du système.
Ce polyèdre paramétré se déduit du système d’inéquations initial grâce à la
double représentation de Minkowski. Un partitionnement de l’espace des
paramètres, déduit du positionnement de l’optimum sans contraintes par
rapport au domaine polyédral, permet la construction d’une formulation
explicite affine par morceaux de la loi prédictive, dans le cas nominal comme
dans le contexte de robustesse. Pour une stratégie de commande prédictive
généralisée, cette loi se caractérise par une structure multi-RST, incluant dans
chaque zone un terme constant en plus des trois polynômes (fig. 1).
Figure 2 : Loi GPC avec contraintes sur les sorties prédites
La formulation explicite autorise donc l’application à des systèmes rapides
(période d’échantillonnage de 1 ms dans l’exemple présenté). Par ailleurs,
la structure par polyèdres paramétrés offre la liberté d’ajuster la répartition
entre la partie hors ligne et la partie optimisation temps réel, selon la
capacité mémoire et la puissance informatique disponibles.
Figure 1 : Régulateur polynomial par morceaux équivalent.
.....................................................................................................................................
Forme explicite de la loi GPC sous contraintes.
A partir de cette conception hors ligne, l’implémentation effective est réalisée
via une fonction affine par morceaux à chaque période d’échantillonnage, par
positionnement dans une table préprogrammée. Cette démarche remplace la
procédure itérative d’optimisation évoquée précédemment. Il en résulte un
gain en temps de calcul important pour des applications à cadence rapide.
En plus de la construction de lois explicites, l’originalité de l’approche, liée à
cette vision géométrique, permet l’analyse du phénomène de redondance de
[1] G.C. Goodwin, M.M. Seron, J.A. De Dona, “Constrained Control and
Estimation”. Springer-Verlag, London, 2004.
[2] S. Olaru, D. Dumur, “A parameterized polyhedra approach for explicit constrained predictive control”. 43rd IEEE Conference on Decision and Control, The Bahamas, 2004.
[3] S. Olaru, D. Dumur, “Avoiding constraints redundancy in predictive control optimization routines”. IEEE Transactions on Automatic Control, 50(9), 1459–1466, 2005.
21
1.3
Automatique
des systèmes
hybrides
Hybrid Systems
1 Automatique
Automatic Control
Objectifs
Aims
Les contraintes économiques et environnementales induisent des exigences de plus en plus
importantes sur la maîtrise du comportement
des systèmes. Alors même que ces systèmes sont
de plus en plus complexes, la satisfaction de ces
exigences demande de prendre en compte globalement leur comportement. Il est donc nécessaire
d'intégrer d'une part les incertitudes de modélisation et d'autre part les évolutions de modèles en
fonction des modes de fonctionnement et des
changements d'objectif. Il n'est alors plus possible
d'utiliser des modèles dynamiques purement
continus ou purement événementiels ; des modèles
hybrides doivent désormais être considérés.
Nos objectifs sont d'étudier et de développer un
ensemble de formalismes et de méthodes prenant
en compte la spécificité des systèmes hybrides
pour permettre leur modélisation, l'analyse et la
vérification de leur comportement, ainsi que la
synthèse de leur commande (dans ses composantes algorithmiques et méthodologiques).
Economic and environmental constraints lead to
increasing requirements for controlling the behavior of
systems. While systems are more and more complex, it
is necessary to fulfill these requirements to consider their
global behavior. It is then mandatory to take into
account the modeling uncertainties and the changes in
models with modes switching. Therefore, it is no longer
possible to use purely continuous or purely discrete event
dynamic models, and hybrid models have to be considered as well.
The aim of this research is to develop a set of formalisms
and methods that could take into account the specificity
of hybrid systems, enabling their modeling, analysis and
behavior checking, as well as the synthesis of their control (taking into account algorithmic and methodological aspects).
This work can be successfully applied to various application domains such as automotive, industrial control,
energy management… It is partly integrated within
the framework of the European network of excellence
(NoE) HYCON.
Ces travaux contribuent aux avancées dans différents domaines tels que l'automobile, le contrôle
industriel, l'énergie… Ils s'intègrent en partie
dans le cadre du réseau d'excellence européen
HYCON.
Sujets
Topics
1. Systèmes physiques en commutation
Modélisation et analyse en électronique de
puissance. Bond-graphs à commutations.
Commande stabilisante des systèmes physiques
en commutation.
Modélisation et simulation du système cardiovasculaire.
1. Switching physical systems
Modeling and analysis in power electronics.
Switching Bond graph.
Stabilizing control of switching physical systems.
Modeling and simulation of cardiovascular system.
2. Commande des systèmes hybrides
Commande prédictive des systèmes hybrides
incertains.
Approche hybride pour la commande et la reconfiguration d'un réseau d'énergie (Projet €nergie).
3. Sûreté fonctionnelle
Vérification de propriétés, calculs sûrs d'atteignabilité, abstractions, synthèse de contrôleurs,
prise en compte des incertitudes.
Hervé GUEGUEN
Campus de Rennes
Tél. : +33 [0]2 99 84 45 04
E-mail : Hervé[email protected]
4. Modularité et répartition
Modélisation modulaire, spécification par contraintes.
Commande modulaire et répartie, coordination,
synchronisation.
Jean BUISSON
Campus de Rennes
Tél. : +33 [0]2 99 84 45 42
E mail : [email protected]
22
2. Hybrid system control
Predictive control of uncertain hybrid systems.
Hybrid approach for control and reconfiguration of
power systems (€nergie project).
3. Functional safety
Safety verification, guaranteed reachability computation, abstraction, controller synthesis, uncertain
systems and worst case verification.
4. Modular and distributed control
Modular modeling, constraints specification, reachability.
Modular and distributed control, coordination, agent
based control.
Automatique des systèmes hybrides / Hybrid systems
Approche hybride pour la commande
en tension d’un réseau électrique
Hybrid approach for voltage control
of power systems
Abstract
Par Sylvain Leirens
et Jean Buisson
To keep the voltage of a power grid under control is a major issue, especially when the system is confronted with severe damage such
as line outage or loss of generation. If the focus is on voltage control, it might be relevant to consider power systems as hybrid dynamical systems. Load dynamics are taken into account, along with the mixed nature of variables so as to propose a new kind of
approach based on a formal linearization and hybrid predictive control.
Réseaux électriques et systèmes hybrides
Application : réseau électrique à 4 nœuds
Un réseau électrique est constitué par l’interconnexion de producteurs et de
consommateurs via des lignes de transport. Différents dispositifs sont présents
dans le réseau pour en assurer le fonctionnement : transformateurs, compensateurs… L’approche hybride pour la modélisation et la commande est justifiée
par la présence de grandeurs continues (FACTS, références de tension, ..) et
discrètes (délestage de charge, bancs de capacités).
Le système de la figure 2 est une représentation très simplifiée d’un réseau
de transport d’électricité : on distingue les générateurs g1 et g2, la charge
ch, les lignes de transports l1, l2 et l3, un transformateur équipé d’un régleur
en charge tr et un banc de condensateurs c. Le réseau subit un défaut à
t=30s (deux des trois conducteurs de la ligne l3 sont déconnectés) et c’est
l’effondrement de tension (figure 3).
Commande prédictive hybride
Cette extension de la commande prédictive est en pratique la seule approche
utilisable. Le principe consiste à prédire le comportement du système sur un
futur proche pour calculer les commandes à appliquer au système à l’instant
courant.
Pour simplifier les calculs, le modèle de réseau est linéarisé formellement et disFigure 2 : Réseau d’étude à 4 nœuds
crétisé pour obtenir un modèle affine par morceaux (PWA) à temps discret
réactualisé en ligne :
(1)
Ce modèle dépend du mode i défini par la combinaison de l’appartenance à une
région de l’espace d’état-commande continu (x, uc) (par exemple une saturation)
et des entrées discrètes ud.
Une optimisation (2) en ligne permet de calculer les séquences de commande Uc
Figure 3 : Effondrement de tension
La figure 4 montre les résultats obtenus avec une commande prédictive en
utilisant un horizon N=3 instants d’échantillonnage (T=30s). A t=60s, la
connexion des gradins disponibles du banc de condensateurs et le blocage
du régleur en charge permettent de restaurer l’équilibre et un plan de tension proche de la situation avant incident [2].
(2)
et Ud dont seule la première valeur est utilisée.
La prise en compte d’aspects hybrides dans le modèle (1) implique une complexité combinatoire pour le calcul de la commande. Un nouvel algorithme de
type branch & bound dédié au problème de commande prédictive a été mis au
point. Il permet de ne pas avoir à énumérer toutes les possibilités et de trouver
la solution en un temps raisonnable [1].
Figure 4 : Résultats obtenus avec une commande predictive (N=3)
Cette étude, réalisée dans le cadre d’une collaboration avec AREVA T&D et
relevant du projet fédérateur €nergie, a permis de montrer la pertinence d’une
approche prédictive hybride pour la maitrise de l’écroulement de tension d’un
réseau électrique. Les travaux futurs concernent la prise en compte de la
complexité
au
travers
d’un
réseau
de
grande
dimension.
......................................................................................................................................
[1] S. Leirens, J. Buisson, P. Bastard and J.-L. Coullon, “An Efficient Algorithm for Solving
Figure 1 : Branch & bound pour la commande prédictive
Model Predictive Control of Switched Affine Systems”, Proceedings of the 17th Scientific
Computation, Applied Mathematics and Simulation World Congress (IMACS), Paris, 2005.
Le principe de cet algorithme est illustré sur la figure 1. Les traits gras
indiquent le chemin menant au premier sous-optimum. Un calcul de coût partiel en chaque nœud permet d’éliminer des sous-arbres (nœuds marqués d’une
croix). L’optimum recherché est marqué par un triangle.
[2] S. Leirens, J. Buisson, P. Bastard, J.-L. Coullon, “A Hybrid Approach for Voltage
Stability of Power Systems”, Proceedings of the 15th Power Systems Computation
Conference (PSCC), Liège, 2005.
23
1.4
Modélisation
et commande
de systèmes
complexes
Modelling
and control
of complex
systems
1 Automatique
Automatic Control
Objectifs
Aims
Le but de cette thématique est d’apporter un
soutien méthodologique aux ingénieurs ou
architectes de systèmes industriels vis à vis de
tout problème nécessitant modélisation et commande de systèmes complexes : systèmes
dynamiques, multi-variables, non linéaires, relevant de plusieurs domaines physiques.
L’approche permet dans une démarche complète de conception, de proposer sans a priori
une solution propre à remplir les objectifs fixés
par les cahiers des charges posés dans divers
domaines : automobile, physique, environnement, science de la terre, finance…
The aim of this article is to provide engineers or
industrial systems architects with the methodologies
needed to tackle the many difficulties of modelling
and controlling complex systems: namely, dynamic,
multivariable, non-linear and multi-physical systems. This type of approach entails making choices
based on such design methodologies and validating a
solution in order to meet the technical specifications
and requirements of different industrial sectors:
automotive, physics, environment, finance, etc.
Sujets
Topics
1. Commande et optimisation de systèmes
complexes
Formalisation de problèmes industriels et conception du cahier des charges des systèmes associés
selon une approche fonctionnelle. Choix, sans a
priori et synthèse de lois de commande propres à
remplir les objectifs fixés dans le cahier des
charges.
Soutien méthodologique dans l’optimisation et
la commande de systèmes multi-variables ou de
systèmes hybrides complexes, fortement non
linéaires : positionnement d’un robot médical
1. Control and optimization of complex
systems
Formalization of industrial problems and specification
of associated systems according to a functional approach.
Proper choice and design of control laws in order to
meet the desired specifications.
Methodological support for optimizing and controlling
complex non-linear multivariable or hybrid systems:
for example, the positioning system of a multi-axes
medical robot, the friction processes of automotive
transmissions or the power system for a fuel-cell stack
Optimization of complex systems dealing with automotive applications, electrical energy production involving
wind turbines, and multi-energy district networks.
multiaxes, organes de friction de groupe motopropulseur, module de puissance d’une pile à
combustible.
Optimisation de systèmes complexes, dans le
domaine de l'énergie électrique, parcs de production multi énergies et éoliens, le secteur du
contrôle-commande et de l’automobile.
2. Modélisation-Estimation-Identification
Développement et validation de modèles analytiques permettant la simulation de systèmes
multi-physiques complexes.
Détermination, identification et validation de
modèles simplifiés pour des systèmes complexes
et incertains en vue de maintenance prédictive
ou de commande : application à des bioréacteurs de culture de micro-algues, de bactéries.
Recherche d’une méthodologie permettant
l’obtention d’un modèle associé à un domaine
d’incertitude donné caractérisant des données
expérimentales observées.
Point sur des méthodes (Model Free LQG), à
la croisée des techniques d’identification et de
commande, qui sans en expliciter le modèle,
permettent la commande optimale d’un
procédé.
Dominique BEAUVOIS
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 13 87
24
2. Modelling-Identification-Estimation
Design, implementation and validation of analytical
models permitting the simulation of complex multiphysical systems.
Determination, identification and validation of simplified models for complex uncertain systems in order to
implement predictive maintenance (motor-drive systems) or adequate control laws (bio-reactors for microalgae and bacteria culture).
Development of a methodology for establishing a model
linked to a given uncertain domain which could explain
observed experimental data.
Definition of an approach (Model Free LQG)
combining subspace identification and control methods
allowing optimal control of a process without the need
for explicit model representation.
Modélisation et commande de systèmes complexes / Modelling and control of complex systems
Modélisation, optimisation et commande
de réseaux multi énergies complexes
Modelling, optimisation and control of complex
district heating networks
Abstract
Par Guillaume Sandou,
Stéphane Font et Sihem Tebbani
District heating networks are complex systems with non linear, non analytic phenomena and non negligible, time varying propagation delays. A reference model is first developed for simulation. Then, the definition of a hierarchical global/local optimisation strategy is necessary to compute a solution for the whole district network (optimal control trajectories for power supplies, network management and storage planning). For local optimisations, several approaches are used (exact solution and metaheuristics), depending on
the complexity of production sites. Finally, predictive control principles allow the use of optimisation results in a closed loop framework. Robustness of the control law against prediction errors is taken into account.
adéquate du problème. Pour chaque problème élémentaire, un modèle doit
être défini, conjointement à une méthode d’optimisation.
La stratégie est fondée sur une décomposition hiérarchisée globale/locale : des
modèles agrégés des sites de production sont d’abord élaborés. L’optimisation
globale du réseau permet alors de déterminer les énergies produites par chaque
site, les vitesses de rotation des pompes, le degré d’ouverture des vannes et la
gestion du stock. Cette optimisation s’effectue environ en 12000 secondes.
Les énergies à produire étant connues, il est possible de réaliser des optimisations locales au niveau de chacun des sites de production. Il s’agit, au niveau de
chaque site, de répartir la production d’énergie entre ses différentes installations
pour obtenir des plannings locaux conformes au fonctionnement global attendu lors de la détermination des modèles agrégés. Différentes approches ont
Cadre technico-économique
L’optimisation court terme des réseaux d’énergie est un enjeu industriel
primordial (ouverture des marchés d’énergie, nouvelles technologies, pression
environnementale). Dans un tel contexte, et dans le cadre du projet fédérateur pluridisciplinaire €nergie initié par Supélec et portant sur l’optimisation technico-économique des réseaux d’énergie, EDF et Supélec investiguent de nouveaux champs d’application comme les parcs de production
multi énergies. Ces systèmes présentent des problématiques de réseaux
non linéaires avec des temps de propagation variables de plusieurs heures.
Les problèmes d’optimisation court terme sont de grande dimension, non
analytiques et mixtes. Dans cette étude, une approche globale est développée, visant à gérer la complexité du système. La totalité de la chaîne technologique « production – transport – consommation » est ainsi prise en
donc été employées selon la complexité des sites de production : « Branch and
Bound » pour les sites de petite dimension, algorithme hybride colonie de fourmis/algorithme génétique ([2]) pour les sites plus importants.
compte. Dans le cadre de cette étude, un réseau de chauffage urbain
benchmark a été défini, regroupant toutes les problématiques industrielles
(voir figure 1).
Commande en boucle fermée et robustesse
Les résultats d’optimisation constituent une commande en boucle ouverte
du réseau de chaleur. Cependant, le réseau de chaleur est soumis à de très
fortes incertitudes (demande des consommateurs) et le réseau de chauffage
est instable en boucle ouverte (effet naturel de stockage). Il est donc fondamental d’élaborer une structure de commande en boucle fermée. Ayant
un système non linéaire complexe dont nous savons planifier le comportement, nous avons opté pour une structure de commande prédictive fondée
sur le principe de l’horizon fuyant, présentée dans [3].
L’application de ce type de commande à un système complexe présentant des
contraintes non linéaires présente des problématiques spécifiques. Un point
émergeant est lié à la faisabilité des optimisations successives. Cet aspect s’est
avéré relié aux problèmes de robustesse de la loi de commande, calculée par
optimisation à partir de demandes prédites. Une des possibilités de
robustification est l’utilisation conjointe de la surproduction et de l’effet de
stockage du réseau de distribution.
Figure 1 : Réseau de chauffage urbain benchmark
Modèle de référence
Des modèles locaux de producteurs (chaudières, cogénération, incinérateur…),
de tronçons, de pompes, de vannes, de consommateurs et de stockage ont été
développés. Ces modèles ont été agrégés pour former un modèle global du
réseau de chaleur. Ce modèle est un modèle algébro-différentiel implicite de
grande dimension, structuré en 3 couches ([1]). La première concerne le calcul
des débits et des pressions (systèmes d’équations algébriques non linéaires de
grande dimension). La deuxième couche modélise la propagation de l’énergie
thermique (équations non linéaires implicites et équations aux dérivées partielles). La troisième couche comprend le modèle de production (nombreuses
variables entières). La simulation du modèle sur 24 heures est effectuée en
2 minutes.
......................................................................................................................................
[1] G. Sandou, “Modélisation, optimisation et commande de parcs de production
multi énergies complexes”. Thèse de doctorat de l’université Paris-Sud XI, Orsay,
novembre 2005.
[2] G. Sandou, S. Font, S. Tebbani, A. Hiret, C. Mondon, “Optimisation par
colonies de fourmis d’un site de génération d’énergie”, Journal Européen des Systèmes
Automatisés, Numéro spécial « Métaheuristiques pour l’optimisation difficile », Vol. 38,
Gestion de complexité : stratégie d’optimisation
n°9/10, pp. 1097-1119, 2004.
Le problème d’optimisation issu du modèle de référence est non convexe, non
analytique et comprend environ 800 variables réelles et 600 variables binaires
pour la gestion horaire d’une journée. Face à cette complexité, il s’agit d’élaborer une stratégie, qui passe par la détermination d’une décomposition
[3] G. Sandou, S. Font, S. Tebbani, A. Hiret, C. Mondon, “Predictive control of a
complex district heating network”, 44th IEEE Conference on Decision and Control and
European Control Conference 2005, Séville, Spain, décembre 2005.
25
1.5
Estimation et
modélisation
Estimation and
Modelling
1 Automatique
Automatic Control
Objectifs
Aims
La construction de modèles mathématiques, et
l’estimation de leurs paramètres et de leurs variables d’état sont des activités de base pour
quiconque veut concevoir, améliorer, commander
ou surveiller des systèmes. Les sujets étudiés dans
la division Systèmes du L2S vont de la construction de modèles mathématiques simples et
empiriques à partir de mesures sur des systèmes
ou de simulations de modèles complexes (on parle
de modèles boîte noire, ou de méta modèles) à
l’estimation de variables d’état de modèles de
toutes natures, le plus souvent non linéaires (on
parle d’observation). Nous abordons également
l’estimation de paramètres constants ou lentement
variant.
Building mathematical models and estimating their
parameters or state variables are basic activities for
anyone wanting to design, improve, control or monitor
systems. The topics studied in the Systems division of the
L2S range from the building of simple and empirical
mathematical models from measurements on systems or
from simulations of complex models (one speaks of
black-box models or meta models) to the estimation of
state variables of all sorts of models, which are most
often nonlinear (one speaks of observation or filtering).
Estimation of constant or slowly varying parameters is
also considered.
Sujets
Topics
1. Approche algébrique et numérique
des problèmes d’observation
Les problèmes d’observation de systèmes non
1. Algebraic and numerical approach to
observation problems
Nonlinear observation problems often have deep
linéaires ont un caractère algébrique profond en
général. Il en est ainsi de l’observabilité, de
quelques aspects de ce qui est appelé le placement
de capteurs, etc. L’analyse algébrique de ces
problèmes révèle une partie centrale qui, souvent,
algebraic roots. This is the case of observability, and
some aspects of the so-called sensor selection problems.
The algebraic analysis of such problems reveals central
parts which often are linked to numerical analysis: bad
conditioning, ill-posed inverse problems. This is the case
of observer design for nonlinear systems. The results of
this approach have recently found usage in anaerobic
digestion, for instance.
fait appel à l’analyse numérique : possible mauvais
conditionnement, ou problème inverse mal posé.
Il en est ainsi de la synthèse des observateurs
pour des systèmes non linéaires. Les résultats de
cette approche ont récemment été utilisés, par
exemple, dans la digestion anaérobique.
Sujet 1 / Topic 1:
Sette DIOP
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 30
Sujet 2 / Topic 2:
Françoise LAMNABHI-LAGARRIGUE
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 27
Sujet 3 / Topic 3:
2. Identification de systèmes non
linéaires
Il s'agit de développer des algorithmes d'identification paramétrique comme partie d'observateur
d'états, sans ajout de la condition classique de persistence d'excitation. L'utilisation d'observateur à
structure variable permet d'obtenir la convergence
en temps fini et de bonnes propriétés de
robustesse.
3. Modélisation boîte noire (ou grise)
Quand un modèle à base physique s’avère trop
compliqué à construire ou à utiliser, on peut
adopter une modélisation boîte noire. Ceci nous
conduit à nous intéresser depuis une dizaine
d’années au krigeage, une alternative prometteuse à l’utilisation de réseaux de neurones
formels. La prise en compte d’information a priori permet d’arriver à des modèles de type boîte
grise plus efficaces ; sujet étudié en liaison avec
le dépt. Signaux et Systèmes Électroniques.
Éric WALTER
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 11
26
2. Identification of nonlinear systems
We develop algorithms of parametric identification as parts
of state observers, without the need to assume the classical
condition of persistence of excitation. The use of variable
structure observers allows to obtain finite time convergence
as well as good properties of robustness.
3. Black-box (or grey-box) modelling
When building or using a model based on physics
turns out to be too complex, black-box modelling
might be attempted. For the last ten years we have
been studying Kriging, a promising alternative to
formal neural networks. Prior information may be
taken into account to get more efficient grey-box
models; topic studied in cooperation with the Signal
Processing and Electronic Systems Dept.
Estimation et modélisation / Estimation and modelling
Estimation de paramètres variant
dans le temps
Time-variant parameters estimation
Abstract
Par Godpromesse Kenné, Tarek Ahmed-Ali,
Françoise Lamnabhi-Lagarrigue,
Amir Arzandé
In this contribution, real-time implementation results illustrating the experimental validation of a new algorithm for time-varying
parameter estimation of a large class of nonlinear systems are presented. This method is based on the variable structure theories and
is potentially useful for adjusting the controller parameters of variable speed drive. The real-time estimation of the rotor resistance of an induction motor in various operating conditions based on this approach, show rapidly converging of estimates in spite of the
measurement noise, discretization effects, parameter uncertainties (e.g. inaccuracies on motor inductances and stator resistance
values) and modelling inaccuracies.
Introduction
La plupart des processus industriels comportent des paramètres variant dans le
temps. La résistance rotorique Rr d’un moteur asynchrone est un exemple type
de paramètre variant dans le temps car sa valeur peut varier et atteindre 100%
de sa valeur nominale pendant le fonctionnement à cause de l’échauffement du
rotor. La valeur de ce paramètre est d’ailleurs très importante dans l’élaboration
des algorithmes très performants de commande. En effet, ces derniers utilisent
en général les flux rotoriques qui ne sont pas mesurables mais plutôt estimés à
partir de la connaissance des sorties mesurées et des paramètres électriques (y
compris Rr). Le couple de charge est également un paramètre incertain car sa
valeur est fonction du type de charge ou de l’application. L’équipe de F.
Lamnabhi-Lagarrigue http://public.lss.supelec.fr/perso/lamnabhi/ a proposé
une nouvelle méthode (basée sur la théorie de la structure variable) d’estimation des paramètres variant dans le temps d’une large classe de systèmes non
Figure 2 : Résultats d’expérimentation [1] en temps réel illustrant la
comparaison entre la résistance rotorique estimée à froid et à chaud
linéaires avec une application à l’estimation en temps réel de la résistance
rotorique d’un moteur asynchrone [1] lorsque les courants et tensions statoriques ainsi que la vitesse rotorique sont supposés mesurables. Les études
théoriques et simulations [2] ainsi que les résultats expérimentaux [1] ont montré la convergence assez rapide de cette méthode ainsi que sa robustesse par
rapport aux paramètres variant dans le temps, les incertitudes paramétriques, les
bruits de mesure et les incertitudes de modèle.
Robustesse par rapport aux variations de Rs
Les résultats représentés par la figure 3 attestent la robustesse de l’algorithme
d’estimation proposé par rapport aux variations de la résistance statorique
(valeur nominale 0.22V). Par conséquent, il n’est pas nécessaire de monter un
capteur de température au stator du moteur pour faire la mise à jour de la
résistance statorique.
Estimation de Rr variant dans le temps
Figure 3 : Résultats en temps réel [1] illustrant la robustesse de l’algorithme par rapport aux variations de la résistance statorique
.....................................................................................................................................
Figure 1 : Résultats en temps réel [1] illustrant la robustesse de
l’algorithme par rapport aux variations de la résistance rotorique
[1] G. Kenné, T. Ahmed-Ali, F. Lamnabhi-Lagarrigue, A. Arzandé, “Time-varying parame-
Les figues 1 et 2 illustrent les mérites de l’algorithme d’estimation proposé dans
le cas des paramètres variant dans le temps. La figure1 présente les résultats
expérimentaux de l’estimation de la résistance rotorique avec une variation de
sa valeur en régime permanent (en pleine charge) de près de 75% de sa valeur
moyenne estimée à chaud (0.54V). Cette variation a été obtenue en utilisant le
rhéostat de démarrage rotorique. La figure 2 montre les résultats en temps réel
obtenus à froid et à chaud en pleine charge.
ter identification of a class of nonlinear systems with application to online rotor resistance
estimation on induction motors”, Submitted to Control Engineering Practice.
[2] G. Kenné, T. Ahmed-Ali, H. Nkwawo, F. Lamnabhi-Lagarrigue, “Robust rotor
flux and speed control of induction motors using online time-varying rotor resistance
adaptation ”, Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control, and
European Control Conference, CDC-ECC’O5, pp. 7768-7774, Seville, Spain, 12 – 15 Dec.
2005.
27
1.6
Systèmes
non linéaires
et hybrides
Nonlinear and
hybrid systems
analysis
L2S
Campus de Gif
1 Automatique
Automatic Control
Objectifs
Aims
L’exigence croissante des secteurs applicatifs en
termes d’objectifs et de performances liée aux possibilités accrues des moyens de calcul, stimulent la
recherche fondamentale vers les cas difficiles.
Prendre en compte les aspects non linéaires et
hybrides du comportement dynamique est incontournable pour le succès du contrôle.
The increasing request of the applicative sector
regarding goals and performances linked to new
computing facilities stimulate fundamental research
oriented to challenging cases. As a consequence,
nonlinear and hybrid phenomena have to be taken into
account for a successful control.
Sujets
Topics
1. Commande et supervision des
systèmes complexes
Les récentes innovations technologiques ont
conduit à un intérêt considérable pour l’étude
des processus embarqués qu’on trouve par
exemple dans les domaines de l’automobile,
l’aérospatiale, la robotique, le la téléphonie
mobile, les processus chimiques. Ces systèmes
sont à la fois hétérogènes et complexes. Ils
nécessitent de nouvelles approches globales
(supervision) garantissant robustesse et performances.
1. Control and supervision of complex
systems
The recent technology innovations lead to a considerable
interest for the study of embedded systems that one can
find for instance in automotive control, aerospace,
robotics, wireless telephony, process control. There is a
need of new global methods (supervision) which
guaranty both robustness and performances.
2. Automatique pour la synchronisation
des systèmes dynamiques
La synchronisation consiste à faire en sorte que
deux ou plusieurs systèmes dynamiques se comportent de façon coordonnée, et en particulier,
que les trajectoires d’un système suivent asymptotiquement celles d’un autre système. L'équipe
s'intéresse par exemple à la synchronisation des
systèmes mécaniques ou à la formation des systèmes physiques (vaisseaux marins, automobiles).
Sujet 1 et 2 / Topics 1 and 2:
Françoise LAMNABHI-LAGARRIGUE
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 27
3. Formes normales et classification
des non linéarités
Il s’agit de simplifier par changement de coordonnées et bouclage des dynamiques non
linéaires et de décrire les formes normales à
Sujet 2/ Topic 2:
Antonio LORIA
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 24
partir des termes résiduels.
Sujets 3 et 4 / Topics 3 and 4:
Dorothée NORMAND-CYROT
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 48
Sujet 5 / Topic 5:
Roméo ORTEGA
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 66
Sujet 2 / Topic 2:
Elena PANTELEY
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 66
4. Systèmes discrets et échantillonnés
Comprendre la transposition sous échantillonnage
des propriétés structurelles et de commande
d’un système dynamique continu est fondamental
au développement de stratégies de commande
échantillonnée maintenant objectifs, stabilité
interne et robustesse. Une approche géométrique
du temps discret permet une extension au cas
hybride.
5. Commande robuste via la passivité et
l’immersion
Le terme de « commande via la passivité »,
introduit au L2S il y a 20 ans, est maintenant une
technique standard de contrôle exploitant effectivement la propriété physique fondamentale de
passivité. Cette approche, combinée aux techniques classiques d’invariance a donné lieu
récemment à de nombreux résultats intéressants.
28
2. Control theory for synchronisation of
dynamical systems
Synchronisation of dynamical systems consists in making
two or more dynamical systems to behave in a coordinated
way and, in particular, in making the trajectories of one
system follow asymptotically, the trajectories of another system. The team is interested for instance in the synchronisation of mechanical systems and in the formation of physical
systems (marine, automotive).
3. Normal forms and classification of the
nonlinearities
It concerns the simplification under coordinates change
and feedback of the nonlinearities so defining the normal
forms characterized by the residual terms.
4. Discrete-time and sampled dynamics
To understand the preservation of structural and control
properties of a given continuous-time control system is basic
to provide digital control strategies maintaining the objectives, internal stability and robustness. A geometric
approach for the discrete-time case is suitable to its extension
to the hybrid case.
5. Robust control via passivity and
immersion
The term “Passivity-based control”, introduced at
LSS, 20 years ago, is now a standard technique for
controller design, that effectively exploits the fundamental physical property of passivity. Combining this
with the classical techniques of system invariance has
given rise to a series of interesting results in the last
few years.
Systèmes non linéaires et hybrides / Nonlinear and hybrid systems analysis
Garantir la stabilité des systèmes
non linéaires à données échantillonnées
Guaranteeing stability of nonlinear
sampled-data systems
Abstract
Par Laurent Burlion,
Tarek Ahmed-Ali et
Françoise Lamnabhi-Lagarrigue
Hybrid systems are complex nonlinear systems with hard nonlinearities which are governed by discrete events. The studies of hybrid
systems have been applied to many problems and areas in the last few years. Using extensions of Lyapunov theory to hybrid systems, we proposed here new conditions to guarantee the stability of nonlinear sampled data systems.
Les systèmes à données échantillonnées
Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux conditions de stabilité de la
classe des systèmes dynamiques de la forme :
où
où k décrit l’ensemble des entiers naturels, T désigne la période d’échantillonnage, x prend ses valeurs dans Rn et ukdans Rm.
Cette classe de systèmes découle de la discrétisation de la commande
dynamique ou de la loi d’estimation des paramètres inconnus du système.
Pour plusieurs classes de systèmes continus, il est parfois nécessaire de
recourir à un contrôleur dynamique pour les stabiliser avec une commande
facilement implantable. Citons par exemple le cas des systèmes non affines
par rapport à la commande. Dans ce cas, un retour d'état dynamique non
linéaire qui garantit une stabilité asymptotique du système est alors calculé
puis discrétisé. Cependant, pour des valeurs trop grandes de la période
d'échantillonnage des phénomènes d'instabilité peuvent apparaître.
Notre équipe a proposé une approche [1] basée sur des fonctions de
Lyapunov et de bonnes approximations numériques. Notre résultat s’appuie
et où
sont des réels strictement positifs.
Exemple :
Considérons la fonction V :
sur une propriété des systèmes impulsifs obtenue par Ye, Michel et Hou [2]
Théorème
Considérons le système suivant obtenu en discrétisant au premier ordre le
bouclage dynamique d’un système continu :
Continuous feedback
Discretized feedback,Ù = 0. s
Ainsi, en utilisant une approche de Lyapunov nous pouvons, sous certaines hypothèses,
obtenir des conditions suffisantes pour calculer une période d'échantillonnage maximale au-dessous de laquelle les propriétés de stabilité avant la discrétisation restent
garanties. Ce résultat généralise les travaux de Hermann, Spurgeon and Edwards [3]
sur la discrétisation de contrôleurs statiques. Une généralisation à des méthodes de discrétisation d’ordres supérieurs devrait nous permettre d’agrandir la période maximale
avec laquelle nous pouvons échantillonner.
si ce système et la période d’échantillonnage T satisfont les conditions
ci–dessous, alors le système converge asymptotiquement vers l’équilibre 0.
.....................................................................................................................................
[1] L. Burlion, T. Ahmed-Ali, F. Lamnabhi-Lagarrigue, “On the stability of a class of nonlinear hybrid systems”, 6th IFAC-Symposium on Nonlinear Control Systems, NOLCOS 2004,
Stuttgart, 1-3 September 2004
[2] H. Ye, A.N. Michel and L. Hou, “Stability Theory for Hybrid Dynamical
Systems”, IEEE TAC, vol.43, no.4, pp~461-474, April 1998.
[3] G. Hermann, S.K. Spurgeon and C. Edwards, “Discretization of Sliding Mode
based Control Schemes”, in Proc. IEEE CDC, pp. 4257-4262, 1999.
29
1.7
Systèmes
électriques
et mécaniques
Electrical
and mechanical
systems
1 Automatique
Automatic Control
Objectifs
Aims
Développer des stratégies d’analyse et de commande adaptées aux systèmes électriques et
mécaniques est un point fort du L2S.
L’exploitation des structures particulières de ces
systèmes physiques permet la conception
d’outils d’analyse et de schémas de contrôle
performants.
Developing analysis and control strategies, particularly
tailored to electrical and mechanical, systems is one of
the main areas of research at L2S. Exploiting the structural features of these physical systems makes possible to
develop highly performant analysis tools and control
schemes.
Sujets
Topics
1. Contrôle actif des vibrations
Destiné à améliorer le confort acoustique ou
encore, la tenue dans le temps des structures
mécaniques, le contrôle actif des vibrations est un
domaine d’application remarquable de l’automatique. Nos applications privilégiées sont les structures mécaniques minces sur lesquelles sont fixées
plusieurs pastilles piézo-électriques. Certaines
d’entres-elles servent de capteurs et les autres d’actionneurs. La recherche d’un correcteur calculé à
partir d’un modèle numérique du comportement
1. Active vibration damping
Intended to improve acoustic comfort or structures
health, active vibration damping is one of famous application area of automatic control theory. Our main
applications are thin mechanical structures on which
are bonded several piezoelectric patches. Some are used
as sensors and the others as actuators. The search of a
controller computed thanks to a numerical model of the
dynamical input-outputs behavior and able to damp
vibrations robustly is our actual approach.
dynamique entrées-sorties et capable d’amortir les
vibrations de façon robuste correspond à notre
approche actuelle.
2. Commande échantillonnée non linéaire
Des méthodologies de commande à plusieurs
échelles de temps sont appliquées à la conduite et
la planification de trajectoires de structures
mécaniques articulées ou sous actionnées qui
présentent des liens non holonomes. De nombreux
exemples, véhicules spatiaux et sous-marins, robots
mobiles illustrent les performances.
Sujet 1 / Topic 1:
Yacine CHITOUR et Sami TLIBA
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 45 / 17 56
E-mail : [email protected],
[email protected]
Sujet 2 / Topic 2:
Dorothée NORMAND-CYROT
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 48
Sujets 3, 4 / Topics 3, 4:
Romeo ORTEGA
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 17 66
3. Systèmes mécaniques sous actionnés
Les méthodes de commande reposant sur la
passivité ont une très intéressante interprétation en
termes d’équilibre énergétique. A partir d’une
caractérisation complète des fonctions d’énergie, le
concepteur peut fixer des objectifs de robustesse et
sur le transitoire. Les solutions sont simples et
intuitives, par rapport à des procédures moins
naturelles de découplage ou de linéarisation, et
confèrent au système en boucle fermée une structure hamiltonienne avec des fonctions d’énergie
potentielle et cinétique désirées.
4. Electronique de puissance
Notre activité se concentre sur la régulation par
bouclage d’une classe de systèmes de puissance à
commutations généralement abordée par précompensation du facteur de puissance. Dans ces
applications, en dehors de la régulation de la
charge à une valeur constante, un objectif supplémentaire crucial est de maintenir le facteur de puissance à proche de un. Pour cela, il a été nécessaire
de développer un cadre théorique adéquat pour
des charges non linéaires et commutant.
30
2. Nonlinear digital control
Multirate digital control strategies are developed for motion
planning of mechanical articulated structures or underactuated ones which satisfy nonholonomic constraints. Several
examples like space or submarine vessels and mobile robots
illustrate the performances.
3. Underactuated mechanical systems
Applying passivity-based control to mechanical systems
has a very appealing energy-balancing interpretation.
This allows for a complete characterization of the
assignable energy functions, providing the designer
with a handle to address transient performance and
robustness issues. The resulting controllers are very
simple and intuitive and do not rely on, rather
unnatural an technique-driven, linearization or
decoupling procedures but instead endows the closedloop system with a Hamiltonian structure with
desired potential and kinetic energy functions.
4. Power electronics
Our activity centers mainly around the problems of feedback
regulation of a class of switched power converters commonly
addressed as power factor precompensators. In such applications,
aside from load voltage regulation to a prespecified constant
level, a vital additional control objective consists in keeping the
input power factor close to unity. To achieve this objective it
was necessary to develop a theoretical framework which would
be applicable in the presence of nonlinear and switching loads.
Systèmes électriques et mécaniques / Electrical and mechanical systems
Compensateurs du facteur de puissance
pour des charges non linéaires
Par Eloísa García-Canseco
et Romeo Ortega
Power factor compensators for nonlinear loads
Abstract
Power factor (PF) improvement in electrical systems is a practically important and mathematically challenging problem. In the
linear scalar sinusoidal case, it is defined as the cosine of the phase shift between voltage and current waveforms. The objectives of
this research are first, to extend the definition of PF to the nonlinear non sinusoidal case and, second, to provide a framework for
nonlinear compensator synthesis.
Introduction
où
et
représentent le produit scalaire et la norme dans l’espace
.
L’objectif est de concevoir une admittance YC tel que FP soit amélioré. Dans notre
travail de recherche nous avons établi le résultat suivant :
L'optimisation de la transmission d'énergie entre un générateur de courant
alternatif et une charge est un problème actuel du génie électrique. Dans un
scénario classique, on suppose que le générateur est idéal, c'est-à-dire sans
impédance et avec une tension fixe. Le problème consiste alors à concevoir un
compensateur qui sera placé entre le générateur et la charge et dont le but est
Etant donnés Y, et
i.
ii.
de maximiser l'efficacité de la transmission de puissance.
Si tous les éléments sont linéaires et invariants dans le temps et si le générateur
est une source sinusoïdale, il est bien connu que le compensateur optimal est
celui qui réduit le déphasage entre la tension et le courant, tout en améliorant
le « facteur de puissance ». Cependant, pour les systèmes électriques avec des
charges non linéaires et/ou commutées, il n'existe pas aujourd’hui de solution
systématique, et la conception des compensateurs se fait de façon heuristique.
Nous travaillons depuis plusieurs années sur le développement des outils
théoriques permettant l’analyse et la synthèse de ces compensateurs dans un
contexte non linéaire sous régime non sinusoïdal. Pour résoudre ce problème,
, les affirmations suivantes sont équivalentes :
Un compensateur sans pertes améliore le FP
Travail futur
Le but de cette recherche est de mettre en œuvre, éventuellement en l’adaptant, ce résultat dans des applications pratiques spécifiques, c’est-à-dire en considérant les topologies des filtres actifs et les charges rencontrées lors d’applica-
un formalisme mathématique rigoureux, qui s’appuie sur des principes de
façonnement de la puissance, a été publié récemment [1, 2].
tions à des cas réels. Bien que la ligne principale de recherche s'articule autour
de développements théoriques, la mise en œuvre expérimentale est indispensable. Afin de valider les lois de commande, on envisage l'implantation des contrôleurs sur DSP (processeur de signal numérique) ou FPGA (circuit logique
programmable).
Ces travaux seront menés en collaboration, d'une part, avec l'équipe de
l'IPICyT au Mexique dans le cadre du Laboratoire Franco-Mexicain
d'Automatique Appliquée (LAFMAA) et d'autre part, avec le Laboratoire de
Génie Électrique de Paris (LGEP).
Caractérisation de l’amélioration du facteur de
puissance
Figure 1 : Compensateur typique
.....................................................................................................................................
Le schéma d’un compensateur typique est illustré par la Fig. 1 où
représente l’admittance de la charge et
correspond à l’admittance du
compensateur (les deux éventuellement non linéaires). Pour éviter la perte de puissance
dans le système, on considère que le compensateur est sans pertes. Le facteur de puissance est défini par l’équation
[1] E. García-Canseco, R. Griñó, R. Ortega, M. Salich and A.Stankovic, “Power Factor
Compensation of Electrical Circuits: A Control Theory Viewpoint”. Accepted for publication in the IEEE Control Systems Magazine (Submitted: August 2005).
[2] R. Ortega, E. García-Canseco, R. Griñó and A. Stankovic, “A Cyclo-Dissipativity
Condition for Power Factor Improvement in Electrical Circuits”, American Control
Conference, Minneapolis, Minessota, USA. June 14-16, 2006.
31
2
Energy
2.1
Power networks
• What value for reactive power production?
34
2.2
Power electronics
• Three phase active filter
36
2.3
Electrical machines,
drives and generation
systems
• Optimisation of a linear motor drive
and the associated power supply
38
2.4
Modeling of Electromagnetic systems:
Materials, EMC,
CAD and NDT
• Giant magnetostrictive materials
characterisation and modelling
40
2.5
Electrical Contacts
• Nanomodifications on the surface
of molecular conductors
42
2.6
Aerosol and atmospheric
pressure electrical
discharge processes
• Nucleation and thin SiOx film deposition
by Dielectric Barrier Discharges at Patm
44
2.7
Insulating materials
and partial discharges
•Non-thermal plasma chemistry contribution
to partial discharges detection in medium
voltage equipments
46
32
2
Énergie
2.1
Réseaux d’énergie
• Valorisation des services Systèmes :
que vaut la production de puissance
réactive ?
34
2.2
Électronique de puissance
• Un filtre actif pour réseau triphasé
utilisable en tant que source de secours
36
2.3
Machines électriques
et systèmes de conversion
• Optimisation d'un actionneur linéaire
et de son électronique d’alimentation
38
2.4
Modélisation de systèmes
électro-magnétiques :
matériaux, CEM, CAO et CND
• Caractérisation et modélisation
des matériaux à magnétostriction
géante
40
2.5
Contacts électriques
• Nanomodifications à la surface
de conducteurs moléculaires
42
2.6
Procédés aérosol
et décharges électriques
à pression atmosphérique
• Nucléation et dépôt de couches minces
de SiOx par Décharges à Barrières
Diélectriques à pression atmosphérique
44
2.7
Matériaux isolants et
décharges partielles
• Apports de la chimie des plasmas
froids à la détection de décharges
partielles dans des dispositifs
électrotechniques moyenne tension
46
33
2.1
Réseaux
d’énergie
Power networks
2 Énergie
Energy
Objectifs
Aims
Systèmes de plus en plus complexes, alimentant
des charges elles-mêmes de plus en plus exigeantes,
les réseaux d’énergie sont omniprésents sur le
territoire des pays industrialisés, dans les sites
industriels, mais aussi dans les systèmes embarqués
(voitures, avions, navires) où les générateurs,
moteurs et actionneurs électriques sont de plus en
plus utilisés.
La maîtrise des régimes de fonctionnement perturbés et la conception de relais de protection
sûrs et sélectifs mais aussi de systèmes intelligents
de contrôle-commande et de gestion de réseau
contribuent à augmenter à la fois la fiabilité des
réseaux d’énergie et la qualité du produit
« électricité ».
Dans le contexte actuel d’ouverture à la concurrence des marchés de l’électricité, l’optimisation
technico-économique des grands systèmes
électriques avec les nouvelles règles
économiques et les opportunités technologiques
en matière de production délocalisée ou de
Power transmission and distribution systems today are
becoming increasingly sophisticated. They feed loads
which themselves require ever higher levels of power
quality.
Mastering disturbed operating conditions, however,
and designing efficient and selective protection relays
as well as intelligent remote control and operating
systems, can further contribute to increasing the
reliability of power systems and to improving the
quality of the so-called “electricity” product.
Within the current context of growing competition
throughout the European electricity market, the
optimisation of large power systems taking into
account new economic rules along with the new
opportunities which have opened up in the field of
dispersed power plants and energy storage, environmental constraints notwithstanding, will undoubtedly
become a real challenge in the future.
stockage d’énergie constitue un réel enjeu, dans
un secteur où les contraintes environnementales
ne peuvent plus être négligées.
Département Électrotechnique
et Systèmes d’Énergie
Campus de Gif
Marc PETIT
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 33
Sophie PLUMEL
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 20
Sujet 5 / Topic 5:
Gérard BERGER
LPGP - Équipe DEE
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 96
Sujets
Topics
1. Simulation numérique et conception
de logiciels
Régimes transitoires de défaut.
Grands réseaux maillés : couplage technicoéconomique et optimisation.
1. Digital simulation and software design
2. Protections numériques
Conception d’algorithmes de protection neuromimétiques.
Conception de protections directionnelles sans
mesure de tension.
Localisation des défauts dans des réseaux de
distribution.
2. Digital relaying
Design of neural-network based digital relaying
algorithms.
Design of directional relays without voltage
measurements.
Fault location in distribution radial networks.
3. CEM et qualité de l’énergie
Production éolienne et qualité de l’énergie (flicker,
harmoniques, …).
3. EMC and power quality
Wind power plants and power quality (flicker,
harmonics, etc.).
Reliability of distribution networks.
Fiabilité des réseaux de distribution.
4. Optimisation technico-économique
des grands réseaux
Projet €nergie : www.supelec.fr/ecole/eei/energie
Tarification du transport d’énergie.
Gestion des congestions (« market splitting »,
« spot pricing », etc.).
Valorisation du stockage sur réseau.
Conception et analyse de règles de marché.
Valorisation des services « systèmes ».
Economie expérimentale.
5. Foudre
Protection des structures par paratonnerres.
Phénoménologie de la foudre et ses aspects climatiques, notamment en milieu tropical.
Analyse de l'efficacité des réseaux de détection et
localisation des éclairs.
34
Fault transients.
Operation of large power systems: technical and
economic optimisation.
4. Technical and economic optimization
of large power networks
€nergie Project: www.supelec.fr/ecole/eei/energie
Electricity transmission pricing.
Management of congestions (market splitting, spot
pricing, etc.).
Economic impact of energy storage in a power system.
Market design.
Economic analysis of ancillary services.
Experimental economics.
5. Lightning
Protection of structures with lightning rods.
Lightning phenomenology and its climatic aspects,
especially in tropical climates.
Efficiency of lightning detection network.
Réseaux d’énergie / Power networks
Valorisation des services Systèmes :
que vaut la production de puissance
réactive ?
What value for reactive power production?
Abstract
Par Martin Hennebel
et Sophie Plumel
Liberalization of electricity markets has led to an economical (at least) separation between production and transmission. So new interface rules have to be defined. This work aims at defining if a sound economical value of reactive power can be assessed. The methodology values the reactive power production of an alternator by assessing the investment costs it prevents the Transmission System
Operator from.
Transport/Production d’électricité : de nouvelles
règles à définir
Transmission System). Ces investissements sont réalisés sur des nœuds de connexion du réseau de transport dont le niveau de tension permet l’installation de
ces dispositifs.
La compensation d’un générateur situé dans une zone où il existe beaucoup de
capacité disponible ne nécessitera pas d’investissements importants. Au
contraire, s’il est situé dans une zone en déficit de production, le GRT devra
investir en moyens de compensation pour maintenir la tension dans la plage
L’ouverture à la concurrence du marché de l’électricité a conduit à la séparation
entre les entreprises de transport, qui sont par nature des monopoles locaux
voire nationaux, et les entreprises de production. Cette séparation doit s'accompagner de la définition des rôles et des responsabilités de chacun. Ainsi, les
générateurs prennent part au bon fonctionnement du système électrique en
fournissant ce qui est appelé : les « services systèmes ». Nous pouvons citer
parmi ceux–ci la participation au réglage de la fréquence, qui permet d’équilibrer en temps réel la production et la consommation ou bien encore la
participation au réglage de tension par la fourniture ou l’absorption de
admissible. La valeur équivalente en moyens de compensation du générateur
sera alors plus forte.
puissance réactive.
Le réglage de la tension nécessite un pilotage par le Gestionnaire du Réseau de
Transport (GRT) de l’ensemble des moyens de compensation du système, dont
font partie les capacités de production de puissance réactive des centrales.
Valorisation de la production de puissance réactive
Cette participation au réglage de la tension a un coût pour les producteurs : la
production de puissance réactive par un groupe de production nécessite notamment de sur-dimensionner l’alternateur et le transformateur élévateur. Les producteurs doivent donc être rétribués en conséquence. Néanmoins, les besoins
en capacités de production de puissance réactive étant très locaux, il peut être
judicieux de fournir un signal économique pertinent incitant à l’investissement
en moyens de production dans les zones où ces capacités sont en déficit.
L’objectif de l’étude est de déterminer si une valeur économique pertinente
peut être attribuée à la production de puissance réactive. La méthodologie
développée consiste à déterminer, à l’aide d’un optimiseur, le volume de
moyens de compensation statiques qui serait nécessaire pour remplacer le
générateur considéré s'il ne fournissait pas de puissance réactive. Ce calcul est
purement théorique et a pour but de classer les générateurs selon la "valeur"
relative de leur capacité à produire de la puissance réactive.
La figure 1 montre qu’il est plus avantageux d’installer des bancs de condensateurs au niveau de la charge plutôt que de produire de la puissance réactive
depuis un générateur éloigné. L’efficacité relative de la localisation des moyens
de production apparaît simplement sur ce schéma. Sur un réseau maillé, il est
possible de mesurer l’efficacité de la puissance réactive injectée en un nœud en
la comparant à la quantité minimale de condensateurs que devrait théoriquement installer le GRT sur des nœuds du réseau de transport si le générateur
venait à faire défaut.
En effet, pour remplacer la capacité de production de réactif d’un générateur,
l'optimiseur va dans un premier temps faire appel aux autres centrales à
proximité qui, disposant de capacités en réserve (coût nul pour l’optimiseur),
peuvent continuer à assurer la fourniture, et dans un deuxième temps investir
en moyens de compensation statiques (coût élevé pour l’optimiseur) tels que
des bancs de condensateurs ou bien des FACTS (Flexible Alternative Current
Figure 1 : Capacités équivalentes générateur-condensateur pour une
charge alimentée en antenne par une ligne de 100 km
Ces valorisations sont réalisées sur des modèles de réseau faisant apparaître des
contraintes de production de puissance réactive telles que :
• niveaux de charge élevés ;
• zones en déficit de production ;
• prise en compte d’incidents (critère du N-1) ;
• respect des niveaux de tension réglementaires.
Les investissements ainsi déterminés permettent de donner une valeur
théorique relative de la capacité réactive du groupe étudié, valeur tenant
compte de sa localisation sur le réseau, des capacités disponibles sur les autres
groupes et de sa capacité disponible.
.....................................................................................................................................
[1] W. Xu, Y. Zhang, L. C. P. da Silva, P. Kundur, A. A. Warrack, “Valuation of
Dynamic Reactive Power Support Services for Transmission Access”, IEEE transactions
on Power Systems, Vol 16, No. 4, November 2001.
35
2.2
Électronique
de puissance
Power
electronics
2 Énergie
Energy
Objectifs
Aims
L'électronique de puissance constitue un moyen et
non une fin. Un convertisseur doit s'adapter à un
système et non l'inverse. Il doit être fiable, facile à
industrialiser au moindre coût, et conforme aux
normes en vigueur, notamment en matière de
compatibilité électromagnétique.
Dès lors, il nous a semblé opportun de rechercher
des principes de conversion, des topologies et des
technologies aptes à minimiser le nombre de composants, les contraintes qui leur sont appliquées et
les perturbations électromagnétiques.
En outre, le choix d'une fréquence de découpage
élevée, rendu possible par diverses techniques de
commutation douce, nous paraît propice à la réalisation de convertisseurs compacts et rapides.
Power electronics are a means, not an end. Thus a
converter must be adapted to a system and not the
other way around. It must be reliable, easy to industrialize at the lowest cost, and it must comply with
current standards, especially those regarding electromagnetic compatibility.
Therefore, in our study, we found it suitable to look
for conversion principles, topologies and technologies
capable of minimizing the number of components,
any constraints applied to them as well as electromagnetic disturbances.
In addition, the choice of a high switching frequency, made possible by using various soft switching
techniques, was found to be the most appropriate for
producing fast, compact power supplies at low cost.
Sujets
Topics
1. Conception et réalisation de convertisseurs à commutation douce :
Alimentations en courant continu fonctionnant au
1. Design and development of soft
switching converters:
DC power supplies working beyond 1MHz for telecom-
delà de 1MHz pour les télécommunications
(exemples : forward 100 W, demi-pont 500 W,
pont 2000 W).
Alimentations en courant continu de très faible
puissance (exemple : alimentation 1 W avec
correction du facteur de puissance).
Alimentations en courant continu sous faible
tension, à rendement élevé, dont certaines fiabilisées pour l'aéronautique.
