Apport de techniques de traitement du signal super et haute résolution à l'amélioration des performances du radar-chaussée PDF Download
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Author: Cédric Le Bastard Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 183
Book Description
Dans le domaine du génie civil, l'auscultation de couches minces de chaussée (de l'ordre de 2 cm d'épaisseur) est mal résolue par les techniques radar actuelles de Contrôle Non Destructif. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif d'améliorer, d'un facteur 3 à 6, la résolution temporelle des radars actuels par des techniques de traitement du signal dites super et haute résolution. Dans un premier temps, les méthodes super et haute résolution les plus connues de la littérature (LSMYW, MUSIC, ESPRIT, Min-Norm) sont évaluées à partir de signaux simulés. Les résultats montrent les variations de l'erreur quadratique moyenne sur l'épaisseur estimée de matériau, en fonction du rapport signal à bruit et du retard différentiel entre échos. Un critère de précision sur la mesure d'épaisseur permet de déduire la limite de résolution temporelle de chacun des algorithmes. Pour des échos fortement corrélés, on propose une optimisation du paramétrage de la technique de moyennage en sous-bande de fréquences. Quelque soit le niveau de corrélation, la limite de résolution temporelle obtenue permet de montrer la faisabilité de l'application. Dans un second temps, le document se focalise sur l'amélioration de techniques haute résolution de complexité calculatoire plus réduite. Tout d'abord, une version généralisée de l'algoritme ESPRIT (G-ESPRIT) est proposée, pour tenir compte de la forme de l'impulsion radar et des caractéristiques d'un bruit quelconque. Ensuite, deux méthodes linéaires à sous-espaces (OPM et SWEDE) sont introduites. Une version polynomiale d'OPM (root-OPM) permet d'accélérer la recherche des retards de propagation. La méthode SWEDE est transposée à l'estimation de retards; une nouvelle procédure de blanchiment permet d'améliorer ses performances (FBD-SWEDE). Puis, trois nouveaux algorithmes de traitement sont proposés, alliant les avantages calculatoires des algorithmes SWEDE et ESPRIT (ESPRIT-WED, AV-ESPRIT-WED, G-ESPRIT-WED). Enfin, toutes les méthodes de traitement présentées dans ce document sont expérimentées sur des signaux radar impulsionnel et à sauts de fréquence, obtenus sur un «milieu-modèle» monocouche et bicouche. La mise en oeuvre des algorithmes est détaillée. Les résultats permettent d'une part de valider les résultats théoriques et de montrer la faisabilité de la mesure de couches minces de chaussée à l'aide d'un radar de 2 GHz de largeur de bande.
Author: Cédric Le Bastard Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 183
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Dans le domaine du génie civil, l'auscultation de couches minces de chaussée (de l'ordre de 2 cm d'épaisseur) est mal résolue par les techniques radar actuelles de Contrôle Non Destructif. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif d'améliorer, d'un facteur 3 à 6, la résolution temporelle des radars actuels par des techniques de traitement du signal dites super et haute résolution. Dans un premier temps, les méthodes super et haute résolution les plus connues de la littérature (LSMYW, MUSIC, ESPRIT, Min-Norm) sont évaluées à partir de signaux simulés. Les résultats montrent les variations de l'erreur quadratique moyenne sur l'épaisseur estimée de matériau, en fonction du rapport signal à bruit et du retard différentiel entre échos. Un critère de précision sur la mesure d'épaisseur permet de déduire la limite de résolution temporelle de chacun des algorithmes. Pour des échos fortement corrélés, on propose une optimisation du paramétrage de la technique de moyennage en sous-bande de fréquences. Quelque soit le niveau de corrélation, la limite de résolution temporelle obtenue permet de montrer la faisabilité de l'application. Dans un second temps, le document se focalise sur l'amélioration de techniques haute résolution de complexité calculatoire plus réduite. Tout d'abord, une version généralisée de l'algoritme ESPRIT (G-ESPRIT) est proposée, pour tenir compte de la forme de l'impulsion radar et des caractéristiques d'un bruit quelconque. Ensuite, deux méthodes linéaires à sous-espaces (OPM et SWEDE) sont introduites. Une version polynomiale d'OPM (root-OPM) permet d'accélérer la recherche des retards de propagation. La méthode SWEDE est transposée à l'estimation de retards; une nouvelle procédure de blanchiment permet d'améliorer ses performances (FBD-SWEDE). Puis, trois nouveaux algorithmes de traitement sont proposés, alliant les avantages calculatoires des algorithmes SWEDE et ESPRIT (ESPRIT-WED, AV-ESPRIT-WED, G-ESPRIT-WED). Enfin, toutes les méthodes de traitement présentées dans ce document sont expérimentées sur des signaux radar impulsionnel et à sauts de fréquence, obtenus sur un «milieu-modèle» monocouche et bicouche. La mise en oeuvre des algorithmes est détaillée. Les résultats permettent d'une part de valider les résultats théoriques et de montrer la faisabilité de la mesure de couches minces de chaussée à l'aide d'un radar de 2 GHz de largeur de bande.
