Imagerie micro-onde appliquée au radar de sol multi-antennes

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Ajouté le: 2/06/2014
Directeur : PICHON Lionel - lionel.pichon@lgep.supelec.fr
Titre : Imagerie micro-onde appliquée au radar de sol multi-antennes
Thèmes : Conversion d’énergie et systèmes électromagnétiques
Laboratoires : LGEP laboratoire de Génie Electrique de Paris UMR 8507
Description :

Établissement d'accueil : SUPELEC
Lieu de travail : Gif-sur-Yvette - France
Spécialité : Sciences pour l'ingénieur
Co-directeurs de thèse : Marc Lambert (DRE) - L. Pichon (LGEP)
Co-encadrants : M. Serhir (DRE), L. Bernard (LGEP), A. Kameni (LGEP)

Contexte de la thèse
Le sujet de thèse s'inscrit dans les axes de recherche du futur pôle "Électromagnétisme" du laboratoire LGEP ++ regroupant des chercheurs du DRE (Département de Recherche en Électromagnétisme) et du LGEP et dont les activités de recherche s’articulent autour de la caractérisation et la modélisation électromagnétiques des matériaux et éléments rayonnants complexes. Les travaux possèdent par ailleurs une forte signature expérimentale. Les bancs de test (chambres anéchoïques) qui y sont installés permettent la caractérisation d’éléments rayonnants dans les domaines fréquentiel et temporel et s’appuient ainsi sur une base solide en modélisation électromagnétique pour des applications d’imagerie micro-onde (FIT, MoM, FDTD, problèmes directs et inverses). Plus particulièrement les activités menées autour des radars de sol (Ground Penetrating Radar) s’insèrent dans le TUD COST Action TU1208 (Transport and Urban Development COST Action TU1208 Civil Engineering Applications of GPR). Nous faisons partie de plusieurs Working Group qui abordent des problématiques d’instrumentation et de modélisation électromagnétiques associées au GPR.
Les radars à pénétration de sol sont utilisés dans le génie civil pour l’identification des épaisseurs des couches composant la chaussée ainsi que l’évaluation de l’état d’usure des structures en béton armé utilisé dans les ouvrages d’art. Ces radars sont particulièrement adaptés pour identifier les différentes canalisations enterrées en milieu urbain et la détection de fuite souterraine.
Les recherches en cours de développement dans le pôle autour du GPR sont faites en collaboration avec des entreprises Essonniennes : EDF R&D [1] pour la détection de canalisation dans le milieu urbain et Rincent BTP [2] pour la mesure et le diagnostic des couches supérieures de la chaussée. Le développement d’un radar multi-antennes ultra-large bande permettant une reconstruction 3D de cibles s’insère dans une perspective de ressourcement.
Sujet de thèse :
L’objet de la thèse est la conception d’un radar de sol (Ground Penetrating Radar) multi-antennes combiné à un logiciel d’imagerie permettant une reconstruction 3D des objets enfouis. Les acquisitions des signaux radar se feront dans le domaine fréquentiel à l’image des radars à saut de fréquences (Step Frequency Radar) et le traitement des données pour la localisation des cibles se fera en temporel comme en fréquentiel selon des méthodes basées sur le retournement temporel ou les algorithmes de type MUSIC pour des cibles placées dans un milieu inhomogène. Nous poursuivrons les travaux déjà aboutis autour de la modélisation et la localisation par des méthodes de retournement temporel dans un milieu stratifié et inhomogène [3,4].
Les antennes ultra-large bande d’émission et de réception qui seront utilisées dans ce radar couvrent la bande fréquentielle [0,5GHz, 3,5GHz]. Ces antennes ont été optimisées dans le cadre de projets en collaboration partenariales avec Rincent BTP, une entreprise Essonnienne spécialisée dans la commercialisation des radars de sol. Ces antennes sont peu dispersives et couvrent la plage fréquentielle désirée [5].
L’objectif de la thèse est d’aboutir à un prototype de radar multi-antennes opérationnel destiné à être validé en condition réelles (milieu urbain). La démarche associera méthodologies d’analyse électromagnétique tridimensionnelle pour une prise en compte fidèle des interactions antennes-sol et algorithmes de reconstruction en vue de l’imagerie.Une grande partie du travail sera axée sur la mise en place des répartiteurs et commutateurs dédiés à contrôler les antennes actives lors de chaque acquisition (antennes à l’émission et à la réception).
Les travaux menés ont un parallèle dans le traitement des Radars MIMO (Multiple Input Multiple Output) qui utilisent des méthodes de synthèse d’ouverture (SAR) combinées à un choix judicieux des signaux envoyés sur chaque antenne (forme d’onde associée à un canal de propagation) pour davantage de richesse dans l’information récoltée. Cependant, les radars MIMO tels que définis dans la littérature sont associés à des algorithmes d’interprétation différents de ceux exploités en imagerie micro-onde. Le milieu inhomogène que représente le sol (environnement de propagation) ne facilite pas l’application des approches utilisées jusqu’à présent. Nous développerons des traitements tels qu’appliqués en géophysique ou en sismique pour la suppression du bruit environnant (clutter) par diverses techniques de filtrage ainsi que pour l’inversion des signaux mesurés par les diverses techniques de migration (Common Mid Point, Stack migration, Kirchhoff Migration).
Feuille de route scientifique de la thèse