Alimentations en courant alternatif sous tension élevée pour tubes fluorescents et pour
tubes à rayons X.
Onduleur BF à transformateur HF (exemple :
50 Hz / 500 kHz / 500 W).
munications (examples: forward 100 W, half bridge
500 W, bridge 2000 W).
Very low power DC supplies (example: a very small 1
W converter with power factor correction).
High efficiency low voltage DC power supplies among
which some very reliable converters for aeronautics.
High voltage AC power supplies for fluorescent lamps
and for X-rays tubes.
Low frequency inverter with high frequency transformer (example: 50 Hz / 500 kHz / 500 W).
2. Conception et réalisation de convertisseurs à absorption sinusoïdale :
Correcteurs de facteur de puissance monophasés
et triphasés pour le réseau public et pour l'aéronautique.
Structures assurant les fonctions de correction et
d'alimentation continue en un seul étage avec un
unique transistor.
Structure assurant les fonctions de filtre actif, de
chargeur de batterie et d'onduleur de secours en
un seul étage.
Daniel SADARNAC
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 07
3. Modélisation de convertisseurs :
Modélisation en régime de variations lentes et de
faible amplitude des convertisseurs continu / continu en vue de les intégrer dans une boucle de
régulation (de la tension de sortie, du courant
débité, du courant consommé…).
Prise en compte de l’environnement des convertisseurs (filtre d’entrée, nature de la charge…) en
vue de proposer des règles de stabilité utiles au
dimensionnement des convertisseurs.
36
2. Design and development of converters
with sinusoidal absorption:
Single-phase and three-phase power factor correctors
for the public network and the aeronautics industry.
Single-stage topologies ensuring the functions of a
power factor corrector and DC power supply with only
one transistor.
Single-stage topology ensuring the functions of an
active filter, battery charger and AC uninterruptible
power supply.
3. Converters modelling
Slow variations and low signal DC/DC converters
modelling in order to integrate them in a control
loop (control of the output voltage, output current,
input current...).
Modelling of the converter environment (input filter, load...) in order to propose stability rules useful
for dimensioning the converters.
Électronique de puissance / Power electronics
Un filtre actif pour réseau triphasé
utilisable en tant que source de secours
Three phase active filter
Abstract
Par Daniel Sadarnac,
Charif Karimi
et Rafaël Ordonez
The use of apparatuses and electrical equipment that behave as nonlinear loads due to their power electronics components are in state
of growth, degrading the mains voltage integrity and producing distortion of line current, thereby causing disturbance for other users.
The main measurement variables of these disturbances are the total harmonic distortion and the power factor (PF). A unitary PF
means an optimal consumption of energy. Equipment like power factor correctors, static compensators and power active filters are
designed to correct these variables. Moreover, the energy storage elements associated with power electronics allows to maintain the
load energy constant. An active filter that corrects the PF to unity under any conditions of the mains voltage and provides energy to
the load in the case of a mains failure has been designed.
des variateurs de vitesse industriels. Ce problème se pose également au niveau
des réseaux embarqués : l’équipement électronique d’un avion ou d’un bateau
ne cesse de croitre.
courant efficace consommé est minimal. Si les tensions du réseau sont
sinusoïdales, alors les courants doivent aussi être sinusoïdaux, en phase
avec les tensions simples : c’est dans ces conditions que le réseau est le
moins perturbé. Cependant, les tensions étant toujours un peu distordues,
le facteur de puissance optimal n’est atteint que si les courants sont de
mêmes formes et en phase avec les tensions : c’est ce qui a constitué notre
objectif.
Lorsque tensions ou courants sont distordus, la notion de puissance «réactive»
n’a aucun sens. Nous avons donc utilisé celle de puissance « non active » : à tout
instant, il s’agit de la différence entre la puissance consommée par la charge et
la puissance qui devrait être appelée au réseau pour que le facteur de puissance
soit égal à 1 (courants proportionnels aux tensions). Le rôle du filtre actif con-
Si l’électronique de puissance peut être une source non négligeable de perturbations électriques, voire électromagnétiques, elle peut aussi être mise à profit
pour les réduire. Les correcteurs de facteur de puissance et les filtres actifs agissent en ce sens. L’électronique de puissance associée à des éléments de stockage
d’énergie permet aussi de pallier à des défaillances du réseau. Nous avons
décidé de regrouper ces deux potentialités de l’électronique en un seul convertisseur. Nous avons conçu et réalisé (figure 1) un filtre actif triphasé capable d’a-
siste ainsi à fournir la puissance non active nécessaire au fonctionnement de la
charge.
Le contrôle des huit transistors du filtre est assuré par un microcontrôleur. Sans
rentrer dans le détail des réalisations, la figure 2 illustre un exemple : les tensions sont distordues ; Z1 et Z2 sont des redresseurs débitant sur charge inductive ; Z3 est une charge passive. Nous constatons que les courants ont bien la
même forme que les tensions, à l’ondulation près due au découpage.
Dans tous les secteurs de l’économie, des appareils et équipements électriques
se comportant comme des charges non linéaires sont connectés au réseau
public. Le secteur résidentiel est également concerné. Il peut s’agir de machines
électriques mais il s’agit de plus en plus souvent d’électronique de puissance susceptible de dégrader la tension du réseau, donc de perturber les autres utilisateurs (gradateurs de lumière, redresseurs…). La puissance des équipements
incriminés est variable, elle peut être modeste mais les installations peuvent être
nombreuses : quelques dizaines de watts pour chacun des millions de téléviseurs
ou de chargeurs pour téléphones portables, jusqu’à quelques mégawatts pour
gir également en onduleur de secours pour une puissance de 2 kW. Utilisé en
tant que filtre ou en tant qu’onduleur, il s’adapte à toute charge équilibrée ou
non. Le neutre est disponible.
Figure 2 : Formes d’ondes au niveau du réseau
.....................................................................................................................................
Figure 1 : Schéma de principe
[1] R. Ordonez, D. Sadarnac, « Single-phase Non-active Power Compensator for
Residential Facilities under Non-sinusoïdal Conditions », 15th International Conference
on Electronics, Communications and Computers (CONIELCOMP), 28 février-2 mars 2005,
Puebla (Mexique).
La charge est représentée sous la forme de trois impédances Z1, Z2, Z3.
L’onduleur comporte quatre bras pour contrôler les courants dans les trois
phases et le neutre. Il est connecté en parallèle avec l’installation électrique pour
prélever au réseau des courants de forme optimale ou pour se substituer à lui.
La première étape de la conception a consisté à déterminer la forme optimale
pour les courants dans le réseau. Un critère concerne le facteur de puissance.
Le facteur de puissance optimal est 1 : c’est pour cette valeur que le
[2] R. Ordonez, D. Sadarnac, C. Karimi, “Simple Hystérésis Describing Technique to
Control a Non-active Power Compensator”, 36th Power Electronics Specialists Conference
(PESC), 12-16 juin 2005, Recife (Brésil).
37
2.3
Machines
électriques
et systèmes
de conversion
Electrical
machines,
drives and
generation
systems
2 Énergie
Energy
Objectifs
Aims
Du fait de la souplesse de l’énergie électrique et
de la qualité de son traitement par les dispositifs
convertisseurs, les applications des systèmes
électriques sont de plus en plus performantes.
Des appareils spécifiques sont conçus pour de
nouvelles applications et des évolutions permettent
de s’adapter aux nouvelles contraintes.
Parallèlement, les outils d’analyse des phénomènes
régissant le comportement des appareils procurent
une meilleure précision lors de la définition des
dimensions et des caractéristiques.
Le matériel peut donc évoluer en améliorant
ses performances et en réduisant ses dimensions
et son coût par une conception ajustée aux
spécifications.
Les applications des machines électriques se
développent et font souvent appel à la conception
spécifique pour répondre au mieux à un cahier des
charges directement défini par l’application et le
secteur industriel concerné : production, transport
(aéronautique, naval, automobile), domestique, …
Thanks to the flexibility of the electric energy and to
the quality of power converters, the applications
using electrical machines perform evermore effectively. Some specific systems can be designed for new
applications while some evolution make the adaptation
to new constraints possible.
At the same time, the tools available for the analysing
system performances increase the accuracy of physical
dimensions and characteristics.
As a consequence of a more well-balanced design, the
equipment can be modified to improve its intrinsic
performances and can be of reduced dimensions.
For all these reasons, the use of the electrical
machines (rotation or linear) is increasing in number
and often involves a specific design in order to fit as
well as possible the specifications which directly
depend on the kind of application and on the domain
concerned: production, transport (aircraft industry,
automobile, naval), house appliance,…
Sujets
Topics
1. Conception et optimisation d’actionneurs
Conception de moteurs utilisant de la poudre de
fer agglomérée.
Conception et optimisation d’actionneurs intégrés
à course rectiligne.
1. Design and optimisation of electrical
actuators
Design of electrical machines with armature made of
compressed iron powder.
Design and optimisation of embedded linear-type
actuators.
2. Conception et réalisation de systèmes
Méthodes de synthèse, de simulation et d’analyse
pour la conception de systèmes de motorisation.
Optimisation globale de la chaine de conversion
de l’énergie.
Exemple : conception et réalisation d’une électropompe pour satellite.
Jean-Claude VANNIER
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 01
Sujet 3 à 4 / Topics 3 to 4:
Claude MARCHAND
LGEP
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 58
2. Drive design
Analysis, synthesis and simulation methods to design
embedded electrical drive applications. Global optimisation of the electrical energy conversion chain.
Example: Design and realisation of an electro-pump
for satellite application.
3. Modélisation fine et outils d’aide à la
conception de machines électriques
Développement de modèles multiphysiques
analytique et numériques (éléments finis) de
systèmes électromagnétiques.
Outils de CAO de machines à aimants ou machine
à réluctance variable
3. Accurate modelling of electrical
machines and CAD tools
Finite element-type or circuit-type models development
of synchronous, induction and reluctance machines
accounting the non linear phenomena.
CAD tools for permanent magnet machines or
switched reluctance machines.
4. Amélioration des performances
dynamiques et énergétiques et de la
sureté de fonctionnement
Développement de lois de commande nonlinéaires et robustes
Réduction du nombre de capteurs par l’utilisation
d’observateurs et d’estimateurs.
Commande en mode dégradé et reconfiguration
de loi de commande.
Gestion de l’énergie dans les systèmes embarqués.
4. Improvement of dynamic and energetic performances and reliability
Design of robust and non linear control laws of static
converters and electrical machines.
Reduction of the number of sensors by using state
observers or estimators.
Fault tolerant control architecture.
Energy management in the embedded systems.
38
Machines électriques et systèmes de conversion / Electrical machines, drives and generation systems
Optimisation d'un actionneur linéaire
et de son électronique d’alimentation
Optimisation of a linear motor drive
and the associated power supply
Abstract
Par Philippe Dessante
et Jean-Claude Vannier
This drive consists of a voltage supplied brushless motor, a lead screw transformation system, a power supply and its associated DC
source. In order to reduce the cost and the weight of this drive an optimisation of the main dimensions of each component considered as an interacting part of the whole system is conducted. With this procedure, the optimisation is no longer limited to the fitting
between separated elements but is extended to the system whose parameters are issued from the primitive design parameters of the
components. The volume and weight optimisation of an electrical drive is an important issue for embedded applications.
Où R et L sont respectivement le rayon et la longueur du moteur, est le
rapport de transformation et
la masse volumique. Fdyn , Fsta et fave sont
les forces dynamique, statique et moyenne nécessaires au mouvement de la
charge et m est la masse de cette dernière.
Les contraintes imposent que les couples moyen et de pointe, la puissance
mécanique et la vitesse de rotation du moteur (en fonction du rapport de
transformation) permettent le mouvement de la charge demandé dans les
spécifications du système. On ajoute des contraintes d’ordre géométrique
tel qu’un rapport entre le rayon et la longueur du moteur.
Présentation du système
Le système étudié ici est une chaîne de motorisation linéaire comprenant un
moteur sans balais connecté à un réducteur de vitesse et à une vis sans fin. Le
moteur est connecté à une alimentation électrique. Ce système sert à déplacer
une charge de manière linéaire et est représenté sur la figure 1.
Le but de cette étude est de minimiser la masse totale du système. En effet il est
devenu de plus en plus critique pour les applications spatiales, automobiles et
de hautes technologies de minimiser la masse et le volume des systèmes embarqués.
Pour effectuer cette optimisation globale, il nous faut prendre en compte tous
les éléments de la chaîne de motorisation, de l'alimentation électrique à la vis
sans fin. Les appareils sont donc modélisés sous forme d'équations mathéma-
Résultats de l’optimisation
tiques qui représentent les contraintes physiques (nécessité d'appliquer un
mouvement à la charge) et les contraintes géométriques (forme du moteur...).
La minimisation mathématique est alors réalisée à l'aide de diverses techniques
d'optimisation.
Figure 2 : Masses en fonction du rapport de transformation
Sur la figure 2, sont représentées les différentes masses du système en fonction
du rapport de transformation maximum autorisé lors de la définition des contraintes. La masse totale du système est une fonction décroissante du rapport de transformation. Pour des rapports faibles, la masse du moteur est
prépondérante dans la masse totale, plus le rapport augmente, plus la part
du réducteur de vitesse croît. Lorsqu’elle devient égale à celle du moteur,
la décroissance de la masse s’arrête et elle devient constante en fonction du
rapport de transformation.
Figure 1 : Représentation de la chaîne de motorisation
Contraintes et fonction objectif
La fonction objectif choisie ici donne la masse du système dans son ensemble.
Il s’agit donc de la masse du moteur, du réducteur de vitesse et de la vis sans fin
et enfin de l’électronique associée :
.....................................................................................................................................
Finalement la masse totale du système est donnée par :
[1] Ph. Dessante, J.C. Vannier, Ch. Rippoll, “Optimisation of a Linear Brushless DC
Motor Drive”, ICEM 2004, September 2004.
[2] Ph. Dessante, J.C. Vannier, P. Vidal, “Optimisation of a linear brushless DC motor
drive and the associated power supply”, AES 2005, October 2005.
[3] E. Macua, Ch. Ripoll, J.C. Vannier, “Optimisation of a brushless Dc Motor Load
Assiciation”, EPE’03, 10th European Conference on Power Electronics and Application, pp.
650-536, Toulouse France, September 2003.
39
2.4
Modélisation
de systèmes
électromagnétiques :
matériaux,
CEM, CAO
et CND
Modeling of
electromagnetic
systems:
Materials, EMC,
CAD and NDT
LGEP
Campus de Gif
Frédéric BOUILLAULT
Claude MARCHAND
Lionel PICHON
Adel RAZEK
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 55
2 Énergie
Energy
Objectifs
Aims
Les études effectuées dans le domaine de la
modélisation électromagnétique visent à rendre
compte de phénomènes physiques complexes
en minimisant le recours à l'expérimentation et
la multiplication des prototypes. Les modèles
physiques simulés sur ordinateur peuvent
fournir des informations, soit sur des grandeurs
que l'on ne peut mesurer lors des expériences,
soit sur les résultats que l'on pourrait obtenir si
l'on réalisait l'expérience représentée par le
modèle correspondant.
La modélisation de systèmes électromagnétiques
contribue ainsi à répondre à un besoin industriel
relatif à de nombreux problèmes : réduction du
coût et de la consommation d'énergie, optimisation de la performance et de la robustesse,
respect de contraintes électriques, mécaniques,
thermiques, acoustiques... Les domaines d’applications sont variés : CAO, CEM, CND de structures critiques... Les travaux de recherche ont
pour objectifs :
The studies realized in the field of the modeling of electromagnetic systems aim to take into account complex
physical phenomena while minimizing the use of
experimentation and the realization of prototypes. The
simulated physical models can provide information
dealing with non-measurable quantities or with some
results that can be obtained if the experiment would be
performed.
The modeling of electromagnetic systems contributes
to satisfy industrial requirements relative to different
problems: reduction of cost and consumption, optimization of performance and robustness, respect of
constraints of different origins: electrical, mechanical,
thermal, acoustic… The fields of application are
various: CAD, EMC, NDT of critical structures…
The research works have as general goals:
• elaboration of numerical formulations and methods
to be well adapted for electromagnetic field computation;
• modeling of phenomena governed by coupled equations;
• l’élaboration des formulations et des méthodes
les mieux adaptées au calcul numérique des
champs électromagnétiques ;
• la modélisation de phénomènes régis par des
systèmes d'équations couplées ;
• l’application à des problèmes concrets ;
• le développement de recherches permettant
une prise en compte plus fine de lois de comportement de matériaux en génie électrique ;
• la modélisation des actionneurs électriques.
• study of practical examples;
• development of researches dealing with the modeling
of constitutive law of materials used in electrical
engineering;
• modeling of electrical actuators.
Sujets
Topics
1. Modélisation de matériaux
Lois de comportement de matériaux : "microondes", supraconducteurs, matériaux actifs.
Homogénéisation de matériaux composites.
1. Material Modeling
Constitutive laws of materials: "microwaves",
superconductors, smart materials.
Homogenization of heterogeneous materials.
2. Compatibilité électro-magnétique
Modélisation 3D des couplages électromagnétiques. Simulation hybride champ-circuit pour les
études de susceptibilité électromagnétique.
Caractérisation du rayonnement des circuits
imprimés de puissance.
2. Electromagnetic compatibility
3D Modeling of coupling between electromagnetic fields
and structures. Coupled field-circuit simulation for
electromagnetic susceptibility. Radiation from power
PCB.
3. Conception assistée par ordinateur
de systèmes
Développement d’outils logiciels d’aide à la
conception de machines par une approche multi
physique. Deux plateformes :
• Machine à Réluctance Variable ;
• Machine Synchrone à Aimants Permanents.
4. Diagnostic et contrôle non destructif
Modélisation, conception et caractérisation de
capteurs. Contrôle non destructif de matériaux :
reconstruction de paramètres physiques et
géométriques ou de défauts.
Applications au domaine de l’aéronautique.
40
3. Computer aided design of systems
Development of CAD tools for electric machine design
by a multiphysic approach. Two platforms:
• Switched Reluctance Machine;
• Permanent Magnet Synchronous Machine.
4. Diagnosis and non destructive testing
Modeling, design and characterization of sensors.
Non destructive testing of materials: reconstruction
of physical and geometrical parameters or flaws.
Applications in the aircraft industry.
Modélisation de systèmes électromagnétiques / Modeling of electromagnetic systems
Caractérisation et modélisation
des matériaux à magnétostriction géante
Giant magnetostrictive materials
characterisation and modelling
Abstract
Par Nicolas Galopin
Laurent Daniel
et Frédéric Bouillault
Optimal design of giant magnetostriction based devices requires a better understanding of the mechanisms responsible for magnetomechanical coupling phenomena. Progresses in that field supposes the combination of both experimental and theoretical approaches.
Macroscopic and multiscale models are developed to describe magneto-mechanical couplings, and their identification and validation
is driven thanks to fully coupled experiments.
Phénomènes de couplage magnéto-mécanique
Modélisation macroscopique
Les phénomènes de couplage magnéto-mécanique dans les matériaux
magnétiques présentent deux manifestations principales. La première de ces
manifestations est l’effet des contraintes sur le comportement magnétique :
l’application d’une sollicitation mécanique modifie les propriétés magnétiques, ce qui conduit généralement à une baisse de rendement dans les
systèmes électromagnétiques de conversion d’énergie. La deuxième manifestation est la déformation de magnétostriction, qui est la déformation
Un modèle de comportement des phénomènes de couplage magnétomécanique a été proposé [1]. Nous avons à partir de considérations thermodynamiques développé un modèle macroscopique intégrable facilement dans
un logiciel de calcul par éléments finis. L’identification des différents
paramètres de ce modèle ne nécessite que deux courbes expérimentales : le
relevé du champ magnétique et de la déformation de magnétostriction en
fonction de l’induction magnétique à contrainte mécanique nulle. Le modèle
spontanée induite dans les matériaux ferromagnétiques par la présence d’un
champ magnétique. Cette déformation permet notamment la fabrication
d’actionneurs ou de capteurs magnétostrictifs qui transforment un signal
magnétique en déplacement, ou inversement.
La modélisation fine de ces phénomènes de couplage magnéto-mécanique
est encore un sujet ouvert.
a été appliqué à un dispositif innovant de contrôle de force, basé sur l’utilisation de Terfenol-D.
Modélisation multi-échelle
Conscient de la nécessité d’un dialogue fort entre expériences et modélisation pour la compréhension des phénomènes de couplage magnétomécanique, le Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP) s’est
doté d’une plate-forme de caractérisation du comportement des matériaux
actifs. Cette plate-forme (fig. 1) est notamment constituée d’une machine
de traction électromécanique permettant l’application d’un effort contrôlé
Afin de répondre à certaines limitations des modélisations macroscopiques et en particulier leur faible caractère prédictif, les chercheurs du
thème « Matériaux fonctionnels » travaillent également sur une modélisation de type micro-macro pour décrire ces phénomènes couplés [2].
Plutôt que de tenter de relier directement réponses et sollicitations
macroscopiques, l’idée consiste, à travers un processus de changement
d’échelle, à exprimer les sollicitations à une échelle (dite locale) à laquelle
les mécanismes physiques responsables du phénomène observé sont plus
facilement modélisables. La loi de comportement local est ainsi plus simple à définir, et une transition d’échelle micro-macro permet de définir in
sur des échantillons magnétiques. Le banc de mesure est complété par un
système d’excitation magnétique qui permet l’application d’un champ
magnétique. L’effort appliqué et le champ magnétique appliqué sont
fine le comportement macroscopique. Les deux étapes fondamentales de
ce type de démarche concernent, d’une part, la définition des règles de
transition d’échelles, fortement dépendantes de la microstructure du
mesurés respectivement à l’aide d’un capteur d’effort et d’une sonde à
effet Hall. La réponse à cette sollicitation magnéto-mécanique est
mesurée simultanément : l’induction à l’aide de bobines de mesure de flux
(B-coil) et la déformation à l’aide de jauges de déformation.
matériau étudié et, d’autre part, la définition du comportement local.
Plate-forme de caractérisation
Si le domaine d’application visé concerne prioritairement les matériaux à
magnétostriction géante, la démarche est transposable à tous les matériaux
ferromagnétiques. L’étude selon ces méthodes - expérimentales et
numériques - d’autres types de matériaux actifs, en particulier les matériaux piézoélectriques, est également envisagée.
.....................................................................................................................................
[1] K. Azoum, M. Besbes, F. Bouillault, “Three dimensional finite element model
of magnetostriction phenomena using coupled constitutive laws” International
Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, IOS Press, pp. 367-371, 2004.
[2] L. Daniel, O. Hubert, R. Billardon, “Homogenisation of magneto-elastic behaviour :
from the grain to the macro scale”, Computational and Applied Mathematics, 23(2-3),
pp. 285-308, 2004.
Figure 1 : Plate-forme de caractérisation des matériaux actifs
41
2.5
Contacts
électriques
Electrical
Contacts
2 Énergie
Energy
Objectifs
Aims
Les problèmes de fiabilité, d’usure et de coûts constituent les principales préoccupations des industriels. Dans le domaine des contacts électriques bas
niveau (CEBN), les défaillances sont dues à des
phénomènes tribologiques et physico-chimiques.
Dans le domaine des contacts de puissance (CP),
les échauffements et les arcs jouent des rôles
importants.
Les augmentations de la durée de vie et de la
résistance à la corrosion des CEBN sont des
objectifs prioritaires. Les déterminations des
caractéristiques physico-chimiques des surfaces
et de leurs caractéristiques topographiques et électriques sont des moyens d’étude indispensables
dans notre domaine. Avec les CP, il faut chercher
à diminuer l’érosion des électrodes, et, suivant le
type d'application, chercher à éviter le soudage des
électrodes, ou au contraire chercher à le provoquer.
Reliability, wear and cost problems are the main
concerns of manufacturers producing electrical contacts.
In the field of low-level electrical contacts, failures are
mostly due to tribological and physico-chemical
phenomena. In the field of power contacts, Joule heating
and electrical arcs play a major role.
To increase the lifetime of low-level electrical contacts
and to improve their corrosion resistance have become a
priority. Physico-chemical, topographical and electrical
surface characterisations are all mandatory means of
investigation in our field. For power contacts,
minimising electrode erosion is an important goal.
Welding of the electrodes should be avoided in numerous
circumstances, or on the contrary, the heating of the
contact interface should be maximised to permit the
resistance welding process.
Sujets
Topics
1. Surface et tribologie des contacts bas
niveau (CEBN)
Étude des propriétés en frottement et en fretting
des CEBN. Elaboration et étude des revêtements
organiques de protection des CEBN. Etude des
1. Surface and tribology of low-level electric
contacts
Study of the friction and fretting behaviours of lowlevel electrical contacts. Study and development of
organic coating for such contacts. Studies on the
metal/organic layer interface: correlation between
electrical, tribological and anti-corrosion behaviours.
propriétés de l’interface métal/couche organique :
corrélation entre les propriétés électriques, tribologiques et anti-corrosion.
2. Microscopies en champ proche et
nanocontacts
Développement d'extensions de la microscopie à
force atomique permettant, sur tous matériaux,
de réaliser des cartographies simultanées de relief
LGEP
Campus de Gif
et de résistance ou d'impédance électrique locale.
Etude et modélisation du nanocontact
pointe/surface dans des cas simples, influence de
Sujet 1 / Topic 1:
Sophie NOEL
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 43
la polarisation et de la force d'appui. Nano-modifications induites par AFM à pointe conductrice
sur la surface explorée. Applications aux revêtements de la connectique bas niveau.
Sujet 2 / Topic 2:
Frédéric HOUZÉ
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 43
3. Contacts de puissance
Étude des phénomènes dans un contact traversé
par une forte intensité (coupure du courant,
soudure). Étude du bilan de puissance aux électrodes d’un arc électrique.
Sujet 3 / Topic 3:
Philippe TESTÉ
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 52
4. Contacts spécifiques
Étude expérimentale ou modélisation de
phénomènes plus généraux liés aux contacts électriques, par exemple détermination d’aires de
contact électrique par résolution de problèmes
inverses, ou étude de raccordements électriques
particuliers.
Sujet 4 / Topic 4:
René MEYER
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 74
42
2. Scanning probe microscopies and
nanocontacts
Development of extended capabilities for atomic force
microscopy, in order to get simultaneous maps of topography and local electrical resistance or impedance on all
kinds of material. Study and modelling of the tip/surface
nanocontacts in some simple cases, effect of bias and force
values, nanoalteration of the scanned surface by means
of a conducting AFM tip. Application to coatings
involved in low-level connectors.
3. Power contacts
Study of the phenomena occurring in a contact submitted to a high current (current breaking – welding).
Study of the energy balance in electrodes subjected to an
electric arc.
4. Specific contacts
Experimental or theoretical studies of more general
problems linked to electrical contacts, for instance
determination of electrical contact areas by solving
inverse problems, or studies about specific electrical
joints.
Contacts électriques / Electrical Contacts
Nanomodifications à la surface
de conducteurs moléculaires
Nanomodifications on the surface
of molecular conductors
Abstract
Par Olivier Schneegans, Alec Moradpour*,
Lionel Boyer†, Pascal Chrétien
* Laboratoire de Physique des Solides,
UMR C8502 CNRS, Université Paris-Sud, Orsay
†
Décédé
The surface of some molecular conductors can be patterned, when a bias voltage of a few volts is applied between the sample and the
tip apex of a conducting probe atomic force microscope. A very local electrochemical reaction at the tip/sample interface yields nanometer-scale insulating regions. When a lower tip/sample bias is applied, maps of electric resistance are recorded, allowing to visualize the nanopatterns created on the conducting substrate. The influence of some parameters (applied potential value, pulse duration and humidity) on the pattern resolution has been studied, allowing to better estimate the minimal dimensions (~20 nm) of
nanostructures or nanodevices which might result therefrom.
Modifications nanométriques par électrochimie
Pour définir plus précisément les paramètres électrochimiques de la réaction locale
A l’heure d’une mobilisation générale autour de l’infiniment petit et de ses
enjeux industriels, les microscopes à sonde locale tels que le microscope à force
atomique (AFM) constituent un outil de choix. Ils permettent en effet, non
seulement d’explorer la matière, mais aussi de la modifier à l’échelle du
nanomètre, rendant possible l’élaboration de motifs et de structures irréalisables par les technologies conventionnelles.
Dans ce contexte, nous étudions, en collaboration avec le Laboratoire de
Physique des Solides d’Orsay, la nanomodification de surfaces par électrochimie locale au moyen d’un AFM à pointe conductrice (« Résiscope ») [1].
Le matériau support est le (TMTSF)2PF6, conducteur organique dont il est
connu que l’oxydation macroscopique donne un composé électriquement
isolant. Lorsqu’une polarisation (>2V DC) est appliquée entre la pointe et
l’échantillon, le ménisque d’eau toujours présent dans l’interface (Figure 1) se
comporte comme une petite cellule électrochimique : l’eau est réduite au voisinage de la pointe, tandis que le matériau support est localement oxydé, créant
en surface un motif isolant de taille nanométrique.
Figure 2 : Cartographie de Résistance (1x1 µm2) sur une surface de
(TMTSF)2PF6, modifiée localement par application d’impulsions de
tension (de 8V à 2V du haut vers le bas), en fonction de la durée des
impulsions (de 0.1ms à gauche jusqu’à 160ms à droite).
et tenter une modélisation du processus, d’autres expériences ont consisté à appliquer
des rampes de tension V(t). En enregistrant le courant i(t) résultant, nous avons
obtenu des courbes i(V) très révélatrices : leur allure dépend fortement de la vitesse
des rampes de tension appliquées (Figure 3 à gauche). Une modélisation de la cinétique
a été réalisée et a conduit à des courbes i(V) simulées (Figure 3 à droite) qui reproduisent de manière spectaculaire l’allure des courbes expérimentales [2].
Figure 1 : Schéma de la réaction d’oxydo-réduction locale (rayon de
courbure de la pointe : ~50 nm), impliquant le ménisque d’eau toujours
présent à l’interface pointe/surface en atmosphère ambiante.
Visualisation des modifications réalisées
Les motifs isolants réalisés à la surface du substrat conducteur peuvent être
visualisés en appliquant une tension entre la pointe et l’échantillon, inférieure
à 2V pour éviter toute modification ultérieure. Le courant est mesuré en
chaque point de la surface balayée par la pointe, permettant de constituer
progressivement une cartographie de la résistance apparente locale.
Taille des motifs, influence de certains paramètres,
et modélisation de la cinétique
erties of metal surfaces using an AFM with a conducting probe », Appl. Phys. Lett.,
Figure 3 : Courbes i(V) expérimentales (à gauche), et simulées
(à droite) à partir d’une modélisation du circuit pointe/surface.
.....................................................................................................................................
[1] F. Houzé, O. Schneegans, R. Meyer, L. Boyer, « Imaging the local electrical prop69, 1975-1977, 1996.
Afin de caractériser la taille des surfaces modifiées (préfigurant la possibilité de
créer des nanostructures ou dispositifs électroniques nanométriques sur ces
matériaux), l’influence de la valeur de la tension et de la durée d’application de
celle-ci ont été étudiées (Figure 2). L’humidité de l’air a également été examinée,
mais l’influence de ce paramètre s’est révélée peu importante.
[2] O. Schneegans, A. Moradpour, L. Boyer, D. Ballutaud, « Nanosized
Electrochemical Cells Operated by AFM Conducting Probes », J. Phys. Chem. B,
1008, 9882-9887, 2004.
43
2.6
Procédés
aérosol et
décharges
électriques
à pression
atmosphérique
Aerosol and
atmospheric
pressure
electrical
discharge
processes
2 Énergie
Energy
Objectifs
Aims
Cette activité sur les plasmas froids est basée sur
une approche de type «génie des procédés» et
repose sur une batterie de mesures électriques,
thermiques et chimiques. Un thème émerge sur la
production et le conditionnement d’aérosols par
décharge, en complétant ces méthodes «classiques» de diagnostics par des outils de caractérisation de ces particules solides et/ou liquides en
suspension dans les gaz. Cette démarche pluridisciplinaire implique des chercheurs du
Département Energie de Supélec et de l'équipe
DEE du LPGP, pour étudier et modéliser des
processus physico-chimiques induits dans les
décharges électriques à pression atmosphérique.
Les principaux champs d’applications sont l’énergétique, l’environnement (dépollution, filtration),
les technologies propres (traitement de surface,
production de poudres) et les biotechnologies.
Sujets
Topics
1. Activation des gaz par plasmas
Déclenchement de la combustion par un arc.
Cracking d’hydrocarbures. Modélisation électrique, thermique et physico-chimique.
Traitement d'effluents gazeux : odeurs (SOx,
1. Plasma induced gas-phase activation
Arc-induced combustion ignition. VOC cracking.
Electrical, physical and chemical numerical simulation.
Odor (SOx, VOC, etc.), combustion effluents (NOx,
SOx, VOC) and industrial solvent vapors (isopropyl
alcohol, toluene, propanone) treatment.
COV, …), combustion (NOx, SOx, COV) et
industriels (isopropanol, toluène, acétone).
2. Biotechnologies plasmas
- Décontamination de surface par procédé plasma froid à pression atmosphérique.
- Production de poudres et films fonctionnalisés
bio-compatibles : procédés aérosols avec ou
sans décharge à PA pour le traitement de surfaces 2 et 3D et l’enrobage de particules.
Jean-Pascal BORRA
LPGP- Equipe DEE
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 91
Emmanuel ODIC
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 26
This work on cold plasmas is based on an “engineering”
approach. Controlling and regulating the electrical
behavior and properties of discharges on one hand,
and the characterization of gas-phase (or heterogeneous
phase, i.e. particles and/or electrodes inter-phase)
physical and chemical induced conversion mechanisms
on the other, require the pooling of complementary
skills. Therefore, the EEI department at Supélec has
set up a research group in view of cooperating with
the LPGP DEE group in the field of numerical simulation and the experimental study of physical and
chemical mechanisms induced at atmospheric pressure
electrical discharges.
The main fields of application are: energy, environment (depollution, filtration), clean technologies
(surface treatment powder production), and biotechnologies.
3. Production de nano et micro poudres
par décharge électrique à PA
- Interaction plasma-surface : analyse non
destructive et production de nanopoudre.
- Interaction plasma-précurseur gazeux : pour la
production de poudres et de films de nature
(polymère, oxydes métalliques) de taille et
structure contrôlées.
4. Charges et filtration de particules
- Lavage des fumées : coagulation électrique
d’aérosols polluants submicroniques sur des
gouttes
produites
par
électro-spray
(Pulvérisation EHD).
- Charge et précipitation électrostatique :
d’aérosols par décharge couronne.
- Electro-Filtre auto-nettoyé : par Décharges à
Barrières Diélectriques.
44
2. Biotechnologies
- Surface decontamination by atmospheric pressure
non-thermal plasma process.
- Production of biocompatible functionalized powders
and films: aerosol processes with or without discharge
at AP for 2 and 3D surface treatment and powder
coatings.
3. Production of nano & micro powders by
atmospheric pressure electrical discharge
- Plasma-surface interaction: for non-destructive
analysis and nanopowder production.
- Plasma-gaseous precursor interaction for powder and
film production with controlled properties (sized and
structured polymer and metal oxides).
4. Particles charging and filtration
- Wet scrubber of pollutant particles by electrical coagulation of charged pollutant on charged water droplets
produced by electro-spray.
- Corona charging and electrostatic precipitation.
- Self-cleaning electrostatic filter by DBD.
Procédés aérosol et décharges électriques à pression atmosphérique / Aerosol and atmospheric pressure electrical discharge processes
Nucléation et dépôt de couches minces de SiOx
par Décharges à Barrières Diélectriques
à pression atmosphérique
Nucleation and thin SiOx film deposition
by Dielectric Barrier Discharges at Patm
Abstract
Par Nicolas Jidenko
et Jean-Pascal Borra
En collaboration avec
Françoise Massines du LGET
Non-thermal plasma technologies at atmospheric pressure represent a promising set of methods, now applied to aerosol routes for
powders production, thin films coatings and filtration. With Dielectric Barrier Discharge at atmospheric pressure in nitrogen, the
plasma develops either into transient Filamentary Discharge channels or into a more homogeneous discharge distributed in the
whole gap referred as a Townsend Discharge. By injecting a gaseous Silane precursor (SiH4) in a DBD, SiOx vapours are formed
leading to thin film deposition on the dielectric surfaces. Besides, the vapour formed also leads to nano-particles production by nucleation.
The formation, charging and electro-deposition of nucleated particles involved in thin SiOx film deposition in each discharge regime (homogeneous or filamentary) are depicted hereafter.
Les plasmas hors équilibre thermodynamique - dits plasmas froids – sont
des milieux gazeux présentant des températures basses (300 - 2500 K)
devant celles des électrons (5.103-105 K soit ≈ 0,5-12 eV). Le comportement
physico-chimique du milieu (degré d’ionisation, émissivité, réactivité)
repose alors sur la production d’espèces gazeuses primaires (ions, neutres
excités, radicaux) issues des collisions inélastiques entre les électrons les
plus énergétiques et les atomes/molécules du gaz. Ce sont ces espèces primaires
qui vont réagir avec le précurseur gazeux (Silane) injecté dans le plasma
pour produire des espèces secondaires à l’origine de la formation du film
d’oxyde de silicium. L’objectif est de développer un procédé de dépôt de
couche mince de silicium à pression atmosphérique [1, 2].
L’analyse des mécanismes de production, de charge et de dépôt électrostatique
La taille des particules inclues dans les films est constante (~ 30 nm). Les
particules sont donc collectées avant qu’elles aient le temps de croitre au-
des nanoparticules formées par nucléation de vapeurs condensables permet de
quantifier l’influence des particules sur la formation du film en fonction du
régime filamentaire ou homogène de décharge. Cette étude repose sur l’analyse
delà de 30 nm, seul un mécanisme de charge et d’électro-collection permet
d’expliquer cette sélectivité en taille quel que soit le régime de décharge. En
effet, l’efficacité de la charge des particules dans les DBD a été prouvée dans
des couches formées sur un wafer de silicium placé dans le réacteur de dépôt
grâce à un Microscope Electronique à Balayage, ainsi que sur la caractérisation
des particules en sortie du réacteur (cf. Figure 1).
les décharges filamentaires [4]. Aux vues de la similarité des distributions en
taille dans les deux régimes, les mêmes mécanismes sont impliqués.
Cependant si les structures des couches sont identiques dans les deux régimes, la couche est formée plus près de l’entrée dans le régime de décharge
filamentaire impliquant une formation et une croissance plus rapide pour
justifier d’une charge et de l’électrodéposition plus rapides. En effet, des
réactions plus rapides sont attendues en présence de décharges filamentaires dans lesquelles la densité d’énergie est localement plus importante que
dans le cas de la décharge homogène conduisant à des densités d’espèces
actives plus grandes. Les particules en sortie correspondent à 0,1 % de la
Figure 2 : (a) Formation du film de SiOx dans une DBD à 4 kHz en
présence de N2/SiH4/N2O (b) Distributions en taille des particules
V1=11,8 kV Décharge de Townsend V2=15,5 kV décharge filamentaire.
masse de silicium injectée sous forme de Silane et à environ 1 % de la masse
totale des particules formées. Les particules sont donc produites chargées,
car les mécanismes de charge par collection d’ions gazeux produits par la
décharge sont peut efficaces dans cette gamme de taille de particules.
En conclusion, si les processus de formation, de croissance et de dépôt
électrostatique des particules ont été identifiés, le développement des procédés de dépôt de couche mince par DBD à pression atmosphérique nécessitent le contrôle de ces processus pour gérer la formation de la couche.
.....................................................................................................................................
Figure 1 : Dispositif expérimental
Le gaz injecté est de l’azote contenant 190 ppmv de N2O et 2,4 ppmv de
Silane. A 4 kHz, la tension appliquée au système permet de contrôler le
régime de décharge. Les particules de l’aérosol sont analysées en sortie du
réacteur plasma par un compteur à noyau de condensation (CNC) et une
batterie de diffusion associée au CNC qui permet d’obtenir des distributions
en taille des particules.
Quel que soit le régime de décharge, les particules inclues dans le film sont
plus petites que 30 nm ce qui confirme qu’elles sont formées par nucléation
de vapeur. La figure 2 (a) montre l’évolution de la couche formée le long du
réacteur. Proche de l’entrée, c’est le flux de radicaux qui forme une couche
dense, puis radicaux et particules sont associés dans la couche. Enfin, lorsque
toutes les molécules de Silane ont été consommées, ce qui dépend de la concentration de Silane, du débit et de la puissance plasma, le dépôt se produit
uniquement sous forme de particules peu adhérentes [3].
La croissance des particules dans le réacteur est due à la coagulation de
particules produites localement en très forte concentration après nucléation
des espèces condensables. En effet, les distributions en taille des particules
en sortie sont bimodales prouvant l’existence des modes de nucléation centré
sur 10 nm et de coagulation centré sur 30 nm (cf. figure 2 (a)).
[1] N. Gherardi, S. Martin and F. Massines, “A new approach to SiO2 deposit using
a N2-SiH4-N2O glow DBD at atmospheric pressure”, J. Phys. D: Appl. Phys. 33
No 19 (2000) pp. L104-L108.
[2] S. Martin, F. Massines, N. Gherardi, C. Jimenez, “Atmospheric pressure PECVD of silicon based coatings using a glow dielectric barrier discharge”, Surf. Coat.
Technol., vol. 177-178, (2004) pp. 693-698.
[3] J.P. Borra, “Nucleation and aerosol processing in atmospheric pressure electrical
discharges: powders production, coatings and filtration” J. Phys. D: Appl. Phys. 39
(2006) R19–R54.
[4] N. Jidenko and J.P. Borra, “Kinematics of charged nanometric particles in silent
discharges” J. Phys. D: Appl. Phys. 38 pp. (2005) pp. 617-620.
45
2.7
Matériaux
isolants
et décharges
partielles
Insulating
materials
and partial
discharges
2 Énergie
Energy
Objectifs
Aims
La caractérisation du vieillissement des isolants
et la maîtrise du risque que représente leur claquage, comme celle du risque électrostatique,
sont aujourd’hui des enjeux industriels importants.
L’objectif est pour nous dans ce domaine d’acquérir une meilleure compréhension des mécanismes
intervenant dans un diélectrique pouvant
comporter des cavités ou des microvides, et
soumis à une contrainte électrique. Cette
compréhension passe par l’étude des décharges
partielles et de l’injection de charge aux interfaces
gaz-isolant et métal-isolant. Un autre aspect de
cette démarche est la maîtrise des mécanismes
de génération et de dissipation de l’électricité
statique dans divers environnements.
Polymer aging characterization and electrostatic risk
control are some of the challenges facing industry
today.
Our goal in this field is to obtain a better understanding of the mechanisms in a dielectric—including
possible voids—submitted to an electrical stress. This
involves the study of partial discharges and charge
injection at the gas-insulator and metal-insulator
interfaces. Furthermore, we also consider the control
of static charge generation mechanisms in various
environmental situations.
Sujets
Topics
1. Caractérisation des diélectriques
Etude de la corrosion souterraine d’un support
métallique protégé par une peinture par mesures
de potentiel de surface.
Détection des défauts sur des films pour
condensateurs.
1. Dielectrics characterization
Study of underground corrosion on a painted metal substrate by means of potential measurements.
Defect detection on capacitance films.
2. Etude fondamentale des processus de
polarisation et d’injection de charge aux
interfaces
La première étape conduisant au défaut d’isolement est le phénomène d’injection de charge.
Celui-ci est étudié par méthodes de mesure de
déclin et retour de potentiel de surface après dépôt
de charge (décharge électrique ou contact) sur un
isolant solide. L’analyse du signal permet la
différenciation entre polarisation et injection de
charge. Etudes de l’injection de charge à partir de
cavités dans des résines époxy.
Sujet 3 / Topic 3:
Emmanuel ODIC
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 26
3. Etude et détection de décharges partielles
Les propriétés électriques et physicochimiques des
décharges électriques sont étudiées et utilisées
pour la détection de décharges partielles
(décharges couronne, de surface et dans vacuoles)
intervenant lors de défauts d’isolement sous
moyenne et haute tension.
4. Mesures électrostatiques
On peut citer parmi les études menées : étude de la
génération de charge par frottement fluide
(exemple : tubulure d’essence), par roulement
(exemple : charge d’une bille métallique sur surface
isolante) ou par frottement solide (exemple :
passager sur un siège de voiture).
Sujets 1, 2 et 4 / Topics 1, 2 4:
Philippe MOLINIE
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 25
46
2. Fundamental study of interface polarization and interface charge injection
mechanisms
The first step leading to insulation defects is charge
injection. This phenomenon is studied using surface
potential decay and return methods. Signal analysis
allows discrimination between polarization and charge
injection.
Measurements of charge injection from micro-voids in
epoxy resin.
3. Partial discharge study and detection
Electrical, physical and chemical properties of electrical
discharges are used for the detection of partial discharges
(corona discharges, surface discharges and void discharges) occurring with insulation defects under medium and high voltage conditions.
4. Electrostatic risk
Electrostatic measurements, charge generation being
either by fluid friction (example: oil pipe), by rotating
movement (example: metal ball charged by rolling on
an insulating surface) or by solid friction (example: car
passenger rubbing on seat).
Matériaux isolants et décharges partielles / Insulating materials and partial discharges
Apports de la chimie des plasmas
froids à la détection de décharges
partielles dans des dispositifs
électrotechniques moyenne tension
Non-thermal plasma chemistry contribution to partial
discharges detection in medium voltage equipments
Abstract
Par Emmanuel Odic
During the ageing of in service medium voltage equipments, electrical losses are mainly due to partial discharges which can lead to the electrical failure. Surface discharges and corona discharges produce chemical species in atmospheric air, i.e. ozone and nitrogen oxides. In previous
studies, it was demonstrated that the nature and relative distribution of concentration of these stable gaseous
products was closely correlated to the discharge regime. These products can be identified and quantified by a periodic sampling of the ambient
air in the medium voltage equipment enclosure during accelerated ageing cycles. Measurements have been carried out on a MV transformer.
d’humidité : 10 secondes après la mise sous tension, l’émission simultanée
d’ozone, NO et NO2 est détectée, traduisant l’existence, parmi l’ensemble
Dans les dispositifs électrotechniques MT (5-33 kV), les pertes électriques
sont essentiellement dues à des défauts d’isolement conduisant aux phénomènes de décharges partielles. Les risques encourus se situent à plusieurs
niveaux : (i) claquage diélectrique ou de surface, (ii) vieillissement accéléré
des matériaux isolants. Dans un objectif de maintenance prédictive, des
méthodes de diagnostic non intrusives sont nécessaires pour la détection et
le suivi de l’activité des décharges partielles sur les matériels MT en exploitation. Différentes techniques existent aujourd’hui, mettant en œuvre des
mesures électriques (réalisées côté haute tension grâce à des capteurs capacitifs ou à des sondes de Rogowski). Il est toutefois apparu que ces mesures
pouvaient être d’une interprétation difficile en raison d’interférences
des décharges partielles, d’une décharge dont le régime s’approche de
l’arc. Cette phase est transitoire, puisque la valeur de Rs2 revient à sa valeur
initiale, alors que RS1 se stabilise, traduisant une activité modérée des
décharges de surface. Cette période transitoire correspond au séchage, par les
décharges de surface, de l’isolant sur lequel la vapeur d’eau avait condensé ;
ce mécanisme connu permet d’illustrer la sensibilité et la dynamique de la
réponse à la fois du phénomène physicochimique observé et de la méthode
de mesure proposée.
électromagnétique. Deux autres mesures alternatives peuvent être alors
proposées, l’une reposant sur des mesures acoustiques, l’autre sur des
mesures chimiques. L’émission acoustique des décharges partielles exploitée
depuis les années 50 pour les transformateurs à bain d’huile, a récemment
été appliquée au cas spécifique du suivi de vieillissement de transformateurs
secs MT/BT [1]. L’émission d’espèces chimiques gazeuses par les décharges
a fait l’objet de la présente étude. Les décharges partielles comprennent les
décharges intervenant dans des vacuoles situées dans le volume du matériau
isolant, les décharges couronne (gaz) et les décharges de surface se développant en surface de l’isolant à partir d’un point triple (métal/isolant/gaz).
La détection d’espèces gazeuses est limitée aux deux derniers types de décharges.
Deux types de collisions interviennent dans les phénomènes de décharges
gazeuses : les collisions élastiques menant au chauffage local du gaz, les
Figure 1 : Concentration des espèces gazeuses stables (mesure FTIR)
en fonction de la température du plasma. [3]
collisions inélastiques, à l’origine de l’existence même des décharges et
conduisant à l’émission de lumière et d’espèces chimiques (par dissociation
et recombinaison). Le chauffage local va d’une part être à l’origine de
l’émission acoustique [2] et d’autre part influer sur les cinétiques réactionnelles
conduisant à modifier la nature et la proportion relative des espèces
chimiques produites par les décharges. Le claquage d’un isolant correspond à
la transition d’une décharge pré-disruptive (plasma froid) à un arc électrique
(plasma thermique). La chimie associée peut être illustrée par la figure 1
où la composition de l’émission gazeuse d’une décharge est présentée en
fonction de la température instantanée régnant dans le plasma Tpl. Si l’ozone
est le produit majeur d’une décharge pré-disruptive (basse température)
dans l’air, il devient mineur au profit des oxydes d’azote (NO et NO2) lors
de l’emballement vers l’arc (haute température). Sur ce principe, des mesures
d’ozone et d’oxydes d’azote ont été réalisées dans le mélange gazeux prélevé
à proximité des barres de couplage d’un transformateur sec MT/BT triphasé
(630 kVA, 400 V/20 kV) subissant un vieillissement accéléré. Deux capteurs
de faible coût (semi conducteurs SnO2) ont été utilisés : un capteur délivrant
un signal Rs1 augmentant en présence d’ozone et de NO2, un capteur délivrant un signal Rs2 chutant en présence de NO. La figure 2 montre la
réponse simultanée des capteurs lors de la mise sous tension nominale
(Un=400 V) du transformateur à t=30 s dans une atmosphère saturée
Figure 2 : Réponse des capteurs Rs1 (ozone/NO2) Rs2 (NO)
HR = 100 % 17°C.
Cette étude a fait l’objet d’une collaboration avec Schneider Electric SA.
.....................................................................................................................................
[1] E. Jouseau, C-S Maroni, E. Odic, G. Vivien, “Exhibition of an ageing criterion based
on partial discharge detection for medium voltage equipment”, in Proc. 5th IEE Intern.
Symp. on Diagnostics, Electrical Machines, Power Electronics and Drivers, pp. 301-305 (2005).
[2] E. Odic, M. Dhainaut, A. Goldman, M. Goldman, Ph. Dessante, “Study in space and
time of the gas temperature variations in dielectric barrier discharge reactors” in J. Adv.
Oxid. Technol., Vol. 8, N°2, Science & Technology Network, Inc., pp. 133-141 (2005).
[3] E. Odic, L. Parissi, A. Goldman, M. Goldman, S. Koch, “Chemical by-products
in Air, with Admixtures in Correlation with the Gas Temperature Enhanced by Non
Equilibrium Discharges”, in Proc. 2nd Intern. Symp. on Non thermal Plasma Technol. for
Pollution Control, pp. 107-112 (1997).
47
3
Electromagnetics
and Waves
3.1
Near-field techniques
• Field prediction in complex environments
50
3.2
Electromagnetic compatibility
• Conception of an antenna device
for a high-power microwave generator
52
3.3
Inverse wave problems
• Detection of targets in a forest
using the DORT method
54
3.4
Microwave sensors
and probes
• Rapid SAR measurement using
optically modulated probes
56
3.5
Electromagnetic dosimetry
• SARmeter
58
3.6
Electromagnetics
of complex media applied
to microwave devices
• Homogenization of Chiral Metamaterials
60
3.7
Antennas and
signal processing for the
next generation of radars
• A single pattern correction approach
for HF surface wave radar or buoys
62
3.8
Synthetic
aperture radar
• Man made target detection with
a subspace detector SAR
64
48
3
Électromagnétisme
et Ondes
3.1
Techniques de champs
proches
• Prédiction de champ rayonné
en environnement complexe
50
3.2
Compatibilité
électromagnétique
• Conception de l’élément antennaire
d’une source micro-onde
de forte puissance
52
3.3
Problèmes inverses
des ondes
• Détection de cibles dans la forêt
par la méthode D.O.R.T.
54
3.4
Senseurs et capteurs
micro-ondes
• Sondes à modulation optique
pour la mesure rapide du DAS
56
3.5
Dosimétrie
électromagnétique
• DASmètre
58
3.6
Électromagnétisme des
milieux complexes pour
dispositifs micro-ondes
• Homogénéisation
des Métamatériaux Chiraux
60
3.7
Antennes et traitements
pour les radars futurs
• Un modèle simple de correction
pour les radars HF à onde de surface
sur des bouées
62
3.8
Radar à synthèse d’ouverture
• Détection de cibles manufacturées
au moyen d’un détecteur SAR
à sous espace
64
49
3.1
Techniques
de champs
proches
Near-field
techniques
3 Électromagnétisme et Ondes
Objectifs
Aims
Les techniques de champs proches constituent
une approche efficace à la caractérisation de
systèmes rayonnants complexes. Leur efficacité
résulte principalement d’une combinaison optimale de mesures et de traitements numériques
dont la transformation « champ proche /
champ lointain » constitue maintenant un
exemple bien connu. Plus généralement, un
nombre minimal de mesures sur une surface
entourant le système sous test permet d’accéder
au champ, pratiquement partout à l’extérieur
du système.
Ces techniques peuvent être mises en œuvre pour
les rayonnements tant intentionnels que nonintentionnels. Cette dernière possibilité explique
leur utilisation croissante dans le domaine de la
« compatibilité électromagnétique » (CEM).
De surcroît, l’utilisation de réseaux de sondes, au
lieu d’une sonde déplacée mécaniquement,
procure une rapidité inégalée, si on la compare à
celle des mesures effectuées plus classiquement en
Near-field techniques constitute an efficient approach to
characterizing complex radiating systems. Their efficiency mainly stems from optimal hybridization
between measurement and numerical processing.
“Near-field to far-field” transformations are the most
popular examples of this processing. Generally however,
a minimum number of measurements on a closed
surface surrounding the system under test makes it
possible to retrieve the field virtually anywhere outside
this system.
Near-field techniques can be used for both intentional
and non-intentional radiating systems. This last capability explains the growing use of these techniques for
“electromagnetic compatibility” (EMC) applications.