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CE MEMOIRE CONCERNE L'ETUDE DE SIGNAUX BIDIMENSIONNELS MODELISABLES PAR UNE SOMME D'EXPONENTIELLES. CETTE ETUDE EST REALISEE DANS LE CADRE DE L'ANALYSE SPECTRALE AVANT QUE NE SOIT CONSIDEREE L'APPLICATION RADAR. LES METHODES A HAUTE RESOLUTION PRESENTEES DANS CE MANUSCRIPT EXPLOITENT LE MODELE DU SIGNAL EN UTILISANT LA DECOMPOSITION EN SOUS-ESPACES SIGNAL ET BRUIT RELATIVE AUX DONNEES. LA PREMIERE PARTIE PORTE SUR L'ESTIMATION DES FREQUENCES DU SIGNAL VIA LE CALCUL D'UN SPECTRE DANS LE CADRE DE LA PREDICTION LINEAIRE. DE NOUVEAUX SUPPORTS DE PREDICTION DE TYPE QUART DE PLAN SONT INTRODUITS, CE QUI AMELIORE L'ALLURE DU SPECTRE ET AUGMENTE LA PRECISION DE L'ESTIMATION PAR RAPPORT AUX SUPPORTS QUART DE PLAN CLASSIQUES. LA DEUXIEME PARTIE CONCERNE DES TECHNIQUES D'ANALYSE SPECTRALE QUI ESTIMENT DIRECTEMENT LES FREQUENCES. CES METHODES REPOSENT SUR DES PROPRIETES D'INVARIANCE PAR TRANSLATION RELATIVES AUX DONNEES. LES FREQUENCES CORRESPONDANT A CHAQUE DIMENSION SONT ESTIMEES SEPAREMENT AVANT QUE NE SE POSE LE PROBLEME DE LA FORMATION DES PAIRES. DEUX ALGORITHMES FONDES SUR LA DIAGONALISATION CONJOINTE DE DEUX MATRICES SONT PROPOSES POUR FORMER LES PAIRES FREQUENTIELLES DE MANIERE EFFICACE. LA TROISIEME PARTIE PORTE SUR L'APPLICATION DES TECHNIQUES PRECEDENTES A LA LOCALISATION DES POINTS BRILLANTS D'UNE CIBLE DANS LE CONTEXTE DE LA FURTIVITE RADAR. NOUS PROPOSONS UN CRITERE EMPIRIQUE POUR DETERMINER LE NOMBRE D'EXPONENTIELLES, AINSI QU'UN PRE-TRAITEMENT DU SIGNAL QUI CONSISTE EN UNE DECOMPOSITION EN SOUS-BANDES FREQUENTIELLES SUIVIE D'UN SOUS-ECHANTILLONNAGE. CELA PERMET D'AUGMENTER LA PRECISION DES ETAPES DE DETECTION ET D'ESTIMATION.