Dans un premier temps, le doctorant étudiera numériquement et expérimentalement les performances d’un radar de sol (GPR) utilisant deux antennes (configuration bi-statique). Le sol sera modélisé comme étant un milieu homogène et les antennes comme des sources ponctuelles. Ensuite, en considérant les antennes réelles, il faudra définir un modèle approché du sol non-homogène en présence des antennes pour une prise en compte des interactions antennes-sol. Enfin, le doctorant développera et validera les algorithmes de reconstruction dans les deux cas de figure. Le travail de modélisation électromagnétique associé sera développé dans le cadre d’outils tridimensionnels dans le domaine temporel basés sur la méthode FIT (Finite Integration Technique) et/ou Galerkin-discontinu. En vue d’une prise en compte réaliste du sol une attention particulière sera portée sur l’introduction de lois de comportement de milieux dispersifs dans les modèles 3D. Des méthodes rapides seront étudiées afin d’accélérer la simulation temporelle des phénomènes de propagation en présence de géométries complexes.
Dans un deuxième temps, le doctorant analysera les différentes techniques de focalisation et de localisation existantes (retournement temporel, sommation cohérente, migrations) pour les appliquer aux données issues d’une simulation numérique 3D représentant le radar multi-antennes selon différentes configurations.
Dans un troisième temps, nous nous intéresserons à l’étude sur le plan numérique des différentes configurations de réseau d’antennes permettant d’achever la meilleure résolution après reconstruction. Une fois le choix de la configuration réseau fixé, le doctorant débutera la construction matricielle du système de commutation associé au réseau d’antennes.
La quatrième étape sera la validation expérimentale du prototype multi-antennes dans un environnement contrôlé en chambre anéchoïque et semi contrôlé en exploitant les possibilités du site de l’IFSTTAR (Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement et des réseaux) à Nantes en collaboration avec le groupe Auscultation et Imagerie du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées qui, par ailleurs, fait partie du COST.

Références
[1] Contrat d’étude industrielle, « Détection de câbles enfouis à l’aide de radar de type GPR »
[2] Contrat d’étude industrielle, « Réalisation d’un prototype d’antenne pour le radar à pénétration de sol pour le diagnostic de la chaussée »
[3] Retournement temporel électromagnétique: cartographies d'énergie et localisation, du modèle numérique à l'expérimentation contrôlée (M. Benhamouche, Thèse de doctorat de l’Université Paris-Sud soutenue le 12/12/2012)
[4] M. Benhamouche, L. Bernard, M. Serhir, L. Pichon and D. Lesselier, Localization of metal targets by time reversal of electromagnetic waves, The European Physical Journal – Applied Physics, Volume 64 / Issue 02 / 2013.
[] P. Aguillera, M. Ait Ou Kharraz, M. Serhir, « Conception et optimisation d’antennes large bande destinées au radar à pénétration de sol dans la bande fréquentielle [0.6GHz 3GHz] » 2013 URSI-France, Journées Scientifiques, Paris.