The use of probe arrays (instead of a mechanically
scanned probe) provides unrivaled rapidity, even by
comparison with more traditional measurements conducted over long or compact ranges.
chambres longues ou compactes.
Jean-Charles BOLOMEY
Olivier MERCKEL
Dominique PICARD
Nicolas RIBIÈRE-THARAUD
Département de Recherche en
Électromagnétisme
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 41 / 15 65 /
15 55 / 15 72
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Sujets
Topics
1. Méthodes de mesure « sans phase »
Corrélation temporelle et problème de source
1. Phaseless measurements
Time domain correlation and inverse source techniques
inverse pour émissions modulées.
Caractérisation de sources MFP à partir de
thermogrammes infrarouges.
for non CW emissions.
Caracterization of HPM primary sources from infrared thermograms.
2. Caractérisation des antennes de
stations de base
Caractérisation des antennes BTS en coordonnées cylindriques :
- diagrammes de rayonnement ;
2. Characterization of base station antennas
Near-Field measurements in cylindrical coordinates:
- far-field radiation pattern;
- safety perimeters;
- SAR.
- périmètre de sécurité ;
- DAS.
Compensation des effets de troncature au moyen
de techniques de prolongement analytique.
Conversions modales et algorithmes de rétropropagation.
Études statistiques du rayonnement des antennes
relais.
Compensation for truncation effects via analytical prolongation techniques.
Modal conversion and back-propagation algorithms.
Statistical survey on radiation properties for base station antennas.
3. Modélisation et compensation des
erreurs d’interactions
Modélisation des interactions entre un réseau de
sondes et une antenne sous test.
Compensation des interactions en coordonnées
cylindriques et sphériques.
4. Capteurs pour mesure de champ
proche
Calibrage de capteurs CEM en base champ
proche sphérique. Compensation par déconvolution.
50
3. Modeling and compensation of interaction errors
Modeling of interactions between a probe array and a
radiating device under test.
Compensation for interaction via coherent or
incoherent spatial averaging techniques.
4. Sensors for near-field measurements
Sensor calibration from spherical near-field measurements. Deconvolution correction.
Techniques de champs proches / Near-field techniques
Prédiction de champ rayonné
en environnement complexe
Field prediction in complex environments
Abstract
Par Emmanuelle Conil,
Jean-Charles Bolomey
et François Gaudaire
It is often required to predict the field radiated by an antenna in a complex environment. The hybrid approach described below is
based on a separation of the obstacles according to their distances to the antenna under test. The antenna and the closest obstacles are
considered as a complex antenna, which can be characterized by a near-field technique. The near-field data can then be used in a ray
tracing code for far-field predictions, thanks to an integral formulation of the radiated field. Different Green’s dyads have been used
and compared in terms of calculation efficiency and accuracy. Predicted results have been successfully compared to direct measurements for validating the feasibility of the hybrid technique.
La problématique
Dirichlet sur la surface de mesure. Dans les deux cas, les fonctions de Green
peuvent être efficacement calculées au moyen du code ICARE.
Dans de nombreuses situations, il est nécessaire de prédire le champ rayonné
par une antenne en présence d’objets diffractants. C’est, par exemple, le cas des
antennes de stations de base. La méthode hybride développée dans le cadre
d’une convention CIFRE [1] avec le CSTB repose sur une décomposition de
la scène en deux régions. L’une regroupe l’antenne et les obstacles proches (sup-
Résultats
La figure 1 représente un cas test de validation correspondant à une antenne de
station de base fonctionnant à 1.800 MHz, en présence de deux plaques
métalliques. Les mesures ont été effectuées dans la base de mesure champ
proche cylindrique de Supélec. Les résultats expérimentaux ont été comparés
aux prédictions. La figure 2 donne un exemple de comparaison. Très généralement, il apparaît que les prédictions sont satisfaisantes, tant en polarisation
directe que croisée, à l’exception du champ rayonné arrière dans le cas de la
fonction de Green vérifiant la condition de Dirichlet sur la surface de mesure
(les ondes rampantes ne sont pas prises en compte).
ports, balustrades, etc.), alors que la seconde renferme les obstacles à grande
distance (bâtiments divers). L’antenne et son environnement proche constituent ainsi une antenne complexe dont la caractérisation peut être effectuée
soit par voie numérique, soit par voie expérimentale. Au contraire, les obstacles
lointains peuvent être avantageusement pris en compte par des techniques de
tracé de rayons.
Figure 2 : Rayonnement de l’antenne (à gauche) et comparaison des
prédictions et de la mesure directe (à droite) dans la configuration du
schéma de la figure 1.
Perspectives
Cette thèse a permis de valider une méthode de prédiction efficace qui
permet de prendre en compte de façon réaliste les antennes réelles et leur
environnement proche (technique de champ proche), tout autant que les
obstacles lointains (technique de tracé de rayons). Cette méthode, initialement dédiée aux antennes de stations de base, fait l’objet d’évaluations
complémentaires et doit être étendue à d’autres configurations.
Figure 1 : Antenne de station de base rayonnant en présence de deux
plaques métalliques
Le principe de la technique de champ proche
.....................................................................................................................................
Le travail de thèse a consisté en une synthèse des techniques de champs proches
en coordonnées cylindriques, antérieurement développées à Supélec pour
tester les antennes de stations de base, et un code de tracé de rayon initialement
développé par le CSTB pour les ondes acoustiques (nuisances sonores).
L’extension de ce code, au cas des ondes électromagnétiques a donné lieu à un
code vectoriel ICARE. La prise en compte des données expérimentales champs
proches dans le code ICARE est rendue possible grâce à une formulation intégrale du champ rayonné. Le choix d’une fonction de Green qui prend en
compte les obstacles lointains ramène cette formulation à une intégrale de
surface sur la surface de mesure. Une simplification supplémentaire peut être
obtenue en choisissant une fonction de Green vérifiant une condition de
[1] E. Conil, “Propagation électromagnétique en milieu complexe: du champ proche
au champ lointain”, Thèse de Doctorat, INPG, Grenoble, nov. 2005.
[2] E. Conil, F. Gaudaire, J. Martin, J.-Ch. Bolomey, “Integral formulation for field
prediction in complex scenes”, European Conference Propagation and System (ECPS),
Brest, mars 2005.
[3] E. Conil, F. Gaudaire, J.-Ch. Bolomey, “ICARE: a tool for far field's prediction
extended to include effects of near field's objects”, IEEE Int. Symp. On Microwave,
Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications (MAPE),
Beijing, août 2005.
51
3.2
Compatibilité
électromagnétique
Electromagnetic
compatibility
Sujet 1 / Topic 1:
Lionel PICHON
LGEP, Campus de Gif
Tél : +33 [0]1 69 85 16 58
Sujet 2 / Topic 2:
Alain AZOULAY
Michel CAUTERMAN
Département de Recherche
en Électromagnétisme
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 63 / 15 41 / 15 60
[email protected]
[email protected]
Sujet 3 / Topic 3:
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 41
Sujet 4 / Topic 4:
François JOUVIE
Dominique LECOINTE
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 41 / 15 46 / 15 52
[email protected]
[email protected]
Objectifs
Aims
La pollution électromagnétique, de densité
croissante, due à la multiplication des sources
de rayonnement de natures diverses, antennes,
câbles, équipements électroniques, accroît les
risques d’interférences entre celles-ci, donc
d’incompatibilité de fonctionnement avec, par
exemple, comme conséquence la mise en défaut de
la sécurité des véhicules, de l’intégrité de signaux
de commande ou de communication.
Pour remédier à cette situation, satisfaire aux
normes en vigueur et réduire les coûts des produits, il est impératif de prendre en considération
l’aspect « compatibilité électromagnétique »
dès la phase de conception d’un système. Ceci
implique la mise en place d’une méthodologie
d’analyse de ces problèmes, de prédiction des
niveaux de perturbation et de développer des
techniques pour limiter les nuisances de ces
dernières.
The higher density of electromagnetic pollution, due
to the multiplication of electromagnetic radiation
sources, such as antennas, cables and electronic
equipments, increases the risk of interferences
between sources, which leads to incompatibility with
functioning. Just to give an example, this incompatibility can manifest itself in the form of a drop in
vehicle security, or in the integrity of communication
and command signals.
To overcome such difficulties and to comply with the
standards and reduce production costs, “electromagnetic compatibility” problems must be tackled at the
system design stage. This means developing a
method for analyzing and predicting the level of
induced perturbations, as well as finding suitable
techniques in order to reduce the effects of the latter.
Sujets
Topics
1. Interactions champs électromagnétiques structures complexes
Modélisation 3D des couplages. Simulation
hybride champ-circuit pour les études de suscep-
1. Coupling between electromagnetic
fields and complex structures
3D Modeling of electromagnetic coupling. Field circuit hybrid simulation for electromagnetic
tibilité électromagnétique. Caractérisation du
rayonnement des circuits imprimés de puissance.
susceptibility computations. Characterization of fields
radiated by power printed circuit boards.
2. Chambres réverbérantes
Modélisation des chambres réverbérantes.
Caractérisation des champs dans les chambres
réverbérantes à brassage de modes. Utilisation
des chambres réverbérantes pour l'estimation
de la puissance totale rayonnée par les téléphones mobiles dans différentes configurations
d’émission. Comparaison des résultats avec
ceux obtenus dans la base sphérique anéchoïque. Utilisation des chambres réverbérantes pour l'étude de la diversité sur les
antennes en présence de trajets multiples.
2. Reverberating chambers
Reverberation chambers modelling.
Characterization of the fields in mode-stirred reverberation chambers. Study of the total radiated power
of mobile phones in various transmission scenarii by
means of reverberation chambers. Comparison of the
3. Dispositifs de mesure
Cf. Techniques de champs
dosimétrie.
proches
et
4. Micro-ondes de Forte Puissance (MFP)
Design et caractérisation d’antennes pour des
sources MFP. Simulation 3-D des structures
par le logiciel MicroWaveStudio. Analyse
modale des structures. Expérimentations à
faible et à fort niveau de puissance. Nouveaux
protocoles expérimentaux pour les mesures à
forte puissance.
52
results with those obtained with the 3D spherical
anechoic facility. Study of various diversity techniques
for antennas in strong multipath environments by
means of reverberation chambers.
3. Measurement setups
Cf. Near-field techniques and dosimetry.
4. High Power Microwaves (HPM)
Design and characterization of antennas for HPM
generators. 3D numerical simulations with
MicroWaveStudio software. Modal analysis of
devices. Experimentations in two different configurations (at high and at low power levels) with specific protocols.
Compatibilité électromagnétique / Electromagnetic compatibility
Conception de l’élément antennaire
d’une source micro-onde de forte puissance
Conception of an antenna device
for a high-power microwave generator
Abstract
Par Marie Mathian,
François Jouvie,
Dominique Lecointe
et Jean-Charles Bolomey
The Cherenkov Maser is a high-power source of microwaves. The spectrum of the produced waves spreads through a wide bandwidth.
The Maser exit is made of an open-ended coaxial cylinder where the electromagnetic field is supposed to have the fundamental TEM
mode properties. In this configuration the aperture radiates a null far field ahead on the axis of the coaxial and this does not comply
with the user requirements. Hence, we have designed an antenna that complies with these requirements: it consists in a profiled transition which progressively unrolls the coaxial cylinder into two rectangular waveguides, each of them being connected to a classical horn
antenna for an emphazided gain of radiation.
Présentation du problème
L’objectif des expériences à faible niveau est de s’assurer que les résultats
de la simulation numérique sont fiables avant de passer aux expériences à
fort niveau. Elles nécessitent la réalisation d’une liaison permettant de
relier une prise N standard au coaxial du convertisseur (fig. 3).
Le maser Cherenkov à plasma est une source micro-onde capable de délivrer
de fortes puissances et ajustable en fréquence sur plusieurs octaves [1]. La
sortie de cette source, de type coaxial, est supposée n’être excitée que par le
mode fondamental (TEM), bien que permettant la propagation de plusieurs
modes. Par symétrie de ce mode, un rayonnement direct du coaxial
présenterait un zéro dans l’axe, ce qui n’est pas acceptable pour les applications envisagées. L’objectif est de concevoir un système antennaire,
rayonnant dans l’axe de la source, large bande et supportant les fortes
puissances générées par le maser.
Convertisseur coaxial / bi-guides rectangulaires
La liaison proposée consiste à passer de façon progressive de la structure
coaxiale du maser à un système de deux guides rectangulaires normalisés.
Ainsi, en sortie de guide, le choix d’un aérien de type cornet permettra un
rayonnement dans l’axe de la structure. Le principe de construction est
présenté sur la figure 1.
Figure 3 : Exemple d’expérience à faible niveau
L’objectif des expériences à fort niveau est de s’assurer de l’absence de
phénomène de claquage, et de la conservation des propriétés de l’aérien
malgré la présence des modes d’ordres supérieurs.
Figure 1 : Principe de construction du convertisseur
La figure 2 montre des photographies du convertisseur ; ses dimensions ont
été optimisées par modélisation numérique.
Figure 4 : Exemple d’expérience à fort niveau
.....................................................................................................................................
[1] M. V. Kuzelev, O. T. Loza, A. A. Rukhadze, P. S. Strelkov, A. G. Shkvarunets,
"Plasma Relativistic Microwave Electronics", Plasma Physics Reports, vol. 27, n° 8,
pp. 669-691, 2001.
Figure 2 : Le convertisseur coaxial / bi-guides
[2] M. Mathian, F. Jouvie, D. Lecointe, J.-Ch. Bolomey, R. Vézinet, R. Wioland,
O. Ringuet, "Étude d’un convertisseur guide coaxial/bi-guides rectangulaires pour
Expérimentation
applications micro-ondes de forte puissance", 13ème colloque international sur la compatibilité
Deux expériences ont été réalisées au Centre d’Étude de Gramat : l'une à
faible de puissance et l'autre à fort niveau [2].
électromagnétique (CEM06), Saint-Malo, France, avril 2006.1610, mai 2005.
53
3.3
Problèmes
inverses des
ondes
Inverse wave
problems
Bernard DUCHENE, Marc LAMBERT et
Dominique LESSELIER
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 57 / 15 67 / 15 61
[email protected]
[email protected]
Sujets 5 / Topics 5:
Hélène ROUSSEL, Walid TABBARA
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 56 / 15 49
[email protected]
Objectifs
Aims
La détection et le dimensionnement d’un
endommagement d’un élément d’une centrale
nucléaire, la localisation de tuyaux au sein d’un
sous-sol urbain, la recherche de mines antipersonnelles, la cartographie d’aciers dans un
béton d’ouvrage d’art, la caractérisation de
milieux naturels tels que la forêt, ou artificiels
tels des panneaux composites, l’imagerie d’un
corps humain, la prospection géophysique à
partir de la surface ou de puits de forage sont de
bons exemples de “problèmes inverses des
ondes”. Il s’agit d’identifier les propriétés
physiques d’objets placés dans des environnements réalistes (une pièce de machine, un sol,
un corps humain) à partir de l’observation de leur
interaction avec une onde électromagnétique ou
acoustique interrogatrice. Ces problèmes
inverses sont critiques à nombre de situations
en ingénierie médicale, civile et militaire,
sûreté nucléaire et des transports, où les enjeux
de “sécurité” sont essentiels.
Detection and sizing of a defect affecting an element
in a nuclear power plant, localization of an underground pipe in an urban environment, detection of
anti-person land mines, mapping of metal bars in
the reinforced concrete of civil engineering works,
characterization of natural media such as a forest,
or artificial ones such as composite panels, human
body imaging, geophysical prospecting from the surface or from boreholes, are all very good examples of
“inverse wave problems”. The goal is to identify the
physical properties of objects located in real-life environments (i.e. a machine part, the ground, the
human body, etc.) by observing their interaction
with primary electromagnetic or acoustic radiation.
These inverse problems are critical in many situations, for example, in the field of biomedical, civil
and military engineering, as well as nuclear and
transport safety, where “security” is at stake.
Sujets
Topics
1. Imagerie d'objets enfouis en environnement stratifié
Applications à l’ingénierie de la santé, au diagnostic de cibles enfouies à faible profondeur
dans un sol et à la caractérisation de matériaux
composites.
1. Imaging of objects embedded in stratified
environments
Applications refer to the diagnostic of targets embedded
in the ground at shallow depth, the characterization
of composite materials and biomedical engineering.
2. Contrôle non destructif de structures
conductrices en courants de Foucault
Caractérisation de structures (plaques, tubes,
etc.) endommagées pour l’industrie nucléaire
ou l’aéronautique.
3. Évaluation d'un sous-sol par mesures
électromagnétiques en régime d'induction
Contribution au développement d'outils
d'évaluation d'objets enfouis d'un sous-sol
proche ou profond.
4. Caractérisation électromagnétique et
acoustique de cibles immergées
Évaluation de sources rayonnantes en présence
de milieux stratifiés plans. Caractérisation de
cibles diffractantes plongées dans un milieu marin
à l’aide d’antennes placées en leur voisinage.
5. Caractérisation d’un milieu forestier
aux basses fréquences
Caractérisation du signal radar rétrodiffusé par
une forêt, ou par une cible qu’elle abrite. Lien
avec les paramètres forestiers et ceux de la cible.
Marc LESTURGIE
SONDRA
Campus de Gif
Tél. : +33 [1] 69 85 18 03
54
2. Eddy current non-destructive testing of
conductive structures
Characterization of damaged structures (plates,
tubes, etc.) for the aeronautics or nuclear industry.
3. Evaluation of subsoils from electromagnetic measurements in induction
regime
Contribution to the developement of probing tools of
a shallow or deep earth.
4. Electromagnetic and acoustic characterization of immersed targets
Evaluation of radiating sources in the presence of
planar stratified media. Characterization of scattering
targets immersed in seawater by means of antennas
nearby.
5. Low frequency characterization of a
forest
Characterization of the radar signal backscattered
by forest or by a hidden target. Influence of the forest
and target parameters.
Problèmes inverses des ondes / Inverse wave problems
Détection de cibles dans la forêt
par la méthode D.O.R.T.
Detection of targets in a forest
using the DORT method
Abstract
Youmni Ziadé, Hélène Roussel,
Marc Lesturgie et Walid Tabbara
The propagation of electromagnetic fields in forest media is studied over a frequency range extending from 100 MHz to 300 MHz.
An exact coherent model is developped in order to compute the electromagnetic field resulting from the multiple scattering of the interrogating wave by the scatterers located inside and outside the forest. A DORT based method is used to detect and locate a hidden target in the medium.
Introduction
contenant le signal et les n-m autres, pour lesquels
forment l’espace
contenant le bruit. Soit g(x,y), le vecteur champ rayonné par le réseau au
point test (x,y) ; on peut montrer qu’aux positions des cibles le vecteur
g(x,y) est orthogonal à l’espace contenant le bruit [2]. Ainsi :
La caractérisation de la propagation d’une onde électromagnétique à travers la
forêt a donné lieu à plusieurs modèles théoriques et études expérimentales. Le
problème principal qui se pose lorsque l’on cherche à représenter au mieux un
milieu aussi complexe que la forêt est de savoir quels éléments du milieu
doivent être réellement pris en compte pour intégrer correctement l’effet du
milieu sur l’onde. En s’appuyant sur les modèles existants, nous avons
développé, pour la bande de fréquences 100 MHz - 300 MHz, un modèle
cohérent permettant de calculer le champ diffusé à travers un groupe d’arbres
et le pseudo-spectre P défini par :
[1] quand l’émetteur et le récepteur sont placés près du sol. Le modèle que
nous avons développé nous permet de considérer toutes les interactions de
l’onde avec le milieu dans lequel elle se propage; le champ diffracté est alors la
somme cohérente de tous ces effets. Puis, nous avons utilisé l’opérateur de
retournement temporel (noté T) afin de reconstruire l’image de la zone
éclairée [2] et de localiser , dans cette zone, les troncs et une éventuelle cible
placée parmi les arbres.
sera maximum aux points où sont localisées les cibles (fig. 2).
Le choix de la représentation
Avant de choisir le modèle électromagnétique, il faut définir la représentation de la forêt la plus pertinente pour les fréquences considérées. Étant
donné que seuls les éléments de dimensions comparables à la longueur
d’onde vont contribuer de façon significative au champ diffracté, nous ne
considérons que le tronc et les branches primaires des arbres, l’effet des
Figure 1 : La forêt et la représentation utilisée pour le modèle
feuilles et des branches secondaires étant négligé (fig. 1).
Figure 2 : Pseudo-spectre P ; les carrés indiquent les positions
des trois troncs de sections 0.5m x 0.5m (petits) et de la cible
de section 1m x 1m (grand centré en (0,0))
Le modèle électromagnétique utilisé pour caractériser le champ propagé
dans la forêt est basé sur une représentation intégrale du champ électrique. La résolution est effectuée à l'aide de la méthode des moments [1].
Localisation des troncs et de la cible par une
méthode utilisant la méthode D.O.R.T.
.....................................................................................................................................
La méthode de décomposition de l'opérateur de retournement temporel
(D.O.R.T.) s’appuie sur l’utilisation de la matrice K composée de n x n éléments où l’élément Kij correspond au champ reçu sur l’élément j du réseau de
réception quand l’élément i du réseau d’émission émet. L’opérateur de
retournement temporel est défini par :
[1] Y. Ziadé, H. Roussel, M. Lesturgie, W. Tabbara, "A theoretical model of propagation in forest media compared with experimental results", IGARSS’05, Séoul, juin
2005.
[2] A. J. Devaney, "Time reversal imaging of obscured targets from multistatic
Soient
, les vecteurs propres et valeurs propres de
la matrice T. Les m vecteurs propres pour lesquels
forment l’espace
data", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. 53, n° 5, pp. 1600-1610,
mai 2005.
55
3.4
Senseurs
et capteurs
micro-ondes
Microwave
sensors
and probes
Objectifs
Aims
Les micro-ondes permettent la caractérisation
diélectrique (permittivité et conductivité) des
matériaux non conducteurs et leur analyse
tomographique (imagerie micro-onde) fournissent ainsi des données complémentaires de
celles obtenues par d’autres méthodes de contrôle
non destructif (CND) et d'analyse tomographique telles que rayons X, ultrasons, IRM,
PET... L'estimation des paramètres électromagnétiques donne accès à des facteurs physiques
et/ou physiologiques dont ils dépendent :
composition, température, teneur en eau, etc...
Nombre d'applications potentielles des microondes ont ainsi été répertoriées dans le domaine
des applications Industrielles Scientifiques et
Médicales (ISM) : détection de défauts ou de
tumeurs (sujet 1), contrôle de l'humidité, contrôle
de traitements par hyperthermie… Les techniques
micro-ondes ont pour points forts : sensibilité,
rapidité, innocuité. Les capteurs micro-ondes
peuvent prendre des formes variées, depuis la
Microwaves make it possible to obtain the dielectric
characterization (permittivity and conductivity) of
non-conducting materials and their tomographic
analysis (microwave imaging), which yield data that
are complementary to those obtained by other nondestructive testing (NDT) and tomographic analysis
techniques, such as X-rays, ultrasounds, MRI, PET,
etc. An estimation of electromagnetic parameters
provides the physical and/or physiological factors they
depend on, namely composition, temperature, water
content, etc. Therefore, a number of potential applications for microwaves have been identified in the field
of Industry, Science and Medicine (ISM): deficiencies
or tumor detection (topic 1), testing of moisture content,
hyperthermia treatment control, etc. The strong point
of microwave techniques is their sensitivity, speed, and
harmlessness. Microwave sensors can take on various
shapes: from the simple contact probe equipping reflectometry measuring apparatus, to microwave cameras
and scanners. When observed phenomena are timevarying, or when trying to reduce acquisition time, sen-
simple sonde de contact équipant un banc de
mesure réflectométrique, jusqu'aux caméras et
scanners micro-ondes. Lorsque les phénomènes
observés sont dynamiques ou lorsque l'on
cherche à réduire le temps d'acquisition, des
sor arrays may be used. Each sensor can be sequentially
interrogated by means of a microwave multiplexor or
via modulated scattering technique. This technique
has been shown to be very effective in scanning very
rapidly large arrays (Topic 2).
réseaux de capteurs sont utilisés. Chaque capteur du réseau peut être interrogé séquentiellement
grâce à un multiplexeur micro-onde ou en
ayant recours à la méthode de la diffusion
modulée. Cette technique a démontré sa
capacité à analyser très rapidement de grands
réseaux (sujet 2).
Nadine JOACHIMOWICZ
Alain JOISEL
Olivier MERCKEL
Nicolas RIBIÈRE-THARAUD
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 41 / 15 50 / 15 53 /
15 65 / 15 72
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Sujets
Topics
1. Imagerie micro-onde quantitative
appliquée dans le domaine médical
Etude de faisabilité de la détection de tumeur
du sein. Traitement spatial itératif appliqué à
des données réelles obtenues sur un fantôme
biologique inhomogène. Coopération avec
Mälardalen Univ. / Suède.
1. Medical applications of quantitative
microwave imaging
Feasibility study of breast tumor detection. Spatial
iterative algorithm applied to real data collected from
an inhomogeneous phantom. Cooperation with
Mälardalen Univ./Sweden.
2. Imagerie micro-onde temps réel
pour processus dynamiques
Perfectionnement d'une caméra micro-onde à
2,45 GHz utilisant une rétine de 32 x 32 = 1024
sondes modulées. Ses données complexes sont
traitées en temps réel jusqu'à 25 images/seconde.
3. Sondes à modulation optique pour la
mesure rapide du DAS des téléphones
mobiles
Etude de faisabilité des mesures de DAS en temps
réel utilisant des sondes « OMS ». Pour plus de
détails se reporter à l’exemple ci-contre.
56
2. Real-time microwave imaging for timevarying process
Improvement of a microwave camera operating at a
2.45 GHz frequency with an array made of
32 x 32 = 1024 modulated probes. Complex data are
processed in real time up to 25 images/second.
3. Optically modulated probes for rapid
SAR measurement of mobile phones
Feasibility study of real-time SAR measurements using
“OMS probes”. For further details see attached example.
Senseurs et capteurs micro-ondes / Microwave sensors and probes
Sondes à modulation optique pour
la mesure rapide du DAS
Rapid SAR measurement using
optically modulated probes
Abstract
Par Jean-Charles Bolomey, Alain Joisel,
Olivier Merckel et Nicolas Ribière-Tharaud
En collaboration avec NPL(UK)
et CMS/ITRI (Taïwan)
By using the "modulated scattering technique" to scan large probes arrays, near field distribution mapping may be performed rapidly
for antenna characterization, EMC measurements, imaging and electromagnetic dosimetry. In addition to its rapidity and simplicity,
one should notice the low level of disturbance introduced by this method in the field measurements. From this point of view, new optically
modulated probes (OMS) with improved sensitivity and rapidity have recently yielded very attractive perspectives. The OMS-SAR project,
an international program led in cooperation with NPL and CMS/ITRI, aims to develop a prototype based upon this principle for rapid
SAR measurements of mobile phones inside biological phantoms.
La méthode de diffusion modulée
L’objectif commun est le développement d’un prototype expérimental
permettant de démontrer la faisabilité des mesures de DAS en temps réel. Les
domaines d’expertise respectifs sont : le développement de sondes OMS pour
le NPL et le CMS, la mesure rapide de DAS pour le DRÉ / Supélec. A Supélec,
nous avons procédé à une étude expérimentale comparative (fig. 1) des sondes
EMS classiques avec les nouvelles sondes OMS développées au NPL, puis au
CMS. Il s’agit de courts dipôles chargés par des photorésistances interdigitées
à l’AsGa, modulées par un laser Tektronix CPS250 à semiconducteur (1,4 mW,
650 nm) associé à une fibre multimodes.
La méthode de la diffusion modulée est une technique de mesure vectorielle de
champ proche qui permet l’analyse rapide de grands réseaux de sondes de façon
relativement simple et surtout peu perturbante [1]. Elle est utilisée au DRÉ
depuis les années 80 dans les domaines de la caractérisation des antennes, des
mesures en CEM, de l’imagerie micro-onde active, etc. Par exemple la caméra
micro-onde à 2,45 GHz comporte une rétine de 32 x 32 sondes, constituées par
des dipôles chargés par des diodes PIN servant d’interrupteurs électroniques,
et modulés électriquement à 200 kHz. Elle permet d’obtenir, par une méthode
spectrale, la reconstruction d’images qualitatives en temps réel, typiquement à
15 images/s [2].
La modulation optique
Dans le cas de la modulation électrique, les lignes utilisées pour appliquer les
signaux de modulation aux sondes constituent toutefois une cause de perturbation - difficile à réduire en pratique – susceptible de limiter la dynamique de
mesure. La banalisation des lasers à semi-conducteurs et l’amélioration des performances des composants optoélectroniques permet, à présent, de recourir à
des sondes modulées par procédé optique (OMS) moins perturbantes que les
sondes classiques à modulation électrique (EMS). La technique consiste à
moduler la lumière émise par un laser, puis à la transmettre par fibre optique à
une photorésistance jouant le rôle de charge pour la sonde de mesure.
L’application à un réseau de sondes est possible sous réserve de disposer d’un
Figure 1 : Sensibilités comparées de sondes EMS et CMS-OMS à 900 MHz
Bilan et perspectives
La dernière génération de sondes OMS développée au CMS est capable de
rivaliser avec les sondes classiques EMS sur le plan de la sensibilité et de la
rapidité [5] et de les surpasser en terme de niveau de perturbation. Il reste à
développer un prototype de démonstration temps réel permettant de traiter les
bandes de fréquence des mobiles. Pour atteindre cet objectif, le DRÉ a pensé
étendre l’utilisation de sa caméra micro-onde temps réel à 2,45 GHz et entre-
multiplexeur optique.
Application à la dosimétrie des téléphones mobiles
Le développement spectaculaire des systèmes de téléphonie mobile et
l’évolution des normes qui leur sont applicables nécessitent la mise en place de
moyens de contrôle de plus en plus précis et rapides. En effet le rayonnement
des téléphones portables est soumis à des normes de sécurité destinées à protéger l’utilisateur. En pratique, la vérification de la conformité des appareils aux
normes conduit à effectuer des mesures de champs électriques dans des fantômes biologiques respectant les caractéristiques électriques des tissus
humains, mission pour laquelle Supélec est accrédité COFRAC. La tendance est à la montée en fréquence qui entraîne une réduction de longueur
d’onde, tandis que les normes s’affinent. Ceci impose des contrôles plus poussés
et l’utilisation de pas d’analyse plus fins. L’exploration volumique exhaustive de
fantômes avec les sondes standard à déplacement mécanique conduisant à des
temps d’acquisition prohibitifs, différentes approches ont été proposées par le
DRÉ pour faire face à ces nouvelles contraintes de finesse et de rapidité [3].
Ainsi l’emploi de la méthode de diffusion modulée est à l’étude [4] en vue
d’obtenir très rapidement la répartition du Débit d’Absorption Spécifique
(DAS/SAR) des nouvelles générations de téléphones mobiles.
pris de l’adapter en conséquence, tandis que CMS poursuit l’étude des sondes
OMS en vue de développer un réseau à modulation optique qui pourrait comporter 6 x 6 sondes bipolarisées.
.....................................................................................................................................
[1] J.-Ch. Bolomey, F. E. Gardiol, “Engineering applications of the modulated scatterer technique”, Artech House, 2001.
[2] A. Joisel, J.-Ch. Bolomey, “Rapid microwave imaging of living tissues”, SPIE's
International Symposium on Medical Imaging, vol. 3977, pp. 320-330, San Diego (CA, USA),
fév. 2000.
[3] O. Merckel, “Mesure du SAR des téléphones portables au moyen de techniques
de champs proches généralisées”, Thèse de Doctorat, Université de Versailles - Saint
Quentin en Yvelines, nov. 2002.
[4] A. Joisel, D. Picard, O. Merckel, V. Monebhurrun, J.-Ch. Bolomey, “Real -time
monitoring of the microwave field induced by portable phones in biological phantoms”,
European Microwave Week, Paris, 2000.
Le projet OMS-SAR
[5] R. R. Lao, W. L. Liang, W. T. Shay, O. Merckel, N. Ribière-Tharaud, J. -Ch.
Depuis 2003, le DRÉ coopère avec le NPL (National Physical Laboratory,
UK) et le CMS / ITRI (Center for Measurement Standards / Industrial
Technology Research Institute, Taiwan) dans le cadre du projet OMS-SAR.
Bolomey, R. Thompson, R. Dudley, J. H. Tarng, “ A new optically modulated scatterer
for electromagnetic field distribution mapping”, Asia Pacific Symposium on EMC, pp. 363367, Taïpei (Taïwan), déc. 2005.
57
3.5
Dosimétrie
électromagnétique
Electromagnetic
dosimetry
Objectifs
Aims
Le développement rapide des communications
cellulaires ne manque pas de soulever des questions sur de possibles effets des ondes électromagnétiques sur la santé. Des recommandations et
des normes limitent le niveau maximum d’exposition. La dosimétrie constitue un point de passage
obligé pour s’assurer du respect de ces normes.
Le Département Électromagnétisme de
Supélec a développé une base dosimétrique
plus particulièrement destinée à la mesure du
DAS (Débit d’Absorption Spécifique) des téléphones portables GSM. Une seconde base
dosimétrique a permis d’étendre le domaine des
fréquences couvertes par les nouveaux systèmes
(GPRS, UMTS, WiFi, Bluetooth…) jusqu’à
6 GHz.
D’autres bases en chambre anéchoïde permettent d’effectuer de la dosimétrie à l’échelle du
corps entier. Elles sont utilisables, notamment,
dans le cas des antennes de stations de base.
The rapid development of cellular communications has
raised many questions about the possible effects of electromagnetic waves on health. Recommendations and
standards are expected to limit the maximum exposure
level.
Electromagnetic dosimetry constitutes a necessary step
towards ensuring compliance with current technical
standards.
The Electromagnetic Department of Supelec has
developed a dosimetric facility that, more specifically, is
intended for measuring the SAR of GSM mobile
phones. A second facility has allowed to extend
measurements up to 6 GHz, in the frequency range
covered by new wireless services (GPRS, UMTS,
WiFi, Bluetooth…).
Other measurement facilities have enabled us to conduct
whole-body dosimetric assessments. These may be used,
for instance, in the case of base station antennas.
Sujets
Topics
1. Mesure de SAR de portables
Nouveaux concepts de mesure de SAR.
Méthodes rapides utilisant des reconstructions
1. SAR measurement of mobile phones
New concepts for SAR measurements.
Rapid techniques based on parametric and spectral
reconstructions.
High sensitivity instrumentation.
Dynamic characterization of mobile phones.
Numerical modeling.
paramétriques et spectrales.
Instrumentation haute sensibilité.
Caractérisation des portables
dynamique.
Modélisation numérique.
Sujet 1 / Topic 1:
Olivier MERCKEL
Vikass MONEBHURRUN
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 41 / 15 65 / 15 44
[email protected]
[email protected]
Dominique PICARD
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 15 41 / 15 55
[email protected]
en
régime
2. Contrôle de vêtements de protection
Mesure de l’efficacité de blindage de combinaisons
« étanches » aux ondes électromagnétiques.
3. Cellules d’exposition
Mesures dosimétriques dans les expérimentations
sur animal (embryons de poulet).
4. Mesures sur site
Système de mesure portable de champs électromagnétiques pour mesures sur site.
Logiciel d’analyse spectrale d’environnements
électromagnétiques pollués.
5. DASmètre individuel
Mesure sur site de la puissance rayonnée par un
téléphone cellulaire.
Evaluation de l'exposition réelle de la tête de
l'usager en présence d'un téléphone portable sur le
réseau.
58
2. Testing protective clothing
Measuring the shielding efficiency of “wave-proof
textiles and work outfits.
3. Exposure cells
Dosimetric measurements during exposure assessments
on animals (chicken embryos).
4. On-site measurements
Portable equipment for broadband measurement of
electromagnetic waves.
Software for spectral analysis of polluted electromagnetic environments.
5. Individual SARmeter
In situ measurements of the power radiated by a mobile
phone.
Evaluation of the real exposure of the user head in the
presence of a mobile phone connected to the network.
Dosimétrie électromagnétique / Electromagnetic dosimetry
DASmètre
SARmeter
Abstract
Par Dominique Picard
The real exposure to RF radiation of a mobile phone depends essentially upon emitted power mean value. The normative value for
the Specific Absorption Rate (SAR) corresponds only to a given configuration at maximum power. The emitted power of a mobile
phone can vary over a 30 dB dynamic range due to Power Control (PWC). For GSM, when no information has to be transmitted,
the TDMA pulses density can decrease by a factor 10 or more. This results in a potential variation of the mean emitted power of a
mobile phone over a dynamic range larger than 40 dB. The SARmeter performs real time in situ measurements of the radiated power
and, thus, allows the evaluation of the real exposure of the user head.
DAS sur le réseau
fonctionnement du portable : GSM900, DCS1800 ou UMTS (fig. 2). Elle va
par ailleurs transformer le signal haute fréquence en un signal dont on peut faire
l’acquisition sur un micro-ordinateur portable. Le signal haute fréquence est
redressé et filtré de façon à récupérer son enveloppe, ce qui va permettre la
La puissance déposée dans une tête humaine due à l’exposition au rayonnement
RF d’un radiotéléphone est caractérisée par le débit d’absorption spécifique
(DAS). Le DAS d’un téléphone mobile est mesuré à l’intérieur d’un fantôme
de tête humaine rempli d’un liquide dont les caractéristiques électromagné-
détection des impulsions et la mesure de la puissance d’émission.
tiques sont celles des tissus biologiques. La norme européenne EN50361 décrit
les conditions de mesure. Le DAS normatif d’un mobile correspond à une puissance d’émission maximale, obtenue à l’aide d’un émulateur de station de base
qui pilote le terminal lors de la mesure.
Dans des conditions réelles d’utilisation, c’est à dire sur le réseau, le DAS
dépend de nombreux paramètres, dont la puissance d’émission. Lors d’une
communication, la puissance d’émission du portable peut varier de 30 dB, c’està-dire dans un rapport 1 à 1000, à la demande de la station de base. De plus
pour le GSM900 et le DCS1800, l’émission n’a lieu qu’à l’intérieur d’impulsion
de 576 µS de durée et de fréquence de répétition 217 Hz. Ces impulsions
d’émission ne sont pas toutes présentes lorsqu’il n’y a pas de données à transmettre. Le DAS moyen, en conditions d’utilisation réelles, est proportionnel à
la puissance moyenne et peut différer fortement du DAS normatif. L’étude du
DAS sur le réseau requiert un dispositif capable de fournir une mesure en temps
réel de la puissance d’émission du portable et la densité des impulsions
Figure 2 : Schéma synoptique du récepteur du DASmètre
Utilisation du DASmètre
Il est possible de suivre l’évolution (fig. 3) de la puissance d’émission, de la
densité d’impulsion, du coefficient de réduction de DAS, et de leur valeur
moyenne durant la durée d’une communication. Le DASmètre permet
notamment la comparaison de l’exposition subie par l’usager pour différents portables ou différents réseaux. Cette recherche est effectuée en
présentes.
DASmètre individuel
collaboration avec Bouygues Telecom.
La solution proposée consiste en un dispositif spécifique, totalement indépendant du portable : le DASmètre individuel [1]. Il est constitué d’une antenne,
d’une électronique de traitement et d’un micro-ordinateur de pilotage et de
visualisation des mesures (fig. 1).
Figure 3 : Puissance en fonction du temps pour une communication
.....................................................................................................................................
Figure 1 : DASmètre individuel en cours d’utilisation
[1] R. Veysset, D. Picard, S. Chauvin, "Dispositif de détermination des variations
Son principe est le suivant : l’antenne du DASmètre est couplée à celle du
portable et ce couplage est constant dans le temps. La puissance de sortie de
l’antenne du DASmètre est donc proportionnelle à la puissance d’émission du
portable et permet donc d’observer les variations de cette dernière. Il est également possible de mesurer la densité des impulsions d’émission. L’électronique
de traitement va également permettre d’identifier la bande de fréquence de
du DAS d’un mobile en communication", Brevet Européen n° 04292037.1-2411
déposé le 11 août 2004.
[2] P. Le Duigou, S. Chauvin, D. Picard, R. Veysset, "Assessment of user’s exposure
to GSM mobile phones emissions with the SARmeter", BEMS 2005,
Bioelectromagnetics Society, Dublin, juin 2005.
59
3.6
Électromagnétisme
des milieux
complexes
pour
dispositifs
micro-ondes
Electromagnetics
of complex
media applied
to microwave
devices
LGEP
Campus de Gif
Sujet 1 / Topic 1:
Saïd ZOUHDI
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 60
Olivier DUBRUNFAUT
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 75
Olivier MEYER
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 75
Objectifs
Aims
Parmi les éléments contribuant à l’amélioration
des performances des systèmes de télécommunication (systèmes de transmission sans fils,
réseaux multimédia, Internet), les matériaux composites jouent un rôle important dans l'élaboration
de nouveaux dispositifs et composants. L'étude du
comportement du champ électromagnétique dans
les milieux complexes composites est aujourd'hui
un domaine de recherche technologique prometteur, avec un éventail d'applications allant des dispositifs micro-ondes aux systèmes optiques. Des
méthodes numériques ont été développées pour
traiter les problèmes de propagation dans ces
milieux complexes (sujet 1).
Pour la caractérisation de matériaux, des méthodes
originales de mesure large bande (5 Hz – 57 GHz)
des paramètres constitutifs (tenseur de permittivité, perméabilité, conductivité) ont été développées. Les applications sont nombreuses : l’étude de
films (électrode pour batterie – sujet 2), le traitement thermique micro-onde (chimie, tissus
Electromagnetic artificial materials will play a key role
in providing new functionalities and enhancements to
the future electronic devices and components, such as
high-speed circuits, multifunctional smart miniature
antennas and apertures, high-resolution imaging systems, smart skins, and so forth. We have developed
various numerical methods for modelling the problems
of wave propagation in these complex media (topic 1).
Original methods for measuring the constitutive
parameters (i.e. permittivity tensor, permeability, and
conductivity) in a broad-band frequency (ranging from
5 Hz to 57 GHz) have been developed. These methods
are applied to various subjects: study of films (electrode
of battery – topic 2), behaviour under microwave thermal processing (i.e. sintering, behaviour of biological
tissues – topic 3), and active materials (anti-radar
applications – topic 4). These microwave characterizations are used upstream during the synthesis of materials (i.e. optimization, quality control) and downstream
to set up microwave systems based on these materials
(i.e. prediction, optimization). In addition, these meth-
biologiques - sujet 3) et l’étude de matériaux actifs
(furtivité – sujet 4). Les résultats sont exploités
pour la compréhension des phénomènes
physiques agissant dans le matériau et pour son
optimisation. La caractérisation diélectrique est
également utilisée pour l’étude in situ de liquides
pétroliers (capteur - sujet 5).
ods are used to study physical phenomena in material.
Last, dielectric characterization is applied to the in situ
control of petroleum (sensor – topic 5).
Sujets
Topics
1. Modélisation des matériaux complexes et des méta-matériaux
L’objectif des recherches est d’élaborer et
d'éprouver de nouvelles générations d’outils de
modélisation dédiés aux matériaux complexes
(matériaux chiraux, bianisotropes, matériaux
BIE, méta-matériaux, …).
1. Electromagnetic modelling of complex
materials and metamaterials
Development and test novel generation of tools for
modelling complex electromagnetic materials (chiral,
bianisotropic and EBG materials, metamaterials, …).
2. Films minces et matériaux massifs
Réalisation de dispositifs de caractérisations de
matériaux en couches minces ou épaisses pour
la microélectronique, la CEM, les électrodes de
batteries.
3. Contrôle de processus sous microondes, traitement thermique microondes
Instrumentation pour l’étude du couplage entre
le champ électromagnétique et les systèmes
moléculaires et ioniques. Traitement thermique
micro-ondes.
4. Matériaux actifs
Contrôle électrique ou thermique de la réponse
électromagnétique de matériaux.
5. Capteur micro-ondes
Étude et réalisation d’un capteur pour le contrôle
de fluides en écoulement.
60
2. Thin films or massive materials
characterization
Development of broad-band measurement methods
to study thin films or massive materials for microelectronics, EMC, batteries.
3. Process control under microwaves and
microwave thermal processing
Instrumentation for studying the coupling between
electromagnetic field and molecular / ionic systems.
Thermal processing using microwaves.
4. Active materials
Application to the electric control of electromagnetic
responses of materials.
5. Microwave sensor
Study and development of a sensor to check the flowing
of fluids.
Électromagnétisme des milieux complexes pour dispositifs micro-ondes / Electromagnetics of complex media applied to microwave devices
Homogénéisation des Métamatériaux Chiraux
Homogenization of Chiral Metamaterials
Abstract
Par Saïd Zouhdi
In this paper we propose a novel homogenization technique for computing the quasi-static effective parameters of a three dimensional
(3-D) lattice of dielectric-chiral particles with complex shape. This technique offers the possibility to evaluate, in an accurate manner, the behaviour of the electromagnetic field within the microstructure when the wavelength of the electromagnetic field is larger
than the period of microstructure. This method is based on the decomposition of the field in an average part without micro-oscillations, and a remainder taking them into account.
Les métamatériaux
Les métamatériaux sont des matériaux composites structurés dont les propriétés transcendent celles des matériaux naturels (réfraction négative, inversion de l’effet doppler, etc..) [1-2]. Ces matériaux ont inspiré un grand nombre
de nouveaux concepts physiques et ont conduit à de nombreuses nouvelles
applications micro-ondes. Ils pourraient conduire à une révolution dans le
monde des dispositifs micro-ondes et optiques au cours des prochaines décen-
où u(x) représente le champ moyen et les termes d'ordre supérieur
représentent les champs correcteurs.
nies [3].
(a)
Figure 1 : Matériau composite micro-structuré
(b)
Cette approche est applicable non seulement aux composites artificiels tels
que les métamatériaux mais également aux matériaux biologiques, et à
d'autres matériaux périodiques hétérogènes. L'avantage de cette méthode
est double, (i) elle permet, contrairement aux lois de mélange classiques, de
Les métamatériaux sont caractérisés par une nature fondamentalement
hétérogène. Leur constitution microscopique relève de l’assemblage de constituants différents avec une géométrie, en générale, complexe. Il est possible de
traiter des milieux denses avec des géométries d’inclusions complexes, (ii)
elle offre la possibilité d’évaluer avec précision le champ électromagnétique
à l'intérieur du matériau périodique grâce aux termes correcteurs.
prédire les propriétés électromagnétiques moyennes de tels matériaux afin de
les remplacer par un matériau homogène effectif équivalent et d’en étudier la
réponse structurale au niveau macroscopique. La théorie de l’homogénéisation
répond à cette attente.
Théorie de l’homogénéisation
Quand la période de la microstructure est petite comparée à la longueur
d'onde, deux principales approches d'homogénéisation sont présentes dans la
littérature. La première approche, classique, est basée sur des arguments
physiques. Les structures atomiques initiales sont homogénéisées en effectuant
une moyenne spatiale des moments dipolaires induits au sein du matériau. Les
lois de mélange de Maxwell Garnett, Bruggeman ou de Clausius-Mossotti sont
des exemples d’homogénéisation issue de cette approche [4].
La deuxième approche est basée sur des arguments mathématiques.
L'homogénéisation n'est plus considérée comme une opération de moyennage mais provient d'un processus rigoureux de limite. Nous avons
développé une nouvelle approche mathématique de l’homogénéisation
basée sur la méthode de l'éclatement périodique [5]. Cette méthode simplifie considérablement les démonstrations des résultats de convergence et
s'applique aisément aux problèmes multi-échelles. L'éclatement périodique
est basé essentiellement sur deux ingrédients : un opérateur de dilatation,
l'éclatement, et une décomposition de toute fonction dans une partie principale sans micro-oscillations, et un reste qui les prend en compte,
.....................................................................................................................................
[1] V. G. Veselago, “The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of e and µ,” Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, no. 4, pp. 509-514, 1968.
[Usp. Fiz. Nauk, vol. 92, pp. 517-526, 1967].
[2] J. B. Pendry, “Negative refraction makes a perfect lens,” Phys. Rev. Lett., vol. 85,
no. 18, pp. 3966-3969, 30 October 2000.
[3] S. Zouhdi, A. Sihvola and M. Arsalane (co-editors), “Advances in
Electromagnetics of Complex Media and Metamaterials”, 504 pp., NATO Science
Series II, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2003.
[4] A. Sihvola, “Electromagnetic Mixing Formulae and Applications,” IEE
Electromagnetic Waves Series, 47. Institution Of Electrical Engineers, 1999.
[5] O. Ouchetto, S. Zouhdi, A. Bossavit, G. Griso, and B. Miara, "Modeling of 3D
periodic multiphase composites by homogenization," accepté pour publication,
IEEE Trans. on MTT, 2006.
61
3.7
Antennes
et traitements
pour les
radars
futurs
Antennas
and signal
processing
for the next
generation
of radars
Objectifs
Aims
Une part importante de l’activité de recherche à
SONDRA comprend aujourd’hui l’optimisation
des antennes et des traitements associés, en vue de
la conception de nouveaux radars fonctionnant en
basse fréquence : détection au-delà de l’horizon
par radar HF à ondes de surface, détection des
cibles mobiles au sol (radar aéroporté).
An important part of the research activity in
SONDRA addresses the optimization of antennas and
the study of the corresponding signal processing techniques, both related to low frequency radar applications:
overthe-horizon detection based on HFSWR(1) technology, detection of ground targets (airborne GMTI(3)).
Sujets
Topics
1. Antenne flottante pour radar HFSWR
Remarquable en termes de détection longue
portée et basse altitude, médiocre en termes de
résolution, le radar à onde de surface est l’objet ici
de travaux concernant le déploiement de son
réseau d’antennes sur des bouées, ce qui
permettrait d’accroitre sa résolution en azimut.
Aux problèmes de modélisation (couplage avec la
mer, mouvements d’antenne) se rajoute un
problème de calibration de l’antenne, continument affectée de déformations (déformations
(1)
spatio-temporelles).
2. Etude et traitement en vue de la
détection des pollutions marines
Offrant une couverture (détection) large et
permanente, et malgré sa résolution médiocre,
le radar à onde de surface peut être une alternative
à l’utilisation de satellites (télédétection) pour
l’analyse de la surface de la mer (détection de la
pollution..). Les travaux en cours concernent à
la fois la modélisation de la diffusion cohérente
et l’optimisation de formes d’onde large bande,
indispensable pour améliorer la résolution du
radar.
3. Grande antenne conforme, pour ballon
stratosphérique
Dans la perspective de futurs systèmes de surveillance, alternatives aux systèmes satellitaires ou
de type AWACS(4), on s’intéresse ici à l’optimisation d’une grande antenne basse fréquence conformée à la surface d’un ballon stratosphérique.
L’optimisation de l’antenne élémentaire, ainsi que
l’architecture du réseau (incluant les aspects
alimentation et commande d’antennes) sont
traitées.
Marc LESTURGIE
Régis GUINVARC’H
SONDRA
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 18 03 / 18 11
[email protected]
4. Travaux dans le domaine du STAP(2)
Indissociable des aspects liés à l’optimisation et
à la modélisation des antennes pour les radars
aéroportés modernes, les travaux en STAP
(coopération LSS) comprennent les aspects
algorithmie, évaluation en environnement réaliste,
ainsi que des configurations d’antennes nouvelles
(bistatisme, antenne conforme).
62
1. Sea floating antenna for HFSWR(1)
Efficient in terms of long range and low altitude
coverage, although poor in terms of resolution, a
new concept of surface waves radar is studied, based
on sea floating array of antennas. The concept allows
for a better azimuth resolution. Two main problems
are on study: first, modelling of the antenna (including
its interaction with the sea surface); second, the
array calibration must be achieved, with consideration
of the space-time deformations of the array.
2. Study and signal processing for the
detection of the maritime pollution
In spite of its poor resolution, the wide and permanent
radar coverage provided by a HF surface wave
radar should make this sensor useful for surveillance
of maritime pollution, beside remote sensing / spaceborne solutions. Research includes both the modelling
of the sea scattering mechanisms and the optimisation
of a new radar waveform able to improve the resolution.
3. Wide conformal antenna for high altitude
airship (HAA)
Future ground surveillance systems, from the air,
might include new platforms, like high altitude airship
as an alternative solution to AWACS(4) or space-borne
systems. SONDRA is performing the study of a wide
conformal array of antennas operating in the low
frequency band, carried by a HAA. Optimization of
the antenna element, power supply and remote control
of each element are some of the challenging aspects
currently on study.
4. Research in STAP(2)
Antenna design must be achieved with consideration of
the signal processing handled by the radar. STAP is one
of the major signal processing components which must
be designed accurately. Research covers algorithms
aspects, evaluation of techniques in a realistic environment and study of new configuration: bistatic,
conformal antenna.
High Frequency Surface Wave Radar
(1)
Space Time Adaptive Processing
Ground Moving Target Indicator
(4)
Airborne Warning And Control System
(2)
(3)
Antennes et traitements pour les radars futurs / Antennas and signal processing for the next generation of radars
Un modèle simple de correction
pour les radars HF à onde de surface
sur des bouées
A simple pattern correction approach
for HF Surface Wave Radar on buoys
Abstract
Par Anthony Bourges, Régis Guinvarc’h,
Bernard Uguen et Raphaël Gillard
The concept of floating antenna array is to replace conventional coastal receive unit by a sea floating array, constituted of a set of
receivers on buoys. Waves and wind introduce movements of buoys in the array which generate disturbances in the radiation pattern.
A method of compensation of these movements is presented.
Introduction au Radar HF sur bouées
Méthodes de compensations
Les Radars basse fréquence à onde de surface HFSWR (High Frequency
Surface Wave Radar) permettent de détecter des bateaux sur de longues distances, au delà de l’horizon. Ils travaillent typiquement entre 3 et 30MHz, utilisant de grandes longueurs d’ondes (>10m). Ainsi leur déploiement est difficile
et n’est possible que dans un environnement adapté avec de larges espaces. De
plus, ils doivent être installés près de la surface de la mer où les ondes de sur-
Seulement les déformations causées par les mouvements longitudinaux et
verticaux sont étudiées. Leurs corrections sont réalisées en cascade : on
s’intéresse d’abord aux mouvements verticaux. Dans [1], la méthode proposée
permet de corriger l’effet de la houle sur le diagramme de rayonnement.