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Le radar hautes fréquences à ondes de surface, grâce à sa capacité de détection au-delà de l’horizon radioélectrique, répond à la demande de couverture de larges zones maritimes. Sa portée peut atteindre 500 à 600 km, sous des azimuts de 90 à 120 degrés. Le signal radar contient la signature des cibles, le fouillis de mer et le fouillis ionosphérique. Ces deux dernières contributions peuvent masquer des cibles car leur niveau est très important. Les présents travaux consistent à définir les traitements permettant de réduire le fouillis ionosphérique pour améliorer les performances de détection du radar HF à ondes de surface. La nature des signaux et du système radar ne permettent pas un traitement par polarimétrie, direction d'arrivée ou techniques adaptatives. Nous proposons d'exploiter les différences d'échelles de variations des signaux. Pour cela, nous avons développé des méthodes de séparation des contributions ; nous utilisons l'analyse discrète en ondelettes, à une ou deux dimensions. L'avantage d'une telle approche est qu'elle permet, de supprimer le fouillis ionosphérique, d'extraire le fouillis de mer et de réduire le bruit inhérent au système radar.
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La résolution radiale minimale des radars ST/MST, généralement de 150 mètres, fait qu'ils ne sont pas appropriés pour l'étude de couches atmosphériques, de quelques mètres d'épaisseur, responsables du renforcement de la puissance rétrodiffusée en vertical. La technique d'interférométrie fréquentielle FDI fut la première proposée dans le but d'estimer la position et l'épaisseur de couches à l'intérieur des portes radar. Cependant, l'utilisation de deux fréquences ne permet de détecter qu'une seule et unique couche à l'intérieur de chaque porte radar. La compression d'impulsion par sauts de fréquence permet d'effectuer un balayage en distance afin d'estimer la distribution de puissance, par transformée de Fourier, à l'intérieur des portes radar dans le but de détecter un nombre de couches inférieur au nombre des fréquences utilisées. Toutefois, la résolution obtenue est limitée par la bande passante du système et insuffisante pour la localisation de plusieurs couches. Pour s'en affranchir et accroître considérablement la résolution, il est possible d'appliquer des méthodes à haute résolution couramment utilisées en traitement d'antenne. Le LSEET a implémenté la technique du saut de fréquence sur son mini-radar VHP et une campasne de mesures a été effectuée afin d'appliquer la technique d'estimation de profils de distance" avec les méthodes à haute résolution ainsi que la technique FDI. En plus de la méthode de Capon et de l'algorithme MUSIC déjà étudiés et appliqués, nous avons introduit la méthode de Lagunas-Gasull qui est une légère modification de celle de Capon. Les simulations et les résultats sur les données réelles montrent que cette dernière présente de meilleurs résultats que la méthode de Capon en matière de pouvoir de résolution et permet de quantifier l'intensité des couches détectées par MUSIC. De plus, toutes ces méthodes ont été appliquées sur le puissant radar Japonais MU et ont confirmé les résultats obtenus avec le mini-radar VHP.