Haupt [2] présente une synthèse de réseau apériodique qui a même diagramme
de rayonnement qu’un réseau périodique linéaire. Dans le cadre des antennes
faces sont idéalement émises et reçues. Ce type de radar à onde de surface dit «
classique » est représenté sur la figure 1.
flottantes, c’est le problème inverse. A partir des données de mouvement des
bouées, de nouveaux poids sont calculés pour chaque antenne. La compensation peut être réalisée en forçant les poids de chaque antenne pour faire
apparaitre les zéros du diagramme de rayonnement d’un réseau non déformé
dans le diagramme de rayonnement du réseau déformé. Cette méthode permet
d’abaisser globalement le niveau des lobes secondaires. La Figure 3 représente
les résultats après une compensation en cascade. Le niveau des lobes
secondaires est globalement inférieur à -30dB excepté pour égal à - /2 et
/2 : le couplage entre les différents dipôles dans le réseau ainsi que les
déformations importantes générées par le mouvement de la mer sont deux
explications de ce phénomène. Des algorithmes type génétiques ou PSO
peuvent être envisagés pour lisser ces remontées de lobes.
Ainsi, malgré d’importantes déformations du réseau en /20, des diagrammes
de rayonnement de réseaux apériodiques avec des niveaux de lobes secondaires
inférieurs à -30 dB peuvent être obtenus en temps réel, en calculant des poids
Figure 1 : Radar HF déployé le long d’une côte
Le concept de réseaux d’antennes flottants consiste à placer le réseau de réception d’un radar à onde de surface classique sur des bouées en mer. S’il résout le
problème de place et d’émission, ce type de radar pose un gros problème :
chaque centre de phase des bouées se déplace avec un mouvement différent,
causé par les vagues et le vent. Les trois mouvements linéaires caractéristiques
sont définis sur la figure 2. Dans la littérature, des méthodes de compensation
de réseau d’antennes apériodiques existent, ce sont des méthodes itératives qui
demandent beaucoup de temps de calcul pour arriver à une solution correcte.
Ces algorithmes ne peuvent s’appliquer à notre cas. En effet, sur la surface de
la mer, le mouvement est permanent et en trois dimensions. La correction doit
donc être réalisée en temps réel.
adaptés aux déplacements des antennes dans le réseau. Les perspectives à court
terme sont de trouver des méthodes qui réalisent des compensations dans le
déplacement transverse.
Figure 3 : Diagrammes de rayonnement avec déplacements
longitudinaux et verticaux, avec et sans corrections
.....................................................................................................................................
[1] A. Bourges, R. Guinvarc’h, B. Uguen, R. Gillard, “Swell Compensation for
High Frequency antenna array on buoys”, IEEE APS, July 2006, Albuquerque.
[2] R. L. Haupt, “Unit Circle Representation of Aperiodic Arrays”, IEEE
Figure 2 : Description du mouvement des bouées
Transaction on Antennas and Propagation, vol 43, n°10, oct 1995.
63
3.8
Radar à
synthèse
d’ouverture
Synthetic
aperture radar
Objectifs
Aims
La télédétection radar est un moyen prometteur
pour gérer les ressources de notre planète. Les systèmes radar, spatiaux et aéroportés, présentent en
effet l’avantage de fonctionner par tout temps.
Cependant, contrairement aux images optiques, il
est difficile d’interpréter directement une image
radar. Les enjeux de la télédétection radar en
foresterie sont doubles. D’un point de vue
écologique, il s’agit de gérer le volume de bois de
nos forêts, surveiller les coupes sauvages ou les
départs de feux sur de vastes zones et planifier les
reforestations des zones endommagées. D’un
point de vue militaire, il s’agit de détecter tout ce
qui est caché : un sous-marin, un tank dans une
forêt, une mine. Cependant, ces outils sont loin
d’être opérationnels et la modélisation radar est
nécessaire.
Remote sensing is a promising way to manage earth
resources. Air—or space— borne radar systems enable
permanent observations, whatever the weather is.
However, these radar images are quite difficult to
interpret. The stakes are twofold for forestry. First,
these are ecological: it is essential to be able to manage
the volume of wood (the biomass), to check illegal
cuts or fires over large forested areas, and to plan
reafforestation. Concerning military purposes, it is
necessary to detect what is hidden: a submarine, an
armoured car inside a forest or a buried mine.
However, we are far now from operational tools and
radar modelling is required to improve our knowledge.
Sujets
Topics
1. Modéliser la diffusion par des forêts
COSMO (COherent Scattering Model) est un
code qui permet de simuler les champs électromagnétiques reçus par le radar, pour toutes les
polarisations et de la bande P (~400 MHz) à la
bande L (~1.2 GHz). Ce modèle repose sur
plusieurs approximations visant à obtenir des simulations plus rapides qu’avec un code exact. Il a fait
l’objet de nombreuses validations avec des données radar réelles.
1. Forest scattering modelling
A forest scattering model has been developed, called
COSMO (COherent Scattering Model). This model
simulates the polarized electromagnetic fields, scattered
by a forested area from P-band (about 400 MHz) to
L-band (about 1.2 GHz). This approximate tool
enables fast calculations and gives scattered fields, which
have been successfully compared with real radar data.
2. Détection de cibles
Des études polarimétriques et interférométriques ont montré que ce code peut
simuler le cas des cibles cachées. La connaissance
de la contribution des différents diffuseurs et
mécanismes a notamment permis de définir un
filtre interféro-polarimétrique pour isoler la
réponse de la cible. Il est également possible de
s’appuyer sur la forme des cibles recherchées.
Un outil imageur (SDSAR) a ainsi été développé,
adapté à l’imagerie des cibles génériquement
représentées par un ensemble de plaques
métalliques.
SONDRA
Campus de Gif
Laetitia THIRION
Tél. : +33 [0]1 69 85 18 12
3. Extension bistatique
L’émetteur et le récepteur sont ici délocalisés et la
réponse de la forêt peut être calculée pour n’importe quelle configuration géométrique d’incidence et de diffusion. On peut ainsi caractériser le
diagramme de rayonnement d’une forêt et sélectionner la configuration la plus appropriée suivant
les applications. Cependant, il n’existe pas de données permettant de valider nos résultats et un travail de validation croisée est mené avec l’ONERA,
notamment en polarimétrie.
Walid TABBARA
Tél. : +33 [0]1 69 85 18 04
64
2. Target detection
Simulated images of the polarimetric intensity and the
interferometric phase have assessed the ability of
COSMO to treat the case of a hidden target.
Mechanisms and scatterers contributions study allowed
for example to design an adapted polinsar filter in order
to isolate these hidden targets. We could also use the
particular shape of the targets of interest. An imaging
tool called SDSAR has been developed, which enables to
detect a target inside a forest, assuming it can be seen
as a set of metallic plates.
3. Bistatic extension
Now, the emitter and the receiver are no more co-localized and it is possible to image the forest scattering for
any incidence and scattering angles. It is then possible to
characterize the radiation pattern of a forested area
and then, to select the appropriate radar configuration
corresponding to each application. However, these simulations have first to be validated and at this time,
there is no real data available on forested area.
Consequently, a close work is carried out with
ONERA, in order to jointly assess our bistatic tools.
Radars à synthèse d’ouverture / Synthetic aperture radar
Par Rémi Durand, Laetitia Thirion
Détection de cibles manufacturées
Guillaume Ginolhac
au moyen d’un détecteur SAR à sous espace
Philippe Forster
Man made target detection with a subspace detector SAR
Abstract
Ce papier présente un nouveau processeur SAR basé sur un détecteur à sous espace et destiné à la détection de cibles manufacturées.
Ce nouvel algorithme ne suppose plus une réponse isotrope de la cible observée – comme c’est le cas des processeurs SAR usuels – mais
il repose sur l’hypothèse que l’objet recherché a une réponse directive, ce qui correspond plus au cas d’une cible manufacturée.
L’implémentation de ce détecteur SAR à sous espace (SDAR) est décrite et nous présentons des cas simples de détection sous couvert
forestier, avec un SDSAR utilisant un modèle de diffusion adapté à la cible recherchée.
Introduction
The quantity is an unknown complex attenuation coefficient. If the set
spanned by
when
, belongs to a subspace <H> of
dimension D, we can rewrite the detection problem as:
UHF-VHF SAR systems (from 50 MHz to 1 GHz) transmit signals, which can
penetrate the canopy. This property makes possible the detection of a target
hidden under the foliage. Most techniques used for Man Made Target (MMT)
detection are post-processing treatments on SAR images (e.g.: polarimetry) but
very few focus on a pre-processing treatment, operating directly on the received
signal. SAR images can be formed with algorithms, which are generally based
on the isotropic point model [1]. This model assumes that any target can be
seen as a single or a set of isotropic points. This assumption is true if the ele-
Where H is an orthonormal basis (MxD) associated to the subspace model
<H>, and is the unknown corresponding (Dx1) coordinate vector of the
signal
.
The evaluation of the GLR, TSD gives the intensity of the pixel I(x,y):
ment to image can be considered as a random volume. A MMT is more accurately described by a set of simple elements, which have specific scattering
properties. In this case, the isotropic point model is no longer matched to the
target.
A SAR processor using a model suited to the constitutive elements of the MMT
would certainly be able to improve detection. By considering a MMT as a set
of canonical elements (for example as a set of plates), we propose to develop a
new SAR imaging algorithm, using these canonical elements as a model. When
the set of signals scattered by the chosen model - whatever its configuration
(orientation) - belongs to a low dimensional subspace, we can develop an imaging algorithm based on a subspace detector. Each represented pixel of the final
image is based on an evaluation of an appropriate Generalized Likelihood Ratio
(GLR) [2]. This algorithm has the advantage of taking the scattering properties
of the target into account while using a low number of filters.
Application of the SDSAR to a plate embedded in
a forest
In this part we consider a 2 m x 3 m plate with orientations
and
,
and placed in a forest of trunks. The SAR response of the forest is obtained with
a SAR simulator based on the software COSMO [3]. Each trunk is 11 m high
and has a radius of 20 cm. The ratio between the plate signal and the forest
signal is -4 dB. In this case, the magnitudes of the picks representing the plate
and the trunks by the classical algorithm have the same level. In figure 3, we
compare the images obtained using a classical algorithm and a SDSAR algorithm. The SDSAR significantly increases the plate response, while keeping the
trunks responses at a low level.
SAR Processor Based on a Subspace Detector
For each position (x,y) to image, we consider two hypotheses H0 and H1. H0
refers to the case where the received signal, z, is a white Gaussian noise n,
. H1 corresponds to the case where the received signal is the signal
scattered by the chosen model, with an unknown configuration, plus n. From
now on, we consider that the different configurations of the chosen model correspond to its various possible orientations
. The angles
are
defined in figure 1.
Figure 2 : a: image obtained with a classical algorithm
b: image obtained with the SDSAR algorithm
.....................................................................................................................................
Figure 1: Definition of the orientations
and
in the case of a plate
[1] M. Soumekh, Synthetic Aperture Radar Signal Processing. JohnWiley & Sons, inc, 1999.
The detection problem is written as follows:
[2] L.L. Scharf, Statistical Signal Processing: Detection,Estimation and Time Series
Analysis. Addison-Wesley Publishing Co., 1990.
[3] L. Thirion, E. Colin, and C. Dahon, “Capabilities of a forest coherent scattering
model applied to radiometry, interferometry, and polarimetry at P- and L- band”, IEEE
TGRS, vol.44, N4, pp. 849-862, April 2006.
65
4
4.1
Modelling and analysis
of the signal
• Random point processes: time intervals
statistics and coincidence
68
4.2
Statistical information
processing
• Characterizing the extreme values
of a system
70
4.3
Singular sampling
and signal processing
• Recursive estimation of AR processes
with scarce data Kalman–RLS)
72
4.4
Inverse problems
• Inversion of infrared astrophysical data
74
4.5
Multimodal information
processing
• Multimodal signal processing: experiments
on a video-surveillance platform
76
4.6
Signals, image and sound:
compression and analysis
• Hyperspectral images coding
with independent component analysis
78
66
4
Signaux
et Statistiques
4.1
Modélisation et analyse
du signal
• Processus ponctuels : statistique
d’intervalles de temps et coïncidence
68
4.2
Traitement statistique
de l’information
• Caractérisation des valeurs extrêmes
dans les systèmes
70
4.3
Signaux et échantillonnage
singuliers
• Estimation récursive de signaux AR
à données lacunaires (MCR–Kalman)
72
4.4
Problèmes inverses
• Inversion de données
astrophysiques infrarouges
74
4.5
Traitement multimodal
de l’information
• Traitements multimodaux
sur plateforme expérimentale
de vidéo-surveillance
76
4.6
Signaux, image et son :
compression et analyse
• Codage d’images hyperspectrales par
analyse en composantes indépendantes
78
67
4.1
Modélisation
et analyse
du signal
Modelling
and analysis
of the signal
4 Signaux et Statistiques
Objectifs
Aims
L’équipe « modélisation et analyse du signal »
mène des travaux dans le domaine de la modélisation statistique et déterministe d’un signal. Ses
principaux axes de recherche sont la prédiction des
processus, le développement de méthodes tempsfréquence pour des signaux à phase polynomiale,
l'étude de processus ponctuels en relation avec la
détection de signaux optiques à propriétés non
classiques, et l’étude d’algorithmes spatiotemporels. Les outils développés dans l’équipe
sont utiles notamment pour le traitement des
signaux radar ou sonar, les communications
mobiles, la séparation de sources, le codage et la
transmission de signaux.
The interests of the “Signal modelling and analysis”
group are the statistical and deterministic modelling of
a signal. The main fields of research are namely: prediction of random processes; methods based on time frequency analysis for polynomial phase signals; study of
random point processes related with the detection of
optical signals having nonclassical properties; and study
of spatio-temporal algorithms. The tools developed by
our group have proved useful, for processing signals in
the area of radar, sonar, sources separation, and mobile
communications. In addition, they may be used for the
coding and transmission of signals.
Sujets
Topics
1. Prédiction d’un processus aléatoire
fortement dépendant
Les processus à longue dépendance apparaissent
dans de nombreux domaines comme l'hydrologie,
1. Prediction of a strongly dependent
process
Long range dependent processes occur quite frequently
in fields as diverse as hydrology, economic, and traffic
l'économie ou le télé-trafic informatique. Nous
étudions la prédiction de ces processus sur les
plans pratiques et théoriques en proposant des
représentations d’états adaptées et en quantifiant
l’effet de la troncature du passé sur la précision du
networks. We study the prediction of such processes in
practice and theoretically. More precisely, we propose
state space representations and we quantify the effect of
truncating the past of the process on the preciseness of
the predictor.
prédicteur.
2. Méthodes temps-fréquence et
séparation de signaux parcimonieux
La parcimonie des signaux est en mesure de lever
plusieurs limitations dans le problème de la séparation aveugle de sources. En particulier cette
approche semble capable de traiter les cas sous et
sur-déterminés et constitue un a priori faible sur
les signaux. Nous la mettons en pratique pour un
mélange de signaux à phase polynomiale et dans
des représentations temps-fréquence.
3. Processus ponctuels et propriétés non
classiques de champs optiques
On étudie le processus ponctuel de détection d'un
champ optique de faible puissance. On établit de
nouveaux critères pour caractériser les propriétés non classiques de ce champ. Plusieurs
simulations numériques sont réalisées pour
illustrer les résultats obtenus.
Pascal BONDON
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 31
4. Traitement spatio-temporel en Radar
De nouveaux algorithmes spatio-temporels en
radar aéroporté sont étudiés de manière à
diminuer la complexité calculatoire et à prendre
en compte le cas bistatique (l'émetteur et le
récepteur sont séparés) où les échos de fouillis
ont une répartition en Doppler différente du
cas monostatique.
68
2. Time-frequency representations and
sparse component analysis
Signals' sparsity seems to overcome some limitations
in the blind source separation problem. In particular,
this method seems to be able to deals with the overand under-determined case and is a weak a priori on
the signals. We use this method with a mixture of
polynomial phase signals and with time-frequency
representation.
3. Random point processes and non
classical photon statistics
Various random point processes occuring in the
detection of light of weak power are studied. Based
on the second order moments of the photon statistics,
new criteria are introduced for characterizing nonclassical properties. Computer simulations of several
examples highlight the theoretical results.
4. Spatio-temporal processing in Radar
The spatio-temporal algorithms developed for monostatic airborne radar are revisited in order to reduce
their computational complexity and to take into
account the bistatic case where the transmitter and
the receiver are spatially separated.
Modélisation et analyse du signal / Modelling and analysis of the signal
Processus ponctuels : statistique d’intervalles
de temps et coïncidence
Random point processes: time intervals statistics
and coincidence
Abstract
Par Chérif Bendjaballah
Various random point processes occuring in the detection of light of weak power are studied. Statistics of the number of points and of
the time between these points are analysed. Based on the second order moments of these statistics, new criteria such as the time coincidence function, are introduced for characterizing nonclassical properties of photon statistics. Computer simulations of two examples
highlight the theoretical results.
Processus ponctuels
indépendantes et identiquement distribuées (i.i.d) de d.d.p
et vi , suite de v.a i.i.d indépendantes de ui, t.q. vi =1 avec la probabilité p
et vi =0 avec la probabilité 1-p.
Une extension intéressante consiste à substituer à la v.a. ui, la v.a. ziµ (où zi est
une v.a. équipartie dans [0,1[, et µ une constante fixée 0 ≤ µ ≤ 1).
On montre alors que pour certaines valeurs de p et µ, la fonction de
coïncidence
,, est une fonction croissante, constituant ainsi une des
propriétés d’un champ optique non classique [3].
En communication optique à faible puissance, le processus de détection se
présente comme une suite aléatoire d'instants apparaissant dans un intervalle
de temps fini
étant en général un instant arbitraire différent de ).
Cet ensemble de points, appelé processus ponctuel (PP), est entièrement
caractérisé par les propriétés statistiques de la densité
.
Lorsque
est une constante dans
, le PP est stationnaire de Poisson.
Ce n’est plus le cas par exemple, si
est une constante dans
, ou si la
densité est une variable aléatoire (v.a) rendant le PP de type Poisson composé.
Afin d'analyser le processus, on peut considérer la v.a,
, nombre
, et en déduire la densité de probabilité
d'événements mesurés dans
(d.d.p) des comptages:
.
On peut également étudier la v.a, intervalle de temps entre instants du PP,
, et en déduire la d.d.p des intervalles de temps (successifs ou non) :
.
Pour les deux méthodes, peut être choisi comme un instant arbitraire ou
un .
Les relations entre p(N=n, ˆ0,T)et w(ti=t,ˆ0,T), déjà connues, doivent
néanmoins être reconsidérées afin de tenir compte du caractère non
stationnaire du PP.
(2) Processus d’Erlang d’ordre 2 :
On calcule aisément les expressions des lois
et
, et
de la fonction de coïncidence
qui est toujours ≤ 0.
On vérifie alors que
diffère nettement de la fonction de covariance
, laquelle est toujours ≤ 0.
Pour la simulation numérique, on génère d’abord un PP ui, défini par la
d.d.p. f(t), à partir duquel on construit vi, le processus obtenu par effacement
d’un point sur deux de ui.
On peut réaliser dès lors plusieurs expériences d’optique statistique et l’on
constate, par exemple, que les moments réduits du second ordre, comme fonctions de la valeur moyenne de la densité, manifestent un comportement
opposé suivant le caractère classique ou non du champ optique [4].
On note aussi que si l’intégrale dans le temps de la densité est finie, les résultats
admis dans la littérature pour un PP de Poisson pur ne sont plus exacts car les
intervalles de temps successifs ne sont plus des v.a. indépendantes [1],[2].
Les résultats obtenus sont illustrés par des expériences de simulation.
Ci-dessous, on en rappelle très brièvement certains.
Pour ce modèle, une interprétation quantique en termes d’opérateur densité
dans la représentation nombre, a été récemment proposée et la théorie
élaborée démontre plusieurs propriétés non classiques: la fonction de Wigner,
distribution de quasi-probabilité, calculée dans l’espace des phases, présente des
régions à partie négative [5].
Intervalles de temps et fonction de coïncidence
A partir de la v.a. nombre, on introduit la fonction de coïncidence qui s’écrit
pour
où les
sont les v.a accroissements :
.
On démontre, par ailleurs, que
où
est la
d.d.p de l’intervalle de temps d’ordre
.
On insiste sur le fait que
, bien que n’étant pas une fonction de covariance
malgré sa forme, se révèle comme un critère du second ordre efficace pour
caractériser tout champ optique classique ou non.
On applique la théorie à deux modèles dont la simulation sur ordinateur est
très simple.
.....................................................................................................................................
[1] C. Bendjaballah, “Correlation of time intervals for random point processes ”,
Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics, vol. 7, pp. 215-223, 2005.
[2] B. Picinbono, C. Bendjaballah, “Poisson Processes with Integrable Density”,
IEEE Transactions on Information Theory, soumis pour publication.
[3] B. Picinbono, C. Bendjaballah, “Characterization of nonclassical optical fields
by photodetection statistics”, Physical Review A, vol. 71, pp. 013812-013824, 2005.
(1) Processus à événements corrélés :
Le processus considéré est du type récursif
,
, dans lequel les représentent la suite des intervalles
de temps successifs à étudier.
La simulation numérique s’effectue à partir d’un PP ui, suite de v.a
[4] C. Bendjaballah, “Nonclassical second-order photon statistics”, Journal of
Physics B: At. Mol. Optics, vol. 39, pp. 783-803, 2006.
[5] C. Bendjaballah, “Nonclassical photon statistics”, Physical Review A, vol. 73,
pp. 053816-053823, 2006.
69
4.2
Traitement
statistique de
l’information
Statistical
information
processing
Objectifs
Aims
Les volumes des mesures au sens large (capteurs,
dispositifs de traitement…) sont actuellement en
forte croissance. Le contexte général de l’augmentation de la qualité des produits, de la
réduction des coûts de fabrication, du respect
de normes environnementales et de pollution,
ne fait qu’accentuer ce phénomène.
L’alliance de modélisations, dédiées à un objectif
de mesure, de méthodes d’estimation, dans un
cadre non-linéaire non-gaussien dynamique et
de critères de validation, en terme de
robustesse, permet de construire des systèmes
de mesure indirecte performants. La mise en
œuvre de cette démarche, à l’occasion de
nombreuses applications, a permis de valider
son caractère générique. Le choix entre la
modélisation du problème direct, suivi d’une
inversion, ou la modélisation explicite du
problème inverse reste ouvert et dépend des
dimensions du système comme de l’information
disponible.
Obtaining large amounts of information on physical
quantities from uncertain observed values is a very
basic requirement in industry as well as research.
Owing to increased production quality levels, lower
manufacturing costs and tighter environmental controls, today this requirement is all the more important.
For this reason, several powerful indirect measurement
systems have been designed using a modeling
approach that is dedicated to a specific measurement
and combined with non-linear, non-Gaussian dynamic
estimation methods. Validation criteria, instead, provide
the measurement process with robustness indexes
ensuring estimation quality. This method has been
widely used in a number of applications and proved
generic. Choosing between modeling the direct problem
and its inverse, or directly modeling the inverse relationship between observations and measurement is still
an open question mainly related to system dimensions
and prior information.
Sujets
Topics
1. Estimation de grandeurs physiques
Approche probabiliste de mesures indirectes dans
1. Physical quantities measurement
Probabilistic approach for indirect measurement within
un contexte dynamique continu. Applications
émanant de la thermophysique, de la biologie, du
génie électrique et de la finance. Estimation du
gradient de la hauteur des nappes phréatiques à
partir de méthodes à noyaux reproduisants.
a continuous dynamic context. Applications from
thermophysics, biology, electrical engineering and
economics. Estimation of water table gradient values
thanks to kernel-based regularized regression.
2. Choix de modèles optimaux de
signaux ou de systèmes physiques.
Mesure rapide de SAR par modélisation optimale.
Sujets 1 à 3/ Topics 1 to 3:
Gilles FLEURY
Département de Traitement du Signal
et Systèmes Electroniques
Campus de Gif
Tél. :+33 [0]1 69 85 14 25
Sujets 4 / Topics 4:
Laurent LE BRUSQUET
et Systèmes Electroniques
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 23
Choix de l’ordre d’un modèle en présence de
données lacunaires par la divergence symétrique
de Kullback. Modélisation des comportements
extrêmes d’un système pour une conception
robuste. Optimisation des performances des
moteurs à combustion.
3. Propagation d’incertitudes
Propagation d’incertitudes dans un cadre nonlinéaire et dynamique. Quantification de la convergence d’une estimation de la ddp a posteriori
par des méthodes MCMC.
Généralisation de l’équation de Fokker-Planck
pour les processus diffusifs par morceaux.
Résolution d’EDS à sauts pour la commande
d’une éolienne, de MEMS.
4. Approche guidée par la connaissance
de données expérimentales
Optimisation de la réduction de la dimension de la
base d’apprentissage dans un cadre non-linéaire.
Planification d’expériences menée dans un
contexte de maximisation de la robustesse.
70
2. Optimal modeling of signals or physical
systems
Rapid SAR parametric measurement.
Model order selection criterion for incomplete data
based on Kullback’s symmetric divergence.
Extreme value modeling for robust system design.
Modeling and optimization of combustion engine
performances.
3. Statistical characterization
Statistical characterization for a non-linear dynamic
indirect measurement. MCMC posterior density
approximation for measurement and convergence
diagnostics. Generalized Fokker-Planck equation for
Piecewise-Diffusion processes. Solving SDE with
boundary hitting resets for wind-turbine and MEMS
control application.
4. Data-driven approach for indirect
measurement
Optimal reduction of the training set dimension in a
non-linear context.
Optimum designs obtained and computed via robustness
maximization.
Traitement statistique de l’information / Statistical information processing
Caractérisation des valeurs extrêmes
dans les systèmes
Characterizing the extreme values of a system
Abstract
Par Miguel Piera Martinez
Emmanuel Vazquez
Gilles Fleury
Eric Walter
Extreme events are defined as extremely high (or low) values obtained when statistically analyzing the output of a given system. These
values play an important role because they may correspond to abnormal or dangerous operating conditions. Our task here is to model
the occurrence of such extreme events with the aim of fine-tuning design parameters until they are acceptable. Standard statistical
inference is focused on describing central behaviour rather than extreme events and, therefore, is not suited to the task. This explains
our motivation for choosing the extreme-value theory (or EVT)—a branch of statistics that appeared in the late 50's and is primarily used for adaptation to an engineering context. Modelling of extreme values often requires a lot of system evaluations, which in
general are very expensive. Thus, it is desirable to model extreme events properly with a minimum of system evaluations.
Contexte
La complexité d'un système, le caractère aléatoire des perturbations externes
ainsi que la dispersion des paramètres de conception autour de leur valeur
nominale sont autant de raisons qui amènent à remettre en cause les approches
déterministes (qui supposent une connaissance parfaite du système et de son
environnement). La nécessité de concevoir des systèmes robustes nous conduit
à élaborer des modèles statistiques qui permettent de gérer les incertitudes, et
en particulier l'apparition de valeurs extrêmes. Une valeur extrême est une
valeur qui apparaît avec une faible probabilité, ce qui rend son étude particulièrement difficile. Lorsque de tels modèles statistiques ont été mis en
place, il devient possible de concevoir des systèmes plus robustes vis-à-vis des
dispersions, des perturbations, etc. La modélisation des valeurs extrêmes et la
protection d'un système vis-à-vis de ces évènements revêt alors un intérêt par-
Figure 1 : Comportement extrapolé de la queue de loi
de la sortie d’un système
ticulier, puisque ces valeurs extrêmes peuvent correspondre à des violations du
cahier des charges, voire à des destructions du système.
Modélisation des valeurs extrêmes
Les méthodes statistiques classiques fournissent en général des modèles
appropriés pour décrire le comportement central, ou typique, d’une
grandeur d’intérêt. Lorsqu’on s’intéresse aux valeurs extrêmes, une autre
approche devient indispensable. D’après le théorème central limite, la
moyenne de N copies normalisées d’une variable aléatoire X converge vers
une loi normale (sous certaines conditions) lorsque N tend vers l’infini.
Fisher et Tippet démontrent que le maximum de N copies indépendantes
d’une variable aléatoire converge vers une loi max-stable, qui a une
paramétrisation unique dans le cas scalaire. On a plus précisément le résultat
suivant :
Figure 2 : Identification d’un ensemble contenant
une grande masse statistique
Aide à la conception
L’idée à laquelle nous nous attachons est de trouver des méthodes pour concevoir des systèmes, dont les valeurs extrêmes prises par des variables critiques
restent acceptables. L’idée est de choisir un jeu de paramètres qui rend les
valeurs extrêmes acceptables, par exemple en minimisant le pire cas (approche
minimax) ou en minimisant la probabilité de défaillance.
où
. GEV correspond à la fonction de répartition
Generalized Extreme Value.
Probabilité de défaillance d’un système
La probabilité de défaillance d’un système est en général liée aux valeurs
extrêmes qui font sortir le système de son comportement typique. En utilisant
la théorie des valeurs extrêmes, il est possible d’estimer la probabilité de
défaillance à partir d’un petit nombre de simulations ou d’expériences.
Cette probabilité peut se déduire de l’extrapolation de la queue de loi de la
sortie du système (Fig. 1).
.....................................................................................................................................
[1] M. Piera Martínez, E. Vazquez, E. Walter, G. Fleury, R. Kielbasa, “Estimation
of extreme values with application to uncertain systems”, SYSID 2006.
[2] S.G. Coles, “An Introduction to Statistical Modeling of Extreme Values”,
Springer, 2001.
Nous avons développé une méthode originale pour traiter le cas des sorties à
valeurs vectorielles. Cette méthode combine la théorie des valeurs extrêmes et
une méthode de classification à noyaux reproduisants et donne des résultats
satisfaisants (Fig. 2 et [3]).
Ces travaux de recherche sont soutenus par la fondation EADS
[3] M. Piera Martínez, E. Vazquez, E. Walter, G. Fleury, “Application de la classification à vecteurs de support pour l’estimation de quantiles multidimensionnels
extrêmes”, Journées de Statistique 2006.
71
4.3
Signaux et
échantillonnage
singuliers
Singular
sampling
and signal
processing
Objectifs
Aims
Disposer périodiquement des échantillons d’un
signal n’est ni toujours possible, ni toujours
utile. Par exemple, certains échantillons peuvent
être perdus par suite d’erreurs de transmission,
certaines mesures sont intrinsèquement asynchrones (c’est le cas de leur transmission sur
certains types de réseaux – à accès aléatoire ou à
commutation de paquets, par exemple –, des
mesures Doppler, des mesures par comptage de
particules ou encore de la vélocimétrie laser). De
plus, acquérir ou émettre un échantillon quand il
n’est pas porteur d’information est inutile : on
utilise alors en pure perte de l’énergie électrique
(systèmes à alimentation sur piles, par exemple).
Dans le contexte général de l’utilisation optimale
des ressources de transmission des données, sont
étudiées en conséquence des solutions fondées
sur ce type d’échantillonnage, qui aboutissent à
des procédés de compression de données. Le
traitement d’antennes lacunaires est un axe de
développement des méthodes d’analyse des
Periodic sampling is not always feasible, nor is it useful.
For instance, some samples may be lost due to transmission errors, or some observation processes may be
intrinsically asynchronous. This is the case with certain
transmissions over a given network, such as multiaccess or packet switching networks, or other types of
measurements (e.g. Doppler, particles counting, and
laser velocimetry). Moreover, a sample that does not
carry any information does not need to be acquired or
even transmitted. This may happen, for instance, when
the signal is totally predictable, even if this value is
missing. In this case, electric power or transfer
throughput may be utilized. In this context of an optimal use of data transmission resources, several methods
based on this new sampling concept have been developed. As a result, the proposed processes show natural
compression properties. Lacunar antenna analysis has
also been developed recently within the framework of
non-uniform sampling signals (NUSS).
signaux à échantillonnage non uniforme (SENU).
Gilles FLEURY
et Systèmes Électroniques
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 25
Sujets
Topics
1. Méthodes générales de traitement
Génération de signaux CAR échantillonnés par
des processus quelconques. Filtres numériques
optimisés pour les SENU. Filtrage récursif de type
IIR pour les SENU. Reconstruction temps-réel de
signaux 2D à échantillons manquants.
1. General processing methods
Discrete time point CAR signal simulation for different
kinds of time sampling processes. Digital filter design
dedicated to NUSS signals. IIR recursive filtering of
NUSS signals. Real-time reconstruction of 2D signals
with missing observations.
2. Estimation spectrale et antennes
Analyse spectrale non paramétrique par un estimateur consistant (IRINCORREL).
Analyse spectrale paramétrique (fondée sur un
modèle CARMA et sur le concept de pseudo-corrélogramme). Analyse spectrale par une approche
projectionniste qui généralise la classique Slotting
technique.
Méthodes à haute résolution : estimation conjointe angle/retard pour l'estimation de canal
de télécommunication, estimation conjointe
vitesse/polarisation pour la séparation d'onde
sismique. Construction et analyse DOA pour les
antennes lacunaires.
Estimation récursive de paramètres ARMA pour
les signaux à échantillons manquants.
2. Spectral analysis and antennas
A new, non-parametric, consistent spectral estimator
called IRINCORREL.
Parametric spectral analysis (based on CARMA
modeling and a new pseudo-correlogram concept).
Projection-based spectral analysis which generalizes
3. Compression de données
Codeur de parole de type ADPCM à transmission
non uniforme. Compression d’images, avec ou
sans pertes, par échantillonnage adaptatif (à comparer à la norme JPEG ou JPEG-LS).
Minimisation de l’erreur de quantification tout
en effectuant une compression des données
(compromis entre le rapport signal sur bruit de
l’image décompressée et le taux de compression).
72
well-known Slotting techniques.
High-resolution methods: joint angle/delay estimation
for telecommunication channel identification, and
joint velocity/polarization estimation for seismic
wave separation. Optimum design and DOA analyses
for lacunar antennas.
Real-time ARMA identification in the case of missing
observations.
3. Signal compression
ADPCM-like speech coder based on non-uniform
transmission.
Image compression, with or without loss, based on
adaptive sampling (to be compared with JPEG or
JPEG-LS standards).
Improved trade-off between quantification error and
compression rate thanks to adaptive sampling.
Signaux et échantillonnage singuliers / Singular sampling and signal processing
Estimation récursive de signaux AR
à données lacunaires (MCR–Kalman)
Recursive estimation of AR processes
with scarce data Kalman–RLS)
Abstract
Par Rawad Zgheib
Élisabeth Lahalle
Gilles Fleury
Signals with scarce data may be found in various situations. Observations may be missed occasionally, due to temporary failure of the
measurement equipment, or deliberately on account of data compression requirements. For this reason, a new recursive algorithm for
both identification and optimal reconstruction of non-stationary AR processes with missing data was introduced. This algorithm,
which is based on an RLS-like algorithm, utilizes a Kalman filter for the prediction of the signal sample. It offers an unbiased estimation of the AR parameters and an optimal reconstruction error in terms of least mean square. Moreover, due to reduction of the
computational complexity, this algorithm may be used in real-time applications.
Le filtre de Kalman proposé est fondé sur les équations d’état et d’observation
suivantes :
Introduction
Dans de nombreuses applications, dans le domaine des télécommunications ou
en automatique par exemple, un traitement en ligne voire en temps réel s’avère
nécessaire. Différents travaux [1, 2, 3] concernant cette classe de traitements
pour l’identification et/ou la reconstruction de signaux AR à données manquantes ont été menés. L’algorithme de type LMS proposé en [2] permet
effectivement un traitement en temps réel mais conduit à une estimation
biaisée des paramètres AR. L’algorithme proposé en [3] est une adaptation d’un
algorithme hors ligne de type EM, il souffre d’une grande complexité
où
Résultats
Les performances de l’algorithme proposé présentées (Fig. 1) mettent en évidence un gain en terme de biais par rapport au RLS pseudo-linéaire [1] et un
gain à la fois en terme de biais et de vitesse de convergence par rapport au LMS
adapté au cas de signaux à échantillons manquants [2]. Enfin, la complexité de
l’algorithme proposé ici est plus faible que celle de l’algorithme décrit en [3].
calculatoire. Par contre, il fournit une estimation non biaisée des paramètres
AR. Nous proposons un algorithme récursif permettant une estimation non
biaisée des paramètres AR pour une complexité calculatoire réduite.
Méthode proposée
Cette méthode est fondée sur la famille des moindres carrés récursifs pseudolinéaires [1] qui généralise l’algorithme RLS au cas des signaux à échantillons
manquants.
Notons un processus AR d’ordre L de paramètres a dont les observations
sont lacunaires et
le signal reconstruit défini comme suit :
Où
représente la prédiction de l’échantillon
.
L’algorithme des moindres carrés récursifs pseudo-linéaires se résume comme
suit :
Figure 1 : Estimation du paramètre d’un AR(2) non stationnaire
.....................................................................................................................................
[1] R. Sanchis and P. Albertos, “Recursive identification under scarce measurements- convergence analysis”, Automatica, 38, pp. 535-544, 2002.
où f représente le prédicteur utilisé et un facteur d’oubli.
Le prédicteur
, utilisé en [1] et [2] conduit à une estimation biaisée
des paramètres. Des études [4] portant sur un traitement hors ligne ont
montré que l’estimation des paramètres est non biaisée si le prédicteur
vérifie :
. Pour obtenir une estimation non biaisée des
paramètres, nous proposons d’utiliser un filtre de Kalman pour la prédiction
de
, ainsi que pour la reconstruction optimale du signal :
où
.
[2] S. Mirsaidi, G. Fleury and J. Oksman, “LMS like AR modelling in the case of
missing observations,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 45, n°6, 1997.
[3] A. Isaksson, “A recursive EM algorithm subject to missing data,” in SYSID,
vol.2, pp. 679-684, Copenhagen, Denmark, 1994.
[4] R. Wallin and A. Isaksson, “Multiple optima in identification of ARX models
subject to missing data”, EURASIP Journal on Applied Signal Processing, vol.1, pp.
30-37, 2002.
73
4.4
Problèmes
inverses
Inverse
problems
Objectifs
Aims
Les activités du Groupe Problèmes Inverses
concernent essentiellement la restauration et la
reconstruction d'images et de signaux : séparation
de sources, caractérisation spectrale, synthèse de
Fourier, déconvolution, rehaussement de contours ou de points brillants. Les applications
visées sont diverses : contrôle non-destructif,
imagerie médicale, satellitaire, astrophysique,
géophysique, imagerie hyperspectrale. Il s'agit
de problèmes inverses mal posés et les techniques
de régularisation proposées, bayésiennes, permettent d'intégrer des informations ou des
hypothèses sur les objets recherchés afin de
compléter l'information apportée par les données
mesurées et améliorer ainsi la qualité des
estimées [1]. Une partie importante des
développements récents, en cours et à venir
repose sur des méthodes d’échantillonnage stochastique telle que les méthodes de Monte-Carlo
par Chaîne de Markov.
The field of research of Groupe Problèmes Inverses
essentially deals with signal and image restoration /
reconstruction: namely source separation, spectral
characterization, Fourier synthesis, deconvolution,
and edges or peaks enhancement. The main areas of
application are: non-destructive evaluation, as well
as imaging in the field of medicine, satellites, astrophysics, geophysics, hyperspectral imaging.
The encountered problems are basically ill-posed inverse
problems and the proposed approach, based on regularization and Bayesian statistics, accounts for prior
information or hypotheses in order to complete the
information provided by measurements and thus
improve estimates properties [1]. A large part of recent,
current and forthcoming developments rely on stochastic
sampling methods such as Monte-Carlo Markov
Chain.
[1] Approche bayésienne pour les problèmes inverses, Traité
IC2, Série traitement du signal et de l'image, Hermès,
Paris, 2001.
[1] Approche bayésienne pour les problèmes inverses, Traité
IC2, Série traitement du signal et de l'image, Hermès,
Paris, 2001.
Jean-François GIOVANNELLI
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 39
Sujets
Topics
1. Synthèse de Fourier
Dans les problèmes de synthèse de Fourier, les
données mesurées sont des coefficients de
Fourier bruités de l'objet inconnu, observés sur
une grille incomplète (souvent réduite aux basses
fréquences) et qui peut être irrégulière. Nous
intégrons des termes de pénalisation respectant
les contours et les impulsions, des contraintes
de positivité et de support, des modèles mixtes
(séparables et corrélés). Nous dépassons ainsi la
1. Fourier synthesis
In Fourier synthesis problems, the measured data are
the noisy Fourier coefficients of the unknown image,
observed on an incomplete and non-Cartesian grid
(often more dense in low frequencies than in high frequencies). The proposed regularization methods take
into account prior information, such as positivity,
partial support knowledge, and (global, local or
piecewise) smoothness in order to improve reconstructed
images (aerial imaging, magnetic resonance imaging,
résolution des instruments standards (imagerie
satellitaire, résonance magnétique, interférométrie).
interferometry).
2. Séparation de sources pour l'analyse
des images hyper-spectrales
La plupart des méthodes de séparation de
sources reposent sur l'analyse en composantes
principales ou indépendantes qui n'explicitent
pas de modèle de formation des données ni
d'incertitudes (modélisation et mesure). Nous
développons des méthodes d'inférence bayésienne, prenant en compte naturellement ces
modèles et incertitudes ainsi que d'autres information a priori sur les sources et la matrice de
mélange. Celle-ci contient les spectres des
différents matériaux d'une scène observée par
un imageur hyperspectral. Les modèles de
mélange de gaussiennes avec variables cachées
markoviennes utilisés permettent à la fois une
réduction de données, une classification de
spectres et une segmentation de ces images.
3. Imagerie en astrophysique (Voir en face)
74
2. Sources separation for analysing
hyperspectral images
A large number of blind sources separation methods
relies on Principal or Independent Components
Analysis. These methods do not explicitly account for
data modelling, uncertainties and measurement noise.
The developed methods based on the Bayesian approach
naturally accounts for these uncertainties as well as
other prior information available on the unknown
sources and the mixing matrix. The latter represents
the spectra of the different materials in the scene
observed by a hyperspectral imaging system. The
mixture of Gaussians with hidden markovian variables
modeling allow for simultaneous data reduction,
spectra classification and segmentation of images.
3. Astrophysical imaging (See front page)
Problèmes inverses / Inverse problems
Inversion de données astrophysiques
infrarouges
Inversion of infrared astrophysical data
Abstract
Par Thomas Rodet
The MIPS Spitzer photometer is a powerful instrument to image, with unprecedented angular resolution and sensitivity diffuse farIR emission from dust in the Galaxy and nearby galaxies. But maps produced by the Spitzer Science Center pipeline suffer from
instrument artifacts. We believe that artifacts reflect gain changes across the observation unaccounted in the flux estimation. We have
developed an algorithm to improve the maps quality. It estimates jointly the sky image and the detector gain as a function of time.
Good destriping is obtained to the expense of a slight smoothing of the image. We illustrate our data reduction procedure by presenting a 160 micron image of the ECO molecular cloud.
temporelle. Dans l'équation ci-dessus, µ et sont des hyper-paramètres
fixant le compromis entre l'attache aux données et les a priori introduits.
Le couple solution, minimisant le critère joint est obtenu à l’aide d’un
algorithme d’optimisation numérique basé sur la descente du critère dans
Introduction
L'imagerie infrarouge révolutionne pratiquement tous les domaines de l'astrophysique depuis la fin des années soixante-dix. Elle permet d'étudier :
• des corps stellaires froids comme les astéroïdes et les nuages interstellaires ;
• les spectres d'émission et d'absorption de la plupart des molécules ;
• le rayonnement fossile de l'univers dans l’infrarouge qui permet d’étudier la
formation des premiers objets de l'univers.
la direction gradient ou des directions corrigées.
Résultats
Les figures ci-dessous représentent une partie d'un Cirrus observé à la longueur
d'onde 160 µm par le télescope SPITZER. Ces données nous ont été fournies
dans le cadre d'une collaboration avec l'IAS et Steward Observatory in the
University of Arizona. Sur la figure 1, le ciel est reconstruit sans estimer le gain,
Dans ce contexte, le satellite américain d'observation dans l’infrarouge
SPITZER a été lancé le 25 août 2003. Il est composé de trois instruments et
nous nous intéresserons ici au détecteur 160 µm de l'instrument MIPS
ni connaissance a priori. Nous observons des oscillations horizontales dues aux
erreurs de calibration. Sur la figure 2, nous avons pu estimer conjointement le
flux et le gain de chaque détecteur. L’image est donc de bien meilleur qualité au
prix d’un faible faible lissage spatiale.
(Multiband Imaging Photometer).
Le capteur est composé de 20x2 pixels détecteurs indépendants de GeGa (contraint). Chaque détecteur possède son gain propre et qui peut dériver lentement
au cours du temps. Des données de calibration sont acquises à intervalles
réguliers pour mesurer ce gain mais leur précision n'est pas suffisante et on voit
apparaître des oscillations et des trous sur les images brutes (voir figure 1).
Modèle instrument
Le modèle instrument peut se formaliser de la façon suivante. Soient x la carte
du ciel à reconstruire, y le flux incident sur le détecteur, g le gain de chaque
détecteur et b le bruit additif, on a :
Figure 1 : Reconstruction du Cirrus ECO sans régularisation
ni correction de gain
où M est la matrice de vignettage décrivant le balayage du ciel par le télescope
et diag(g) est la matrice diagonale des gains détecteur.
Inversion
L’inversion du modèle nécessite l’estimation conjointe du gain et la carte du
ciel. Sur la seule base des données, l’inversion est ambiguë et nous introduisons
des informations a priori pour lever l’ambiguïté. Nous savons que le gain g est
proche de 1 car les données ont déjà été partiellement corrigées. De plus, il est
raisonnable introduire une contrainte de douceur temporelle sur le gain g. Par
ailleurs, on s’intéresse à des nuages moléculaires qui ont la particularité d’être
relativement basses fréquences, nous avons donc introduit une contrainte de
douceur sur x. Enfin, nous considérons que le bruit est additif gaussien. La solution du problème inverse proposée est définie donc minimiseur du critère suivant :
Figure 2 : Reconstruction du Cirrus ECO en estimant le gain de
chaque pixel détecteur et en introduisant une faible lissage spatial.
.....................................................................................................................................
1] T. Rodet., A. Abergel, H. Dole, A. Coulais : “ Inversion de données infrarouges
issues du télescope SPITZER ”, Actes 20° colloque GRETSI, vol. 1, pp. 133-136, sep.
2005.
[2] A. Coulais, F. Balleux, A. Abergel, J.-F. Giovannelli, J. See, “ Correction par bloc
des transitoires de la caméra infrarouge ISOPHOT C-100 avec un modèle non
où Ds est l'opérateur de dérivée spatiale, et Dt est l'opérateur de dérivée
linéaire dissymétrique ”, Actes 18° colloque GRETSI, Toulouse, sep. 2001.
75
4.5
Traitement
multimodal de
l’information
Multimodal
Information
Processing
Objectifs
Aims
Dans de nombreux domaines de l’ingénieur, les
phénomènes faisant l’objet d’une analyse ou
d’un traitement se manifestent par le biais de
différents supports d’information. Ces différents
supports sont parfois porteurs d’informations
complémentaires et indépendantes auquel cas,
la prise en compte simultanée des différentes
observations est nécessaire à la compréhension
totale du processus générateur. Dans d’autres cas
les différents supports portent des informations
redondantes à des degrés divers et leur étude
globale permet, outre une compréhension complète, d’assurer une plus grande robustesse de
l’analyse. L’extraction de paramètres provenant
de flux dissociés d’informations complémentaires
et/ou redondantes de natures hétérogènes peutêtre vue comme l’utilisation de plusieurs modalités
dans un processus d’analyse, ce qui justifie l’appellation d’analyse multimodale ou de traitement
multimodal de l’information. Tout l’art de
l’ingénieur consiste alors à extraire les informations
In many engineering domains, phenomena to be
analysed or processed are observed through different
information supports. These supports sometimes
carry complementary and independent information.
In this case, taking into account simultaneously the
different observations is necessary for a complete
understanding of the generative process. In other
cases, the different supports carry redundant information at diverse levels and studying them as a
whole allows, besides a complete understanding, a
greater robustness of the analysis. Extracting
parameters from complementary and/or redundant
information flows of heterogeneous natures can be
regarded as using different modalities in the analysis
process which justifies the naming of multimodal
analysis or multimodal information processing.
With regard to this description, the problem we are
dealing with is to extract meaningful information from
these heterogeneous data and to build model able to
reproduce (simulation), classify (detection, pattern
recognition) or control (automation, robotics, human-
pertinentes de ces données hétérogènes pour
créer des modèles capables de reproduire (simulation), classifier (détection, reconnaissance de
formes) ou contrôler (automatique, robotique,
interfaces homme-machine) le comportement
computer interfaces) the behaviour of the systems that
generated the observed information or even to enhance
their quality (filtering, restoring) or to compress them.
des systèmes qui ont généré les informations ou
même d’en améliorer la qualité (filtrage, restauration) ou de les compresser.
Sujets
Topics
1. Identification Biométrique
Détection et reconnaissance de visages.
Reconnaissance de locuteur sur base de signaux
acoustiques.
Identification et vérification de locuteurs par
fusion de données audio-visuelles.
1. Biometric Identification
Face detection and recognition.
Speaker Recognition based on acoustic signal.
Speaker identification and verification using audiovisual data fusion.
2. Perception Située
Vidéosurveillance multimodale sur plate-forme
multi-capteurs.
Olivier PIETQUIN, Hervé FREZZA-BUET
Campus de Metz
Tél. : +33 [0]3 87 76 47 70
Renaud SEGUIER
Campus de Rennes
Tél. : +33 [0]2 99 84 45 35
3. Interfaces Homme-Machine
Reconnaissance vocale sur base de propriétés
articulatoires.
Modélisation probabiliste de l’interaction
homme-machine.
Optimisation de stratégies d’interaction par
apprentissage non-supervisé.
Analyse et synthèse de visages (lecture labiale,
gestuelle, clonage).
4. Contrôleurs multimodaux neuromimétiques
Apprentissage neuronal de représentations multimodales pour le contrôle de systèmes robotiques.
Architectures génériques se spécialisant une fois
insérées dans la boucle sensori-motrice.
76
2. Situated Perception
Multimodal video-surveillance on a multisensor
platform.
3. Human-Computer Interaction
Automatic Speech Recognition based on articulatory
features.
Probabilistic description of human-computer interaction.
Interaction optimization by means of unsu-pervised
learning.
Face analysis and synthesis (lipreading, gestures and
cloning).
4. Multimodal neural controllers
Neural learning of multimodal representations for the
control of robotic systems.
Generic architectures that become self-specialized once
inserted in the sensori-motor loop.
Traitement multimodal de l’information / Multimodal information processing
Traitements multimodaux sur plateforme
expérimentale de vidéo-surveillance
Multimodal signal processing: experiments
on a video-surveillance platform
Abstract
Par Hervé Frezza-Buet
Signal processing and computer science research activities at Supélec address challenging industrial problems. Integrating information from miscellaneous sensors on the one hand, and merging these information flows to endow the system with higher level
computational skills on the other hand, is in the scope of research activities in the Metz Campus. Such a project has to be grounded on real-life experiments, in order to ensure that results are kept suitable for situated industrial processes. We have set up an
operational video surveillance platform, doted with three pan/tilt/zoom devices that can be controlled jointly over TCP/IP through
a dedicated middleware.
Contexte scientifique
Le campus de Metz de Supélec est actif dans les problématiques relatives à la
perception située ; ce thème est transversal à plusieurs travaux de recherches
dans les domaines de l’informatique et du traitement du signal. Ce qu’on
entend par perception située dans ce contexte est un traitement de l’information pour lequel le contexte immédiat est prédominant. En effet, contrairement
à certains systèmes qui traitent l’information de façon différée, l’analysant a posteriori à des fins statistiques par exemple, les systèmes situés ont la contrainte
d’être insérés dans leur environnement. Les systèmes d’alarmes sont de ce type
puisqu’il leur faut réagir en temps réel à l’apparition d’événements. Ces systèmes sont très variés, mais reposent en général sur des principes communs, liés
à l’analyse des caractéristiques spatiales et dynamiques de signaux pour prendre
une décision. Ces signaux sont alors considérés comme des flux d’information
dépendants, la même réalité étant exprimée par chaque capteur sous des
formes différentes. L’analyse multimodale consiste à exploiter cette redondance. Formalisés de cette façon, des problèmes en apparence très éloignés,
comme le monitoring de dialyse et la détection incendie sont très semblables
puisque le premier suppose d’observer l’évolution conjointe de relevés physio-
Figure 1 : Utilisation de trois caméras pour surveiller une portion de
couloir : une plateforme expérimentale de recherche sur les systèmes
multi-modaux situés.
Choix technologiques
La prise en main de la plateforme d’expérimentation se doit d’être aisée pour
les chercheurs, ce qui suppose une architecture logicielle adaptée. De plus, les
performances observées sur cette plateforme doivent refléter principalement la
qualité des algorithmes, ce qui contraint à une architecture où la gestion de la
plateforme doit être suffisamment rapide pour être transparente. Ces contraintes d’ergonomies d’une part et d’efficacité d’autre part nous ont amené à
opter pour la mise en œuvre de librairies C++, permettant d’abstraire la notion
de plateforme distribuées sur TCP/IP et facilitant ainsi la concrétisation d’expériences in situ. Ces librairies permettent de décrire la plateforme comme un
tableau de bord, donnant accès via le réseau à l’état des différents capteurs et à
la commande d’effecteurs.
Les travaux actuels sur le thème de la multi-modalité en informatique [1,2] et
en traitement du signal [3,4] sont en cours de portage sur la plateforme.
logiques (chimie sanguine, rythme cardiaque, métabolisme des glandes
sudoripares, tension artérielle, etc.) alors que le second se base sur des changements de signaux provenant de différents capteurs (changement de signaux
acoustiques et thermiques, changement de la statistique des images provenant
de différents capteurs vidéo en cas de fumées où d’illumination par des
flammes, etc.). Ce que ces problèmes ont en commun est justement qu’ils
requièrent une analyse qui n’a de sens que dans sa dimension temporelle et
multimodale. Dans ce contexte, les recherches scientifiques tirent le plus grand
bénéfice à se confronter d’emblée à un cas situé, plutôt qu’à faire l’objet d’une
mise au point préalable sur problèmes jouets ou sur simulateurs dont le
caractère virtuel est incompatible avec les applications visées. C’est le sens
de la plateforme expérimentale décrite dans cet article.
.....................................................................................................................................
[1] O. Menard and H. Frezza-Buet, “Model of multi-modal cortical processing:
Coherent learning in self-organizing modules”, Neural Networks, Volume 18, Issues
5-6, pp. 646-655, 2005.
Une plateforme multimodale située
D’un point de vue matériel, la plateforme d’expérimentation dont s’est doté le
campus de Metz de Supélec est constituée de trois caméras orientables
pan/tilt/zoom auxquelles sera prochainement adjoint un réseau de microphones. Un couloir du bâtiment est surveillé par ces capteurs (cf. fig. 1). Les
précautions relatives au respect de la vie privée des personnes ont été prises
(zone balisée et contournable, affichage des traitements réalisés visibles en
temps réels par les personnes filmées), si bien que le dispositif est un démonstrateur interactif, voire ludique, à destination du plus large publique comme de
nos partenaires académiques et industriels.
[2] O. Menard and H. Frezza-Buet “Coherent learning in cortical maps: A generic
approach”, In Proc. of the IEEE International Joint Conference on Neural Networks,
2005.
[3] O. Pietquin, T. Dutoit, “A Probabilistic Framework for Dialog Simulation and
Optimal Strategy Learning”, IEEE Transactions on Audio, Speech and Language
Processing, Volume 14, Issue 2, pp. 589-599, 2006.
[4] O. Pietquin, "A Probabilistic Description of Man-Machine Spoken
Communication", in Proc. of the IEEE International Conference on Multimedia and
Expo (ICME 2005), Amsterdam, July 2005.
77
4.6
Signaux,
image et son :
compression
et analyse
Signals, image
and sound:
compression
and analysis
Objectifs
Aims
Les signaux numériques mono et multi dimensionnels portent une information que l’on peut
stocker, transmettre ou analyser. Les deux premières actions nécessitent fréquemment une
opération de compression de données, fondée
sur l’optimisation d’un critère. Celui-ci peut par
exemple correspondre à une qualité visuelle ou
sonore si l’information est multimédia. On
applique alors des modèles de perception humaine.
Plus généralement, il est possible d’adapter le
critère et la méthode de compression à l’application qui exploite les données compressées. Cette
situation est fréquemment rencontrée dans des
domaines tels que l’imagerie médicale, satellitaire
ou l’enregistrement de données sismiques. La
troisième action qui est l’analyse, a pour but
d’élaborer des modèles numériques de systèmes
complexes. Les techniques de séparation de
sources et d’identification de fonctions de transfert
sont alors des moyens d’accéder à de tels modèles.
Les actions précédemment décrites sont donc
Mono and multi-dimensional digital signals carry
information that may be stored, transmitted or analyzed. In order to perform the first two operations, data
compression is often required. It is based on the optimization of a criterion, which consists of a visual or
acoustical quality when the information comes from a
multimedia source. Models of human perception are
then applied. More generally, however, it is possible to
adapt both the criterion and compression methods to the
application that uses the compressed data. Medical or
satellite imaging, or seismic data recording are just a
few examples of fields where this is often the case. The
third operation, namely analysis, aims at building
digital models for complex systems. Source separation
and transfer function identification can be used to
develop such models.
The actions described above may be associated with the
following objectives:
• development of signal compression techniques adapted
for both the kind of information carried and the
intended applications;
associées aux objectifs ci-dessous :
• développer des techniques de compression des
signaux appropriées à la fois à l'information qu'ils
portent et aux applications envisagées ;
• développer des méthodes d’identification de
systèmes fondées sur l’analyse de signaux multidimensionnels.
• development of system identification methods based
on the analysis of multi-dimensional signals.
Sujets
Topics
1. Analyse en Composantes
Indépendantes
Application au codage progressif d'images.
Compression d'images multi et hyper-spectrales.
Application à la séparation de sources.
1. Independent Component Analysis
Application to progressive image coding.
Compression of multcomponent image.
Application to blind source separation.
2. Identification de fonctions de transfert
Identification de systèmes multi-entrées multisorties.
Identification de réponses impulsionnelles
acoustiques (sonorisation de salle).
Application de modèles psycho-acoustiques au
filtrage audio.
3. Traitement de signal multimédia
Vidéo surveillance.
Localisation de sources sonores.
Traitement de la parole.
Segmentation d'objets multimédia (son, images et
vidéo).
Reconstruction panoramique d’images.
Olivier PIETQUIN
Campus de Metz
Tél. : +33 [0]3 87 76 47 70
78
2. Transfer function identification
Identification of multi-input and multi-output systems.
Identification of acoustical impulsion responses (acoustic
room control).
Application of psycho-acoustic models to audio filtering.
3. Multimedia Signal Processing
Video-surveillance.
Sound source localisation.
Speech processing.
Multimedia material content-based segmentation.
Panoramic image reconstruction.
Signaux, image et son : compression et analyse / Signals, image and sound: compression and analysis
Codage d’images hyperspectrales
par analyse en composantes indépendantes
Hyperspectral images coding
with independent component analysis
Abstract
Par Michel Barret,
Jean-Luc Collette,
Jean-Louis Gutzwiller
We study some compression schemes for multicomponent satellite images. These compression schemes use a classical bi-dimensional discrete wavelet transform (DWT) for spatial redundancy reduction, associated with linear transforms that reduce the spectral redundancy in an optimal way, for uniform scalar quantizers. These transforms are returned by Independent Component Analysis (ICA) algorithms which have been modified in order to maximize the compression gain under the assumption of high rate quantization and entropy coding. We compare the performance in high and medium rate coding of the Karhunen Loeve Transform (KLT) with the transforms
returned by the modified ICA algorithms. These last transforms perform better than the KLT in term of compression gain in all cases,
and in some cases the gain becomes significant.
Introduction
(2)
Les quantités de données transmises ou stockées en imagerie satellitale
sont considérables. Nous étudions l’intérêt de l’analyse en composantes
indépendantes (ACI) en codage d’images multi-composantes. Cette étude
fait partie du projet ACI2M (http://acimd.labri.fr/projet03.html) financé
par le Fonds National de la Science et dont l’objectif est de développer des
méthodes de codage, certaines utilisant l’ACI d’autres non, et de comparer
leurs performances entre elles et avec l’état de l’art sur des images multiou hyper-spectrales satellitaires. Pour les méthodes à base d’ACI, deux
approches ont été considérées : l’une entre dans le cadre classique de la
compression quasi sans perte avec un codage séparé des composantes après
où Caci(A) = I(S1 ; S2 ; … ; SN) est l’information mutuelle entre les composantes
du vecteur transformé (contraste classique en ACI) et
(3)
est une sorte de « distance » à l’orthogonalité de A, car Co(A)≥0 et ne s’annule
que si les vecteurs colonnes de A sont orthogonaux.
Nous avons modifié l’algorithme d’ACI [3] développé par D. T. Pham pour
obtenir deux nouveaux algorithmes [1] maximisant le gain de codage
généralisé, l’un (ICA_opt) sans contrainte sur A et l’autre (ICA_ort) en
imposant à la matrice A d’être orthogonale. Ces transformations ont été testées,
transformation, l’autre commence par une analyse de l’image pour y séparer
des objets (fusion et segmentation jointe) qui sont codés séparément. Dans
la première approche l’ACI permet de construire une transformation qui
pour réduire la redondance spectrale, sur des images multi-spectrales fournies
par le CNES et sur des images hyper-spectrales AVIRIS fournies par la NASA
et comparées à la TKL [4]. La redondance spatiale est réduite par une décomposition en ondelettes. Deux schémas ont été étudiés. Dans les deux cas la
décomposition en ondelettes est appliquée d’abord sur chaque composante de
l’image, puis, pour réduire la redondance spectrale, une transformation par
sous-bande est appliquée dans le premier schéma et une seule transformation
pour l’image entière est appliquée dans le deuxième schéma.
maximise le gain de codage généralisé [1] et dans la deuxième approche [2],
qui peut être qualifiée de compression par réduction de données, elle est
utilisée pour réduire le nombre de composantes de l’image à coder. Nous
présentons ci-dessous les résultats obtenus par la première approche.
Transformation optimale et algorithmes d’ACI
modifiés
Les sources d’information naturelles comme la parole ou les images ont, après
échantillonnage, une grande redondance entre échantillons voisins. Cette
redondance n’est pas éliminée par une quantification scalaire et elle augmente
inutilement et significativement le débit nécessaire au stockage ou à la transmission des données. Le codage par transformée a pour but de réduire cette
redondance au moyen d’une transformation avant l’étape de quantification
scalaire. En général la transformation est linéaire et la transformée de
Karhunen Loève (TKL), connue aussi sous le nom d’analyse en composantes
principales (ACP), est souvent présentée dans les cours de codage comme la
transformation optimale (c’est-à-dire celle qui minimise le débit pour une distorsion donnée) quand elle est suivie d’une quantification scalaire. En fait, cette
optimalité de l’ACP n’est prouvée que pour des données gaussiennes et les
images rencontrées dans la nature, sont loin de l’être (cela se voit sur la répartition des coefficients obtenus après une décomposition en ondelettes).
Pour mesurer l’efficacité en codage d’une transformation linéaire A appliquée
à un signal multicomposante X(n), une grandeur significative est le rapport de
la distorsion (erreur quadratique moyenne) obtenue sans transformation (c’està-dire avec l’identité I) sur celle obtenue avec la transformation A pour le
même débit R :
(1)
Le tableau 1 présente les résultats obtenus : le deuxième schéma est moins complexe que le premier et donne quasiment les même performances. Les
transformations retournées par les algorithmes d’ACI modifiés sont significativement plus efficaces que la TKL.
.....................................................................................................................................
[1] M. Narozny, D. T. Pham, M. Barret et I. P. Akam Bita, “Modified ICA algorithms
for finding optimal transforms in transform coding”, Proc. IEEE 4ème Int. Symp. Im.
Sig. Proc. Anal., 111-116, Zagreb, 15-17 sep. 2005.
[2] A. Mohammad-Djafari et N. Bali, “Bayesian segmentation of images – application
to hyperspectral images”, Workshop CNES Geometrical Transforms for Image Processing
– Application to Satellite Image Restoration and Compression, Toulouse, 17 nov. 2005.
[3] D. T. Pham, “Fast algorithms for mutual information based independent component
analysis”, IEEE Trans. Sig. Proc., 52 (10), 2690-2700, jan. 2004.
Ce rapport est le gain de codage généralisé et nous avons montré [1] que sous
l’hypothèse d’une quantification scalaire uniforme à haute résolution suivie
d’un codeur entropique, la matrice A qui maximise le gain de codage
généralisé est celle qui minimise le contraste
[4] I. P. Akam Bita, M. Barret et D. T. Pham, “Compression of multi-component
satellite images using independent component analysis”, Proc. Independent
Component Analysis and Blind Signal Separation: 6ème Int. Conf., ICA 2006,
Charleston, USA, 5-8 mars 2006.
79
5
Telecommunications
5.1
Digital communications
• Dirty Paper Coding (DPC) for MIMO
Broadcast Channels
82
5.2
Signal processing
for communications
• Constant Norm Algorithms for MIMO
communication systems
84
5.3
Wireless communications
systems
• Performances improvements of UWB
systems with Multi User Interference
86
5.4
Software radio
and cognitive radio
• Cognitive Radio applied to Reconfigurable
Equalization
88
5.5
Signal processing
for multimedia
• Digital Watermarking:
a solution for images protection
90
5.6
Digitization systems
• A bank of sigma delta modulators
for wideband conversion
92
80
5
Télécommunications
5.1
Communications
numériques
• Codage avec information adjacente
pour les canaux de diffusion MIMO
82
5.2
Traitement du signal
en communications
• Algorithmes à norme constante
pour les systèmes de communication
MIMO
84
5.3
Systèmes de Radiocommunications
• Amélioration des communications
UWB lors d’interférences
multi-utilisateurs
86
5.4
Radio logicielle
Radio intelligente
• Une application de la radio cognitive :
l’égalisation reconfigurable
88
5.5
Traitement du signal pour le
multimédia
• Tatouage numérique : application à
la protection des images
90
5.6
Systèmes de numérisation
• Banc de modulateurs sigma-delta
pour conversion large-bande
92
81
5.1
Communications
numériques
Digital
Communications
5 Télécommunications
Telecommunications
Objectifs
Aims
Les travaux de recherche dans ce domaine portent
sur les aspects fondamentaux des systèmes de communications numériques multi-utilisateur et/ou
multi-antenne. Un intérêt particulier est accordé
aux systèmes de codage et de décodage avancés
pour les systèmes à antennes multiples MIMO
(Multiple Input Multiple Output), les réseaux de
radiocommunication à fort degré de coopération
entre les nœuds et les techniques de synchronisation pour les réseaux de radiocommunication à fort
degré de mobilité. En amont, nous explorons les
nouveaux outils théoriques d’étude de ces systèmes
fournis par la théorie de l’information pour les
réseaux et les nouvelles techniques de calcul des
performances des systèmes à grandes dimensions.
Research in this field concerns the fundamental aspects
of communication systems with multiple users and / or
with multiple antennas. Of particular interest are the
coding and decoding systems for Multiple Input
Multiple Output (MIMO) systems, the radio networks
with high co-operation between nodes, and synchronization techniques for radio networks with high node
mobility. On more theoretical grounds, we explore the
new tools provided by network information theory and
by the newly introduced techniques for performance
analysis of systems with large dimensions
Sujets
Topics
1. Systèmes MIMO
Recherche de techniques de codage canal des
données adaptées aux systèmes MIMO et
1. MIMO Systems
Research of data coding techniques adapted to MIMO
systems and design of iterative (“turbo”) decoders
conception de décodeurs itératifs (« turbo »)
permettant d’approcher les performances limites
de ces systèmes, études des non linéarités.
capable of approaching closely the limit performance of
these systems. Study of non-linearities.
2. Synchronisation
Performances des algorithmes de synchronisation
en fréquence et d’estimation des canaux pour les
systèmes cellulaires à fort degré de mobilité.
3. Théorie de l’information pour les
réseaux
Régions de capacité et capacité de Shannon pour
certains systèmes de communication cellulaires où,
entre autres, il y a possibilité de coopération entre
émetteurs et/ou récepteurs.
Pascal BIANCHI
Département Télécommunications
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 50
4. Systèmes de grandes dimensions
Performances des systèmes multi-utilisateur à
répartition par les codes CDMA ou MC-CDMA à
grands facteurs d’étalement. Réduction de la
complexité algorithmique des récepteurs
appliqués à ces systèmes. Comportement et
interprétation de la capacité de Shannon des
systèmes MIMO.
5 . Codage de canal
Etudes des codes de Reed-Solomon dans le domaine
fréquentiel.
Samson LASAULCE
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 34
Yves LOUËT
Campus de Rennes
Tél : +33 [0] 2 99 84 45 34
82
2. Synchronisation
Performance of frequency synchronisation and channel
estimation algorithms for cellular communications with
high users mobility.
3. Network Information Theory
Shannon capacity and capacity region for certain
cellular communication systems, in particular
cooperative systems.
4. Large Dimensional Systems
Performance of code division multiple access systems
CDMA and MC-CDMA with large spreading factors.
Reduced complexity receivers for these systems.
Behaviour and interpretation of Shannon capacity of
MIMO systems.
5. Channel Coding
Analysis of Reed-Solomon codes in the frequency
domain.
Communications numériques / Digital communications
Codage avec information adjacente
pour les canaux de diffusion MIMO
Dirty Paper Coding (DPC) for MIMO
Broadcast Channels
Abstract
Par Samson Lasaulce, Pierre Duhamel,
Reza Mohammad-Khani,
Julien Dumont et A. Zaidi
Several recent information-theoretic results have shown the potential of using dirty paper coding for broadcast channels. The principle
of DPC is to use transmit CSI to pre-cancel any kind of additive interference. In the present work we are concerned with the way of
implementing DPC in quasi-static MIMO broadcast channels. The proposed coder structure, based on adapted information-theoretic
precoders and trellis coded quantization, is compared to conventional pre-cancellation structure and also compared in terms of multiple
access scheme.
Une manière d’implanter DPC pour les canaux de
diffusion MIMO [1]
Nous nous plaçons dans le contexte d’une liaison descendante d’un système
radio-mobile où la station de base et les mobiles sont équipés de plusieurs
antennes (systèmes MIMO). De plus l’émetteur connaît parfaitement la
matrice de transfert du canal, ce dernier étant supposé quasi-statique.
Quelle est alors la manière optimale de pré-annuler l’interférence d’accès
œuvre une stratégie d’accès multiple où les utilisateurs émettent en même
temps et sur la même bande de fréquence tout comme en CDMA. Nous avons
voulu comparer les performances de cette stratégie à celles obtenues par du
TDMA. Pour DPC nous avons fait les mêmes choix que ci-dessus et pour faire
une comparaison équitable, les codeurs TDMA ont été implantés par une
modulation codée en treillis. Le problème est alors le suivant. TDMA a
contre lui de devoir augmenter son efficacité spectrale par time-slot pour avoir
multiple ? Notre approche a été d’imiter les structures suggérées par la
théorie de l’information (e.g. codeur externe + codeur interne) pour le
canal de diffusion et, en choisissant une manière pratique d’implanter ces
un même débit utile moyen que le codeur DPC mais TDMA a deux avantages : ne pas créer d’interférence multi-utilisateur et pouvoir augmenter
sa puissance instantanée sur chaque time-slot. Nos évaluations de performance
structures, d’évaluer les performances en termes de taux d’erreurs binaires
(TEB). Pour cela nous avons, entres autres, étendu le pré-codeur (ou
codeur interne) ZF-DPC de [1] au cas des récepteurs multi-antennes et
adapté l’allocation de puissance de manière à maximiser le plus grand
nombre d’utilisateurs satisfaits au lieu de la capacité-somme. De même une
solution MMSE-DPC a été étudiée. Pour réaliser le codeur externe, qui
contient essentiellement une opération de codage correcteur d’erreur et de
actuelles nous ont montré deux choses : 1. TDMA permet très souvent d’avoir
des régions de TEB plus petites que DPC, c’est-à-dire de meilleures
performances contrairement à ce que la théorie dit en termes de région de
capacité. 2. DPC n’est pas aussi sensible aux erreurs d’estimation de canal que
la littérature actuelle laisse supposer sur les régions de taux de codages [2].
Extensions de ce travail (en cours)
Tout d’abord de nouveaux pré-codeurs doivent être élaborés pour intégrer
directement la contrainte d’importance d’un utilisateur (équivalent de la
priorité en couche réseau). Nous sommes aussi en train d’améliorer la
quantification codée en treillis en y incorporant un gain de mise en forme
(permettant de produire des signaux gaussiens) et une structure de turbocodage. Nous allons comparer ce type de codage aux réseaux de points
emboîtés construits sur des codes en blocs linéaires [3]. La comparaison est
pertinente car les stratégies de [3], bien que performantes dans l’absolu, ne
permettent pas d’avoir simultanément un gain de mise en forme et un gain
de codage, ce que devraient permettre les évolutions proposées des stratégies
construites sur un treillis.
quantification liée à la gestion de l’interférence, nous avons opté pour la
quantification vectorielle codée en treillis car cette solution offre un très
bon compromis performance-complexité. Nous avons alors comparé les
performances d’une telle structure de gestion de l’interférence à une structure
de type banc de codeurs correcteur d’erreurs indépendants des flux des
différents utilisateurs suivi par un pré-égaliseur de canal (inversion/pseudoinversion de la matrice de canal). Voici un exemple numérique pour 2 utilisateurs ayant deux débits utiles donnés et des qualités de service (QoS) différentes
dans différents scénarios : t nb. d’antennes du Tx, ri nb. d’antennes des
mobiles et pour deux types d’asymétrie de canal (RSB voisins, RSB très
différents).
.....................................................................................................................................
Figure 1 : Comparison DPC – pré-égaliseur
[1] G.R. Mohammad-Khani, S. Lasaulce and J. Dumont, “About the performance of
practical dirty paper coding schemes in Gaussian MIMO broadcast channels”, to appear
in Proc. of. IEEE Signal Processing Advances in Wireless Communications Conference,
Cannes, July 2006.
On peut voir la valeur du gain (en dB) en terme de puissance d’émission
par la station de base apporté par l’utilisation d’une stratégie DPC par rapport
un pré-égaliseur.
Comparaison des stratégies d’accès multiple
dans le cas SISO
[2] S. Yang and JC. Belfiore, “The impact of channel estimation error on the DPC region
of the two-user Gaussian broadcast channel”, in Proc. of 43rd Allerton Conference,
Monticello, USA (IL), Sep. 2005.
Dans un premier temps nous avons considéré le cas d’un émetteur et des
récepteurs mono-antennes (SISO). L’utilisation de DPC met implicitement en
[3] A. Zaidi and P. Duhamel, “Joint Source-Channel Coding for Lattice
Watermarking”, in Proc. of European Signal Processing Conference, Antalia, Turkey, 2005.
83
5.2
Traitement
du signal en
communications
Signal
Processing for
Communications
Telecommunications
Objectifs
Aims
L’essor des communications modernes, en particulier mobiles, et des nouveaux services qui s’y
rattachent posent un grand nombre de nouveaux
problèmes en traitement du signal. Nos activités
sont à la fois dans la continuité des travaux
traditionnels en TdS pour les communications,
mais montrent également un renouvellement
important : estimation de canal, détection
multi-utilisateurs et localisation de mobiles sont
par exemple toujours des thèmes d’actualité.
Par contre, la puissance de calcul aidant, les
problématiques peuvent se renouveler, en introduisant plus d’a priori dans les estimations, ou
plus de flexibilité (compensation en numérique
des défauts de l’analogique). Enfin, nous nous
efforçons de faire du travail méthodologique
dans des situations réalistes.
The emergence of modern mobile communication
systems and of the associated new services states many
interesting problems for signal processing research. Our
activities are in the continuity of the traditional “SP for
Communications” topics, but are also constantly
renewed: Channel estimation, multi-user detection and
mobile localization are still an active research area.
However, due to the continuous increase in computing
power, some problems can be stated in much more
efficient (and complicated) way, either by introducing
more a priori information in the estimates, or more
flexibility (digital compensation of the analog front end).
Finally, we systematically undertake methodological
work for realistic applications.
Sujets
Topics
1. Egalisation / détection
1. Equalization and multiuser detection:
Frequency-domain channel equalization; equalization
of multi-carrier systems; comparison of single-carrier
frequency-domain equalization with OFDM; joint
equalization and multiuser detection; adaptive algorithms; weighted equalization; iterative (turbo)
processing; impulsive noise blind equalization of
MIMO systems, use of channel estimator statistics in
the reveiver metrics.
multiutilisateurs :
Egalisation dans le domaine fréquentiel ; égalisation des signaux multiporteuses ; comparaison
de l’égalisation dans le domaine fréquentiel à
l’OFDM ; égalisation et détection multiutilisateurs conjointe ; étude des algorithmes
d’adaptation ; égalisation pondérée ; traitements
itératifs ; bruit impulsif, démodulation aveugle de
systèmes MIMO, prise en compte des propriétés
des estimateurs de canal dans les métriques de
réception.
2. Estimation de canal :
Canaux non stationnaires ; estimation de canal et
détection conjointe utilisant un modèle d’évolution du canal (Doppler) ; estimation des canaux
monoporteuse, multiporteuse et à ultra-large
bande (UWB).
Pierre DUHAMEL
L2S
Campus de Gif
Tél: +33 [0]1 69 85 17 16
Sujets 1, 3, 4 / Topics 1, 3, 4:
Jacques PALICOT
Campus de Rennes
Tél. : +33 [0]2 99 84 45 41
Hikmet SARI
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 31
3. Traitement des non linéarités :
Caractérisation et modélisation des amplis de
puissance ; analyse de l’effet mémoire dans les
amplis à bande large ; techniques de prédistorsion ;
techniques de réduction du PAPR (codage,
ajout de signal, …) ; compensation des non
linéarités par égalisation côté récepteur ; réduction
du bruit impulsif en OFDM par application des
BCH réels ; algorithmes d’adaptation ; méthodes
d’amplification équivalente (LINC, REE, …).
4. Techniques de synchronisation :
Synchronisation porteuse pour des signaux très
bruités ; nouvelles techniques de synchronisation
avec un très grand nombre d’échantillons (radio
logicielle) ; synchronisation avec des technologies
5-port.
84
2. Channel estimation:
Estimation of nonstationary channels; joint channel
estimation and symbol detection based on an evolution
model of the channel (Doppler); estimation of singlecarrier, multi-carrier, and Ultra Wide Band channels.
3. Processing of non-linearities:
Characterization and modeling of power amplifiers;
analysis of the memory effect in wideband amplifiers;
predistortion; PAPR reduction (using coding, or other
techniques); compensation of nonlinear distortion
through equalization at the receiver; impulsive noise
reduction in OFDM using complex-BCH codes; adaptation algorithms; equivalent amplification method
(LINC, REE, …).
4. Synchronization:
Carrier synchronization for very noisy signals; new
synchronization techniques with a large number of
samples (software radio); synchronization based on
5-port technology.
Traitement du signal en communications / Signal processing for communications
Algorithmes à norme constante
pour les systèmes de communication MIMO
Constant Norm Algorithms for MIMO
communication systems
Abstract
Par Aissa Ikhlef
Daniel Le Guennec
et Jacques Palicot
A new algorithm for blind source separation (BSS) based on the Constant Norm (CN) criterion for Multiple-Input Multiple-Output
(MIMO) communication systems is proposed. The problem consists in blindly recovering (i.e. without the use of training sequences) the
signals transmitted over a linear MIMO memoryless system, which introduces only Inter-User Interference (IUI). Two other algorithms,
named Constant sQuare Algorithm (CQA) and Constant Dynamic Norm Algorithm (CDNA) are deduced, designed especially for QAM
modulation. At each iteration, the algorithms combine a stochastic gradient update and a Gram-Schmidt orthogonalization procedure.
The simulation results show that the proposed algorithms have better performances compared to the classical CMA (Constant Modulus
Algorithm) and MUK (Multiuser Kurtosis Algorithm), with comparable complexity.
Système MIMO de type V-Blast
stellation QAM sont en moyenne plus proches d’un carré que du cercle
donné par le CMA (Figure 1). L’idée est donc, plutôt que de contraindre les
sorties de l’égaliseur à être sur un cercle comme dans le CMA, de les contraindre à être sur un carré. Le bruit résiduel est alors plus faible.
Pour ceci, nous utilisons la norme infinie donnée par :
où
et
sont respectivement les parties réelle et imaginaire de .
La matrice d’égalisation est mise à jour par un gradient stochastique
suivie d’une orthogonalisation de Gram-Schmidt de
Le signal reçu a la forme générale :
où
est le vecteur des signaux émis (sources
supposées i.i.d.), H représente la matrice de canal (instantané ici) et
est
le vecteur
de bruit (additif blanc gaussien).
Pour récupérer les signaux transmis, le signal reçu est filtré par une matrice
d’égalisation
,
. La sortie de l’égaliseur devient alors :
.
Algorithme MIMO-CDNA
Il combine à la fois les avantages du CMA et du CQA, en utilisant le CMA en
phase de démarrage et ensuite le CQA pour son meilleur régime permanent.
La norme utilisée est une pondération dynamique de la norme infinie et de la
norme 2 :
où le paramètre de pondération est
adapté lui-même par un gradient stochastique.
Résultats de simulation
Les performances sont évaluées en considérant l’interférence interantennes (IUI) :
Algorithme MIMO-CNA
Pour réaliser la séparation, nous proposons un algorithme appelé (MIMOCNA), basé sur un critère à norme constante :
où
est une norme sur
et
.
Figure 2 : Configuration : MIMO 4 x 4, 64-QAM, SNR = 30 dB
Algorithme MIMO-CQA
Le CQA atteint un meilleur état permanent que les algorithmes CMA et
MUK, avec un gain de 3 dB entre le CQA et le CMA. Le CDNA est un
bon compromis entre le CMA et le CQA.
.....................................................................................................................................
[1] A. Ikhlef, D. Le Guennec, J. Palicot. “Constant Norm Algorithms For MIMO
Communication Systems”, 13th European Signal Processing Conference, EUSIPCO, Sept.
2005, Antalya, Turkey.
Figure 1 : Principe du CMA et du CQA
[2] A. Ikhlef, D. Le Guennec, J. Palicot, “A New Algorithm To Blind Separate QAM
Signals In Narrowband MIMO Communication Systems”, The Eighth International
Symposium on Signal Processing and its Applications, ISSPA, Aug. 2005, Sydney, Australia.
De l’algorithme précédent, nous déduisons, un algorithme CQA (Constant
sQuare Algorithm), mieux adapté aux signaux QAM. Les points de la con85
5.3
Systèmes de
Radiocommunications
Wireless
Communications
Systems
Telecommunications
Objectifs
Aims
Les radiocommunications constituent un
domaine qui connait des développements très
spectaculaires depuis bientôt deux décennies.
Les réseaux 3G sont maintenant déployés et les
recherches ciblent les générations ultérieures.
En même temps, les réseaux locaux sans fil se
développent et les systèmes d’accès radio large
bande comme le WiMax font leur apparition.
La recherche dans ce domaine a pour objectif
d’accroitre la capacité des réseaux et d’en améliorer la qualité d’une part et de développer de
nouvelles technologies pour de nouvelles applications d’autre part. Un axe de recherche porte
sur les techniques à ultra large bande (UWB) et
un autre porte sur les réseaux ad-hoc et les
réseaux de capteurs.
Wireless communications have been an area of
spectacular developments over the past two decades.
3G systems are now in the field, and research is
focusing on next-generation systems. In parallel with
these developments in cellular systems, new wireless
local area networks and broadband wireless access
systems such as WiMax have been developed.
Sujets
Topics
1. Techniques d’accès
Techniques d’accès multiple pour systèmes multi-
1. Multiple Access Systems
Multiple access techniques for multicarrier systems:
porteuses : OFDMA, MC-CDMA ou autre ;
étude des voies montante et descendante pour
les réseaux futurs ; étude des techniques d’accès
permettant de surcharger le canal de transmission.
OFDMA, MC-CDMA and other; study of the uplink
and the downlink for future generations of wireless
systems; multiple access with channel overloading.
2. UWB
Etude de différentes formes d’ondes pour réseaux
Hikmet SARI
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 31
Jocelyn FIORINA
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 58
UWB ; étude et modélisation de l’interférence
entre utilisateurs ; optimisation des récepteurs ;
application de la technique UWB à la localisation.
3. Réseaux ad-hoc et réseaux de capteurs
Régions de capacité et capacité de Shannon pour
certains systèmes de communication cellulaires
avec coopération entre émetteurs et/ou récepteurs ;
diversité coopérative ; « MIMO virtuels » ; macro
diversité ; stratégies de précodage résultantes ;
allocation de ressources.
4. Systèmes Multistandards
Architectures de matériel et de logiciel ; radio
flexible/reconfigurable ; convergence des réseaux ;
handover interréseaux.
Pierre DUHAMEL
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 16
Samson LASAULCE
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 34
Sujet 4 / Topic 4:
Christophe MOY
Campus de Rennes
Tél : +33 [0] 2 99 84 45 34
86
Research in this field aims at increasing the network
capacity and quality on the one hand, and at developing
technologies for new applications on the other hand.
A major research topic concerns the ultra wide band
technology (UWB) and its applications. Another
topic concerns ad-hoc and sensor networks.
2. UWB
Study of various waveforms for UWB networks;
study and modelling of multiuser interference;
UWB receiver optimization; application of UWB
systems to localization problems.
3. Ad-Hoc and Sensor Networks
Shannon capacity and capacity region for certain
cellular communication systems, in particular cooperative systems; cooperative diversity; “Virtual
MIMO”; macro-diversity; precoding; scheduling.
4. Multistandard Systems
Hardware and software architectures; flexible/
reconfigurable radio; convergence of networks;
handover between networks.
Systèmes de radiocommunications / Wireless communications systems
Amélioration des communications UWB
lors d’interférences multi-utilisateurs
Performance improvement of UWB
systems with Multi User Interference
Abstract
Par Jocelyn Fiorina
Multi User Interference (MUI) is a critical issue in Time Hopping Ultra Wide Band communication systems (TH-IR-UWB). It is
known that in many cases the Standard Gaussian Approximation (SGA) is not valid; we have worked out the reason of this. In order
to improve the performance in the presence of MUI, we have shown how to optimize the signalling scheme. We have also proposed a
simple adapted receiver which clearly outperforms the classical correlation receiver and may in some cases outperform the SGA which
was considered too optimistic before.
Les systèmes UWB par impulsions radio
Les systèmes de communication UWB (Ultra Wide Band, à bande ultra
large) apparaissent depuis une dizaine d'années comme une solution
prometteuse pour de nouveaux types de réseaux sans fil. Ils représentent
aujourd'hui un domaine de recherche dynamique et l'intérêt qu'ils ont suscité auprès des industriels annonce leur application comme imminente. Ainsi
les groupes de standardisation internationaux et les commissions de régulations aux Etats-Unis et en Europe ont ils déjà prévu leur apparition.
Parmi les différentes solutions d’implémentation de système UWB, nous
nous intéressons à l’UWB par impulsions radio à sauts temporels (UWB-IR)
utilisant des impulsions de largeur inférieure à 1ns. Cette solution a d'abord
été proposée pour les réseaux à haut débit et faible portée, et son application
dans les réseaux à bas débit et capacité de localisation précise semble se concrétiser aujourd'hui (cf. IEEE 802.15.4a).
Figure 1 : Taux d’erreur en fonction du paramètre
Amélioration des performances en développant
un récepteur adapté
Les interférences multi-utilisateurs (MUI)
Nous avons montré comment les MUI peuvent être modélisées par des
Gaussiennes généralisées et non des Gaussiennes classiques. Nous avons alors
développé le récepteur adapté aux interférences modélisées par des distributions Gaussiennes généralisées. Les performances s’en trouvent nettement
Les communications UWB en présence d’interférences multi-utilisateurs
(MUI) constituent un problème particulièrement délicat [1]. Nous nous
sommes donc attachés à améliorer les performances des communications
UWB en présence de MUI.
Dans le cas de communications UWB interférentes non synchronisées, la
SGA (Standard Gaussian Approximation) qui considère les MUI comme
Gaussiennes n’est pas toujours valide. Nous avons mis à jour les conditions de
validité et de non-validité de la SGA par une étude approfondie du théorème
de la limite centrale appliquée à l’UWB [2]. Nous avons ainsi montré que
l’aspect Gaussien des MUI dépend de ce que nous avons nommé l’agent de
gaussianité défini comme étant le rapport du facteur de répétition sur la
longueur de trame.
améliorées (fig. 2) et surpassent même parfois les performances estimées par la
SGA jugée trop optimiste auparavant.
Amélioration des performances en agissant sur
la mise en forme du signal
Figure 2 : Taux d’erreur en fonction du facteur de répétition pour le
récepteur par corrélation et pour le récepteur proposé
En utilisant un simple code à répétition l’aspect Gaussien des interférences
augmente avec l’agent de gaussianité , mais la variance des interférences
croît, elle aussi. Nous avons donc exhibé un compromis dans le choix de
lors de l’utilisation du récepteur classique à corrélation : les performances
sont meilleures lorsque les interférences sont Gaussiennes, mais plus la
variance des interférences augmente plus les performances se dégradent.
Nous avons alors montré comment l‘utilisation d’un code de mélange au
lieu du simple code à répétition permettait de ne plus faire dépendre la variance
des MUI à l’agent de gaussianité , ce qui permet de s’affranchir du compromis sur la valeur de (fig. 1).
.....................................................................................................................................
[1] J. Fiorina "Study on the probability of error in UWB with multiuser interferences," Proceedings of the 7th International Conference on Ultra-Wide Band, Short Pulse
Electromagnetics, EUROEM/UWB-SP 7, Magdeburg, Germany, Juillet 2004.
[2] J. Fiorina et W. Hachem, "On the Asymptotic Distribution of the Correlation
Receiver Output for Time-Hopped UWB Signals", à paraître dans IEEE Transactions
on Signal Processing.
87
5.4
Radio
logicielle /
Radio
intelligente
Software
Radio
and Cognitive
Radio
Telecommunications
Objectifs
Aims
La Radio Logicielle fait référence à un ensemble
de techniques qui permettent la reconfiguration
d’une chaîne de communication sans modifier un
quelconque élément matériel. Cette idée très
simple fait appel à un grand nombre de domaines
d’études et de technologies qui vont des aspects
économiques et de régulation, aux aspects
matériels et microélectroniques en passant par
les problèmes de téléchargement et d’intergiciel,
etc… Parmi tous ces domaines le traitement du
signal est particulièrement important car c’est
grâce aux progrès en TdS que le véritable
concept de Radio Logicielle verra le jour.
Nos études concernent les architectures de plateforme reconfigurables, ainsi que les architectures
du Front End.
Un autre thème de recherche concerne le
concept de Radio Intelligente, avec ses différentes
implications dans l’adaptation des liaisons radio,
de la gestion des réseaux, de la santé…
Les recherches s’intègrent dans le Projet
Software Radio refers basically to an ensemble of
techniques that permit the reconfiguration of a
communication system without the need to change
any hardware system element. This basic idea of
Software Radio involves a large spectrum of areas
going from economical aspects to hardware and
microelectronics problems trough software architecture
and middleware considerations.
Among all these topics, Signal Processing is one of
the most important because SP tools are used by all
the others domains and because all the SP advances
offer the possibility to reach the true Software
Radio concept.
Our activities concern mainly the execution hardware
platform architecture and mainly the real time
reconfiguration on heterogeneous platforms.
Another topic concerns the problems of the Analog
Front End architecture.
The most long term item is, without any doubt, the
“Cognitive Radio” concept. Within this very
attractive concept, we study the architecture of
Fédérateur Supélec : « Radio Intelligente », ainsi
que dans les projets RNRT (IDROMEL,…) et
Européens (Réseau d’excellence NEWCOM,
Projet Intégré E2R).
future smart terminals, the link adaptation, the
connection with the “context aware” concept, and
the relations between cognitive radio and health.
These research activities are integrated in the
SUPELEC Project as wall as French collaborative
IDROMEL Project and European Projects (NoE
NEWCOM and IP E2R).
Jacques PALICOT
Campus de Rennes
Tél. : +33 [0]2 99 84 45 41
Christophe MOY
Campus de Rennes
Tél. : +33 [0]2 99 84 45 33
Armelle WAUTIER
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 63
Pierre DUHAMEL
L2S
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 26
Sujets
Topics
1. Architectures matérielles
Etude des architectures radio pour terminaux
multistandard ; architectures parallèles ; architectures matérielles reconfigurables favorisant
la conception des systèmes mobiles embarqués ;
1. Hardware platform architecture
Study of multistandards, mutibands receivers for
real time mobile handset. Real time reconfiguration
of heterogeneous platforms (DSP FPGA, SOC,…).
Partial reconfiguration of FPGA. Parameterization
architectures matérielles hétérogènes à hautes
performances (DSP, FPGA, SoC, SoPC) ;
reconfiguration dynamique ; reconfiguration
partielle ; techniques de paramétrisation.
Architecture de récepteurs multiservices simultanés.
techniques. Simultaneous multiservices receiver
architecture.
2. Front-end
Analyse de la découpe AFE/DFE. Etude des
front-end large bande dans le récepteur.
Modélisation des non linéarités. Définition de
nouvelles fonctions, suite à la numérisation à
haute fréquence.
3. Radio Intelligente
Terminaux intelligents ; étude des capteurs
matériels ; capteurs IHM ; contexte aware ;
Terminal universel ; auto-adaptation du récepteur ;
reconnaissance autodidacte des standards ;
reconnaissance de la ressource spectrale
disponible ; auto-adaptation du lien physique ;
radio intelligente et santé.
88
2. Front End
Analysis of the sharing between AFE/DFE. Study of
the wide-band Front End. Non-linearity modelisation.
Definition of new functions in the receiver. New
design of Carrier and clock recoveries.
3. Cognitive Radio
Smart Terminal. Study of sensors. IHM sensors.
Context aware. Universal receiver. Blind recognition
of the standard. Blind detection of the available
resources. Link adaptation. Cognitive Radio and
Health.
Radio logicielle et radio intelligente / Software radio and cognitive radio
Une application de la radio cognitive :
l’égalisation reconfigurable
Cognitive Radio applied to Reconfigurable
Equalization
Abstract
Par Armelle Wautier
et Lionel Husson
In mobile radio systems, the time dispersion of propagation channels actually encounters large variations depending on the instantaneous
environmental configurations. Accurate control of equalizer filter lengths or tracking algorithm activation can improve the system's
performance while reducing the handset power consumption. In the present study, optimal and suboptimal criteria for determining the filter
lengths are investigated in order to optimize the overall complexity of the receiver including training phase and decoding phase.
du gradient [1]. Nous avons étudié des critères basés sur l’estimation de la
réponse du canal sans poursuite pendant la phase de décodage [2].
La radio cognitive constitue un champ d’investigation conduisant à la
conception de systèmes radio comprenant des équipements de plus en
plus intelligents. Ceux-ci peuvent, en disposant de connaissances sur les
conditions effectivement rencontrées et au moyen de critères appropriés,
modifier leur configuration pour une meilleure utilisation des ressources.
Nous avons focalisé plus précisément notre étude sur le bloc d'égalisation
pour lequel une multitude de configurations alternatives existent.
L’égalisation reconfigurable permet au récepteur de tirer parti de sa connaissance de l’état du canal de propagation pour reconcevoir et redimensionner à la
volée la structure et les paramètres de l’égaliseur. Cette adaptation permet alors
d’améliorer le compromis entre performance et complexité du terminal.
Figure 2 : Chaîne de transmission
Pour un canal radiomobile à deux trajets de même puissance moyenne espacés
d’une durée symbole et avec un objectif de taux d’erreur de 10-2, en utilisant un
égaliseur à nombre fixe de coefficients fonctionnant convenablement dans
99% des cas, il faudrait 10 coefficients pour le DFE et 19 coefficients pour le
LE pour un rapport signal à bruit moyen de 10 dB (cf. figure 3). Avec un
égaliseur reconfigurable, la longueur moyenne est de 4 pour le DFE et de 9
pour le LE.
Figure 1 : Egaliseur reconfigurable
Egaliseurs à nombre ajustable de coefficients
Pour illustrer nos travaux, nous l’appliquons à une reconfiguration des
égaliseurs linéaires (LE, Linear Equalizer) et non linéaires (DFE, Decision
Feedback Equalizer). La chaîne de transmission considérée est représentée par
la figure 2. La structure des égaliseurs LE et DFE est constituée d’un filtre
adapté au canal équivalent G(f)*, de filtres numériques et d’une détection des
symboles. En pratique, le filtre adapté peut être réalisé numériquement à une
cadence T/2 et sa longueur est égale à la mémoire du canal. Les filtres
numériques théoriquement de longueur infinie sont réalisés par des filtres à
réponse impulsionnelle finie en utilisant un critère d’optimisation MMSE
(Minimum Mean Squared Error) ou encore en utilisant une troncature des
réponses impulsionnelles après calcul basé sur des FFT (Fast Fourier
Transform).
Les égaliseurs conventionnels ont recours à des filtres dont le nombre de
coefficients est déterminé une fois pour toute en considérant un modèle
statistique de la dispersion temporelle du canal et pour une contrainte de
qualité prédéterminée. Nous présentons un algorithme où le nombre de
coefficients est adaptatif en fonction de l’état du canal et du service
conditionné par un taux d’erreur cible. Le nombre de coefficients prend
la valeur minimale permettant (si c’est possible) d’atteindre la qualité cible.
Quand la qualité ne peut être atteinte, l’égaliseur est inactivé. Des travaux
antérieurs ont proposé des algorithmes récursifs dérivés de l’algorithme
Figure 3 : Fonction de répartition du nombre de coefficient de
l’égaliseur pour un taux d’erreur cible de 10-2
Conclusion et perspectives
En plus de la réduction significative de la complexité moyenne du décodage, la
flexibilité d’un égaliseur à nombre de coefficients ajustable permet d’adapter la
structure à la qualité cible souhaitée et au rapport signal à bruit rencontré. Le
gain en complexité global reste substantiel à condition que le critère
d’adaptation ne soit pas pénalisant. Nos recherches portent sur la minimisation
de la complexité des critères d’adaptation.
.....................................................................................................................................
[1] F. Riera, J.M. Noras, D. G. M. Cruickshank, “Linear equalizers with dynamic and
automatic length selection”, Electronic Letters, Vol. 37, N° 25, pp. 1553-1554, Dec. 2001.
[2] I-D Plai, A. Wautier, L. Husson, “Variable-length equalizers for frequency-selective
mobile radio channels”, soumis à GLOBECOM’06.
89
5.5
Traitement
du signal
pour le
multimédia
Signal
processing
for multimedia
Telecommunications
Objectifs
Aims
L’essor des communications modernes et des
nouveaux services qui s’y rattachent introduisent
un grand nombre de problématiques nouvelles
pour les chercheurs en traitement du signal.
En particulier, la mise en place de transmission
numérique de signaux audio-visuels pose de
manière aigue deux problèmes :
- (i) Lors de cette transmission, des erreurs peuvent
intervenir. Si l’on fait l’abstraction de toute contrainte (délai de transmission, réutilisation de
réseaux existants), une optimisation séparée du
codeur de source et du codeur canal est optimale.
Cependant, dans de nombreux cas concrets, une
optimisation conjointe est plus efficace, car la
moindre erreur de transmission engendre un
comportement catastrophique du décodeur
source.
- (ii) dans un système bien conçu au niveau
« transmission » on peut dupliquer et diffuser à
l’infini de tels signaux. Il est alors nécessaire de
contrôler cette diffusion à l’aide d’outils spécifiques,
The expansion of modern communication systems
as well as the emergence of new services states many
interesting problems for signal processing research.
For example, the digital transmission of audiovisual signals states in a very accurate manner two
problems:
-(i) during this process, transmission errors may
occur. If there is no external constraint (such as
transmission delay, re-use of existing networks for
other signals than those initially planned, such
errors should not happen, since a separate optimization of the source encoder and the channel
coder is optimal. However, in numerous cases, and
due to practical constraints, a joint optimization is
more efficient, since transmission errors generate a
catastrophic behaviour of the source decoder.
- (ii) as a result, in a well designed system, one can
duplicate and indefinitely forward such signals.
Thus, it is necessary to control this dissemination
through the use of specific tools such as watermarking.
comme le tatouage (watermarking).
Sujets
Topics
1. Décodage souple de codes à
longueur variable
Décodage au maximum de vraisemblance de
codes à longueur variable (Huffman, UVLC,
arithmétique, avec ou sans contexte, prenant ou
pas en compte la syntaxe du train binaire).
Codes
Maximum likelihood decoding of VLC codes
(Huffman, UVLC, arithmetic, with and without
context, taking into account or not the bit stream
structure.
2. Codage source-canal conjoint
Introduction de propriétés dans les images
avant compression pour (i) corriger les erreurs
de transmission, (ii) éviter de transmettre les
vecteurs mouvement en codage video ; codes à
longueur variable correcteurs d’erreurs, codage
par description multiple.
L2S
Campus de Gif
3. Décodage source-canal conjoint
Décodage itératif entre source et canal, analyse de
la sémantique du train binaire pour en extraire la
redondance.
Sujets 4 et 5 / Topics 4 to 5:
Rémy BOYER
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 58
Claude DELPHA
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 64
Pierre DUHAMEL
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 16
Sujet 1 à 3 / Topics 1 to 3:
Michel KIEFFER
Tél. : +33 [0]1 69 85 17 32
4. Techniques de tatouage des signaux
audio-visuels
Audio, image fixe. Vision théorie de l’information
et théorie des jeux. Formalisation du tatouage
fragile. Obtention des meilleures stratégies
d’attaque et de défense pour des attaques par
désynchronisation, tatouages multiples.
5. Tatouage et sécurité des transactions
Analyse système de situations pratiques : vente
de musique vers les mobiles, vente d’images de
presse à travers Internet, tatouage indécelable
(stéganographie).
90
1. Soft decoding of Variable Length
2. Joint source and channel coding
Introduce specific properties in the images before
compression, in order (i) to correct transmission
errors(ii) to avoid the transmission of motion vectors
in video coding; VLC codes with error correcting
capacity, multiple descriptions.
3. Joint source and channel decoding
Iterative decoding between source and channel
decoders, analysis of the semantics of the bit stream
in order to take redundancy into account.
4. Watermarking algorithms
Audio and still image; links with information and
game theory; fragile watermarking; obtaining the
best strategies for both parties for desynchronization
attacks; multiple watermarks.
5. Watermarking and security
Analysis of practical situations, and proposal for new
systems: selling music towards mobiles, press images
sold through Internet, steganography.
Traitement du signal pour le multimédia / Signal processing for multimedia
Tatouage Numérique :
application à la protection des images
Digital Watermarking:
a solution for images protection
Abstract
Par Claude Delpha, Rémy Boyer,
Maxime Ossonce,
Jean Philippe Boyer,
et Pierre Duhamel
The generalisation of the numerical supports has increased the use and exchange of digital media on the Internet. Due to the numerical copy
quality, solutions for media tracking and authenticity verification are needed. We present here a solution for these problems based on images
digital watermarking. We propose to embed watermarked information in images for two applications: watermarking in a print and scan
context and integrity verification. We summarize here the aim of the watermarking solution, its main properties and suggest a game theory optimisation of the solutions.
Le tatouage numérique
prédictibles et autorisent une détection de la marque dans la signature d’une
image tatouée qui aura été modifiée [1].
Les facilités actuelles offertes par les réseaux de communications ont largement
stimulé l’apparition de nombreuses applications liés à la diffusion médias
numériques (images, son, …). Même si ces applications, constituent une
avancée technologique importante pour des applications dans un cadre
légal, elles ont largement incité le développement de transactions illicites
(la copie et la redistribution illégale de musique, de photo ou de vidéo
sans respect des droits de propriété intellectuelle des œuvres, ou encore la
modification de l’authenticité d’images ou de vidéos, ...).
Les techniques numériques ayant rendu possible les copies multiples de
contenus avec une qualité parfaite ou quasi-parfaite, le traçage de la
redistribution de ces contenus est devenu quasi-impossible sans utilisation
de techniques particulières. Cet état de fait a motivé la recherche de
Figure 2 : Image tatouée et attaquée : Rotation 2° + Recadrage. La marque
est toujours détectable. Elle le serait également après impression et scan à
une autre échelle.
Pour cette étude, une optimisation par la théorie des jeux a été effectuée afin
de connaître la mise en forme à donner au signal de tatouage pour les conditions de robustesse optimale. Cette mise en forme sera effectuée de telle sorte
que le maximum de dégradation que pourra porter un attaquant au test de
méthodes permettant de marquer et d’authentifier des contenus telles que
le tatouage numérique ou Digital Watermarking.
Le tatouage numérique consiste à insérer une information dans un contenu
détection soit minimal [2].
multimédia en respectant trois propriétés principales, l’imperceptibilité, la
robustesse et la capacité, qui doivent être calibrées selon l’application envisagée.
D’une façon plus générale, le tatouage d’un média numérique peut être
étudié comme un problème de communication selon le schéma de
principe suivant :
Tatouage et vérification d’intégrité
Pour cette application, nous nous intéressons à la détection de falsifications
(substitutions) qui modifient le contenu sémantique de l’image. Pour cela on
insert dans l’image original une marque qui comme précédemment soit être
imperceptible mais qui joue ici le rôle de sceau d’intégrité. Dans ce cas, les propriétés de robustesse du tatouage sont double : la marque doit pouvoir résister
à des transformations légales mais être fragile aux falsifications illicites : on parle
ici de tatouage semi fragile. Pour cette étude l’image originale est divisée en
plusieurs régions, et chaque région d’analyse est tatouée avec une clé de
tatouage secrète partagée avec le détecteur. La détection s’effectue sur chaque
région.
Figure 1 : Tatouage Numérique : principe
Nous présentons ici deux cadres applicatifs du tatouage d’images dans un
contexte de détection aveugle ou l’image originale n’est pas disponible à
la détection. Une marque est insérée dans une image hôte en utilisant une
clé de tatouage privée. Cette image marquée peut être transmise à travers
un canal et subir des modifications qui peuvent être licites et illicites.
A partir du signal reçu, le détecteur doit, en utilisant la clé privée, retrouver
l’information de tatouage.
Figure 3 : Image falsifiée et résultat de la vérification d’intégrité
Dans ce contexte de vérification d’intégrité, nous nous sommes également
interrogés sur les stratégies optimales entre tatoueur et falsificateur pour la
substitution d’une portion de l’image [3].
Tatouage et droits de propriétés intellectuelle
Pour cette application, l’information de tatouage doit pouvoir résister par
exemple à la mise à l’échelle, les rotations, et les translations qui ne modifient
que très peu l’image considérée. Nous avons mis au point une méthode de
tatouage invariante aux transformations géométriques permettant ainsi
détecter la marque même dans l’image marquée après avoir été imprimée puis
scannée (éventuellement à une autre échelle).
L’idée est d’insérer la marque dans un domaine invariant par les déformations
par rapport auxquelles la robustesse est requise : la signature subit des
modifications lorsque l’image subit des distorsions mais celles-ci sont
.....................................................................................................................................
[1] M. Ossonce, C. Delpha, P. Duhamel, “Rotation and Scale Insensitive Image
Watermarking”, 2004, 10, ICIP 2004, IEEE.
[2] M. Ossonce, G. Le Guelvouit, C. Delpha, P. Duhamel, “Rotation/Scale insensitive
spread-spectrum watermarking game”, Proc of SPIE, 2006.
[3] J.P. Boyer, P. Duhamel, J. Blanc-Talon, “Game-Theoretic Analysis of A Semi-Fragile
Watermarking Scheme Based on SCS”, 2005, ICIP 2005.
91
5.6
Systèmes de
numérisation
Digitization
systems
Telecommunications
Objectifs
Aims
C’est une évidence de constater tout à la fois la
dissémination et l’évolution des performances
des systèmes numériques mobiles et communicants (téléphones portables, PDA, GPS, etc.).
Augmentation des débits, optimisation des
ressources radio, versatilité et interopérabilité
des matériels mobiles (« radio logicielle »)
nécessitent de résoudre de nombreux problèmes.
L’un d’entre eux est obligatoire : celui du passage
entre le monde radio et le monde numérique.
Changements de fréquence et conversions
analogique-numérique classiques ne permettent
pas :
- de travailler directement sur la porteuse
(en « bande passante ») ;
- d’élever les fréquences de travail ;
- et (surtout) d’élargir les bandes passantes.