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LE SYSTEME RADAR ST OPERANT DANS LE BAS GAMME RADIOELECTRIQUE VHF EST ETUDIE DU POINT DE VUE DU TRAITEMENT DU SIGNAL. ETUDE DES MOYENS PERMETTANT D'AUGMENTER LA RESOLUTION EN DISTANCE POUR UNE DETECTABILITE OPTIMALE. LE CODAGE D'IMPULSION OFFRE UNE SOLUTION DANS CERTAINES CONDITIONS ET TROIS TYPES DE CODE SONT CONSIDERES. POUR DES RADARS A EMETTEURS A TUBES, LES RESULTATS OPTIMAUX SONT OBTENUS PAR UTILISATION D'UN PROCESSEUR RAPIDE ET D'UN GENERATEUR D'IMPULSIONS. PRESENTATION D'OBSERVATIONS GEOPHYSIQUES AVEC LE SYSTEME AMELIORE
Author: Patrick Millot Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 178
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Cette thèse présente l'étude du radar subsurface haute résolution pour la détection d'objets enfouis dans le sol. L'outil radar qui a été développé est un système à saut de fréquence Ultre-Large Bande. C'est un type spécial de GPR (radar à pénétration de sol) qui délivre des images radar à haute résolution du proche sous-sol. La combinaison d'une bande de fréquence ultra-large (ULB) et d'un traitement du signal à ouverture synthétique permet d'atteindre une résolution spatiale de moins de 10 cm, même dans une configuration "éloignée" où les antennes sont séparées du sol de plusieurs dizaines de centimètres. L'utilisation initiale du système est la détection de mines et le radar est spécialement optimisé pour cette application qui a été étudiée dans notre laboratoire ONERA. Dans un premier temps, nous évaluons les pertes qui sont subies par les ondes électromagnétiques lorsqu'elles se propagent dans le sol après avoir passé en revue les différents modèles de permittivité des sols trouvés dans la littérature. Le deuxième chapitre développe en détail la méthode de traitement d'ouverture synthétique pour le radar subsurface, qui est originale en prenant en compte les aspects champ proche, ULB et propagation dans le sol. Les formes temporelle et fréquentielle de l'algorithme SAR pour GPR sont expliquées. Puis nous développons un modèle de signal radar pour les objets enfouis, basé sur l'optique physique. Ce modèle donne de bons résultats quand il est appliqué à des mines. Les résultats sont comparés à ceux donnés par un calcul exact utilisant les équations de Maxwell. Nous traitons aussi la réalisation de l'outil de mesure, avec la spécification et la caractérisation d'antennes ULB. Le traitement du signal, dévolu à l'augmentation de la résolution et la diminution du niveau d'artefact provenant de l'interface air-sol est décrit. Des mesures, faites sur le site de test du TNO (Pays-Bas) montrent cairement la possibilité de détecter des mines antichar (fréquences de 500 MHz à 5 GHz) et même des mines antipersonnel affleurantes en augmentant la bande de fréquence jusqu'à 8 GHz. En conclusion, ce travail a permis des avancées significatives dans le domaine de la détection de mines par radar, et pourrait avoir des retombées dans un domaine génie civil.