Ce dernier point est essentiel. Par exemple, un
système versatile s’adaptant de lui-même à une
station de base nécessite un protocole d’accord
sur la fréquence, donc un choix par logiciel, en
The general domain of mobile communications (cellular phones, PDAs, GPS) is always increasing.
Higher data rates, optimization of the use of RF
resources, versatility and interoperability of mobile
terminals (e.g. “software radio”) need to solve a
number of problems. One of them appears to be crucial: the necessary interface between the radio and
digital worlds. IF stages, classical analog-to-digital
conversion do not enable:
- band-pass A/D conversion (direct carrier ADC);
- higher frequencies;
- wider bandwidths.
The last item is quite important. For instance, self
adapting equipments would require a protocol of
agreement on the central frequency, and therefore a
software-based choice, following the digitization.
Tomorrow’s digitization systems should be enabling
solutions of the above characteristics, for a given
process technology. Defined to be versatile, such systems would lead to low costs of production because of
scaling effects, even though they would be certainly
more complex than conventional ones.
aval de la numérisation. Les « systèmes de
numérisation » du futur devront, dans une technologie donnée, présenter ces caractéristiques. De
tels systèmes, feraient également jouer les
économies d’échelles, même si leur complexité
intrinsèque est plus élevée.
Sujets
Topics
1. Bancs de Filtres Hybrides (BFH)
Les BFH permettent une conversion large-bande,
en bande passante, et on peut dynamiquement
améliorer leur résolution dans une sous-bande.
Ils se synthétisent à partir de filtres analogiques
d’entrée quelconques, mais leur sensibilité aux
imperfections des dispositifs analogiques exige
l’emploi de techniques de compensation spécifiques (sujet 3).
Hybrid Filter Banks (HFB)
HFB allows band-pass and wide band conversion.
Moreover, the resolution may be dynamically
improved in a narrower bandwidth. Some synthesis
methods allow to design HFB from any analog input
filters. But the HFB sensitivity to analog errors
requires specific correction techniques (topic 3).
2. Bancs de modulateurs sigma-delta
A l’origine, la mise en parallèle de modulateurs
sigma-delta dérive du principe des BFH, mais en
particulier, l’information contenue dans le bruit de
quantification est exploitée pour améliorer les
performances.
Philippe BENABES
et Systèmes électroniques
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 19
3. Compensation des défauts de
l’analogique par adaptation du traitement
numérique
Les composants analogiques, indispensables dans
les étages d’entrée, sont sources d’incertitudes
(dérives, imprécision de fabrication…). Des
méthodes numériques spécifiques permettent de
les identifier, puis les corriger.
92
2. Sigma delta modulators banks
This parallel delta-sigma modulators architecture relies
upon frequency band decomposition as HFB do. The
specific delta-sigma modulator quantization noise
contains information that allows improving
performances.
3. Compensation of inaccuracy and drift
in analog part of circuits
Analog components must be present in the front-end,
even if they are subject to a number of uncertainties
due to drifts, inaccuracy of the process… Relevant
digital methods should permit to identify and then
compensate these problems.
Systèmes de numérisation / Digitization systems
Banc de modulateurs sigma-delta
pour conversion large-bande
A bank of sigma delta modulators
for wideband conversion
Abstract
Par Philippe Bénabès et Richard Kielbasa
Wideband analog-to-digital conversion is a key to the development of future radio applications (e.g. cognitive radio, multiband,
multistandard). The requirements are: direct band-pass conversion, very wide band, possibility of software-controlled bandwidth and
resolution. Our solution consists in using a bank of band-pass sigma-delta modulators, each of them being adjusted around a part of
the band of the signal. The front-end can be simplified as the signal is directly sampled in its bandpass. Through the use of some extra
modulators and a simple calibration process, this system allows a 5% mismatch in the analog part without noticeable degradation of
performances.
Principe des bancs de convertisseurs sigma delta
La conversion analogique numérique est un élément clé de l’évolution des
futurs systèmes de télécommunication.
Dans cette perspective, la réalisation d’une fonction de conversion
analogique-numérique des signaux sur porteuse et à très large bande
permettrait d’améliorer les performances des systèmes à la fois sur les plans
qualitatifs et quantitatifs. L’une des voies actuellement explorées passe par la
mise en parallèle de convertisseurs à bande étroite [1]. Parmi les nombreuses
variantes possibles, nous proposons une solution comprenant un banc de
conversion sigma-delta composé de modulateurs analogique-numérique à
temps continu suivis d’un traitement numérique global (Fig. 1).
Figure 2 : Partage de la bande
Correction des imperfections de l’analogique
L’étage numérique [3] a pour fonction d’estimer les bandes de travail de chaque
modulateur et d’adapter le traitement en conséquence. Le premier objectif est
de minimiser la puissance de bruit en sortie, en l’absence de signal d’entrée,
mais il est aussi possible de minimiser les irrégularités de la fonction de
transfert, en appliquant par exemple un signal de calibration, balayant en
fréquence, avec une amplitude constante toute la bande de travail du
modulateur.
Cette phase d’autocalibration ne demande que peu de ressources numériques
par rapport au traitement de reconstruction du signal.
La figure 3 montre qu’une fois calibré, un tel système autorise jusqu’à 5%
Figure 1 : Principe des bancs de convertisseur ∑∆
d’erreur sur les fréquences des filtres des modulateurs sans pertes de
performances notables.
Chaque modulateur effectue un filtrage passe-bande autour de sa fréquence de
travail. Le filtre numérique élimine le bruit de quantification de chaque modulateur tout en assurant une réponse fréquentielle la plus plate possible dans
toute la bande.
Le principe de conversion sigma-delta présente de nombreux avantages, en
particulier une très haute résolution et une bonne aptitude à l’intégration
monolithique car il n’exige que peu de composants de précision.
Sensibilité aux imperfections de l’analogique
Les solutions utilisant des modulateurs à temps continu [2] sont potentiellement plus rapides que leurs homologues à modulateurs échantillonnés.
Malheureusement ces modulateurs à temps continu sont sensibles aux
dispersions technologiques et à la température. Un système utilisant un
seul modulateur sigma delta demanderait une précision meilleure que
0,5% sur les composants des filtres du modulateur, ce qui est quasiment
impossible dans une technologie intégrée.
L’emploi d’un banc de modulateurs permet de s’affranchir de cette contrainte :
- d’une part, en utilisant deux modulateurs supplémentaires traitant les zones
extrêmes de la bande : en cas de dérive des fréquences centrales des modulateurs, on peut garantir le traitement de l’intégralité de la bande (Fig. 2) ;
- d’autre part, en effectuant un réglage discret par commutation d’éléments
placés en parallèle sur des éléments existants ; cette solution est préférable
à un réglage continu du point de vue de la linéarité.
Figure 3 : Résolution en fonction de la dérive relative des fréquences
centrales avant et après calibration
.....................................................................................................................................
[1] A. Eshraghi and T. Fiez, “A comparative analysis of parallel delta-sigma ADC
architectures,” IEEE Trans. Circuit and Syst.I, vol. 51, pp. 450–458, March 2004.
[2] P. Benabes, M. Keramat, R. Kielbasa, “Synthesis and analysis of sigma-delta
modulators employing continuous-time filters,” in Analog Integrated Circuits and
Signal Processing, vol. 23, March 2000, pp. 141–152.
[3] A. Beydoun, P. Benabes, “Bandpass/wideband ADC architecture using parallel
delta sigma modulators”, Accepted for EUSIPCO Conference, 2006.
93
6
Microelectronics
and Photonics
6.1
Architectures of mixedsignal integrated circuits
and microsystems
• Identification of MEMS parameters
using binary observations
96
6.2
Algorithm integration and
electronic systems
• Managing configuration on heterogeneous
Reconfigurable SWR Platforms
98
6.3
Thin film semiconductors
• Silicon heterojunction solar cells
100
6.4
Superconducting thin films
and devices
• High-Tc superconducting thin film
deposition and optimization
102
6.5
Telecommunications
optoelectronic systems
and devices
• Fiber Optic High Bit Rate Transmission
System Evaluation Platform
104
6.6
Photoinduced waveguides
and optical interconnects
• Reconfigurable waveguides
for all-optical routing
106
6.7
Optical materials for laser
beam generation
and processing
• Epitaxial growth of III-Nitride materials
for short-wavelength (200 to 400 nm)
light emitting optoelectronic devices
108
6.8
Dynamics of complex laser
structures and applications
• Polarization dynamics in VCSEL –
optical switching and cryptography
110
94
6
Microélectronique
et Photonique
6.1
Architectures de circuits
mixtes et de micro-systèmes
• Identification de paramètres de MEMS
à partir de données binaires
96
6.2
Intégration d’algorithmes
et systèmes électroniques
• Gestion de Configuration des
Architectures Hétérogènes/
Reconfigurables en Radio Logicielle
98
6.3
Semi-conducteurs
en couches minces
• Cellules photovoltaïques
à hétérojonctions de silicium
100
6.4
Supra-conducteurs :
films minces et dispositifs
• Élaboration et optimisation
de couches minces haute Tc
102
6.5
Etudes de composants
et systèmes optiques
pour les télécommunications
• Plate-forme d’évaluation pour systèmes 104
à transmissions optiques à très haut débit
6.6
Guides photo-inscrits et
interconnexions optiques
• Guides d’onde reconfigurables
pour routage tout optique
106
6.7
Matériaux optiques pour la
génération et le traitement
de faisceau laser
• Epitaxie par MOVPE de matériaux
nitrures III-N pour les composants
optiques à courte longueur d’onde
(200nm-450nm)
108
6.8
Dynamique de structures
lasers complexes
et applications
• Dynamique de polarisation d’un
VCSEL – commutation optique
et cryptographie
110
95
6.1
Architectures
de circuits
mixtes et de
microsystèmes
Architectures
of mixed-signal
integrated
circuits and
microsystems
6 Microélectronique et Photonique
Objectifs
Aims
La réduction des coûts, stratégie fondamentale de
la compétitivité, se traduit dans le secteur de l’électronique par une pression considérable tant sur les
technologies que sur les systèmes. Dans le même
temps, la mise en œuvre de nouvelles technologies
devient de plus en plus risquée en raison du niveau
d’investissements requis, tandis que la complexification inexorable des systèmes conduit à une
exigence de plus en plus forte sur les méthodes de
conception.
Dès lors, les questions suivantes se posent à
l’industriel : comment tirer le meilleur parti des
technologies ? comment s’ouvrir à de nouvelles
applications ? comment concevoir des produits
toujours plus performants et innovants notamment
sur le plan de la rapidité, de l’encombrement,
de la robustesse vis-à-vis de perturbations, de la
consommation électrique…?
In the field of electronics, reduction of the costs, fundamental strategy of competitiveness, leads to a
considerable pressure on technologies as well as on systems. Moreover, the implementation of new technologies becomes increasingly risky because of the required amount of investments, while the inevitable complexification of systems leads to increasingly strong
requirements on design methods.
Consequently, the following questions arise: how to
take the best advantage from existing technologies?
how to get implicated in new applications? how to
design new, more efficient products, that are innovative with respect to speed, bulk, robustness towards
perturbations, power requirements…?
Sujets
Topics
1. Numérisation de signaux rapides
Conception d’architectures de CAN ∑∆ passe
bande, rapides, à filtres continus, pour des
applications radio-fréquences en téléphonie,
radar ou instrumentation. Recherche de solu-
1. Analog to Digital Conversion of HF
signals
Design of fast continuous bandpass ∑ ∆ ADCs for
radiofrequency applications (telephony, radar, instrumentation).
Research of solutions involving GmC filters or integrated passive LC or RC filters.
Study of original ADC architectures for software radio
applications (see 5.6 “Digitization systems”).
tions utilisant des filtres GmC, LC intégrés et
RC passifs intégrés.
Études d’architectures originales de numérisation pour la radio logicielle (voir 5.6 « Systèmes
de numérisation »).
2. Conception de microsystèmes
Méthodes d’estimation de paramètres à partir
d’observations binaires : applications aux MEMS
et aux convertisseurs ∑ ∆ .
Nouveau paradigme pour la modélisation et la
simulation de problèmes couplés fortement.
Méthode de simulation déterministe des effets des
dispersions technologiques et d’autres facteurs
aléatoires sur le fonctionnement des MEMS.
Richard KIELBASA
et Systèmes Électroniques
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 03
3. MEMS résonants
Détermination des limites de résolution des
capteurs MEMS résonants reposant sur des
architectures mixtes à relais.
Méthode d’actionnement à la résonance robuste,
insensible aux non-linéarités typiques des MEMS.
4. Conception et réalisation de circuits
intégrés spécifiques
Conception de circuits mixtes en technologie
AsGa ou CMOS.
96
2. Design of microsystems
Parameter estimation methods based on binary
observations: applications to MEMS and to ∑ ∆ converters.
New paradigm for the modelling and simulation of
tightly coupled problems.
Deterministic method for simulating the impact of
fabrication process dispersions and other random factors
on the behaviour of MEMS.
3. Resonant MEMS
Determination of the resolution limits of resonant
MEMS sensors based on mixed-signal relay feedback
architectures.
Robust, non-linearity insensitive method for actuating
resonant MEMS.
4. Design and implementation of specific
integrated circuits
Design of mixed signal integrated circuits in GaAs or
CMOS technology.
Architectures de circuits mixtes et de microsystèmes / Architectures of mixed-signal integrated circuits and microsystems
Identification de paramètres de MEMS
à partir de données binaires
Identification of MEMS parameters
using binary observations
Abstract
Par Jérôme Juillard
In the context of MEMS and integrated electronics, the practical advantage of identification methods based on binary observations is that
the only critical analog component that is required is a one-bit ADC. As a consequence, these methods are very cheap and relatively simple
to implement. The efficiency of these methods is illustrated in the case of the estimation of the parameters of a ∑ ∆ ADC.
Contexte de l’utilisation des méthodes
d’identification à données binaires
Illustration : identification des paramètres d’un
CAN ∑ ∆
Le développement de microsystèmes robustes et performants à l’échelle
industrielle est un problème délicat. Ceci est dû à l’existence de nombreuses
sources d’incertitudes qui rendent la conception des capteurs difficiles. Par
exemple, les systèmes de fabrication ne sont pas toujours bien maîtrisés et
il n’est pas rare d’avoir des dispersions de l’ordre de 20% d’un microsystème à l’autre ; le comportement des microsystèmes est également très
sensible aux conditions de fonctionnement telles que la température, la
pression ; enfin les propriétés physiques (par ex., le coefficient de Poisson
du silicium) et les erreurs de modèle du capteur mécanique ne sont pas
toujours connues avec précision. Ce manque de connaissance a priori sur
le système complet contribue généralement à la réalisation de capteurs peu
ou pas stables, ayant une plus faible résolution que celle attendue. Il apparaît donc à ce titre indispensable de tenir compte de tous ces phénomènes
dispersifs lors de la phase de conception du capteur.
Un autre domaine d’application des méthodes d’identifications à partir de
données binaires est la conception « robuste » de convertisseurs analogiquenumérique ∑ ∆ , dont la sortie est un signal échantillonné 1-bit. Ce signal peut
se modéliser comme une superposition du signal d’entrée (analogique) et d’un
bruit blanc « mis en forme ». Dans ce cas, la méthode BIMBO permet d’estimer
les valeurs des coefficients des filtres de mise en forme du bruit à partir de la
sortie du modulateur ∑ ∆ , l’entrée étant supposée connue. Une fois ces coefficients connus, il est possible d’adapter le traitement numérique en aval du
modulateur ∑ ∆ pour améliorer la qualité de la conversion. Des résultats
typiques, obtenus lors d’une collaboration avec Texas Instruments, sont
présentés à la figure 2.
Figure 1 : Principe de la méthode BIMBO. À partir des observations
binaires et de la sortie estimée du modèle, on construit un critère de
ressemblance continu et non-linéaire. On tient compte de la conversion
analogique numérique de manière « exacte », au contraire des méthodes
classiques qui l’approximent par un bruit blanc additif.
Figure 2 : Densité spectrale de puissance en sortie d’un modulateur ∑ ∆
passe-bas. La courbe en pointillés épais correspond à la DSP théorique
et la courbe en pointillés fins à la DSP mesurée. En appliquant un signal
constant à l’entrée du modulateur et en utilisant la méthode BIMBO
sur le train de bits résultant, on arrive à estimer des paramètres de filtres
dont la mise en forme de bruit est donnée par la courbe continue.
Dans le cadre de la thèse d’Eric Colinet [1], plusieurs méthodes d’estimation de paramètres ont été développées. Ces méthodes de calibration
reposent toutes sur la mesure du signe de la sortie du système à identifier :
aussi, elles se prêtent particulièrement bien à une intégration dans un contexte de MEMS/NEMS, du fait de leur faible coût et de la simplicité de
leur implémentation. En effet, la mesure du signe de la sortie d’un système
ne requiert que l’implémentation d’un convertisseur analogiquenumérique 1-bit. La contrepartie de cette mesure de faible résolution est un
traitement numérique plus important que pour les méthodes « classiques » [2].
La méthode BIMBO est une des trois principales méthodes d’identification
binaire développées dans ce contexte [3], à l’occasion d’une collaboration avec
le CEA-LETI. Il s’agit d’une méthode « boucle ouverte », adaptée à l’identification hors-ligne des paramètres de systèmes linéaires. Son principe est
représenté à la figure 1.
.....................................................................................................................................
[1] E. Colinet, “Nouvelles architectures et méthodes de conception de microsystèmes sigma-delta et de microsystèmes résonants”, thèse de l’Université Paris XI
Orsay, soutenue le 3 novembre 2005.
[2] E. Walter, L. Pronzato, “Identification de modèles paramétriques à partir de données
expérimentales”, Masson, Paris 1994.
[3] E. Colinet, J. Juillard, “Identification methods based on binary observations”,
soumis à IEEE-TCAS 1, 2006.
97
6.2
Intégration
d’algorithmes
et systèmes
électroniques
Algorithm
integration
and electronic
systems
Objectifs
Aims
L’évolution tout à fait considérable des technologies de l’électronique moderne (circuits intégrés
silicium notamment) permet la réalisation de systèmes électroniques d’une très grande complexité
satisfaisant de multiples critères : grande vitesse
d’exécution, encombrement réduit, faible consommation, coûts acceptables, fiabilité accrue ...
Les problèmes rencontrés au niveau de la conception d’un équipement sont liés :
• à la nécessaire adaptation des différents algorithmes devant être intégrés sur des
architectures novatrices qu’il faut imaginer en
respectant des contraintes hiérarchisées (coût,
rapidité, encombrement, consommation,
robustesse à l’environnement, ...) ;
• au choix optimum des composants les plus
adaptés en fonction des contraintes imposées
(Processeurs, DSP, SOC, ASIC, FPGA).
Considerable advances in modern electronic technology
(in particular, integrated circuits on silicon) have made
it possible to develop complex electronic systems capable
of meeting multiple requirements: high speed of execution, small overall dimensions, low power consumption,
acceptable costs, increased reliability, etc.
Problems encountered with equipment design are mostly related to:
• Need for adapting various algorithms requiring
integration on innovative architectures, which may be
envisaged while maintaining hierarchical constraints
(i.e. cost, speed, obstruction, consumption, robustness
with the environment, etc.);
• Optimum choice of the most suitable components
according to the imposed constraints (Processors, DSP,
SOC, ASIC, FPGA).
Sujets
Topics
1. Opérateurs numériques rapides
Conception et intégration d’opérateurs arithmétiques dans les réels et dans les corps de Galois.
Conception et intégration d’opérateurs pour le
traitement du signal : transformateurs de Fourier
et corrélateurs.
1. Fast numerical operators
Design and integration of arithmetic operators in real
and Galois fields.
Design and integration of operators for digital signal
processing: fast Fourier transformers and fast correla-
2. Plateforme matérielle reconfigurable
Etude de nouvelles architectures matérielles pour
le traitement du signal basées notamment sur
l’utilisation des technologies FPGA reconfigurables partiellement et dynamiquement.
Applications à la « radio logicielle » et à la conception des nouveaux terminaux multi-standards
2. Hardware reconfigurable platform
Design of new Digital Signal Processing architectures
based on the use of FPGA enabling partial and
dynamical hardware reconfiguration.
Applications to “Software Radio” and to designing a
new multimode handset with dynamic reconfigurability.
dynamiquement reconfigurables.
Pierre LERAY
Campus de Rennes
Tél. : +33 [0]2 99 84 45 00
3. Electronique pour les communications numériques
Développement de plateformes hétérogènes adaptées aux communications haut débit.
Étude et conception d’architectures reconfigurables pour les systèmes MIMO.
Étude et conception d’IP paramétrables pour les
communications numériques : codec de de Reed
Solomon, décodeur de Viterbi à décisions
pondérées, turbo codec de codes produits.
4. Conception et réalisation de systèmes
de diffusion multimédia
Algorithmes et architectures pour la compression
du son, des images et des données.
Conception et réalisation d’un système de multiplexage audio-vidéo sur FPGA.
Sujet 4 / Topic 4:
Jacques WEISS
Campus de Rennes
Tél. : +33 [0]2 99 84 45 00
98
tion function.
3. Electronic for Digital Communications
Design of heterogeneous systems dedicated to high data
rate communication.
Design of reconfigurables architectures of MIMO
systems.
Design of parameterizable IP cores for digital communication: Reed-Solomon decoder, Viterbi decoder with
soft decision, turbo encoder-decoder of product codes.
4. Design and development of multimedia streaming systems
Algorithms and architectures for the compression of
sound, images and data.
Design of an audio-video multiplexing system on
FPGA component.
Intégration d’algorithmes et systèmes électroniques / Algorithm integration and electronic systems
Gestion de Configuration des
Architectures Hétérogènes/Reconfigurables
en Radio Logicielle
Managing Configuration on Heterogeneous
Reconfigurable SWR Platforms
Abstract
Par Jean-Philippe Delahaye,
Pierre Leray,
Jacques Palicot
The Software Radio (SWR) systems, which need processing flexibility, are based on reconfigurable computing. A Software Radio system architecture is heterogeneous (GPP/DSP/FPGA) to deal with the wide variety of signal processing of SWR applications (ie multistandards). In this context, a configuration management framework, that handles the application parameters, becomes necessary to
takes advantages of the reconfigurable architecture capabilities. A hierarchical configuration management architecture is proposed
and its implementation on a reconfigurable platform is studied. The configuration management model aims at helping the design
and management of a heterogeneous dynamically reconfigurable hardware architecture for SDR terminals. This study has been based
on a thorough multi-standards functional analysis of a transmitter (i.e. UMTS/FDD Uplink, GSM Uplink, and 802.11g OFDM).
Then, the multi-standard application is implemented on the heterogeneous platform dynamically reconfigurable datapath.
Introduction
Les techniques radio logicielle introduites par Mitola [1] visent à offrir un accès
à un large choix de standards de radiocommunications sur une architecture
matérielle unique. Une étude algorithmique des traitements bande de base
effectués dans les chaînes d’émissions des 3 standards de radiocommunications
dynamiquement reconfigurable. La partie statique comporte un processeur
embarqué de type MicroBlaze ou PowerPC en charge de la gestion de configuration de l’ensemble des accélérateurs matériels implantés sous forme de
module partiellement reconfigurable (PRM) dans le FPGA. La partie statique
inclut les interfaces de communications ainsi que l’interface de configuration
(UMTS, GSM,WLAN 802.11g) a montré une grande diversité des traitements impliquant l’utilisation d’architectures matérielles hétérogènes afin que
l’exécution soit optimisée. Une grande flexibilité de l’architecture du système
(ICAP). La partie dynamiquement reconfigurable accueille les PRMs. De plus,
chaque PRM est localement contrôlé par un gestionnaire de configuration
associé. La figure 1 illustre l’architecture de la plateforme.
radio logicielle est donc nécessaire afin de répondre à la diversité des traitements à exécuter. Cette flexibilité est assurée par l’utilisation d’architectures
reconfigurables.
Approche hiérarchique de gestion de
configuration
La diversité des traitements et l’hétérogénéité de l’architecture induisent une
grande variété de configurations. La gestion de configuration doit être en
même temps adaptée aux capacités de reconfigurabilité des composants électroniques. Nous proposons une approche hiérarchique de la gestion de cette
configuration [2]. Le but est de minimiser les ressources matérielles à
reconfigurer à chaque nouvelle demande de changement de contexte de l’application. L’approche hiérarchique de cette gestion de configuration permet de
gérer efficacement la multi-granularité de configuration et améliore par une
gestion distribuée le contrôle de la reconfiguration partielle de la chaîne de
traitement.
Figure 1 : architecture de la plateforme reconfigurable
Conclusion
Plateforme reconfigurable hétérogène
A travers le modèle de gestion de configuration proposé et son implémentation
sur une plateforme reconfigurable, les compromis entre flexibilité de reconfiguration et complexité sont étudiés.
Le modèle fonctionnel hiérarchique offrant le maximun de flexibilité de
reconfiguration permet de bénéficier de toutes les capacités de reconfigurabilité de l’architecture en fonction des besoins applicatifs.
Le modèle hiérarchique de gestion de configuration est un modèle fonctionnel
indépendant du type de plateforme sur lequel il est implémenté. Ainsi, sur la
plateforme visée, la gestion de configuration est distribuée sur l’ensemble des
ressources du système.
L'architecture de la plateforme se compose d'un GPP qui est en charge des
traitements orientés manipulation de données. Le GPP, sous forme d'une station Host PC, joue le rôle de gestionnaire de configuration globale et assure la
configuration initiale de l'ensemble des ressources matérielles du système, DSP
et FPGA.
Le DSP exécute des fonctions de traitements de type codage canal et est en
charge de la gestion de configuration associée à ces fonctions.
Les travaux menés portent plus particulièrement sur la gestion de configuration
sur FPGA dynamiquement et partiellement reconfigurable. Ainsi l’architecture
du FPGA (Xilinx Virtex -II) se compose d’une partie statique et d’une partie
.....................................................................................................................................
[1] J. Mitola, “The software Radio architecture”, IEEE Comms Mag, vol. 33, no. 5, pp.
26--38, May 1995.
[2] J.P. Delahaye, J. Palicot, P. Leray, “A Hierarchical Modeling Approach in Software
Defined Radio System Design”, SIPS 2005, Athènes, Grèce.
[3] J.P. Delahaye, C. Moy, P. Leray, J. Palicot, “Managing dynamic partial reconfiguration on heterogeneous SDR platforms”, SDR Forum 2005, November, Los Angeles, US.
99
6.3
Semiconducteurs
en couches
minces
Thin film
semiconductors
Jean-Paul KLEIDER ou
Christophe LONGEAUD
LGEP
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 45
[email protected]
Sujet 2 / Topic 2:
Zakaria DJEBBOUR ou
Denis MENCARAGLIA
LGEP
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 44/42
[email protected]
Objectifs
Aims
La recherche dans le domaine des semiconducteurs en couches minces s'est fortement
développée au cours des dernières années. Ces
matériaux possèdent en effet un fort potentiel pour
entrer dans différentes applications industrielles,
du fait de deux critères principaux. Le premier est
la possibilité de déposer certains matériaux par des
procédés dits "basse température" (T < 250°C) sur
de grandes surfaces et sur des substrats bon
marché tels que du verre; ils ont alors une
structure désordonnée, amorphe, polymorphe
ou polycristalline. Ces matériaux sont particulièrement intéressants pour les applications
électroniques nécessitant de grandes surfaces à
des coûts abordables telles que la conversion
photovoltaïque de l'énergie solaire ou la visualisation par écran plat à matrice active. Le deuxième
critère est la parfaite maîtrise de leur croissance
sur des épaisseurs extrêmement faibles, de l'ordre
de quelques couches atomiques, et avec une
excellente qualité électronique, ce qui permet
Over the past few years, increasing attention has
been given to thin film semiconductors. Indeed, these
materials can be utilized in a wide range of industrial applications thanks to two main characteristics.
Firstly, some of them can be produced at low temperatures (T < 250°C) on low-cost and large-area
substrates, such as glass. Having a disordered, amorphous, polymorphous or polycrystalline structure,
these materials are well suited for low-cost, largearea electronic applications, such as solar energy
photovoltaics or flat- screen display, active matrix
addressing.
Secondly, it is possible to control their growth quite
effectively with electronic grade quality over a few
interatomic distances, which ensures development of
advanced electronic equipment based on quantum or
multi-layer heterostructural effects.
Our studies were mainly focused on the use of electrical
characterization techniques and theoretical modelling
specific to thin films, primarily for:
• diagnostics and optimization of materials and devices;
alors la réalisation de dispositifs nouveaux basés sur
des phénomènes quantiques ou sur des propriétés
résultant de la juxtaposition de matériaux différents tels que des effets d'hétérojonctions.
Nos travaux portent sur le développement de
techniques de caractérisation électrique et
d'analyses spécifiques à ce type de semiconducteurs pour :
• contribuer à l'optimisation des matériaux et des
dispositifs ;
• comprendre les phénomènes de transport électroniques liés à leur structure désordonnée, à des
effets d'alliage, ainsi qu'aux très faibles épaisseurs
et aux interfaces.
• understanding of electronic transport properties in
relation to their disordered structure as well as alloying
or hetero-interface effects.
Sujets
Topics
1. Couches minces et hétérojonctions à
bases de silicium ou de germanium
Silicium et alliages silicium-germanium amorphes,
polymorphes, microcristallins, appliqués aux cellules tandem. Cellules solaires basse température
et haut rendement à partir d’hétérojonctions Si
amorphe/Si cristallin.
1. Thin films and heterojunctions based
on silicon and germanium
Amorphous, polymorphous, microcrystalline layers of
silicon and silicon-germanium alloys and their
application to tandem solar cells. Low-temperature,
high efficiency crystalline silicon/amorphous silicon
heterojunction solar cells.
2. Cellules photovoltaïques non silicium
Cellules polycristallines à base de Cu (In, Ga) Se2.
Cellules solaires organiques.
2. Non-silicon solar cells
Cu (In, Ga) Se2 (CIGS) polycrystalline solar cells.
Plastic solar cells.
3. Semiconducteurs à large bande
interdite
Alliages cristallins semi-isolants (BTO, CdTe:V
ZnTe:V) photo-réfractifs pour commutation de
télécommunication optique. Diamant CVD : propriétés électroniques, application à la détection
dans l'ultra-violet.
3. Wide bandgap semiconductors
Photorefractive materials (i.e. BTO, CdTe:V ZnTe:V)
for optical telecom switching. Synthetic CVD diamond:
electronic properties and application to UV and XUV
radiation detectors.
100
Semiconducteurs en couches minces / Thin film semiconductors
Cellules photovoltaïques à
hétérojonctions de silicium
Silicon heterojunction solar cells
Abstract
Par Jean-Paul Kleider et
Alexander Gudovskikh
Heterojunctions between crystalline silicon and deposited hydrogenated silicon thin films are being studied here for the purpose of photovoltaic applications. Indeed, such heterojunctions formed at low temperature can replace the usual front junction and back surface
field that are currently processed at high temperature, thus permitting significant cost reductions in silicon solar cell production. At
the same time, heterojunction effects can help increase open-circuit voltage and solar cell efficiencies. With these devices, interface
quality is essential for reaching high solar cell efficiency. This is why we developed new capacitance measurements for sensitive and
reliable interface characterization.
Conversion photovoltaïque et silicium
qui nécessite une caractérisation très sensible aux défauts d'interface électroniquement actifs.
L'industrie du photovoltaïque est en pleine effervescence : croissance du
secteur de 66% entre 2003 et 2004, production d'énergie photovoltaïque multipliée par 25 au cours des dix dernières années. Si des recherches à long terme
sont développées vers des matériaux nouveaux à faible coût (alliages
Cu(In,Ga)Se2 électrodéposés, semiconducteurs organiques), les recherches à
moyen terme se concentrent sur les cellules photovoltaïques en silicium, qui
sont majoritaires à près de 100% au niveau industriel et qui sont produites
actuellement dans deux filières distinctes :
- une filière "silicium cristallin massif" représentant environ 90% du
marché, où, grâce à l'utilisation de températures élevées, le silicium est
obtenu sous forme cristalline. Dans les cellules, les jonctions en face avant
(de type N/P ou P/N) ou en face arrière (de type N/N+ ou P/P+) sont aussi
réalisées par des procédés haute température (diffusion de dopants). Les
rendements de conversion dans cette filière sont de l'ordre de 14% en production et de 20% en laboratoire.
- une filière "couches minces" représentant environ 10% du marché, mettant
en oeuvre des procédés technologiques "basse température" (typiquement
T<250°C), et permettant le dépôt de silicium à bas coût sur des grandes surfaces et sur des substrats bon marché tels que le verre. Toutefois, le matériau
ainsi obtenu n'est pas cristallisé, mais se présente sous forme hydrogénée
amorphe (a-Si:H), microcristalline (µc-Si:H) ou polymorphe (pm-Si:H,
Figure 1: vue schématique en coupe d'une cellule photovoltaïque à
hétérojonctions de silicium fabriquée à partir de silicium cristallin de
type p (à gauche); cellule carrée de 25 cm2 en cours de caractérisation
électrique (à droite).
A cet effet, nous avons développé la technique de spectroscopie d'admittance
directement sur les cellules. Nous avons montré que la sensibilité des mesures
traditionnellement menées à l'obscurité sous polarisation nulle ou inverse est
limitée à des concentrations de défauts d'interface supérieures à 1012 cm-2 [1,2].
Nous avons ensuite démontré que ce seuil de sensibilité peut être notablement
abaissé si les mesures sont réalisées sous polarisation directe proche de la tension de circuit ouvert et sous rayonnement solaire AM 1.5 [3]. Les travaux
d'optimisation menés depuis 2 ans ont permis une augmentation constante du
rendement de conversion photovoltaïque. Des valeurs supérieures à 16% ont
été récemment obtenues: pour des cellules prototypes de 25 cm2 de ce type,
entièrement fabriquées par un procédé industriel (contacts par sérigraphie),
ceci constitue actuellement la meilleure performance au niveau européen.
matrice amorphe avec des inclusions de nanocristaux), ce qui limite ses
propriétés électroniques. Les rendements de conversion photovoltaïque de
cette filière plafonnent ainsi à des valeurs typiques de l'ordre de 10% dans
les modules à simple jonction, valeurs nettement moins élevées que dans la
filière cristalline, mais à un coût lui aussi nettement moins élevé.
Nos recherches s'inscrivent dans le développement d'une filière nouvelle de
cellules photovoltaïques à hétérojonctions, associant le silicium cristallin
comme matériau actif et cœur de la cellule à des couches minces de silicium
déposées à basse température pour réaliser les jonctions aux deux faces. Ces
recherches, menées en partenariat avec d'autres laboratoires et industriels
français (projet PHARE de l'ANR) et par le biais d'une collaboration francoallemande (projet PROCOPE) doivent permettre à la fois d'abaisser les coûts
de fabrication des cellules et d'augmenter les rendements.
.....................................................................................................................................
[1] A. S. Gudovskikh, J. P. Kleider, E. I. Terukov: "Characterization of a-Si:H/c-Si
Caractérisation par mesure de capacité
interface by admittance spectroscopy", Semiconductors 39 (2005) pages 904 – 909.
La structure en coupe d'une cellule photovoltaïque à hétérojonctions de
silicium est montrée sur la figure 1. La couche de a-Si:H est très mince afin
que les photons pénétrant par le dessus de la cellule soient absorbés
presque exclusivement dans le silicium cristallin. La couche encore plus
mince de silicium polymorphe non dopé (i pm-Si:H) est une couche tampon de passivation de l'interface. En effet, la qualité des interfaces est
déterminante dans les performances de ce type de cellule, et celles-ci
doivent être optimisées afin de limiter la recombinaison des porteurs, ce
[2] A. S. Gudovskikh, J. P. Kleider, J. Damon-Lacoste, P. Roca i Cabarrocas, Y.
Veschetti, J. C. Muller, P. J. Ribeyron, E. Rolland: "Interface properties of a-Si:H/cSi heterojunction solar cells from admittance spectroscopy", Thin Solid Films 511512 (2006) pages 385-389.
[3] A. S. Gudovskikh, J. P. Kleider, R. Stangl: "New approach to capacitance spectroscopy for interface characterization of a-Si:H/c-Si heterojunctions", J. Non-Cryst.
Solids 352 (2006) pages 1213-1216.
101
6.4
Supraconducteurs :
films minces
et dispositifs
Superconducting
thin films
and devices
Annick DÉGARDIN
LGEP
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 53
Sujet 3 / Topic 3:
Aurélie GENSBITTEL
LGEP
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 54
Sujet 4 / Topic 4:
Alain KREISLER
LGEP
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 16 51
Objectifs
Aims
Dès sa découverte, le phénomène de supraconductivité a donné de nombreux espoirs quant à
ses applications potentielles. Mais le chemin
allant des études de base jusqu'à la mise en
œuvre de dispositifs supraconducteurs a été
long et semé d'embûches, comme l'utilisation
d'une cryogénie à l'hélium liquide. La découverte, voici une vingtaine d’années, des supraconducteurs à haute température critique
(SHTC) - qui peuvent être utilisés à la température de l'azote liquide (77 kelvin), a ouvert la
voie à des travaux prometteurs sur les composants et circuits les utilisant.
Dans ce contexte, il convient d'évaluer ce
qu'apporte en termes de performances l'utilisation
des supraconducteurs, tout en gardant présente
à l'esprit la compatibilité de ces matériaux avec
les technologies déjà matures de la microélectronique.
Since its discovery superconductivity has given rise to
a great many hopes as far as applications are concerned. The road leading from basic research to
superconducting device implementation was, however,
quite lengthy and scattered with obstacles, such as
the high cost of liquid helium cryogenics.
Some twenty years ago, the discovery of high critical
temperature superconductors (HTSC) that could be
used at liquid nitrogen temperature paved the way
for promising studies on innovative devices and circuits.
Within this framework, the benefits arising from
the use of superconductors should obviously be evaluated
in terms of overall device performance.
Nevertheless, the compatibility of SHTC materials
with those of already mature microelectronic technologies should be kept in mind.
Sujets
Topics
1. Élaboration et mise en forme de films
YBaCuO (temp. critique : ≈ 90 kelvin)
Dépôts des films SHTC par pulvérisation
cathodique magnétron (radiofréquence ou DC
cathode creuse) vers 750 °C.
Optimisation de l'élaboration et de la gravure des
films (usinage ionique par plasma micro-onde), sur
des substrats adaptés à chaque application (en électronique radiofréquence ou photonique).
1. Development and processing of YBaCuO
thin films (critical temperature: ≈ 90 K)
HTSC thin film deposition by rf (or dc hollow cathode)
magnetron sputtering at high temperature (about
2. Caractérisation des films SHTC
Étude de la structure et de la composition des films
(microscopies diverses, rayons X, spectroscopie
Auger, sonde ionique, etc.).
Étude du transport électrique en régime d'impulsions (entre 4 K et 300 K) et sous champ magnétique (jusqu'à 6 tesla).
3. Composants SHTC passifs microondes
Étude de l'ancrage des vortex, conséquences sur
l'anisotropie des propriétés de transport électrique
et des propriétés micro-ondes.
Étude de composants passifs en structure
coplanaire (de 0,1 à 45 GHz) ; filtres à commande
agile pour télécommunications.
4. Détecteurs de rayonnement infrarouge
Modélisation, réalisation et caractérisation de
détecteurs bolométriques en infrarouge moyen
(10 µm) ; réseaux de pixels pour l'imagerie, avec
ASICs cryogéniques intégrés CMOS ou SiGe.
Étude de détecteurs en infrarouge lointain (30 à
500 µm) avec couplage par micro-antennes
planaires large bande intégrées.
Nano-bolomètres à électrons chauds en ondes
submillimétriques. Applications à la radioastronomie, la spectrométrie, les télécommunications et l'imagerie térahertz.
102
750 °C). Film etching via microwave plasma
technique.
Optimization of film processing on various substrate
materials, application specific for radiofrequencies or
photonics domains.
2. HTSC thin film characterizations
Microstructure and composition were studied via
several techniques: X-ray diffraction, near-field
microscopy, Auger or secondary ion mass spectrometries,
etc. and superconducting properties via pulsed electrical
transport probing from 4 K to 300 K, under magnetic
fields up to 6 tesla.
3. Passive microwave HTSC devices
Vortex pinning studies in relation to the anisotropy of
electrical transport and microwave properties. Planar
waveguides and agile passive devices (from 0.1 to 45
GHz) with magnetic, electric or optical control; applications to terrestrial or space telecommunications.
4 Infrared radiation detectors
Modeling, fabrication and characterization of bolometric detectors; application to medium infrared
pixel arrays (10 µm wavelength), with integrated
CMOS or SiGe cryogenic ASIC readout circuitry.
Development of far infrared/submillimeter wave
(30 to 500 µm wavelength) hot electron
nanobolometers, using integrated planar wideband
micro-antenna coupling. Applications to radioastronomy, spectrometry, terahertz imaging and
telecommunications.
Supraconducteurs : films minces et dispositifs / Superconducting thin films and devices
Élaboration et optimisation
de couches minces haute Tc
High-Tc superconducting thin film
deposition and optimization
Abstract
Par Annick Dégardin
High-Tc superconductors (HTSC) are attractive materials for microwave applications, due to their low loss and non dispersive characteristics
up to 100 GHz. They also offer performing solutions to detect terahertz radiation (in the 20 µm to 1 mm wavelength range) for a large
number of applications (radiometry, spectrometry, imaging). The elaboration of HTSC (YBaCuO) films is a key step to fabricate such devices
as electrically controlled agile filters [2] or hot electron nano-bolometers (Fig. 2, [3]). We show how the deposition temperature during
radiofrequency reactive sputtering process is a key parameter to achieve state-of-the art performance in terms of critical current density
and surface resistance (Fig. 1, [1]).
Problématiques scientifiques
Du micrométrique…
Les matériaux supraconducteurs, en particulier à haute température critique
(SHTC), offrent le double avantage, par rapport aux métaux normaux, de
présenter une dispersion en fréquence très faible et de diminuer les pertes
(jusqu’à 100 GHz) en raison de leur faible résistance de surface Rs. Il s’agit là
d’atouts majeurs pour des applications en télécommunications (filtres microondes, par exemple).
Des composants micro-ondes coplanaires ont été modélisés, réalisés
(dimension des lignes : 5 µm) et caractérisés à basse température entre 45 MHz
et 35 GHz. Nous avons mis en évidence la faible dispersion de la vitesse de
phase pour les lignes de propagation ainsi que les meilleures performances des
résonateurs supraconducteurs par rapport à leurs équivalents métalliques.
Dans ce contexte, nous développons des composants à commande électrique
Les supraconducteurs sont aussi attrayants pour la détection des ondes terahertz (longueurs d'onde comprises entre 20 µm et 1 mm). Ce domaine spectral,
on dit aussi «infrarouge lointain», est en effet relativement limité en détecteurs
performants bien qu'il fasse l'objet de nombreux champs d'application potentiels ou déjà abordés : radiométrie et spectrométrie (embarquées ou de labora-
dite "agile" (filtre accordable en fréquence, oscillateur local, etc.), réalisés à partir d’hétérostructures ferro-électrique/supraconducteur déposées sur substrat
diélectrique [2] : l'application d'un champ électrique DC conduit à une variation de la constante diélectrique du film ferroélectrique, donc à un déplacement
de la fréquence de résonance.
toire), communications optiques, capteurs thermiques (pour la métrologie ou le
contrôle non destructif), imagerie (pour les domaines militaire ou biomédical),
diagnostic des plasmas de fusion, etc.
Dans ce qui suit, nous exposons les problématiques associées à l’élaboration de
SHTC pour les applications ci-dessus mentionnées.
Au nanométrique
La réalisation de nanodétecteurs THz et des structures d’antennes associées
a été abordée, le point délicat étant la définition du nanopont par lithographie
électronique (figure 2). Les premiers tests électriques ont montré la nondégradation du supraconducteur, suite au processus technologique [3]. Ces
recherches se poursuivent dans un objectif d’imagerie THz (programme
européen NanOtime).
Paramètres et critères d’optimisation
L’élaboration de films supraconducteurs performants passe par l’optimisation
de nombreux paramètres de dépôt. En l’espèce, la pulvérisation cathodique
réactive (argon et oxygène) nécessite une maîtrise particulière des flux de
gaz et des pressions partielles correspondantes, ainsi que des conditions
électriques d’établissement du plasma [1]. Elle requiert aussi une attention
critique quant à la température de dépôt, comme en témoigne la figure 1 :
on voit clairement comment l’état de l’art, en matière de densité de
courant critique et de résistance de surface à 10 GHz, dépend de manière
pointue de Tdépôt.
Figure 2 : Nanostructuration de bolomètres à électrons chauds à base
d’YBaCuO. À gauche : microantenne THz associée au bolomètre.
A droite : nanobolomètre situé au centre de l’antenne
(Collab. avec le CEA Grenoble).
.....................................................................................................................................
[1] F. Abbott, A.F. Dégardin and A.J. Kreisler: “YBCO thin film sputtering: an efficient
way to promote microwave properties”, IEEE Trans. Appl. Supercond. 15(2), 29072910 (2005).
[2] A. Gensbittel, A.F. Dégardin & A.J. Kreisler; M. Guilloux-Viry; P. Crozat: “Rf
Figure 1 : Optimisation d’un film d’YBaCuO élaboré par pulvérisation
cathodique RF sur substrat LaAlO3 : influence de la température
de dépôt sur les propriétés en transport électrique (à gauche)
et en radiofréquences (à droite).
Les zones hachurées correspondent à l’état de l’art.
characterization of gold/ferroelectric SrBi2Nb2O9 heterostructures for tunable
devices”, Ferroelectrics 288, 103-110, (2003).
[3] A.J. Kreisler, B. Guillet, A.F. Dégardin, J.C. Villégier and M. Chaubet: “HighTc superconducting hot electron bolometers for terahertz mixer applications”, J. of
Systemics and Cybernetics, under Press (2006).
103
6.5
Etudes
de composants
et systèmes
optiques pour
les télécommunications
Telecommunications
optoelectronic
systems and
devices
Campus de Gif
Alain DESTREZ
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 41
Objectifs
Aims
Les lasers à semiconducteur à émission par la
surface (VCSEL), composants bas-coût, sont
très utilisés dans les interconnexions optiques et
les réseaux optiques courte distance. L’étude de
ces sources optiques à haut débit (10 Gb/s) dans
des environnements sévères nécessite le
développement de modèles dédiés.
Dans les réseaux optiques multiplexés en
longueur d’onde (WDM), les lasers à semiconducteurs accordables DBR permettent
d’atteindre tous les canaux WDM. Une méthode
de détermination rapide de la longueur d’onde
permet un contrôle optimal, même en cours de
fonctionnement.
La qualité des transmissions optiques à très
haut débit (>40 Gb/s) est dégradée par la dispersion des fibres optiques ce qui en limite la
portée. Le chirp des composants d’émission
(laser et modulateur externe) est une des causes
de la dispersion. Sa caractérisation permet
d’optimiser les paramètres de modulation du
Vertical Surface Emitting Lasers (VCSEL) are
low-cost components extensively used in optical
interconnects and in short range optical transmissions. The study of these high bit rate (10 Gb/s)
optical sources in severe environnements needs the
development of specific models.
In Wavelength Division Multiplexing (WDM)
networks, tunable DBR lasers can emit at all
WDM wavelengths. A fast wavelength characterization method of these components enables an optimal control during operation.
Ultra-High bit-rate (>40 Gb/s) optical transmission quality strongly depends on fiber dispersion.
Chirp of optical sources (laser and modulator) is one
of the causes of dispersion. Its analysis will permit to
optimize modulation parameters of the transmitted
signal.
A new laboratory for the measurement of high-bit
rate optical telecommunication systems is being
developed, with the support of Conseil Général de
l’Essonne and Conseil Régional Ile de France, in the
signal à transmettre.
Une plate-forme de caractérisation de systèmes
de télécommunications optiques à haut débit
est mise en place avec le soutien du Conseil
Général de l’Essonne et du Conseil Régional
Ile de France dans le cadre de PRISME Optics
Valley. Nous disposons de moyens de mesure
du Taux d’Erreurs Binaires (TEB) et du diagramme de l’œil jusqu’à 50 GHz. Nous disposons
aussi de moyens d’analyse de spectre optique en
régime statique et en dynamique (chirp).
framework of PRISME platform of Optics Valley.
Bit Error Rate and Eye diagram can be measured
up to 50 GHz. The laboratory is also equipped for
Optical Spectral Analysis under CW conditions and
modulation (chirp).
Sujets
Topics
1. Analyse et modélisation de composants optoélectroniques
Modélisation des lasers VCSEL pour transmissions optiques haut débit et courte distance.
Phénomènes non-linéaires et thermiques.
Optimisation du choix de la longueur d’onde d’un
laser DBR pour un canal DWDM par caractérisation rapide.
Caractérisation du paramètre de chirp dans les
lasers à semiconducteurs et dans les modulateurs
optiques externes.
1. Analysis and simulation of Optoelectronic components
VCSEL laser models for high bit-rate and short range
optical transmissions. Nonlinear and thermal behaviors.
Wavelength optimization in a DBR laser for a
DWDM channel by fast characterization.
Chirp parameter characterization in semiconductor
lasers and optical modulators.
2. Systèmes de transmissions optiques
Transmissions optiques courte distance à haut
débit (10 Gb/s) avec VCSEL.
Mesures et modélisation d’un réseau à 40 Gbit/s
dans le cadre du pôle de compétitivité System@tic
Paris-Région.
Zeno TOFFANO
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 40
104
2. Optical Transmission Systems
Short-range and high bit-rate (10 Gb/s) optical transmissions using VCSELs.
Analysis and modeling of a 40 Gb/s optical network in
the frame of the project “Pôle de compétitivité
System@tic Paris-Région”
Etude de composants et systèmes optiques pour les télécommunications / Telecommunications optoelectronics systems and devices
Plate-forme d’évaluation pour systèmes
à transmissions optiques à très haut débit
Fiber Optic High Bit Rate Transmission
System Evaluation Platform
Abstract
Par Alain Destrez
et Zeno Toffano
Fiber optic high bit rate transmission systems imply electrical, optical and thermal interaction and necessitate new approaches for modeling
and characterization. We have developed, in the framework of PRISME supported by Optics Valley, Conseil Régional Ile-de-France and
Conseil Général de l’Essonne, a Fiber Optic High Bit Rate Transmission System Evaluation Platform. We can perform Bit Error Rate
Evaluation, as well as chirp and optical spectrum measurements. Applications are: very high bit rate (40 Gb/s) long distance links, very short
range high bit rate systems with fiber ribbons, VCSELs and photodiode arrays, and DWDM optical networks using tunable devices such as
DBR lasers.
Introduction
plage d’accordabilité. Il peut être aussi utilisé pour déterminer le paramètre de
chirp et le paramètre des lasers à semiconducteurs. Des variations de
fréquence en moins de 500 ps ont été mesurées [2].
Nous modélisons et caractérisons des modules optoélectroniques pour
communications à très haut débit sur fibre optique (jusqu’à 43 Gb/s).
Notre laboratoire, récemment engagé dans le pôle de compétitivité
System@tic Paris-Région, a développé, dans le cadre de PRISME, avec
l’aide du Conseil Régional Ile-de-France, du Conseil Général de
l’Essonne, d’Optics Valley et avec le concours d’Agilent Technologies
Massy, une plate-forme technologique d’évaluation des performances des
systèmes de transmissions sur fibres optiques à très haut débit jusque
40 Gb/s. Il s’agit d’un équipement spécifique permettant la mesure du taux
d’erreurs binaires TEB (ou BER, Bit Error Rate), comprenant un générateur
de séquences pseudo-aléatoires et un détecteur d’erreurs, un équipement
de visualisation du diagramme de l’œil (oscilloscope avec accès optique et
électrique jusque 50 GHz), un équipement de mesure du « chirp » des sources
optiques, et un équipement de mesure des spectres optiques.
Applications à courte distance (VSR)
Dans les applications à courte distance, on utilise des modules équipés de
barrettes de VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) et de photodiodes reliées par des nappes de fibres optiques. Ces modules atteignent
des débits de 10 Gb/s. L’optimisation des modules dès la conception permettra
d’en réduire le coût. La modélisation des VCSEL est basée sur les équations
d’évolution, qui permettent d’estimer l’évolution de la puissance optique.
Dans l’étude des VCSEL, les échanges thermiques entre la diode et son
environnement sont pris en compte à travers des résistances thermiques,
les constantes de temps thermiques sont modélisées par les capacités thermiques. La validation de la simulation du module complet est effectuée par
des procédures de test [1]. On obtient le « diagramme de l’œil » dimensionné
suivant un gabarit standard. Ce diagramme de l’œil permet d’évaluer les
performances d’un module notamment le TEB (TEB < 10-12 selon la
norme Gigabit Ethernet).
Figure 2 : Diagramme de l’œil d’un module de transmission à très haut
débit mesuré et simulé.
Applications au multiplexage en longueur d’onde
.....................................................................................................................................
Figure 1 : Plate-forme d’évaluation des performances des systèmes de
transmissions à très haut débit (TEB, et diagramme de l’œil).
Dans les applications à longue distance exploitant le multiplexage en longueur
d’onde dense DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), des lasers
de type DBR sont utilisés comme sources accordables. Ceci requiert un contrôle précis de la longueur d’onde d’émission (grille ITU). L’analyse de spectre
optique ultra rapide permet le contrôle de la fréquence du laser en temps réel.
Cette fonction peut être intégrée dans le module d’émission DWDM.
Nous avons conçu et réalisé un analyseur de spectre optique ultra rapide, adapté aux lasers DBR et aux structures plus complexes présentant une très large
[1] A. Gholami, Z. Toffano, A. Destrez, S. Pellevrault, M. Pez, F. Quentel,
“Optimization of VCSEL Spatiotemporal Operation in MMF Links for 10-Gigabit
Ethernet”, IEEE J. Selected Topics Quantum Electronics, 2006, (à paraître).
[2] J. M. Campos, A. Destrez, J. Jacquet and Z. Toffano, “Ultra-Fast Optical Spectrum
Analyzer for DWDM Applications”, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 53, n°1, Jan-Feb.
2004.
105
6.6
Guides
photo-inscrits
et
interconnexions
optiques
Photoinduced
waveguides
and optical
interconnects
Objectifs
Aims
La complexité des fonctions à réaliser et la rapidité
du traitement nécessaires amènent les industriels
(notamment ceux du domaine des télécommunications) à se tourner vers la photonique et en particulier vers l’optique non linéaire, pour obtenir
des réponses que l’électronique n’apporte plus.