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LA PROPORTION D'ENERGIE ELECTROMAGNETIQUE QUE RECOIT UN RADAR D'UNE CIBLE ECLAIREE DEPEND D'UNE GRANDEUR CARACTERISANT LE DEGRE DE REFLECTIVITE GLOBALE DE LA CIBLE APPELEE SURFACE EQUIVALENTE RADAR (SER). LA MISE EN UVRE DES METHODES D'ANALYSE DU SIGNAL (TECHNIQUES D'IMAGERIE RADAR) PERMET ALORS D'IDENTIFIER LES PRINCIPALES ZONES REFLECHISSANTES DE L'OBJET ETUDIE EN SUPPOSANT QUE LA SIGNATURE RADAR DE LA CIBLE VERIFIE UN MODELE: LE MODELE DE POINTS BRILLANTS. NEANMOINS, DANS LE CAS D'UNE CARACTERISATION LARGE BANDE, CES TECHNIQUES NE SONT PLUS ADAPTEES. CE MEMOIRE PRESENTE UNE METHODOLOGIE D'ANALYSE DE SIGNAUX DE SER NON STATIONNAIRES. ELLE EST BASEE SUR LA COMBINAISON DE DEUX APPROCHES D'ANALYSE SPECTRALE: L'APPROCHE TEMPS-FREQUENCE ET L'APPROCHE HAUTE RESOLUTION. CES NOUVELLES METHODES SONT BIEN ETABLIES EN ANALYSE SPECTRALE MAIS LEUR EMPLOI CONJOINT AFIN DE MIEUX ANALYSER LES SIGNAUX DE SER EST UNE NOUVEAUTE. LES OUTILS TEMPS-FREQUENCE UTILISES (TRANSFORMEES DE FOURIER A COURT TERME, DE WIGNER VILLE ET EN ONDELETTES) PERMETTENT DE DETECTER LES ZONES DE STATIONNARITE DU SIGNAL. LES METHODES HAUTE RESOLUTION CHOISIES (PRONY, MUSIC) AMELIORENT LA DISCRIMINATION SPATIALE DES POINTS BRILLANTS. LA TRANSPOSITION DE CES METHODES POUR ANALYSER DES SIGNAUX FREQUENTIELS A INCIDENCE FIXE EST AISEE. EN REVANCHE, ELLES NE SONT PAS ADAPTEES A DES SIGNAUX REGULIEREMENT ECHANTILLONNES EN ANGLE. L'APPROXIMATION PETITS ANGLES HABITUELLEMENT REALISEE EST SOUVENT INSUFFISANTE. ON MONTRE ALORS QU'IL EST NECESSAIRE DE FOCALISER LES DONNEES AFIN D'OBTENIR UNE LOCALISATION PEU BIAISEE DES POINTS BRILLANTS. CETTE OPERATION SEMBLE TOUTEFOIS COLORER LE BRUIT DE MESURE. ON ILLUSTRE ENFIN L'AMELIORATION APPORTEE PAR CETTE NOUVELLE METHODOLOGIE D'ANALYSE SUR DES SIGNAUX DE MESURES ISSUS DE CHAMBRE ANECHOIQUE
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LE RADAR A OUVERTURE DE SYNTHESE (SAR) EST UN SYSTEME A IMAGERIE, EMBARQUE, QUI PERMET DE GENERER UNE IMAGE DE LA ZONE ECLAIREE PAR L'ANTENNE AVEC UNE HAUTE RESOLUTION SPATIALE, ET CE, INDEPENDAMMENT DE LA DISTANCE D'OBSERVATION, DES CONDITIONS METEOROLOGIQUES ET DE LA LUMINOSITE DU TERRAIN. CELA ETANT, LA QUALITE DE L'IMAGE RADAR SE DEGRADE CONSIDERABLEMENT SI LES MOUVEMENTS DU PORTEUR NE SONT PAS COMPENSES AU COURS DU TRAITEMENT DU SIGNAL RADAR, ET CONNAITRE LES MOUVEMENTS DU PORTEUR PEUT IMPOSER DES CONTRAINTES SEVERES SUR LA PRECISION DES INSTRUMENTS DE NAVIGATION EMBARQUES. D'AUTRE PART, LE TRAITEMENT ASSOCIE A L'IMAGERIE SAR EST SPECIFIQUE AUX ECHOS FIXES. SI UN VEHICULE SE DEPLACE SUR LA ZONE IMAGEE, SON RAPPORT SIGNAL A BRUIT EST FORTEMENT DEGRADE, ET LE VEHICULE APPARAIT DECALE PAR RAPPORT A SA POSITION VRAIE. POUR S'AFFRANCHIR DE CES DEUX CONTRAINTES, NOUS AVONS CONSTRUIT UN TRAITEMENT DE SIGNAL CAPABLE DE CONFERER AU RADAR UNE FONCTION DITE MTI (CARACTERISATION DES CIBLES MOBILES), TOUT EN S'AFFRANCHISSANT DES INSTRUMENTS DE NAVIGATION, VIA DES PROCEDES DITS AUTOFOCUS (COMPENSATION AUTONOME DES MOUVEMENTS DU PORTEUR). DANS UNE PREMIERE ETAPE, NOUS AVONS ETUDIE PLUSIEURS PROCEDES AUTOFOCUS APPLIQUES A L'IMAGERIE DU TERRAIN SURVOLE (ECHOS FIXES). PUIS, NOUS AVONS EVALUE LEURS PERFORMANCES POUR ESTIMER LES MOUVEMENTS DU PORTEUR. ET, ENFIN, NOUS AVONS ETENDU LEUR DOMAINE D'APPLICATION A L'ENSEMBLE DU TRAITEMENT DE SIGNAL DU RADAR SAR, DE FACON A RENDRE CE RADAR ENTIEREMENT AUTONOME VIS-A-VIS DES INSTRUMENTS DE NAVIGATION. DANS UNE SECONDE ETAPE, NOUS AVONS DIRECTEMENT APPLIQUE CES PROCEDES, EN LES GENERALISANT, POUR METTRE EN PLACE UNE FONCTION MTI (ECHOS MOBILES), DE FACON A DETECTER, MAIS AUSSI REPOSITIONNER ET RETROUVER LE VECTEUR VITESSE DES CIBLES MOBILES PRESENTES SUR LE TERRAIN. LA STATION RAMSES DE L'ONERA NOUS A PERMIS DE VALIDER LE PRINCIPE DE NOS TRAITEMENTS A PARTIR DE SIGNAUX RADAR REELS.