Là où la photonique a été retenue pour transporter
l’information, on lui demande maintenant
d’assurer la gestion de la route (interconnexions
reconfigurables), de ne pas intercepter le signal
(transparence), d’assurer la modulation (modulation, limitation, conversion de fréquence).
Mais les propriétés des matériaux et celles des systèmes qui les intègrent sont alors intimement liées.
Nos objectifs sont alors :
1. de proposer des architectures de systèmes
innovants;
2. de lier les études sur l’intégration des fonctions
dans les systèmes à celles des caractérisations des
matériaux et de leurs fonctionnalités.
The complexity of functions to be realized and the
speed of data processing which is not necessary lead to
the telecommunication industry towards photonics
and particularly nonlinear optics, to achieve the
results which electronic can not.
In the places where photonics is transporting information, it is now asked to route it (reconfigurable
interconnects), to let the signal through (transparency) and to achieve its modulation.
But the properties of the materials and of the systems
that use them are intricated.
Our objectives are:
1. to propose innovative system architectures;
2. to link studies on functions and systems to materials
and functionalities.
Sujets
Topics
1. Autofocalisation photoréfractive et
solitons spatiaux optiques
Modélisation théorique, simulation numérique et
validation expérimentale des régimes temporels,
dans le domaine visible et infrarouge (longueurs
d’onde télécom). Etude de matériaux isolants et
semi-conducteurs.
1. Photorefractive self-focusing and spatial
solitons
Theoretical modelling, numerical simulations and
experimental validations of temporal evolution, under
visible and infrared wavelength (telecom windows).
Insulator and semi-conductor materials.
2. Effet photoréfractif ultraviolet et
interbande
Photoinscription de guides dynamiques.
Interaction d’ondes et diffraction de la lumière
dans des matériaux anisotropes. Guides 3D.
3. Routage et interconnexions à base
de solitons photoréfractifs
Modélisation des systèmes. Etudes des propriétés
temporelles d’inscription et de guidage.
Autoalignement laser – fibre. Routage optique par
interaction de solitons.
Delphine WOLFERSBERGER
LMOPS
Campus de Metz
Tél. : +33 [0]3 87 76 47 04
Nicolas FRESSENGEAS
LMOPS
Campus de Metz
Tél. : +33 [0]3 87 37 85 61
E-mail: [email protected]
106
2. Ultraviolet and Interband photorefractive effect
Dynamic light induced waveguiding. Wave interaction
and light diffraction in anisotropic materials. 3D
waveguides.
3. Routing and optical interconnects with
photorefractive solitons
System modelling. Studies on temporal properties of
writing and guiding. Self-alignement laser diode –
fiber. Optical routing via solitons interaction.
Guides photoinscrits et interconnexions optiques / Photoinduced waveguides and optical interconnects
Guides d’onde reconfigurables pour
routage tout optique
Reconfigurable waveguides for all-optical routing
Abstract
Par Germano Montemezzani
Transparent optical networks would highly profit from switching and routing elements based on waveguides that can be modified and reconfigured as wished. In comparison to integrated devices produced in active materials using conventional techniques, waveguides induced through
the local changes of refractive index occuring in photorefractive materials subjected to a properly selected illumination pattern bear the advantage of being reversible and reconfigurable. Sub-millisecond reconfiguration times have been already achieved for planar-like structures. The
extention of the confinement to the second transversal dimension should permit the realization of complex three-dimensional dynamic optical
circuits.
Introduction et principe physique
D’autres éléments, comme par exemple des coupleurs X, Y ou 1-à-N, peuvent
être réalisés en adaptant la structuration de l’illumination de contrôle.
La réalisation de réseaux tout optiques ne nécessitant pas l’intervention
d’éléments électroniques pour la détection temporaire des signaux
demande des éléments de routage et d’interconnexion optique, adaptables
et reconfigurables en des temps courts, de l’ordre de la milliseconde dans
le cas des réseaux de télécommunications. L’utilisation de guides d’onde
optiques réalisés dans des matériaux actifs par des techniques conventionnelles telles que la diffusion d’ions, l’échange protonique ou l’implantation
ionique se prêtent mal à ce but. Ces techniques donnent lieu exclusivement
à des guides statiques, typiquement de surface qui ne sont pas facilement
modifiables.
L’effet photoréfractif permet d’obtenir un changement local ou non de
l’indice de réfraction par la redistribution de porteur de charges dans un
matériau dit électro-optique. Cette redistribution a lieu en réponse à une
illumination qui produit une quantité spatialement inhomogène de porteurs
photoexcités. L’avantage principal est que cet effet peut être effacé, donnant
lieu à des structures dynamiques sans l’intervention d’endommagements
permanents du matériau.
Le routage tout optique peut ainsi être envisagé par le biais de l’interaction
entre solitons spatiaux photoréfractifs, définis comme des faisceaux lumineux se
propageant avec un diamètre constant. Dans ce cas, la diffraction est
exactement compensée par les effets non linéaires d’autofocalisation liés à
Figure 1 : Principe simplifié du dispositif pour l’inscription
de guides photoinduits
l’effet photoréfractif. La photoinscription de guides par cette méthode est l’un
des axes de recherche poursuivis au laboratoire LMOPS, avec pour but son
application dans le domaine du routage tout optique [1]. Un autre axe que nous
développons utilise une méthode que l’on peut qualifier de « photo-induction
transversale ». Elle consiste, par une illumination structurée du matériau, à
créer un guide optique aux endroits illuminés. Comme dans le cas des solitons
spatiaux photoréfractifs du type brillant, la non linéarité optique est activée par
l’application d’un champ électrique extérieur. Cette technique a été démontrée
pour la première fois en [2] en utilisant, pour l’inscription, de la lumière ultraviolette donnant lieu à des effets de type interbande dans un matériau ferroélectrique (KNbO3). La photoexcitation interbande permet une plus rapide
redistribution des charges [3]. Des temps de création et de reconfiguration des
guides de l’ordre de 100 µs peuvent être atteints pour des guides essentiellement planaires à une dimension transversale.
Figure 2 : Image en champ proche du faisceau sonde à la sortie d’un
cristal de SBN sans (gauche) et avec (droite) le guide dynamique à une
dimension. L’illumination latérale qui photoinduit le guide est à la
longueur d’onde de 633 nm.
Les travaux que nous menons actuellement portent sur l’extension du confinement à deux dimensions transversales dans le but d’exploiter efficacement tout
le volume du cristal. Ceci est une voie particulièrement intéressante pour
réaliser des circuits tout optiques complexes tridimensionnels, avec possibilité
de reconfiguration en des temps de l’ordre de la milliseconde.
.....................................................................................................................................
[1] D. Wolfersberger, F. Lhommé, N. Fressengeas, G. Kugel, “Simulation of the tem-
Guides dynamiques à illumination transversale
poral behavior of one single laser pulse in a photorefractive medium,” Opt. Commun.
Un schéma très simplifié du dispositif expérimental nécessaire pour la
photoinduction transversale des guides est donné dans la Figure 1. Ce type
de configuration produit des guides dynamiques de type pseudo-planaire
où le confinement a lieu principalement dans la direction du champ électrique appliqué. Ceci est présenté sur la Figure 2, qui montre l’image en
champ proche du faisceau sonde à la sortie d’un cristal de SrxBa1-xNb2O6
(SBN, x=0.6) en l’absence et en présence de l’illumination latérale de contrôle.
222, 383-391 (2003).
[2] Ph. Dittrich, G. Montemezzani, P. Bernasconi and P. Günter, "Fast recon-figurable
light induced waveguides", Opt. Lett. 24, 1508-1510 (1999).
[3] G. Montemezzani, Ph. Dittrich, R. Ryf, P. Günter, “Interband photore-fraction for
optical processing and wave manipulation”, Conf. Proc. IEEE-LEOS Annual Meeting
2004, Techn. Digest, IEEE, Vol. 2, 993-994 (2004).
107
6.7
Matériaux
optiques pour
la génération
et le
traitement de
faisceau laser
Optical
materials
for laser beam
generation
and processing
Objectifs
Aims
Répondre à la demande de films minces, guides
d’ondes et monocristaux afin de réaliser des composants performants et fiables pour la génération
et le traitement de faisceau laser.
Domaines visés :
Télécommunications optiques.
Lasers solides dans le bleu et l’UV par conversion
de fréquence ou par émission directe.
Modulation de phase ou d’amplitude. Correction
de front d’onde.
Q-Switch.
Guidage et autoguidage optique. Autofocalisation
de faisceau laser.
This work aims at satisfying the demand for thin
films, wave guides and single crystals needed to produce
components that offer good performance and reliability
for the generation and processing of laser beams.
Fields of application:
Optical telecommunications.
Solid laser emitting in blue or UV.
Phase or Amplitude Modulation. Correction of
wave front.
Q-switch.
Optical guiding and self-guiding.
Laser beam autofocusing.
Sujets
Topics
1. Borates non linéaires et nitrures III-V à
grand gap pour l’obtention de fonctions
optiques dans le domaine des courtes
longueurs d’ondes
Elaboration par MOVPE de films minces de
nitrures pour l’émission UV. Préparation de
BGaN.
Propriétés structurales, optiques et électriques.
Croissance de cristaux et films minces de borate de
baryum (BBO).
Propriétés optiques linéaires et non linéaires.
Accord de phase. Mesure des coefficients de
1. Non-linear borates and nitrides III-V
with a broad gap for generating optical
functions in the short wavelength range
Elaboration by MOVPE of nitride thin films for UV
emission. Preparation of BGaN.
Structural, optical and electrical properties.
Growth of crystals and thin films of barium borate
(BBO).
Linear and non linear optical properties. Phase
génération de second harmonique.
2. Optimisation, contrôle et microstructuration du niobate de lithium
pour l’optique guidée
Propriétés électro-optiques et photo-réfractives
de LiNbO3 pur ou dopé. Mécanismes
d’endommagement optique. Rôle des défauts
intrinsèques et extrinsèques. Optimisation et
fiabilité des composants. Caractérisation de
structures périodiquement polarisées.
Préparation de fibres monocristallines.
Caractérisation de guides d’ondes implantés.
Propriétés
optiques
et
électrooptiques.
Conversion de fréquence.
LMOPS
Campus de Metz
Marc FONTANA
Tel. : +33 [0]3 87 37 85 72
Sujet 1 / Topic 1:
Armand BATH
Tel. : +33 [0]3 87 37 85 48
Sujet 2 / Topic 2:
Patrice BOURSON
Tel. : +33 [0]3 87 37 85 64
E- mail : [email protected]
108
matching. Measurements of second harmonic generation.
2. Optimization, control and microstructuring of lithium niobate in optical
wave guides
Electro-optical and photo-refractive properties of pure
or doped LiNbO3. Mechanisms of optical damage.
Effect of intrinsic and extrinsic defects. Optimization
and reliability of components.
Characterization of periodically poled structures.
Preparation of single crystal fibers.
Characterization of implanted wave guides. Optical
and electro-optical properties. Frequency conversion.
Matériaux optiques pour la génération et le traitement de faisceau laser / Optical materials for laser beam generation and processing
Epitaxie par MOVPE de matériaux
nitrures III-N pour les composants
optiques à courte longueur d’onde
(200nm-450nm)
Epitaxial growth of III-Nitride materials
for short-wavelength (200 to 400 nm)
light emitting optoelectronic devices
Abstract
Par Abdallah Ougazzaden, Simon Gautier,
Corinne Sartel, Jérôme Martin,
Sidi Ould Saad Hamady
Collaborations: Thales Recherche & Technology
(ATL III-V lab), LPN (CNRS Marcoussis), KTH
(Royal Institute of Technology of sweden),
New Jersey Institute of Technology, LETAM
(Université de Metz)
Recently novel class of materials based on (B)AlGaN on SiC substrate have been reported [1-2]. These new alloys under study have similar
characteristics than those of InGaN and AlGaN materials with the advantage to be lattice matched on SiC and AlN substrates. BAlGaN with
lattice matching to SiC exhibits bandgap energy ranging from 3.4eV to 6.3eV and the corresponding wavelength is in the range of 340nm to
190nm respectively.
Sujet de l’étude
déterminée par la technique de la double diffraction des rayons X (DDX) (fig
2). Cette incorporation est allée jusqu’à 3,6% de Bore dans BGaN dans des
structures monocouches « épaisses » épitaxiées sur pseudo-substrats de GaN
[3]. L’adoption d’une structure multicouche –qui possède la caractéristique de
réduire les effets des contraintes liées au désaccord de maille- a permis sur le
même type de substrat une incorporation supérieure à 5% avec une bonne
morphologie de surface et une bonne qualité cristalline.
Le développement des matériaux semi-conducteurs émettant dans les très
courtes longueurs d’onde offrira la possibilité de réaliser des sources
optiques compactes et performantes qui visent des applications telles que
la nano-lithographie, le biomédical, la décontamination, le stockage
optique à haute densité, ainsi que dans le domaine militaire et la protection civile telle que la détection des agents actifs en cas d’attaque avec des
armes biologiques et dans la télécommunication secrète. Les matériaux
nitrures AlGaN et InAlGaN sont bien connus pour cette gamme de
longueur d’onde, mais le manque de substrat en accord de maille avec ces
matériaux rend leur croissance très difficile.
Cette étude expérimentale porte sur l’élaboration des nouveaux matériaux
semi-conducteurs ternaires et quaternaires à base de bore et des nitrures
BGAN, BAlN et BAlGaN sur substrat carbure de silicium (SiC). L’un des
avantages de ces matériaux est leurs possibilités d’émettre dans la gamme
spectrale du bleu et de l’ultraviolet (200-450nm), tout en restant en accord
de maille avec le substrat SiC. La technique d’élaboration utilisée dans ce
travail est la croissance épitaxiale en phase vapeur aux organométalliques
(MOVPE) (fig 1).
Figure 2 : Spectre de double diffraction X d’une couche de 270 nm de
BGaN épitaxiée sur une couche de 4 microns de GaN
Conclusion
Ces résultats ont permis une optimisation des conditions de croissance du
ternaire BGaN sur GaN essentielle pour l’élaboration maîtrisée des
alliages quaternaires plus complexes BAlGaN. Ces résultats positionnent
également le travail de notre équipe à l’état de l’art, la littérature faisant
état d’une incorporation de l’ordre de 2%. Le nouveau matériau BGaN
s’approche de l’accord de maille sur AlN.
.....................................................................................................................................
Figure 1 : Réacteur d’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques
Résultats
[1] S. Sakai, Y. Ueta, Y. Terauchi, “Band Gap Energy and Band Lineup of III-V Alloy
La phase des travaux sur ces matériaux nitrures à grand gap présentée ici
concerne l’étude de l’incorporation du bore dans le matériau ternaire
BGaN ainsi que des conditions de sa croissance dans le réacteur d’épitaxie.
Les techniques de réflectométrie in situ et d’éllipsométrie ex situ ont conjointement permis de déterminer et de calibrer très précisément les épaisseurs
déposées et la vitesse de croissance dans notre réacteur. La microscopie
optique à contraste interférentiel (à prisme Nomarsy) et la microscopie à
force atomique (AFM) ont montré une morphologie de surface satisfaisante pour l’étude de ce nouveau matériau. La spectroscopie de masse
des ions secondaires (SIMS) a prouvé une excellente linéarité de l’incorporation chimique du bore par rapport au flux de précurseurs en phase
vapeur dans la chambre de croissance [4].
La composition en bore de l’alliage BGaN élaboré au laboratoire a été
Semiconductors Incorporating Nitrogen and Boron”, Jpn. J. Appl.Phys. 32 (1993)
4413.
[2] M. Kurimoto, T. Takano, J. Yamamoto, Y. Ishihara, M. Hoie, M. Tsubamoto, H.
Kawanishi, “Growth of BGaN/AlGaN multi-quantum-well structure by vapor phase
epitaxy”, J. Crystal Growth 221 (2000) 378.
[3] S. Gautier, C. Sartel, N. Maloufi, J. Martin, A.Ougazzaden, “BGaN materials on
GaN/sapphire substrate by MOVPE using N2 carrier gas”, International Conference IC
MOVPE 2006 Myasaki, Japan, accepted for oral presentation.
[4] S. Gautier, C. Sartel, N. Maloufi, J. Martin, A. Ougazzaden, “MOVPE Growth
Study of BxGA(1-x)N on GaN Template Substrate”, International conference of
European Material Research Society - E-MRS spring Meeting 2006 Nice, France,
accepted for oral presentation.
109
6.8
Dynamique de
structures
lasers
complexes et
applications
Dynamics of
complex laser
structures and
applications
Objectifs
Aims
Les lasers à semi-conducteurs sont des composants essentiels pour de nombreuses applications de télécommunication et traitement de
signal optique. Les développements récents en
nano-hétéro-épitaxie et nanophotonique conduisent à des structures lasers de plus en plus
complexes quant au comportement physique du
milieu de gain optique et quant à la géométrie
de la cavité laser. Des exemples de telles structures
lasers sont les lasers à semi-conducteurs à cavité
verticale (VCSELs) et les lasers à semiconducteurs à boîtes quantiques.
Ces structures lasers présentent des comportements physiques et des dynamiques complexes,
permettant d’envisager des applications innovantes.
Semiconductor lasers are key components for numerous
applications in telecommunications and optical signal
processing. The recent developments in nano-heteroepitaxy and nanophotonics lead to laser structures with
increasing complexity regarding the physical behavior of
the gain medium and the geometry of the laser cavity.
Examples of such laser structures are the vertical-cavity
surface-emitting lasers (VCSELs) and the quantum dot
semiconductor lasers.
These laser structures exhibit complex physical
behaviours and dynamics, allowing us to suggest
innovative applications.
Sujets
Topics
1. Transmission sécurisée de données
encryptées dans du chaos optique
Modélisation, simulation, et étude expérimentale
de la synchronisation de chaos entre lasers
VCSELs couplés par injection optique unidirectionnelle ou mutuelle.
Encryption de données dans du chaos optique,
communication sécurisée à haut débit (> Gb/s), et
décodage des données.
1. Secure transmission of data encrypted
within optical chaos
Modelling, simulation, and experimental study of
synchronisation of chaos between VCSELs coupled by
unidirectional or mutual optical injection.
Encryption of data embedded into optical chaos, secure
communication at high bit rates (> Gb/s), and data
recovery.
2. Structures photoniques innovantes à
base de semi-conducteurs
Modélisation, simulation et étude expérimentale
des propriétés de polarisation de lasers VCSELs.
Contrôle de la polarisation de lasers VCSELs.
Application du basculement de polarisation dans
un VCSEL à la commutation tout optique rapide.
Analyse de lasers à semi-conducteurs à boîtes
quantiques et à cristaux photoniques (actions
européennes COST 288 et P11).
Marc SCIAMANNA
LMOPS
Campus de Metz
Tél. : +33 [0]387 76 47 05
3. Laser à émission par la surface soumis
à rétroaction ou injection optique
des comportements dynamiques non-linéaires de
lasers à semi-conducteurs (dont les VCSELs)
soumis à une rétroaction ou une injection optique.
Analyse des dynamiques auto-pulsées et de leur
transition vers le chaos optique.
de lasers VECSELs pour des applications de spectroscopie (projet ANR MIREV).
4. Laser accordable
Laser continuum, VCSEL accordable.
Joël JACQUET
LMOPS
Campus de Metz
Tél. : +33 [0]387 76 47 68
110
2. Innovative photonic structures based
on semiconductors
polarization properties of VCSELs.
Polarization control in VCSELs.
Application of polarization switching to all optical
switching.
Analysis of quantum dot semiconductor lasers and photonic crystal semiconductor lasers (European actions
COST 288 and P11).
3. Surface emitting laser subjected to
optical feedback or optical injection
Modelling, simulation, and experimental study of nonlinear dynamical behaviours of semiconductor lasers
(including VCSELs) subject to optical feedback or optical injection.
Analysis of self-pulsating dynamics and their transition
to optical chaos.
VECSELs for spectroscopy applications (ANR project
MIREV).
4. Tunable laser
Continuum laser, Tunable VCSEL.
Dynamique de structures lasers complexes et applications / Dynamics of complex laser structures and applications
Dynamique de polarisation d’un
VCSEL – commutation optique
et cryptographie
Polarization dynamics in VCSEL –
optical switching and cryptography
Abstract
Par Marc Sciamanna
We report our recent results concerning the polarization dynamics of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) and applications to optical switching and chaos cryptography. VCSELs exhibit a linearly polarized light whose direction may switch between two
orthogonal axes as we change the operating conditions or as we inject external light. The polarization switching can be accompanied
by severe laser instabilities such as self-pulsations and optical chaos. Important directions of our study include either the control of
instabilities or, by contrast, the applications of VCSEL nonlinear dynamics.
Introduction
désaccord en fréquence entre le maître et l’esclave. Particulièrement
intéressante est la mise en évidence d’une route vers le chaos par doublement de période [1,2]. Une perspective intéressante de ce système consiste
notamment en l’utilisation de ce basculement de polarisation, dont les
Le laser à semi-conducteur VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting
Laser) présente de nombreux avantages en comparaison avec les lasers
conventionnels. Cependant le VCSEL souffre d’une instabilité de la
polarisation de la lumière émise : la lumière émise est typiquement polari-
études théoriques montrent qu’il est rapide (< ns), pour des applications de
commutation tout optique.
sée linéairement mais la direction de polarisation peut basculer entre deux
directions orthogonales. Ce basculement de polarisation peut être induit
par modification de courant ou température, par une rétroaction optique
de la lumière émise, ou encore par une injection optique d’un second laser.
Pour des applications de mémoires ou lectures optiques, il est essentiel de
Cryptographie par chaos optique et perspectives
La possibilité d’utiliser un laser à semi-conducteur comme générateur de
chaos ouvre la voie à une autre application intéressante, appelée cryptographie par chaos optique et alternative aux techniques de cryptographie
informatique et de cryptographie quantique. Le principe, illustré sur la
contrôler cette polarisation. Par contre, un basculement de polarisation
peut être intéressant pour réaliser une commutation ou un routage
optique. De plus, lorsque le basculement de polarisation est induit par
injection ou rétroaction optique, il est accompagné d’instabilités
dynamiques non-linéaires dont du chaos optique. Ces dynamiques complexes sont utiles pour des applications nouvelles et originales telles que la
cryptographie par chaos.
figure 2, consiste en 1/ insérer par des techniques appropriées les données
à transmettre dans le chaos généré par un laser, 2/ coupler optiquement ce
laser à un second laser semblable, 3/ utiliser la possibilité de ce second laser
de se synchroniser sur le chaos émis par le premier laser pour, en
soustrayant le signal optique émis par le receveur au signal optique reçu en
entrée, récupérer ainsi les données transmises. La sécurité de la communication est basée sur la technique de masquage des données dans le chaos
d’émetteur, et sur le fait que la synchronisation et donc récupération des
données ne sont possibles que pour deux lasers quasiment identiques.
Basculement de polarisation induit par injection
optique orthogonale – commutation tout optique
Nous avons montré théoriquement et expérimentalement qu’une injection optique orthogonale (la lumière injectée par le laser dit maître est
polarisée orthogonalement par rapport à la polarisation du laser VCSEL,
dit laser esclave) peut conduire à un basculement de polarisation accompagné d’un verrouillage en fréquence de l’esclave sur le maître [1,2].
Figure 2 : Principe de la cryptographie par chaos.
Nous avons récemment étudié la possibilité de coupler mutuellement deux
VCSELs et avons observé une quasi-parfaite synchronisation de leur chaos
[3]. Ce résultat nous encourage à analyser des techniques d’encryption de
données pour établir un schéma de communication complet utilisant des
lasers VCSELs et leurs propriétés intéressantes de chaos en polarisation.
Figure 1 : Puissance moyenne émise par un VCSEL dans chacun des
deux modes de polarisation en fonction de la puissance optique injectée
par un second laser. La puissance optique injectée est augmentée
(gauche) puis diminuée (droite).
.....................................................................................................................................
[1] I. Gatare, M. Sciamanna, J. Buesa, H. Thienpont, K. Panajotov, Applied Physics
La figure 1 présente un tel basculement de polarisation mesuré expérimentalement, en augmentant (gauche) puis en diminuant (droite) la puissance optique injectée. La comparaison des deux évolutions de puissance
montre l’existence d’un hystérèse et donc d’une bistabilité. Nous avons
également montré que le VCSEL soumis à injection optique orthogonale
pouvait présenter des dynamiques non-linéaires très riches, en fonction du
Letters, vol.88, pp 111106, 6 mars 2006.
[2] J. Buesa, I. Gatare, K. Panajotov, H. Thienpont, M. Sciamanna IEEE Journal of
Quantum Electronics, vol. 42, n°2, pp 198-207, février 2006.
[3] R. Vicente, J. Mulet, C.R. Mirasso, M. Sciamanna, Optics Letters, vol. 31, pp 996999, mars 2006.
111
7
Computer Science
and Networks
7.1
Heterogeneous modeling
and embedded software
• The PC-xUML executable
UML component
114
7.2
Networks and information
systems security
• Alert correlation and passive
network mapping
116
7.3
Heterogeneous
information systems
• Information extraction and integration
118
7.4
Distributed systems
and computing grids
• Distributed software architecture
design for financial computing
120
7.5
Data-mining
• Graph-based data-mining
and machine learning
122
7.6
Performance evaluation
methods
• A distributed algorithm for inter-domain
resources provisioning
124
112
7
Informatique
et Réseaux
7.1
Modélisation hétérogène
et logiciel enfoui
• Le composant UML exécutable
PC-xUML
114
7.2
Sécurité des systèmes
d’information et réseaux
• Cartographie passive
et corrélation d'alertes
116
7.3
Systèmes d’information
hétérogènes
• Extraction et intégration
d’informations
118
7.4
Systèmes distribués
et grilles de calculs
• Conception d’une architecture
logicielle distribuée pour
le calcul financier
120
7.5
Fouille de données
• Fouille de données et
apprentissage sur des données
complexes de type graphe
122
7.6
Méthodes d’évaluation
de performances
• Un algorithme distribué
de provision de ressources
dans un réseau inter-domaine
124
113
7.1
Modélisation
hétérogène
et logiciel
enfoui
Heterogeneous
modeling and
embedded
software
7 Informatique et Réseaux
Objectifs
Aims
La conception d'un système fait appel à différents
métiers qui utilisent chacun des concepts et des
outils de modélisation spécifiques adaptés aux
aspects du système qu'ils traitent. La nécessité de
modéliser la totalité du système de façon
cohérente – afin de simuler son comportement,
valider formellement certaines propriétés ou
générer une implémentation pour une architecture cible – implique soit de réduire les modèles
des sous-systèmes à une description de leur comportement dans un langage de bas niveau commun
à tous les sous-systèmes, soit à construire un
modèle hétérogène du système, en préservant les
différents niveaux d'abstraction des modèles
métier et en définissant précisément leurs
interactions.
La modélisation hétérogène permet donc de
conserver le plus d'information possible sur la
conception d'un système dans son modèle global :
aucun formalisme métier n'est réduit à un
autre. L'objectif est d'avoir une description
The design of a system involves several crafts that each
have their own mindset and modeling tools that suit the
specific aspects of the system they are in charge of. The
need to have a global and consistent model of the system
— for simulation, formal proof of properties or code
generation for a target platform — implies that either
we reduce the models of the subsystems to a low level
description language that is shared by all the subsystems, or we build an heterogeneous model of the whole
system, preserving the different abstraction layers of the
craft specific models, by defining exactly how these
models interact.
Heterogeneous modeling allows to keep a maximum of
information about the design of a system in its global
model: none of the specific modeling technique is
reduced to another. The main goal is to have a formal
description of the system (topics 1 and 2) that is abstract
enough to allow: first the generation of the code of the
system for several target architectures, without the need
for new designs of the system, and second a global reasoning about the properties of the system (topic 3).
formelle du système (sujets 1 et 2) suffisamment
abstraite pour permettre d’une part de générer
des implémentations sur diverses architectures
cibles sans avoir à concevoir à nouveau le système, et d’autre part de raisonner globalement
sur les propriétés du système (sujet 3).
Département Informatique
Campus de Gif
Sujet 1 / Topic 1:
Frédéric BOULANGER
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 84
Sujet 2 / Topic 2:
Dominique MARCADET
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 73
Sujets
Topics
1. Modèles d'exécution hétérogènes
Conception de modèles d’exécution pour les systèmes hétérogènes. Conception séparée du contrôle et des traitements pour faciliter les preuves.
Adaptation de la sémantique d’un modèle de calcul à son environnement d’exécution. Conception
1. Design of heterogeneous systems
Design of execution models for heterogeneous systems.
Separate design of control and processing to make formal proofs easier. Adapting the semantics of a model of
computation to its runtime environment. Design of
adaptive components, reusable in different models of
de composants adaptatifs, réutilisables selon
plusieurs modèles de calcul. Application à l’approche réactive synchrone pour les composants
assurant le contrôle de systèmes critiques.
computation. Use of the synchronous reactive approach
for the control of critical systems.
2. Ingénierie dirigée par les modèles
Dans le cadre d’UML, formalisation de la sémantique des modèles de calcul ou d’exécution.
Définition de méta-modèles et de profils,
approche par transformation de modèles.
3. Validation formelle
Modularité des preuves et formalisation des
mécanismes de sûreté pour permettre de composer des modules en conservant les propriétés de
sûreté de chacun d’entre eux. Utilisation en particulier de l’approche réactive synchrone et des
réseaux de Petri.
Sujet 3 / Topic 3:
Guy VIDAL-NAQUET
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 75
114
2. Model driven engineering
In the context of UML, formal definition of models of
computation or of execution. Definition of metamodels and profiles, model transformation approach.
3. Formal proofs
Modular proofs and formal description of safety mechanisms to allow composing modules while preserving
their safety properties. Use of the synchronous reactive
approach and of Petri nets.
Modélisation hétérogène et logiciel enfoui / Heterogeneous modeling and embedded software
Le composant UML exécutable PC-xUML
The PC-xUML executable UML component
Abstract
Par Frédéric Boulanger
Cécile Hardebolle
Dominique Marcadet
Heterogeneous modeling has become common practice in the design of embedded systems, where several models of computation are used
to describe the software, the hardware and the environment of the system. Since the importance and complexity of the software part
of such systems is increasing, several models of computation may now be used for modeling the software only. However, the semantics
of UML behavioral models is not defined with enough precision to make these models executable. The aim of this project is to use a
meta-model to describe the semantics of several models of computation, and to interpret these descriptions to compute the behavior of a
model of a system.
Modélisation hétérogène
Le profil PC-xUML
La conception des systèmes enfouis fait naturellement appel à plusieurs
modèles de calcul, ou formalismes de modélisation, car ces systèmes comportent des parties de natures très différentes : matériel, logiciel, environnement
simulé. La conception globale et la simulation du système avant sa réalisation
Ce profil est conçu pour la modélisation des systèmes embarqués. Il doit permettre la spécification de modèles hétérogènes de systèmes temps-réel. La
description des modèles de calcul supportés par ce profil utilisera OCL et/ou
le langage d’action d’UML afin de décrire les différentes étapes de communi-
nécessitent donc d’intégrer les modèles de chacune de ces parties, bien qu’ils
aient été réalisés selon des techniques de modélisation et des approches différentes. La complexité et l’importance croissante de la part de logiciel dans les
systèmes enfouis conduit à adopter la même approche hétérogène pour la modélisation du logiciel, car ce dernier fait maintenant appel à des métiers différents
cation, synchronisation et activation de composants nécessaires à l’interprétation d’un modèle comportemental.
comme l’automatique, le traitement du signal, les protocoles de communication etc. Ces différents métiers utilisent des modèles de calcul qui sont adaptés
au type de problème à modéliser, et qu’il est important de ne pas réduire à un
unique modèle de base dont l’expressivité serait insuffisante pour représenter
naturellement les concepts métiers en jeu.
La modélisation hétérogène des systèmes logiciels doit donc permettre de construire un modèle global du système à partir de modèles de ses sous-systèmes,
chaque sous-système pouvant utiliser un modèle de calcul différent, et cela de
façon récursive à tous les niveaux de la structure hiérarchique du système [1,2].
Pour calculer le comportement d’un tel modèle, il faut être capable de calculer
Figure 2 : Modèles comportementaux
déclaratif et impératif d’un automate
La modélisation des modèles de calcul a deux aspects : le premier, déclaratif,
donne les règles que doivent respecter les comportements admissibles du système et correspond précisément à la notion de modèle de calcul. Le second,
impératif, donne un algorithme pour calculer un des comportements admissibles du système, et correspond à la notion de modèle d’exécution.
Le composant PC-xUML
Ce composant sera capable de calculer le comportement d’un système
défini par le profil PC-xUML. Sa sémantique d’exécution sera une sémantique de trace.
le comportement de chacun des sous-systèmes, mais aussi de déterminer le
résultat de la combinaison de ces comportements [3].
Actuellement, la sémantique des modèles de calcul de comportements
disponibles en UML (diagrammes d’états, diagrammes d’activité) n’est définie
que de manière informelle et ne peut donc pas être interprétée systématiquement par un outil informatique. Il est donc nécessaire de définir un métamodèle qui permette de décrire formellement la sémantique des modèles de
calcul, puis un modèle d’exécution qui puisse, en s’appuyant sur la description
formelle des modèles de calcul utilisés, calculer le comportement de chaque
sous-système et combiner ces comportements pour calculer celui du système
complet.
Avantages
L’intérêt du profil est de permettre de modéliser en UML le comportement des
composants, tout en respectant les méthodes et les concepts liés à un métier. De
plus, le méta-modèle qui permet de décrire les modèles de calcul permet aussi
de spécifier explicitement la manière dont différents modèles de calcul interagissent. Le composant permettra de vérifier que le système réagit selon le
comportement souhaité.
.....................................................................................................................................
[1] M. Mbobi, F. Boulanger, M. Feredj, “Issues of Hierarchical Heterogeneous
Modeling in Component Reuse”, 2005 IEEE International Conference on Information
Reuse and Integration (IEEE IRI 2005), Las Vegas, USA, 15-17 août 2005.
[2] F. Boulanger, M. Mbobi, M. Feredj, “Flat Heterogeneous Modeling”, Conférence
IPSI 2004, Venise, Italie, 10-15 novembre 2004.
[3] M. Mbobi, F. Boulanger, M. Feredj, “Execution Model for Non-Hierarchical
Heterogeneous Modeling”, IEEE International Conference on Information Reuse and
Integration 2004 (IRI 2004), Las Vegas, USA, 8-10 novembre 2004.
Figure 1 : Modèle structurel d’un automate
115
7.2
Sécurité
des systèmes
d’information
et réseaux
Networks and
Information
Systems
Security
Campus de Rennes
Tél. : +33 [0]2 99 84 45 00
Sujet 1 / Topic 1:
Laurent HEYE, Benjamin MORIN,
Ludovic MÉ, Eric TOTEL
et Bernard VIVINIS
Sujet 2 / Topic 2:
Ludovic MÉ et Eric TOTEL
Objectifs
Aims
Les organisations humaines de toutes tailles
dépendant aujourd’hui très fortement de leurs systèmes informatiques, leur sécurité est un enjeu
crucial. Il convient donc de définir et de mettre en
œuvre des politiques de sécurité, mais aussi, en
tenant compte de failles toujours possibles, de surveiller les systèmes et réseaux afin de détecter
d’éventuelles intrusions.
Computer and network security is nowadays a major
concern, as any human organization depends on its
information system. The answer essentially lies in the
capacity to define and implement security policies; subsequently it is important to consider that flaws are
always possible and to monitor systems in order to detect
against possible exploitation of these flaws (intrusion
detection).
Sujets
Topics
1. Corrélation d’alertes avec prise en
compte du contexte
Les techniques de détection d'intrusions actuelles
génèrent beaucoup d’alertes, chacune d’entre elles
n’apportant que trop peu d’information à l’administrateur. L’objectif de la corrélation d’alertes est
de réduire le nombre de ces alertes, tout en
enrichissant leur contenu. Dans le cadre du projet
RNRT ACES, nous travaillons sur une forme de
corrélation tenant compte du contexte dans lequel
1. Alert correlation: taking the context
into account
At present, intrusion detection systems produce too
many alerts whose semantic is too poor. Moreover,
many alerts are actually false positives, i.e., false alerts.
The main objective of alert correlation is to reduce the
number of alerts, while improving their content. The
nationally funded ACES project aims at proposing a
new correlation approach, taking into account the context in which the alerts have been produced. This
les alertes ont été émises. Les informations auxquelles nous nous intéressons sont : la politique de
sécurité en vigueur sur le réseau surveillé, la
topologie de ce réseau, les types de machine en
place sur ce réseau, les services rendus par ces
context is defined through information: on the security policy enforced in the monitored system, on the
topology of the computer network, on the type of host
installed in that network, on the network services
offered by these hosts, on the known vulnerabilities of
machines, les failles connues de ces services, les
outils de prévention et de surveillance en service,
leur localisation et leur configuration. Collecter de
la manière la moins perturbante possible les informations de contexte et étudier des mécanismes de
corrélation entre ces informations et les alertes
remontées par les sondes de détection d’intrusions
sont nos deux contributions principales à ce projet.
these services, on the preventive and detection tools in
operation in the monitored network, and on the localization and configuration of these security tools. Our
contribution to ACES is twofold: the gathering, as discreet as possible, of this information, and the study of
correlation mechanisms taking this information into
account.
2. Détection d’anomalies sûre de fonctionnement
Les outils de détection d’intrusions utilisés
couramment ne permettent de détecter que des
attaques déjà répertoriées. Ils se heurtent donc au
problème quotidien des nouvelles formes d’attaques. Pour contourner ce problème, la détection d’anomalies propose de comparer le comportement courant de l’entité surveillée à un
modèle de comportement de référence construit
préalablement. Dans le cadre de l’ACI DADDi,
nous travaillons sur une approche dans laquelle ce
modèle de référence est implicite. Nous nous
inspirons de la diversification fonctionnelle, une
approche classique en sûreté de fonctionnement.
Elle consiste à confier le traitement de toute
requête à plusieurs modules implantant, mais de
manière différente, la même fonctionnalité.
Toute divergence dans les résultats obtenus
est alors interprétée comme une possible corruption d’un ou de plusieurs modules (ou des systèmes
qui les hébergent) auxquels le traitement de la
requête a été confié.
116
2. Dependable Anomaly Detection with
Diagnosis
Intrusion detection systems currently used can only
detect already known attacks. Thus, they face the
problem of daily appearing new form of attacks. To
avoid this problem, “anomaly detection” proposes to
compare the current observed behaviour of the monitored entity, to a reference model previously built, generally through a learning process. Within the nationally
funded project DADDi, we propose a new approach in
which the reference model is implicit. We build on an
approach classical in the field of computer dependability,
namely design diversity. The main principle is to
forward any request to several modules implementing
the same functionality, but through diverse designs.
Any difference between the results obtained can be
interpreted as a possible corruption of one or several
modules. This provides a way to detect intrusions in
the diversified system.
Sécurité des systèmes d'information et réseaux / Networks and information systems security
Cartographie passive
et corrélation d'alertes
Alert correlation and passive network mapping
Abstract
Par Benjamin Morin, Laurent Heye
et Bernard Vivinis
Current network intrusion detection systems trigger far too many alerts whose severity is not always correctly assessed. As a result,
security operators waste their time investigating irrelevant alerts while real incidents may go undetected. To this end, alarm correlation is used to reduce the number of alerts and enhance their semantic content. Most alarm correlation techniques need contextual
information about the monitored systems (e.g. cartography), namely regarding the operating systems used, applications installed, or
role played by the hosts. Gathering and maintaining this information up to date is quite challenging. In this work, we studied an original approach for mapping the monitored network innocuously and correlating observations with alerts.
Problématique
être incompatible avec les pare-feu. La cartographie passive présente toutefois
des inconvénients : informations de version incomplètes ou mensongères,
absence d'information sur les systèmes inactifs, volume du trafic à traiter,
Les alertes générées par les systèmes de détection d'intrusions réseau
actuels sont peu fiables. En particulier, la criticité des incidents détectés est
surévaluée et une majorité d'alertes s'avère être des fausses alertes. La corrélation d'alertes est une branche de la détection d'intrusions dont l'objectif est
de réduire le volume d'alertes issues de sondes de détection d'intrusions et
localisation des sondes.
Premières conclusions et actions futures
Le concept de corrélation avec des informations cartographiques recueillies par
écoute passive semble prometteur, mais le prototype réalisé montre bien l'importance de la cohérence des dénominations (noms et versions des applications
et des OS pour la cartographie et dans la base de vulnérabilité). Il reste par
ailleurs beaucoup à faire pour améliorer les algorithmes de corrélation en
présence d'une information cartographique partielle et changeante (machines
changeant de nom, d'adresse, hébergeant plusieurs systèmes…). Un axe de
travail intéressant consiste à utiliser l'inférence pour compléter ou corriger
l'observation passive (proxy ayant l'apparence de serveurs multiples,
d'améliorer leur fiabilité. La corrélation d'alertes nécessite en particulier
des informations contextuelles sur le système d'information surveillé (dites
informations cartographiques). La cartographie inclut notamment les systèmes
d'exploitation et les applications hébergés par les hôtes, ainsi que leur rôle
dans le réseau. Ces informations permettent d'évaluer le niveau de
vulnérabilité réel des machines en cas d'attaque et de reconnaître les
configurations réputées pour engendrer des fausses alertes.
La collecte et la maintenance des données cartographiques est un problème
délicat. Nous nous sommes intéressés à une technique de collecte cartographique dite passive, combinée avec un système de corrélation d'alertes issues de
imprécision sur les versions de logiciels pouvant être contournée en considérant la cohérence entre logiciels…).
Une partie des travaux a été financée par France Télécom dans le cadre d’un
contrat de recherche externe.
L’équipe SSIR participe depuis janvier 2006 au projet RNRT ACES – Analyse
Contextuelle d'Evénements de Sécurité – avec France Télécom R&D,
Eurécom et neteXpose. L'objectif est d'utiliser les informations issues de la
cartographie passive, de journaux et de pots de miel pour corréler les alertes et
paramétrer les équipements de sécurité. L'étude doit conduire à la définition
d'une architecture, à la réalisation d'un prototype et à son évaluation.
sondes de détection d'intrusions réseau. Une base de vulnérabilités (OSVDB)
nous fournit le lien entre les signatures (par exemple destinées à snort) et les
configurations concernées (fig. 1).
Figure 1 : principe du renforcement de la pertinence des alertes
Plusieurs techniques peuvent être envisagées pour recueillir l'information sur
les configurations (cartographie) :
- la saisie manuelle ;
- l'exécution d'agents dans les postes de travail et serveurs ;
- la cartographie active, par exploration de l'espace d'adresses et
sollicitation des ports standard (exemple : outil nmap) ;
- la cartographie passive, recueillant l'information par simple écoute du trafic
réseau.
Nous avons choisi la cartographie passive pour son absence d'impact sur le
trafic, la cartographie active pouvant par ailleurs causer des dénis de service et
.....................................................................................................................................
[1] B. Morin : “Corrélations d'alertes issues d'outils de détection d'intrusion avec
prise en compte d'informations sur le système surveillé”, Thèse de l'Université de
Rennes I, février 2004.
117
7.3
Systèmes
d’information
hétérogènes
Heterogeneous
Information
Systems
Yolaine BOURDA
Marie-Aude AUFAURE
Nacéra BENNACER
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 80
[email protected]
[email protected]
Fabrice POPINEAU
Campus de Metz
Tél. : +33 [0]3 87 76 47 15
Sujet 4 / Topic 4:
Bich-Liên DOAN
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 73
Objectifs
Aims
Les systèmes d’information ne gèrent plus seulement des données de plus en plus nombreuses et
volumineuses mais aussi des connaissances formalisées. Ils doivent de plus s’adapter aux utilisateurs
et à leurs contextes d’utilisation. L’hétérogénéité,
tant syntaxique que structurelle ou sémantique, est
une conséquence de la distribution des ressources.
Le Web peut être vu comme un système d’information hétérogène particulier.
Il s’agit de proposer des modèles et des méthodes
capables de :
• traiter l’hétérogénéité présente à tous les
niveaux dans les systèmes d’information ;
• prendre en compte aussi bien des connaissances que des données ;
• permettre l’adaptation des systèmes aux
besoins contextualisés des utilisateurs.
More and more numerous and voluminous data but
also formalized knowledge. They must moreover
adapt themselves to users and their context of use.
Heterogeneity, as well syntactic as structural or
semantic, is a consequence of the distribution of the
resources. The Web can be seen as a specific heterogeneous information system.
Sujets
Topics
1. Modèles et méthodes pour l’adaptation
Modèles, méthodes et architectures permettant, à
la volée, l’adaptation du système à l’utilisateur
(profil et objectif) ainsi qu’au contexte d’utilisation.
Construction d’une plateforme générique pour le
développement d’applications adaptables. La
généricité est réalisée grâce à la programmation
logique et au calcul situationnel pour la partie exécution, et à l’utilisation de graphes conceptuels
pour la représentation des connaissances.
L’utilisation des standards du Web comme
format de représentation garantit interopérabilité
et réutilisation.
1. Models and methods for adaptation
Models, methods and architectures allowing, on the fly,
the adaptation of the system to the user (profile and
aims) and to the context. Creation of a generic platform
for the development of adaptive applications. The
genericity is achieved through logic programming and
2. Systèmes à base de connaissances
Construction semi-automatique d’ontologies.
Appariement et intégration d’ontologies.
Intégration de sources de données hétérogènes.
Application à différents domaines : « e-learning »,
tourisme, gestion de compétences.
3. Web sémantique
Composition semi-automatique de services Web à
partir de leur description. Fouille du Web.
Application des technologies du Web sémantique
aux intranets d’entreprise.
4. Recherche d’information
Nous nous intéressons à : modéliser, traiter et
interroger des corpus de documents
hétérogènes. Il s’agit de modéliser la structure
des documents (par exemple en explicitant leurs
liens), de combiner différentes fonctions d’indexation et de correspondance, et d’interroger
les bases d’index pour fournir les réponses les
plus pertinentes aux utilisateurs.
118
We develop models and methods able to:
• handle heterogeneity encountered at all levels in
information systems;
• consider as well data as knowledge;
• allow the adaptation of the systems to the
contextualized needs of the users.
situation calculus for the execution machine and
through conceptual graphs for knowledge representation. The use of Web standards for representation formalisms guarantees interoperability and reuse.
2. Knowledge-based systems
Semi-automatic construction of ontologies. Mapping
and merging of ontologies. Integration of heterogeneous
data sources.
Application to different domains: tourism, e-learning,
knowledge management.
3. Semantic Web
Semi-automatic composition of Web services using
semantic descriptions. Web mining. Application of
semantic Web technologies to corporate intranets and
extranets.
4. Information retrieval
We are interested in: modelling, processing and
querying of heterogeneous documents. Our work
consists in: modelling the structure of documents (i.e by
making their relationship explicit), combining various
indexing and matching functions, and querying the
indexes in order to provide the most relevant answers to
the users.
Systèmes d’information hétérogènes / Heterogeneous Information Systems
Extraction et Intégration d’Informations
Information Extraction and Integration
Abstract
Par Nacéra Bennacer
et Marie-Aude Aufaure
The increasing volume of data available on the Web makes information retrieval a tedious and difficult task. The vision of the Semantic
Web introduces the next generation of the Web by establishing a layer of machine-understandable data e.g. for software agents,
sophisticated search engines and Web services. The success of the Semantic Web crucially depends on the extraction, integration and use
of semantic data.
Métadonnées et Ontologies
la migration et de la fusion d’ontologies. Dans l’intégration, la mise en
correspondance des informations permet de traiter des requêtes à travers une
ontologie ou un schéma médiateur. Dans l’alignement, la mise en correspondance
permet d’établir un lien entre deux sources d’informations pour échanger
les informations d’une source à l’autre. Pour la migration, la mise en
correspondance permet de réconcilier les instances d’une source
donnée avec le schéma et les instances de la source cible. Pour la fusion, la
mise en correspondance permet de construire une ontologie ou un schéma
global unifiant toutes les informations des sources. Les travaux existant pour
établir les relations de mise en correspondance se focalisent à la fois sur les
aspects d’automatisation et de découverte de ces relations et aussi sur l’aspect
formalisation pour le raisonnement. Le point central aux approches visant
à l’automatisation est l’utilisation d’heuristiques permettant d’identifier des
similarités syntaxiques et structurelles. L’absence de structure commune, de
similarités syntaxiques et d’instances communes rend le problème de mise en
correspondance difficile et souvent basé sur de fortes hypothèses pas toujours
très réalistes. Le problème principal auquel est confronté le processus de mise
Le développement croissant du Web suscite le besoin de partage, d’interopérabilité et de mise à disposition de services sémantiques pour un panel de plus en
plus large d’utilisateurs. Ce besoin nécessite une infrastructure permettant à des
agents logiciels d’exploiter, de composer et raisonner sur les contenus des
ressources Web. Les ontologies jouent un rôle clé dans le domaine du Web
sémantique, dans l’intégration de systèmes d’information et dans la recherche
de l’information. Elles permettent de représenter un ensemble de concepts
formellement définis et acceptés par une communauté. Selon les domaines et
les besoins applicatifs, les ontologies seront plus ou moins riches, allant de simples métadonnées jusqu’à de véritables bases de connaissances. Elles constituent
la brique supportant les échanges et le partage des informations en étendant
l’interopérabilité syntaxique du web en une interopérabilité sémantique. Elles
permettent structuration sémantique des données et représentent une valeur
ajoutée pour leur manipulation, leur traitement et leur interrogation [1].
Extraction d’Informations
Le succès du web sémantique dépend de la construction des ontologies, de
leur déploiement et de leur prolifération. Le problème majeur concerne
en correspondance est lié à l’hétérogénéité sémantique introduite quand différents modèles sont construits avec différentes terminologies pour représenter
la même information dans les contextes relatifs aux différentes sources. D’autres
les coûts de cette construction pour un grand nombre d’ontologies de
domaines et d’applications. L’automatisation de cette construction semble
être une solution prometteuse et de nombreux travaux existent, impliquant
des domaines de recherche variés allant de l’intelligence artificielle et du
traitement de la langue naturelle, au domaine de l’ingénierie des connaissances. Le développement d’approches pour extraire des concepts du
domaine et leurs relations taxonomiques constitue un fragment et un point
crucial pour cette tâche lourde et complexe que représente la construction
d’ontologies. Le processus d’extraction nécessite un prétraitement principalement de sélection et de structuration de ces données complexes.
travaux se focalisent sur la définition de langages formels appropriés à la
représentation des relations de mise en correspondance disposant d'une sémantique claire, d’un haut pouvoir de description de concepts et de mécanismes
d’inférence.
Nos travaux référencés ci-dessous concernent l’extraction de connaissances en vue de la construction d’une ontologie à partir de pages Web.
Nous avons défini une approche unifiée, fondée sur un processus d’extraction guidé par le contexte structurel et linguistique de chaque terme [2,3].
Nos travaux sur l’intégration [4,5] se basent sur une approche formelle
permettant de décrire la sémantique des relations de mise en correspon-
Nombreux sont les travaux qui ont développé des méthodologies ou des
aspects d’automatisation pour la construction d’ontologies. Ils se différencient
essentiellement par : le degré de structuration des données (texte, XML,
DTD, HTML, BdDs, etc.) ; le vocabulaire utilisé qui peut être riche ou
restreint ; l’utilisation d’une connaissance a priori comme un thésaurus ou
une ontologie existante. L’extraction des connaissances repose sur des
approches radicalement différentes, les méthodes de fouille de données et
les méthodes linguistiques. Les méthodes de fouille de données opèrent
sur de larges corpus quelque soit leur domaine et obtiennent des classes de
termes en exploitant les connaissances lexicales et distributionnelles en
dance et de raisonner sur celles-ci en tenant compte de la spécificité et de
la complexité des informations spatio-temporelles.
.....................................................................................................................................
[1] M.A. Aufaure, B. Legrand, M. Soto, N. Bennacer, "Metadata- and OntologyBased Semantic Web Mining", in Web Semantics and Ontology, Idea Group Publishing,
chapter IX, pp 259, 2006.
[2] L. Karoui, M-A. Aufaure, N. Bennacer, "Ontology Discovery from Web Pages :
analysant l’importance des termes dans le corpus grâce à leur fréquence et
leurs co-occurrences. Les méthodes linguistiques se basent sur une analyse
plus syntaxique permettant ainsi de caractériser comment un mot est utilisé
et sont appliquées généralement à des corpus spécialisés comportant un
vocabulaire bien défini.
Application to Tourism", workshop on Knowledge Discovery and Ontologies, co-located
with ECML/PKDD, Italy, 2004.
[3] N. Bennacer, L. Karoui, “A framework for retrieving conceptual knowledge
from Web pages" Semantic Web Applications and Perspectives SWAP, Italy , 2005.
[4] A. Sotnykova, C. Vangenot, N. Cullot, N. Bennacer and M-A. Aufaure,
Intégration d’Informations
"Semantic Mappings in Description Logics for Database Schema Integration".
L’interopérabilité et l’intégration d’informations provenant de sources
hétérogènes deviennent incontournables vu le développement croissant du web
et la diversité des domaines. La mise en correspondance (mapping) de ces informations permet les échanges de manière sémantique. Cette mise en correspondance peut se situer au niveau sémantique et conceptuel ou au niveau des
instances et des données. Elle est au cœur de l’intégration, de l’alignement, de
Journal on Data Semantics, Springer LNCS, vol. 3534, 2005.
[5] N. Bennacer, M-A. Aufaure, N. Cullot, A. Sotnykova, C. Vangenot,
"Representing and Reasoning for Spatiotemporal Ontology Integration",
International Conference on Ontologies, DataBases, and Applications of Semantics for
Large Scale Information Systems (ODBASE). Volume 3292 of Lecture Notes in
Computer Sciences, Springer-Verlag, 2004.
119
7.4
Systèmes
distribués
et grilles
de calculs
Distributed
Systems and
Computing Grids
Objectifs
Aims
Les architectures distribuées sont devenues
courantes et bon marché avec les clusters de
PCs. De nombreux systèmes industriels sont
aujourd’hui bâtis sur des clusters, et des solutions
à base de « grilles » de calculs commencent à se
répandre.
Cependant, la programmation de ces systèmes
distribués reste complexe dès que l’application
nécessite des communications entre les nœuds
de calculs, ou dès qu’une tolérance aux pannes
est nécessaire pour garantir le respect de contraintes de temps. Les difficultés les plus
fréquemment rencontrées sont des problèmes
de choix et de conception d’architecture logicielle distribuée, d’algorithmique distribuée, et
d’analyse de performances parallèles.
Ces aspects du calcul distribué sont tous abordés dans les recherches présentées ici.
With PCs clusters, distributed architectures have
become increasingly commonplace and affordable.
Today, many industrial systems are built upon clusters, and computing grid-based solutions are gaining
more ground.
Programming such distributed systems, however,
remains complex when the application requires specific
communication between the computing nodes, or when
fault tolerance is needed in order to meet timeconstraint requirements.
Most common difficulties are issues related to the
choice and design of distributed software architectures, to distributed algorithmic, and to parallel performances analysis.
These aspects of distributed computing are dealt with
in the following research topics.
Sujets
1. Tolérance aux pannes dans les applications distribuées sur grilles
L’objectif est de concevoir des architectures logicielles distribuées et génériques qui soient
tolérantes aux pannes, avec de faibles surcoûts des
temps d’exécution en cas de pannes. Une collaboration entre le middleware et le niveau applicatif,
pour atteindre cet objectif, est particulièrement
explorée.
2. Calculs à grain fin sur architectures à
gros grain large échelle
De nombreux systèmes ont naturellement un
modèle de calcul à grain fin, comme les systèmes
physiques modélisés par des équations locales.
Mais la distribution efficace d’un système parallèle
à grain fin sur les machines parallèles modernes à
gros grain demande une architecture logicielle
particulière et très pointue.
Stéphane VIALLE
Campus de Metz
Tél. : +33 [0]3 87 76 47 20
Virginie GALTIER
Campus de Metz
Tél. : +33 [0]3 87 76 47 36
3. Calculs de risques avec contraintes
de temps sur clusters et grilles
Les institutions financières réalisent de très
nombreux calculs de risques, et doivent à coup
sûr disposer des résultats à temps pour prendre
des décisions (refuser ou conclure une transaction). Mais certains calculs de risques nécessitent
une re-conception algorithmique pour intégrer
une architecture distribuée tolérante aux
pannes.
4. Parallélisation et distribution de
traitements de signaux
Il s’agit de distribuer des traitements de flux de signaux. Mais la distribution des calculs est ici dépendante des contraintes de temps et de la localisation
des données (souvent produites là où se trouvent
les capteurs !).
120
Topics
1. Fault-tolerance design in grid-based
distributed applications
The objective here is to design fault-tolerant and generic
distributed software architectures with an executiontime overhead kept as low as possible in the case of fault
recovery. To this end, collaboration between the application layer and the middleware is investigated.
2. Fine-grained computing on large-scale
coarse-grained architectures
Numerous systems naturally follow a fine-grained
computing model, such as physical systems described by
local equations. Efficient distribution of a fine-grained
parallel system onto modern coarse-grained parallel
computers requires original and very precise software
architecture.
3. Time-constrained risk analysis on
clusters and grids
Financial institutions perform a large number of risk
computations and must invariably obtain results on
time for their decision-making process (e.g. to reject or
accept a transaction). Some risk computing algorithms
need to be re-designed in order to fit into a faulttolerant distributed architecture.
4. Parallel and distributed signal processing
The objective here is to distribute signals flows processing. Computation distribution is dependant on time
constraints as well as data location (often produced
where the sensors are located!).
Systèmes distribués et grilles de calculs / Distributed systems and computing grids
Conception d’une architecture
logicielle distribuée pour le calcul financier
Distributed Software Architecture
Design for Financial Computing
Abstract
Par Stéphane Vialle
et Virginie Galtier
PCs clusters are increasingly used to distribute industrial computations. In this context, where faults are likely to occur and time-constraint
requirements exist, the challenge is to design fault-tolerant and efficient distributed software architectures. Our generic design integrates
industrial standards: the server of a conventional, 3-tiers architecture is in fact the entry point to a hierarchy of sub-servers and workers distributed across a cluster and able to relocate in the event of fault detection. Introduction of on-demand distributed memory to allow for multiple programming paradigms, as well as collaboration between application layer and middleware to ensure better fault tolerance, are currently being investigated.
Nécessité de systèmes distribués fiables
de communications. Tous ces processus sont initialement installés sur des
processeurs différents et offrent des « services » démarrés à l’initialisation du
système. Ainsi les temps de déploiement sur l’architecture distribuée ne sont
Les clusters de PCs sont aujourd’hui couramment utilisés par l’industrie, et les
« Grilles » d’ordinateurs commencent à l’être également. Ces architectures
perceptibles qu’à l’initialisation du système.
apportent une grande puissance de calcul à un coût généralement plus faible
que les gros systèmes propriétaires homogènes (les « mainframes »). Mais en
contrepartie, les clusters et Grilles ont une fiabilité moindre et sont souvent
plus complexes à programmer efficacement.
Les applications industrielles nécessitant de la puissance de calcul s’orientent
donc naturellement vers les clusters, pour des raisons de coût et d’extensibilité
de l’architecture, mais doivent faire preuve de tolérance aux pannes. En effet,
plus l’architecture distribuée est conséquente, plus elle a de composants, et plus
le taux de pannes augmente. De plus, les applications industrielles sont
habituellement soumises à des contraintes de temps, et notamment les applications financières de calculs de risques : les résultats doivent être connus à temps
pour décider de conclure ou non une transaction. La conception de systèmes
distribués tolérants aux pannes et capables de se récupérer sur panne avec un
surcoût très limité, est donc un réel enjeu industriel.
Pour atteindre cet objectif nous étudions la conception d’architectures logi-
Figure 1 : Architecture distribuée générique, extensible et compatible
avec les standards industriels
cielles distribuées tolérantes aux pannes. Par le passé nous avons conçu une
grille de ressources tolérante aux pannes pour le contrôle de robots [1],
déployée à travers Internet en Europe. Actuellement, nous concevons une
architecture distribuée de calculs financiers large échelle, prenant en compte la
tolérance aux pannes à la fois au niveau applicatif et au niveau du middleware, et
établissant une coopération entre ces deux niveaux.
Cette recherche se fait en collaboration avec d’autres laboratoires, des institutions financières et des sociétés d’informatique pour la finance, dans le cadre du
projet ANR « Grilles de Calculs Pour les Mathématiques Financières ».
Pour faciliter la programmation d’algorithmes parallèles à couplage fort
(fréquentes communications entre processeurs, partage intensif des données)
nous travaillons à l’ajout de mémoires partagées virtuelles « à la demande » au
sein de groupes de processeurs voisins, afin de supporter plusieurs types de
paradigmes de programmation (partage de mémoire, envois de messages,
appel de procédures distantes), adaptés à des types d’algorithmes différents.
Enfin, la tolérance aux pannes est assurée par des mécanismes de détection
de pannes et de reconstitution des parties perdues de l’architecture sur de
nouveaux nœuds, ou en surcharge sur des nœuds peu utilisés. Une
meilleure collaboration des mécanismes applicatifs et du middleware est à
l’étude pour améliorer cette tolérance aux pannes.
.....................................................................................................................................
Architecture distribuée générique
Bien que conçue prioritairement pour les calculs financiers, nous souhaitons
rendre notre architecture logicielle à la fois générique, extensible et compatible avec les standards industriels. Dans une précédente étude avec d’autres
partenaires de l’informatique financière, nous avons identifié la nécessité de
mixer dans l’architecture distribuée les schémas habituels : « client-serveur »,
« architecture 3-tiers » et accès à des BdD [2]. Nous avons abouti à un schéma
3-tiers où le serveur de calcul est en fait le point d’entrée d’un système
distribué sur cluster ou sur Grille (figure 1).
Pour favoriser l’extensibilité de notre architecture distribuée, nous avons
adopté une structure hiérarchique : le « Server » contrôle des « Sub-servers »
qui contrôlent eux-mêmes de nombreux « Workers ». Les serveurs et
sous-serveurs coordonnent les « workers » mais réalisent peu de travail et
[1] S. Vialle, A. De Vivo, F. Sabatier, “A Grid Architecture for Comfortable Robot
Control”, European Grid Conference, Amsterdam, Feb. 2005. Published in LNCS, vol.
3470, Advances in Grid Computing.
[2] A. Defrance, S. Vialle and al., “A Generic Distributed Architecture for Business
Computations. Application to Financial Risk Analysis”, Second International Conference
on Distributed Frameworks for Multimedia applications, in collaboration with IEEE,
Penang, May 2006.
121
7.5
Fouille de
données
Data-mining
Objectifs
Aims
La fouille de données, ou data-mining, a pour
objectif de synthétiser les informations, de les
structurer et d’en trouver les modèles. Les
méthodes développées pour traiter et analyser
de façon systématique les connaissances peuvent avoir de nombreux objectifs :
• manipuler des données volumineuses ;
• extraire les données pertinentes ;
• regrouper les données similaires ;
• segmenter les données ;
• estimer des paramètres ;
• prédire des tendances…
Nous appliquons et développons des méthodes
qui répondent à ces objectifs.
Les données traitées peuvent être issues de
nombreux domaines : biologie, internet,
enquêtes, marketing, socio-économie...
La bio-informatique concerne l'application des
technologies de l'information à la gestion de
données biologiques. Les données biologiques
sont par exemple des données du protéome ou
The aim of data mining is to summarize information, to structure it, to find an underlying abstract
model. Methods developed to process and analyze
knowledge can have many goals, e.g.:
• Manipulate large amount of data;
• Extract relevant data;
• Group similar data;
• Segment data;
• Estimate parameters;
• Predict tendancies…
We apply and develop methods which reach these
goals. We can handle data related to various
domains: biology, chemistry, internet, studies, marketing, etc.
Bio-informatics can be considered as the application
of information technologies to biological data processing.
For example, data can be extracted from proteom or
transcriptom. The methods of data-mining can be
adapted to handle this kind of data and. In this context,
our goals are:
• to find some similarities and relations between
du transcriptome. Les méthodes de datamining peuvent être utilisées et adaptées pour
traiter ces données. Dans ce contexte, nos
objectifs sont :
• découvrir des similitudes, des relations entre
data;
• to deal with large volume of data or complex data;
• to design and structure knowledge.
ces données ;
• traiter de gros volumes de données ou des
données complexes ;
• modéliser, structurer des connaissances.
Géraldine POLAILLON
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 78
Sujet 3 / Topic 3:
Abolfazl FATHOLAHZADEH
Campus de Metz
Tél. : +33 [0]3 87 76 47 27
Sujet 4 / Topic 4:
Frédéric PENNERATH
Campus de Metz
Tél. : +33 [0]3 87 76 47 43
Sujets
Topics
1. Classification de données
Utilisation et développement de méthodes de
classification automatique.
Classification pyramidale. Classification conceptuelle par les treillis de Galois sur des données
complexes.
1. Clustering
Application and development of clustering methods.
Pyramidal clustering. Conceptual clustering by Galois
lattices to complex data.
2. Analyse de données biologiques
Développement d'algorithmes de classification et
d'analyse de données biologiques (transcriptome,
protéome, génome…).
3. AID (Analyse Intelligente de Données)
et traitement du langage naturel
Text mining.
Traitement de requêtes floues.
Utilisation combinée d’automates et de techniques
d’apprentissage.
4. Méthodes de fouille de données
modélisables par des graphes
Mise au point d'outils et d'algorithmes pour la
fouille rapide de graphes. Adaptation des méthodes d'apprentissage au cas de données de type
graphe. Indexation et organisation de base de données de graphes.
122
2. Biological Datamining
Development of clustering algorithms and biological
data analysis (transcriptome, proteomic, genomic…).
3. IDA (Intelligent Data Analysis)
Text data mining.
Fuzzy queries processing.
Combining automata and machine learning.
4. Graph-based data mining
Design of algorithms and software tools for fast graph
mining. Adaptation of machine learning methods to
graphs. Indexation and organization of graph databases.
Fouille de données / Data-Mining
Fouille de données et apprentissage
sur des données complexes de type graphe
Graph-based data-mining and machine learning
Abstract
Par Frédéric Pennerath
Data-mining is at the junction of statistics and computer sciences. It consists in designing fast and scalable algorithms to extract non trivial
statistical rules from very large datasets. If the initial data-mining methods have only processed Boolean data in individuals x attributes arrays,
extensions such as graph-based data-mining have been proposed to process more sophisticated data, especially graphs, trees, sequences or any
other peculiar family of graphs. Applications are numerous since graphs and trees are so central in information modelling and computer
sciences. Our contribution is about enhancing, unifying, extending and applying graph-based data-mining through the software platform
called Forage.
La fouille de données complexes de type graphes
différences, détecter les évolutions ou les exceptions ...
A côté de ces applications intrinsèques à l’informatique, on dénombre
également des applications insoupçonnées par exemple dans les sciences
avec l’analyse des graphes moléculaires et des réactions en chimie
organique (cf. figure 1), dans le domaine de l’industrialisation de certains
produits, ou potentiellement en reconnaissance des formes avec l’analyse
de bases d’images modélisables par des graphes.
La fouille de données est une discipline scientifique au carrefour des statistiques
et de l’informatique. Son objectif est de concevoir des algorithmes performants
capables d’extraire de l’information à partir de très grands volumes de données et de la résumer au sein d’un modèle statistique adapté. La fouille de
données s’intègre dans un processus plus large d’extraction de connaissances
où l’être humain, sous la figure d’un expert, joue un rôle essentiel dans l’interprétation des régularités statistiques mises en évidence par l’outil de fouille
de données.
Contribution
A l’heure actuelle très peu d’outils de fouille de graphes comme gspan [2]
sont disponibles alors qu’un besoin réel existe que ce soit pour satisfaire
des applications existantes ou nouvelles. Par ailleurs les quelques implémentations disponibles sont extrêmement rigides et ne permettent pas de
les adapter facilement à un nouveau problème de fouille de données complexes. Enfin leur gain de rapidité se fait souvent au détriment de leur
robustesse et de la quantité de données pouvant être traitée. Nous
développons une plateforme logicielle baptisée Forage qui devrait apporter
plusieurs innovations substantielles outre de nouvelles applications
intéressantes. D’une part elle s’inspire et complète les meilleurs des algorithmes théoriques de fouille de graphes afin d’offrir des performances
optimales. Elle fournit un outil de fouille de graphes opérant au sein d’un
formalisme plus général qui unifie la fouille de données booléennes à celles
des graphes, des arbres et des séquences et de nombreuses variétés comme
Si les premiers algorithmes de fouille de données symbolique se sont
restreints au traitement de matrices individus x attributs dont les coefficients étaient booléens, le cadre trop restrictif de ces données aidé par des
moyens de calcul toujours plus puissants a récemment motivé l’étude de
données dont le traitement est plus délicat. Parmi ces types de données
dites complexes, la famille des graphes ainsi que ses sous-familles caractéristiques telles que les arbres, les séquences et toutes leurs déclinaisons
sont l’objet de travaux de recherche regroupés sous le terme de fouille de
graphes ou graph-based data-mining [1].
les cartes topologiques. Elle ne se limite pas au seul problème de fouille de
données mais étend son domaine d’application à l’apprentissage par ordinateur
et à la reconnaissance des formes. Enfin la recherche de performance intègrera
à terme la notion d’extensibilité et de gestion des ressources (en particulier de
mémoire vive) et non plus seulement le temps brut d’exécution. Ce dernier
aspect est essentiel face à des problèmes de complexité exponentielle qui
peuvent aisément mettre hors d’usage des algorithmes pourtant très rapides
sur le papier.
Une première version de la plateforme Forage devrait aboutir au cours de
Figure 1 : Fouille de graphes dans le cas de réactions chimiques
Perspectives d’applications
l’année 2006. Des tests préliminaires prouvent que Forage peut prétendre aux
meilleurs niveaux de performance et devrait pouvoir traiter jusqu’à quelques
millions de graphes sur une station de travail actuelle, ce qui constituerait un
record. Elle sera ensuite exploitée dans le cadre d’un problème d’extraction de
connaissance à partir de bases de réactions en chimie organique [3].
Les séquences, arbres et graphes présentent non seulement un intérêt
théorique fondamental mais aussi et surtout un intérêt pratique dans de
nombreuses applications tant ces types de données jouent un rôle central
dans la représentation informatique de l’information. Ainsi on retrouve les
séquences dans l’analyse de chroniques d’événements (ou logs), appliquée
par exemple à la détection d’intrusion ou à l’analyse de dysfonctionnements. Les arbres forment quant à eux le squelette des langages informatiques et des documents semi-structurés comme ceux de l’Internet à
l’aide des langages comme XML et HTML. Enfin les graphes au sens large
sous-tendent l’organisation en réseau de l’information et de la connaissance, notamment à travers les bases de données objet ou relationnelles ou
encore les bases de documents RDF du Web sémantique. Dans tout ces
exemples la fouille de graphes est en mesure de fournir une aide considérable
pour analyser puis indexer intelligemment l’information, caractériser les
.....................................................................................................................................
[1] T. Washio and H. Motoda (2003), “State of the art of graph-based data mining”,
ACM SIGKDD Exploration Newsletter 5, 1 (Jul. 2003), p.59-68.
[2] X. Yan and J. Han (2002). Gspan, “Graph-based substructure pattern mining” IEEE
International Conference on Data Mining, p. 721.
[3] F. Pennerath et A. Napoli (2006),”La fouille de graphes dans les bases de données
réactionnelles au service de la synthèse en chimie organique” EGC 2006, p.517-528.
123
7.6
Méthodes
d’évaluation
de
performances
Performance
evaluation
methods
Joanna TOMASIK
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 79
Sujet 4 / Topic 4:
Mohamad ASSAAD
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 43
Objectifs
Aims
L’évaluation de performances est consacrée à
l’analyse de l’efficacité des systèmes qui traitent
de flots de clients. Ces systèmes sont très utiles
pour étudier les réseaux (de télécommunication, ferroviaires, routiers, etc.) mais aussi des
machines effectuant un traitement complexe de
tâches, etc.
Nous voulons savoir quelles sont les performances
du système, par exemple quel est le taux de congestion, quel sous-système est un goulot d’étranglement provoquant le ralentissement du système global, etc.
Pour répondre à de telles questions, nous modélisons les systèmes à étudier. Nous utilisons
différents concepts et outils comme la théorie
des files d’attente. Il existe un éventail de méthodes
analytiques et empiriques (simulations) qui, en
trouvant la solution du modèle, donnent des
informations sur l’efficacité du système. Les
spécificités des systèmes modernes nécessitent
des traitements spécifiques des modèles. De
Performance evaluation is dedicated to analysing the
efficiency of systems treating customer flows. Such
systems are broadly used to study networks such as
those of telecommunications, railways, and roads.
They are also applied to study machines processing
complex jobs, etc.
We want to know what the performance of a system
is, for example what is a congestion rate in the system, which sub-system is a bottle-neck slowing down
of the global system etc.
To answer these questions, we model systems to be
studied. In order to model them we use different concepts and tools such as the queueing theory. There is
a wide range of analytic methods (Markov chains)
and empirical ones (simulations) which, by finding
the solution to the model, offer information about
the system performance. Specificity of modern technological systems requires a customised treatment of
their chosen models and new solution methods have
to be proposed.
nouvelles méthodes de résolution doivent donc
être proposées.
En disposant d’un modèle nous pouvons étudier
le comportement du système enrichi de nouvelles
propriétés. Cette approche est particulièrement
Having a model at our disposal, we study the behaviour
of the system expanded with new properties. This
approach is particularly interesting to test the
behaviour of a telecommunication network into
which new control mechanisms or new protocols have
intéressante pour tester le comportement d’un
réseau de télécommunication après y avoir
introduit de nouveaux mécanismes de contrôle
ou de nouveaux protocoles. Elle permet
d’analyser un système qui n’existe pas encore et
de raccourcir la phase de test du prototype.
been introduced. It allows one to analyse a system
which does not yet exist and to shorten a phase of
prototype tests.
Sujets
Topics
1. Algorithmes distribués pour le routage
multi-contraintes satisfaisant la qualité de
service dans un réseau inter-domaine
Algorithmes de réservation multi-contraintes
dans un environnement BGP. Algorithmes de
détection de congestion dans ce réseau.
Validation par simulation.
1. Distributed algorithms for multiconstraint routing satisfying Quality of
Service in an inter-domain network
Algorithms for multi-constraint reservation in a BGP
environment. Algorithms for congestion detection in
the same environment. Validation by simulation.
2. Analyse de trafic dans la fibre optique
Détection de besoins des applications. Analyse du
trafic qu’elles génèrent. L’influence de la politique
de remplissage de la fibre sur son utilisation.
3. Méthodes décompositionnelles pour
les files d’attente
Matrices de Markov. Réseaux d’automates stochastiques. Algèbre de processus pour l’évaluation
de performances.
4. Performance et QoS des services IP
multimédia dans les réseaux sans fil
UMTS, HSDPA, WiMAX, Interaction entre
TCP et lien sans fil, algorithmes d’ordonnancement, analyse du trafic dans les réseaux wireless
(QoS, délai, gigue).
124
2. Traffic analysis in a fibre
Detection of application requirements. Analysis of
traffic generated by applications. Study of fibre filling
policy upon its utilisation.
3. Decompositional methods for queueing
models
Construction of Markov matrices. Stochastic automata
networks. Performance evaluation process algebra.
4. Performance and QoS of IP multimedia
services in wireless networks
UMTS, HSDPA, WiMAX, interaction between
TCP and wireless link, scheduling study, Streaming
traffic analysis in wireless system (QoS, delay, jitter).
Méthodes d’évaluation de performance / Performance evaluation methods
Un algorithme distribué de provision
de ressources dans un réseau inter-domaine
A distributed algorithm for inter-domain
resources provisioning
Abstract
Par Joanna Tomasik
et Marc-Antoine Weisser
The introduction of QoS guarantees from peer to peer in the Internet requires a mechanism for finding paths in the inter-domain
network. This mechanism has to be distributed, support classical constraints (delay, bandwidth, jitter, loss rate, etc.) and be able to
find multi-constraint paths. The second problem is hard even if global information concerning the resources available in the network
is known, which is impossible in the Internet. We propose a solution alternative to RSVP and better adapted for fulfilling the QoS
requirements. It is heuristic and it makes decisions according to routing tables stored in border routers. The obtained simulation
results have shown that its performance is very satisfactory.
Le routage inter-domaine avec la QoS
exige au plus un passage par lien. Deux autres modifications imposent que
le choix du domaine suivant pour une sonde est fait parmi les domaines qui
rapprochent de la destination. Nos résultats de simulations de nos
algorithmes ont été comparés avec ceux donnés par l’algorithme hypothétique
Internet utilise le protocole IP. Le routage entre les sous-réseaux indépendants
(domaines) est assuré par BGP (Border Gateway Protocol). À l’époque où ces deux
protocoles ont été conçus, il n’y avait pas de nécessité d’assurer la QoS (Quality
of Service). De nouvelles applications comme la Voix sur IP, vidéoconférences,
etc. exigent que le réseau fournisse des garanties de qualité de transmission. Ces
garanties peuvent être assurées par une réservation de ressources de réseau
bout-en-bout selon des critères multiples.
Le protocole de réservation existant, RSVP (ReSerVation Protocol), a été proposé
pour un seul domaine et il ne permet pas le passage à l’échelle de l’interdomaine faute de mécanismes d’agrégation de flots. Il tient uniquement
compte de deux paramètres de la QoS (délai, bande passante). Le problème
shortest path. Nous avons étudié leurs comportements pour des séries de
1 0000 requêtes. Chaque requête demande certaines quantités de
ressources dont les valeurs sont choisies aléatoirement par un processus de
simulation. L’efficacité du routage est jugée par le nombre de requêtes acceptées.
d’établir une route satisfaisant plus de deux contraintes étant un problème NPcomplet, nous optons donc pour un algorithme aléatoire. Notre protocole se
caractérise par les propriétés suivantes : il est distribué et indépendant de BGP,
il doit fonctionner sans avoir une information globale sur l’état du réseau, son
installation est incrémentale, il doit travailler avec les contraintes additives, multiplicatives et convexes et enfin il doit travailler en temps polynomial.
Algorithme de provision de ressources proposé
Notre algorithme [1] est basé sur des envois de messages-sondes. Une sonde
part du domaine de l’émetteur et elle passe d’un domaine à l’autre en
demandant la réservation jusqu’au domaine destinataire. Si la sonde atteint
son objectif, le message de confirmation envoyé dans le sens envers validera
la route établie. Si la sonde ne reçoit pas de réponse satisfaisante pour la
réservation de la part d’un domaine demandé, elle recule d’un pas et elle
réessaie de faire aléatoirement un autre choix d’un domaine voisin. La sonde
ne revisite pas de domaines déjà visités. La longueur de la route est limitée
et si la sonde la dépasse, elle cesse son activité et un message d’annulation de
réservation est envoyé à l’émetteur.
Le non-déterminisme de notre algorithme est introduit par le tirage aléatoire
effectué pour choisir un domaine successif du parcours d’une sonde. Le nondéterminisme observé est de type Las Vegas, ce qui signifie que l’algorithme
peut ne pas trouver la route bien qu’elle existe mais sa réponse est toujours
correcte s’il la trouve.
Figure 1 : La différence entre les nombres de requêtes de réservation
(délai, bande passante) acceptées par une des mutations de l’algorithme
proposé et par l’algorithme « théorique » shortest path pour un réseau
de 20 domaines
La Figure 1 présente une étude concernant deux paramètres de la QoS : le
délai et la bande passante. Un de nos algorithmes est confronté à l’algorithme théorique shortest path.
Les algorithmes proposés donnent des résultats très satisfaisants pour la
réservation avec des contraints multiples. Ils fonctionnent toujours bien
avec une seule contrainte. Leur efficacité est particulièrement visible dans
le cas de contraintes très fortes.
.....................................................................................................................................
Validation de l’algorithme
Puisque l’algorithme proposé est heuristique, nous l’avons validé par des
simulations (le simulateur écrit en OCaml). Les topologies de réseaux de
domaines ont été générées par le logiciel BRITE. Ensuite, elles ont été
dotées des paramètres tels que des délais de passage par un domaine, des
capacités de liens, etc., et ce d’une manière aléatoire. Nous proposons aussi
des extensions de l’algorithme de base [2]. La première mutation relâche
l’interdiction de passer plus qu’une fois par le même domaine mais elle
[1] M.-A. Weisser, J. Tomasik, “A distributed algorithm for resources provisioning in
networks”, EuroNGI Workshop on QoS and Traffic Control, Paris, France, décembre
2005.
[2] M.-A. Weisser, J. Tomasik, “A distributed algorithm for inter-domain resources
provisioning”, 2nd Conference on Next Generation Internet Design and Engineering,
València, Espagne, 3-5 avril 2006.
125
Mots clés / Keywords
Thèmes
10 Gigabit Ethernet
40 Gb/s
Accès multiple
Actionneurs
Actionneurs électriques
Aérosols
AFM conducteur
Algorithmes de
transformation d'ondes
Analyse des systèmes
à grande dimension
Antennes conformes
Antennes lacunaires
Antennes relais
Arc électrique
Architecture logicielle
Architecture Reconfigurable
ASIC
Assistance au pilotage
Banc de filtres hybrides
Biochimie/biotechnologies
Bio-informatique
Calcul de risque financier
Calcul parallèle
CAO, CND, diagnostic
Capteurs de champ
Capteurs pour l’imagerie
infrarouge
Caractérisation diélectrique
Caractérisation micro-ondes
Cellules photovoltaïques
Chambres réverbérantes
Champs électromagnétiques
Circuits intégrés
Claquage diélectrique
Classification de données
Codage arithmétique
Codage de canal
Codage source
canal conjoint
Codes orthogonaux
Commande
Commande à gains séquencés
Commande en électronique
de puissance
Commande H-infini
Commande prédictive
Communications numériques
Compatibilité
électromagnétique
Complexité
Composants électro optiques
Compression
10 Gigabit Ethernet
40 Gb/s
Multiple access
Actuators
Electrical drives
Aerosols
Conducting probe AFM
Wave transformation
algorithms
Large system analysis
6.5
6.5
5.3
2.3
2.3
2.6
2.5
3.1
Conformal antennas
Lacunar Antennas
Base station antennas
Arc discharge
Distributed architecture
Reconfigurable architecture
ASIC
Driving assistance
Hybrid filter bank
Biochemistry
Bio-informatics
Financial data processing
Parallel programming
Computer aide design,
non destructive testing,
diagnosis
3.7
4.3
3.5
2.5
7.4
6.2
6.2
1.1
5.6
2.6
7.5
7.4
7.4
2.4
Field sensors
Infrared image sensors
3.1
6.4
5.1
Dielectric characterization
3.4
Microwave measurements
3.6
Photovoltaic cells
6.3
Reverberating chambers
3.2
Electromagnetic fields
2.3
Integrated circuits
6.1 ; 6.2
Dielectric breakdown
2.7
Data clustering
7.5
Arithmetic coding
5.5
Channel coding
5.1
Joint source and
5.5
channel coding
Orthogonal codes
3.4
Automatic control
1.4
Gain-scheduled control
1.1
Power electronics control
1.3
H-infinity control
Predictive control
Digital communication
Electromagnetic
compatibiliy
Complexity
Electrooptic Devices
Compression
1.1
1.2 ; 1.3
6.2
2.4 ; 3.2
1.3
6.7
4.3
Thèmes
Conception
Conception logicielle
des systèmes enfouis
Conception par objet
Design
Software embedded
system design
Object oriented design
2.3
7.1
Contacts
Constraints
Computation time
Site security
monitoring
Industrial control
Nondestructive testing
Analog Digital
Converter
Optical Frequency
Conversion
Converters
Analog to digital
converter
Epitaxial Growth
Cryptography
Specific Absorption Rate
2.5
1.2
7.4
7.2
Contraintes
Contraintes temporelles
Contrôle de la sécurité ;
détection d’intrusions
Contrôle industriel
Contrôle non destructif
Conversion
analogique-numérique
Conversion de fréquence
optique
Convertisseurs
Convertisseurs
Croissance par épitaxie
Cryptographie
Débit d'Absorption
Spécifique
Décharge électrique
Décharge partielle
Décodage source
canal conjoint
Déconnexion
Déconvolution
Défaut d'isolement
Défauts
Dépollution
Détecteurs en ondes
submillimétriques
Détection /
contrôle non destructif
Détection d’intrusions
Détection de cible
Détection d'objets enfouis
Détection foudre
Diffusion électromagnétique
Dispositifs et circuits
accordables
Dispositifs microondes
supraconducteurs
Distribution électrique
Dosimétrie
électromagnétique
Dynamique
Echantillonnage adaptatif
Echantillonnage aléatoire
Echantillonnage
avec pertes
Égalisation
Egaliseur
E-learning
Electricité
Electronique de puissance
Electrostatique
7.1
1.3
3.3
5.6
6.7
2.2
6.1
6.7
6.8
3.5
Gas discharges
2.6 ; 2.7
Partial discharges
2.7
Joint source
5.5
and channel decoding
Circuit breakers
2.5
Deconvolution
4.4
Insulation defects
2.7
Faults
2.1
Pollution control
2.6
Submillimeter
6.4
wave detectors
Detection /
2.7
non destructive diagnostic
Intrusion detection
7.2
Object detection
3.8
Buried object detection
3.3
Lightning detection
2.1
Electromagnetic scattering
3.8
Tunable circuits
6.4
and devices
Superconducting
6.4
microwave devices
Electrical distribution
2.1
Electromagnetic
3.1 ; 3.5
dosimetry
Dynamics
6.8
Adaptive Sampling
4.3
Irregular Sampling
4.3
Missing Observations
4.3
Equalization
Equalizer
E-learning
Electricity
Power electronics
Electrostatics
126
5.2
5.4
7.3
2.1
2.2
2.7
Thèmes
Energie éolienne
Equations différentielles
stochastiques
Estimateur
Estimation
Estimation de canal
Evaluation de performance
Evaluation géophysique
Exposition aux rayonnements
électromagnétiques
Extraction de la connaissance
Films supraconducteurs
Filtres actifs
Foudre
Fouille de données
FPGA
Fusion de données
Génie logiciel
Gestion de l'énergie
Gestion de systèmes
énergétiques
Gestion des forêts
Guide optique
en couches minces
Harmoniques
Hétérojonctions
Homogénéisation
Identification
Imagerie électromagnétique
et acoustique
Imagerie micro-onde
Imagerie temps réel
Imagerie terahertz
Incertitude
Informatique distribuée
Ingénierie de la connaissance
Injection de charge
Intégration d’ontologies
Intelligence Artificielle
Interconnexions Optiques
Interfaces homme-machine
Lasers à semiconducteurs
Localisation de défauts
Longueur variable
Lubrification
Machine-outil
Machines à courant alternative
ou à courant continu
Marché de l’électricité
Matériaux actifs
Matériaux anisotropes
Matériaux chiraux
Matériaux diélectriques
Matériaux optiques
Wind energy
1.4
Stochastic Differential
4.2
Equations
Estimators
2.3
Estimation
1.4 ; 1.5
Channel estimation
5.2
7.6
Geophysical inverse problems 3.3
Exposure to electromagnetic 3.1
radiations
Knowledge discovery
7.3
Superconducting films
6.4
Active filters
2.2
Lightning
2.1
Datamining
7.5
FPGA
6.2
Data fusion
4.4
Software engineering
7.1
Energy management
1.3
Energy
1.4
management
Forestry
3.8
Thin film
6.7
waveguides
Harmonics
2.1
Semiconductor heterojunctions 6.3
Homogenization
3.6
Identification
1.4
Electromagnetic and
3.3
acoustical imaging
Microwave imaging
3.4
Real time imaging
3.4
Infrared imaging
6.4
Uncertainty
1.3
Distributed computing
7.4
Knowledge engineering
7.3
Charge injection
2.7
Ontologies mapping and merging 7.3
Artificial intelligence
4.5
Optical interconnections
6.6
User interfaces
4.5
Semiconductor Lasers
6.5 ; 6.8
Fault localization
2.1
Variable-length
5.4
Lubrication
2.5
Machine-tool
1.2
AC and DC
2.3
Machines
Electricity market
2.1
Smart materials
2.4
Anisotropic materials
3.6
Chiral materials
3.6
Dielectric materials
3.6
Opticals Materials
6.7
Mots clés / Keywords
Thèmes
MC-CDMA
Mécatronique
Mesure de capacité
Mesure de champ
Mesures sur matériaux
supraconducteurs
Métamatériaux
Méthode à haute résolution
Méthode de diffusion
modulée
Méthodes à noyaux
reproduisants
Microscopie à force
atomique AFM
Microsystèmes
Milieux composites
MIMO
Modélisation
Modélisation
électromagnétique
Modulation sigma delta
Multimédia
Multiplexage en
longueur d’onde
Multiutilisateur
Nanocontacts
Nanotechnologies
Non linéarités
Observateurs
OFDM
OFDMA
Optimisation
Optimisation
multiparamétrique
Optique autoadaptative
Optique non linéaire
Optique statistique
Ordre optimal d’un modèle
Performance de réseaux
de télécommunication
Perturbations
induites et rayonnées
MC-CDMA
5.3
Mechatronics
1.2
Capacitance measurement
6.3
Field measurements
3.5
Superconducting
6.4
materials measurements
Metamaterials
3.6
High resolution method
4.3
Modulated scattering
3.4
technique
Kernel-based
4.2
Regularized Regression
Atomic force
2.5
microscopy AFM
Microsystems
6.1
Composite media
3.6
MIMO
5.2
Modelling 1.4 ; 1.5 ; 2.2 ; 3.8 ; 7.6
Electromagnetic
2.3
modelling
Sigma delta modulation
5.6
Multimedia
6.2
Wavelength
6.5
Division Multiplexing
Multiuser
5.2
Nanocontacts
2.5
Nanotechnology
6.4
Non linearities
5.2
Observers
2.3
OFDM
5.2
OFDMA
5.3
Optimisation
1.4
Multiparametric
1.2
optimization
Optical self focusing
6.6
Non linear optics 6.6 ; 6.7 ; 6.8
Photon statistics
4.1
Reduced Order Systems
4.2
Computer network
7.6
performance
Induced and radiated
3.2
electromagnetic perturbations
Phénomènes d'interface
Pile à combustible
Planification d’expériences
Polarisation
Pollution électromagnétique
conduite
Problèmes inverses
Procédés plasma
pour les matériaux
Processus de Marvov
Processus diffusifs
par morceaux
Processus ponctuels
Propagation d’incertitudes
Interface phenomena
6.3
Fuel cells
1.4
Optimum Design
4.2
Polarization
6.8
Electromagnetic
2.3
interference
Inverse problems
3.3, 4.2, 4.4
Plasma materialsapplications 2.6
processing
Markov processes
7.6
Piecewise4.2
Diffusion Processes
Point processes
4.1
Error analysis
4.2
Thèmes
Protection foudre
Qualité de l’énergie
Qualité de service
Radar à balayage
électronique
Radar à synthèse
d'ouverture
Radar HF
Radio intelligente
Radio logicielle
Radiocommunications
Reconfigurable
Reconfiguration partielle
Reconnaissance de Formes
Régularisation
Relais
Représentation des
connaissances
Représentation des signaux
Réseaux ad-hoc
Réseaux de capteurs
Réseau de chauffage
urbain
Réseaux de neurones
cellulaires
Réseaux de sondes
Résistance de contact
Résolution radar
Robustesse
Robustification
Routage inter-domaines
Routage optique
Sécurité des transactions
et tatouage
Sécurité informatique
Séparation de sources
Séries chronologiques
Silicium
Simulation
Solitons
Statistiques
Statistiques bayésiennes
Stéganographie
Sûreté
Sûreté de fonctionnement
Synchronisation
Systèmes à antennes
multiples MIMO
Systèmes adaptatifs
Systèmes de motorisation
Systèmes
de positionnement
Systèmes de puissance
Lightning protection
Power quality
Quality of Service
Phased array radar
2.1
2.1
7.6
3.7
Synthetic aperture radar
3.8
HF radar
Cognitive radio
Software radio
Reconfigurable
Partial reconfiguration
Pattern recognition
Regularization
Relaying
Knowledge
representation
Signal representations
Ad-hoc networks
Power networks
Sensor networks
District heating networks
3.7
5.4
6.2
5.3
5.4
6.2
4.5
4.4
2.1
7.3
Cellular neural networks
4.5
Probe arrays
Contact resistance
Radar resolution
Robustness
Robustification
Inter-domain routing
Optical routing
Watermarking
and security
Computer security
Sources separation
Time series
Silicon
Simulation
Solitons
Statistics
Bayesian statistics
Steganography
Safety
Dependability
of software system
Synchronization
MIMO
systems
Adaptive systems
Motor drives
Positioning systems
3.1
2.5
3.7
1.1
1.2
7.6
6.6
5.5
Power systems
127
4.1
5.3
2.1
5.3
1.4
7.2
4.4
4.1
6.3
7.6
6.6
4.6
4.4
5.5
1.3
7.1
5.1 ; 5.2
5.1
7.3
2.3
1.4
2.3
Thèmes
de puissance
Systèmes hybrides
Systèmes logiciels
hétérogènes
Systèmes mécaniques
Systèmes multistandards
Tatouage de signaux
audiovisuels
Taux d’Erreurs Binaires
Télédétection
Téléphones portables
Text mining
Théorie de la prédiction
Théorie de l'information
Théorie de l'information
pour les réseaux
Tolérance aux pannes
Tomographie
électromagnétique
Traitement adaptatif
du signal
Traitement d'antennes
Traitement de la parole
Traitement de signal
acoustique
Traitement d'image
Traitement du signal vidéo
Transformateurs
Transmission robuste
de vidéo
Transmissions optiques
Transport
UWB
Validation formelle
VCSEL
Vulnérabilité des systèmes
complexes
Web sémantique
Electrical
1.7
power systems
Hybrid systems
1.2 ; 1.6, 1.4
Heterogeneous
7.1
software system
Machinical systems
1.7
Multistandard systems
5.3
Nonlinear systems
1.6
Watermarking
5.5
algorithms
Bit Error Rate
6.5
Remote sensing
3.3
Mobile phones
3.5
Text mining
7.5
Prediction theory
4.1
Information theory
4.6
Network Information
5.1
Theory
Fault tolerance
7.4
Electromagnetic
3.4
tomography
Adaptive signal processing
4.1
Array signal processing
4.1
Speech processing
4.5 ; 4.6
Acoustic signal processing
4.6
Image processing
4.6
Video signal processing
4.5, 4.6
Transformers
2.2
Robust transmission of video 5.5
Optical transmission
Transmission
UWB
Formal proofs
VCSEL
Vulnerability of complex
systems
Semantic Web
6.5
2.1
5.3
7.1
6.5
3.2
7.3
Keywords / Mots clés
Thèmes
10 Gigabit Ethernet
40 Gb/s
Acoustic signal processing
Active filters
Actuators
AC and DC
Machines
Adaptive Sampling
Adaptive signal processing
Adaptive systems
Ad-hoc networks
Aerosols
Analog Digital
Converter
Analog to digital
converter
Anisotropic materials
Arc discharge
Arithmetic coding
Artificial intelligence
Array signal processing
ASIC
Atomic force
microscopy AFM
Automatic control
Base station antennas
Bayesian statistics
Biochemistry
Bio-informatics
Bit Error Rate
Buried object detection
Capacitance measurement
Cellular neural networks
Channel coding
Channel estimation
Charge injection
Chiral materials
Circuit breakers
Cognitive radio
Complexity
Composite media
Compression
Computation time
Computer aide design,
non destructive testing,
diagnosis
Computer network
performance
Computer security
Conducting probe AFM
Conformal antennas
Constraints
10 Gigabit Ethernet
6.5
40 Gb/s
6.5
Traitement de signal
4.6
acoustique
Filtres actifs
2.2
Actionneurs
2.3
Machines à courant alternative 2.3
ou à courant continu
Echantillonnage adaptatif 4.3
Traitement adaptatif
4.1
du signal
Systèmes adaptatifs
7.3
Réseaux ad-hoc
5.3
Aérosols
2.6
Conversion
5.6
Convertisseurs
6.1
Matériaux anisotropes
3.6
Arc électrique
2.5
Codage arithmétique
5.5
Intelligence Artificielle
4.5
Traitement d'antennes
4.1
ASIC
6.2
Microscopie à force
2.5
atomique AFM
Commande
1.4
Antennes relais
3.5
Statistiques bayésiennes
4.4
Biochimie/biotechnologies 2.6
Bio-informatique
7.5
Taux d’Erreurs Binaires
6.5
Détection d'objets enfouis 3.3
Mesure de capacité
6.3
Réseaux de neurones
4.5
cellulaires
Codage de canal
5.1
Estimation de canal
5.2
Injection de charge
2.7
Matériaux chiraux
3.6
Déconnexion
2.5
Radio intelligente
5.4
Complexité
1.3
Milieux composites
3.6
Compression
4.3
Contraintes temporelles
7.4
CAO, CND, diagnostic
2.4
Performance de réseaux
de télécommunication
Sécurité informatique
AFM conducteur
Antennes conformes
Contraintes
7.6
7.2
2.5
3.7
1.2
Thèmes
Contacts
Contact resistance
Converters
Cryptography
Data clustering
Data fusion
Datamining
Deconvolution
Design
Dependability
of software system
Detection /
non destructive diagnostic
Dielectric breakdown
Dielectric characterization
Dielectric materials
Digital communication
Distributed architecture
Distributed computing
District heating networks
Driving assistance
Dynamics
Electrical distribution
Electrical drives
Electrical
power systems
Electricity
Electricity market
Electromagnetic and
acoustical imaging
Electromagnetic
compatibiliy
Electromagnetic
dosimetry
Electromagnetic fields
Electromagnetic
interference
Electromagnetic
modelling
Electromagnetic scattering
Electromagnetic
tomography
Electrostatics
Electrooptic Devices
Energy management
Epitaxial Growth
Equalization
Equalizer
Error analysis
Estimators
Estimation
Exposure to electromagnetic
radiations
E-learning
Faults
Fault localization
Résistance de contact
Convertisseurs
Cryptographie
Classification de données
Fusion de données
Fouille de données
Déconvolution
Conception
Sûreté de fonctionnement
2.5
2.5
2.2
6.8
7.5
4.4
7.5
4.4
2.3
7.1
Détection /
2.7
contrôle non destructif
Claquage diélectrique
2.7
Caractérisation diélectrique 3.4
Matériaux diélectriques
3.6
Communications numériques 6.2
Architecture logicielle
7.4
Informatique distribuée
7.4
Réseau de chauffage urbain 1.4
Assistance au pilotage
1.1
Dynamique
6.8
Distribution électrique
2.1
Actionneurs électriques
2.3
1.7
de puissance
Electricité
2.1
Marché de l’électricité
2.1
Imagerie électromagnétique 3.3
et acoustique
Compatibilité
2.4 ; 3.2
électromagnétique
Dosimétrie
3.1 ; 3.5
électromagnétique
Champs électromagnétiques 2.3
Pollution électromagnétique 2.3
conduite
Modélisation
2.3
électromagnétique
Diffusion électromagnétique 3.8
Tomographie
3.4
électromagnétique
Electrostatique
2.7
Composants électro optiques 6.7
Gestion de l'énergie
1.3
Croissance par épitaxie
6.7
Égalisation
5.2
Egaliseur
5.4
Propagation d’incertitudes 4.2
Estimateur
2.3
Estimation
1.4 ; 1.5
Exposition aux rayonnements 3.1
E-learning
7.3
Défauts
2.1
Localisation de défauts
2.1
128
Thèmes
Fault tolerance
Field measurements
Field sensors
Financial data processing
Forestry
Formal proofs
FPGA
Fuel cells
Gain-scheduled control
Gas discharges
Geophysical inverse problems
Harmonics
Heterogeneous
software system
HF radar
High resolution method
Homogenization
Hybrid filter bank
Hybrid systems
H-infinity control
Identification
Image processing
Induced and radiated
electromagnetic perturbations
Industrial control
Information theory
Infrared image sensors
Infrared imaging
Insulation defects
Integrated circuits
Interface phenomena
Inter-domain routing
Intrusion detection
Inverse problems
Irregular Sampling
Joint source and
channel coding
Joint source
and channel decoding
Kernel-based
Regularized Regression
Knowledge discovery
Knowledge engineering
Knowledge
representation
Lacunar Antennas
Large system analysis
Lightning
Lightning detection
Lightning protection
Lubrication
Machine-tool
Machinical systems
Tolérance aux pannes
7.4
Mesure de champ
3.5
Capteurs de champ
3.1
Calcul de risque financier 7.4
Gestion des forêts
3.8
Validation formelle
7.1
FPGA
6.2
Pile à combustible
1.4
Commande à gains séquencés 1.1
Décharge électrique 2.6 ; 2.7
Evaluation géophysique
3.3
Harmoniques
2.1
Systèmes logiciels
7.1
hétérogènes
Radar HF
3.7
Méthode à haute résolution 4.3
Homogénéisation
3.6
Banc de filtres hybrides
5.6
Systèmes hybrides 1.2 ; 1.6, 1.4
Commande H-infini
1.1
Identification
1.4
Traitement d'image
4.6
Perturbations
3.2
induites et rayonnées
Contrôle industriel
1.3
Théorie de l'information 4.6
Capteurs pour l’imagerie
6.4
6.4
Imagerie terahertz
Défaut d'isolement
2.7
Circuits intégrés
6.1 ; 6.2
Phénomènes d'interface
6.3
Routage inter-domaines
7.6
Détection d’intrusions
7.2
Problèmes inverses 3.3, 4.2, 4.4
Echantillonnage aléatoire 4.3
Codage source
5.5
canal conjoint
Décodage source
5.5
canal conjoint
Méthodes à noyaux
4.2
reproduisants
Extraction de la connaissance 7.3
Ingénierie de la connaissance 7.3
Représentation des
7.3
connaissances
Antennes lacunaires
4.3
Analyse des systèmes
5.1
à grande dimension
Foudre
2.1
Détection foudre
2.1
Protection foudre
2.1
Lubrification
2.5
Machine-outil
1.2
Systèmes mécaniques
1.7
Keywords / Mots clés
Thèmes
Processus de Marvov
7.6
MC-CDMA
5.3
Mécatronique
1.2
Métamatériaux
3.6
Microsystèmes
6.1
Imagerie micro-onde
3.4
Caractérisation micro-ondes 3.6
MIMO
5.2
Systèmes à antennes
5.1
multiples MIMO
Echantillonnage
4.3
avec pertes
Mobile phones
Téléphones portables
3.5
Modelling
Modélisation 1.4 ; 1.5 ; 2.2 ; 3.8 ; 7.6
Modulated scattering
Méthode de diffusion
3.4
technique
modulée
Motor drives
Systèmes de motorisation 2.3
Multimedia
Multimédia
6.2
Multiparametric
Optimisation
1.2
optimization
multiparamétrique
Multiple access
Accès multiple
5.3
Multistandard systems
Systèmes multistandards
5.3
Multiuser
Multiutilisateur
5.2
Nanocontacts
Nanocontacts
2.5
Nanotechnology
Nanotechnologies
6.4
Network Information
Théorie de l'information 5.1
Theory
pour les réseaux
Nondestructive testing
Contrôle non destructif
3.3
Non linearities
Non linéarités
5.2
1.6
Nonlinear systems
Non linear optics
Optique non linéaire 6.6 ; 6.7 ; 6.8
Object detection
Détection de cible
3.8
Object oriented design
Conception par objet
7.1
Observers
Observateurs
2.3
OFDM
OFDM
5.2
OFDMA
OFDMA
5.3
Ontologies mapping and merging Intégration d’ontologies
7.3
Optical Frequency
Conversion de fréquence 6.7
Conversion
optique
Optical interconnections
Interconnexions Optiques 6.6
Opticals Materials
Matériaux optiques
6.7
Optical self focusing
Optique autoadaptative
6.6
Optical routing
Routage optique
6.6
Optical transmission
Transmissions optiques
6.5
Optimisation
Optimisation
1.4
Optimum Design
Planification d’expériences 4.2
Orthogonal codes
Codes orthogonaux
3.4
Parallel programming
Calcul parallèle
7.4
Partial discharges
Décharge partielle
2.7
Partial reconfiguration
Reconfiguration partielle 6.2
Pattern recognition
Reconnaissance de Formes 4.5
Evaluation de performance 7.6
Phased array radar
Radar à balayage
3.7
électronique
Markov processes
MC-CDMA
Mechatronics
Metamaterials
Microsystems
Microwave imaging
Microwave measurements
MIMO
MIMO
systems
Missing Observations
Thèmes
Optique statistique
4.1
Cellules photovoltaïques
6.3
Processus diffusifs
4.2
par morceaux
Procédés plasma
2.6
pour les matériaux
Processus ponctuels
4.1
Polarisation
6.8
Dépollution
2.6
Systèmes
1.4
de positionnement
Power electronics
Electronique de puissance 2.2
Power electronics control
Commande en électronique 1.3
de puissance
Power quality
Qualité de l’énergie
2.1
Power systems
Systèmes de puissance
2.3
Power networks
2.1
Prediction theory
Théorie de la prédiction
4.1
Predictive control
Commande prédictive 1.2 ; 1.3
Probe arrays
Réseaux de sondes
3.1
Quality of Service
Qualité de service
7.6
Radar resolution
Résolution radar
3.7
Real time imaging
Imagerie temps réel
3.4
Reconfigurable
Reconfigurable
5.4
Reconfigurable architecture
Architecture Reconfigurable 6.2
Reduced Order Systems
Ordre optimal d’un modèle 4.2
Regularization
Régularisation
4.4
Relaying
Relais
2.1
Remote sensing
Télédétection
3.3
Reverberating chambers
Chambres réverbérantes
3.2
Robust transmission of video Transmission robuste
5.5
de vidéo
Robustification
Robustification
1.2
Robustness
Robustesse
1.1
Safety
Sûreté
1.3
Semantic Web
Web sémantique
7.3
Semiconductor heterojunctions Hétérojonctions
6.3
Semiconductor Lasers
Lasers à
6.5 ; 6.8
semiconducteurs
Sensor networks
Réseaux de capteurs
5.3
Signal representations
Représentation des signaux 4.1
Sigma delta modulation
Modulation sigma delta
5.6
Silicon
Silicium
6.3
Simulation
Simulation
7.6
Site security
Contrôle de la sécurité ;
7.2
monitoring
détection d’intrusions
Smart materials
Matériaux actifs
2.4
Software embedded
Conception logicielle
7.1
system design
des systèmes enfouis
Software engineering
Génie logiciel
7.1
Software radio
Radio logicielle
6.2
Solitons
Solitons
6.6
Sources separation
Séparation de sources
4.4
Specific Absorption Rate
Débit d'Absorption
3.5
Spécifique
Photon statistics
Photovoltaic cells
PiecewiseDiffusion Processes
Plasma materials
applications processing
Point processes
Polarization
Pollution control
Positioning systems
129
Thèmes
Speech processing
Statistics
Steganography
Stochastic Differential
Equations
Submillimeter
wave detectors
Superconducting films
Superconducting
materials measurements
Superconducting
microwave devices
Synchronization
Synthetic aperture radar
Text mining
Thin film
waveguides
Time series
Transformers
Transmission
Tunable circuits
and devices
Uncertainty
User interfaces
UWB
Variable-length
VCSEL
Video signal processing
Vulnerability of complex
systems
Watermarking
algorithms
Watermarking
and security
Wave transformation
algorithms
Wavelength
Division Multiplexing
Wind energy
Traitement de la parole 4.5 ; 4.6
Statistiques
4.6
Stéganographie
5.5
Equations différentielles
4.2
stochastiques
Détecteurs en ondes
6.4
submillimétriques
Films supraconducteurs
6.4
Mesures sur matériaux
6.4
supraconducteurs
Dispositifs microondes
6.4
supraconducteurs
Synchronisation
5.1 ; 5.2
Radar à synthèse
3.8
d'ouverture
Text mining
7.5
Guide optique
6.7
en couches minces
Séries chronologiques
4.1
Transformateurs
2.2
Transport
2.1
Dispositifs et circuits
6.4
accordables
Incertitude
1.3
Interfaces homme-machine 4.5
UWB
5.3
Longueur variable
5.4
VCSEL
6.5
Traitement du signal 4.5, 4.6
vidéo
Vulnérabilité des systèmes 3.2
complexes
Tatouage de signaux
5.5
audiovisuels
Sécurité des transactions
5.5
et tatouage
Algorithmes de
3.1
transformation d'ondes
Multiplexage en
6.5
longueur d’onde
Energie éolienne
1.4
Radiocommunications
5.3

Revue recherche Supelec 2006-2007

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