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Dans le domaine du radar aéroporté, les enjeux industriels actuels sont nombreux et portent,entre autres, sur l'établissement de profils distance de cibles aériennes, terrestres et maritimes pour leur identification. Cela implique en particulier la mise en oeuvre de chaînes d'émission/réception pour des modes de fonctionnement haute résolution. Dans ce contexte, les problématiques à traiter comprennent alors la conception et l'analyse de performances de détecteurs pour des modèles de cibles étendues, la conception de formes d'ondes multi-résolutions et le développement des traitements associés, l'optimisation de formes d'onde robustes au fouillis, etc. Le travail de cette thèse, qui s'intègre dans ce cadre, se décompose en deux parties. Dans un premier temps, nous traitons la détection d'une cible dite "étendue", c'est-à-dire caractérisée par plusieurs réflecteurs élémentaires prépondérants répartis sur plusieurs cases distance non nécessairement consécutives. Ce modèle est notamment approprié lorsque la résolution en distance est suffisamment fine, et s'intègre dans les problématiques d'identification de cible. Dans ce cadre, nous étudions un test de détection fondé sur le rapport de vraisemblances généralisé (GLRT) intégrant la localisation inconnue des réflecteurs, et lorsque la perturbation est du bruit blanc gaussien. En utilisant des résultats issus des statistiques d'ordre, nous déduisons des approximations de la probabilité de fausse alarme et de la probabilité de détection. Des comparaisons numériques avec des détecteurs existants sont fournies. Dans un second temps, nous étudions une forme d'onde correspondant à un train d'impulsions contenant deux codes de phase, l'un intra impulsion et l'autre inter impulsion. Pour un modèle de cible ponctuelle et un fouillis gaussien, nous proposons de sélectionner ces codes en tenant compte de différents critères tels que la maximisation de la probabilité de détection ou encore la minimisation des lobes secondaires du signal reçu après traitement. Pour un type donné de fouillis modélisé par un processus autorégressif (AR), nous abordons le problème d'optimisation multi-objectifs en utilisant les fronts de Pareto. La modélisation AR permettant de considérer plusieurs types de fouillis à partir d'un nombre réduit de paramètres, nous étudions alors la robustesse des codes de phase optimaux à des variations de fouillis.
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La représentation du relief terrestre est une préoccupation majeure des hommes depuis l'antiquité. Ses modalités et performances ont évolué au cours du temps. Avec l'évènement du numérique de nouveaux modèles ont fait leur apparition et parmi ceux-ci les Modèles Numériques de Terrain ou MNT. Ce sont des produits souvent entachés d'érreur, en raison des applications dont ils doivent satisfaire les spécifications. Le but de cette thèse est l'amélioration de la qualité de ces modèles par une stratégie de fusion multi sources, la qualité étant vue comme une notion "application dépendant" et non de manière absolue. Après analyse, la méthode de fusion appliquée sera la théorie des possibilités qui s'adapte bien aux spécificités des MNT, couplée avec une catégorisation des points, fonction de la confiance accordée à ces points par les techniques de génération des MNT. La fusion sera également fondée sur un environnement de qualification dont nous définirons les principes théoriques et tests pratiques associés. Ceci nous servira à l'évaluation et à la comparaison des entrées et du MNT fusionné. Nous verrons également comment la fusion de MNT s'inscrit dans un contexte plus général de traitement de données de télédétection, avec une approche plus sytème du problème. Finalement la stratégie sera appliquée à un cas pratique, la région de la Sainte Victoire dans le Sud de la France, avec la fusion de deux MNT d'origine différente. La comparaison des performances du MNT fusionné avec celles des MNT d'entrée montre une amélioration globale et ouvre donc des perspectives intéressantes.
Author: Cédric Le Bastard
Author: Cédric Le Bastard
Author: Stéphanie Rouquette
Author: Florent Jangal
Author: Lydi Smaïni
Author: Ogubazghi Ghebrebrhan
Author: Patrick Millot
Author: Jean-Marc Ros
Author: Rémi Peyregne
Author: Timothée Rouffet
Author: Pauline Audenino