Conception et enquête de l'utilisation de cellules TEM dans la caractérisation de cibles souterraines

Design and Investigation of the Use of TEM Cells in the Characterization ofUnderground Targets

• Auteur / Autrice : Ali Al takach
• Direction : Fabien Ndagijimana, Jalal Jomaah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 06/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Duchamp
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Al-Husseini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Verdeyme, Moncef Kadi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radar à pénétration de sol

Compatibilité électromagnétique

Ondes électromagnétiques -- Propagation

Mots clés libres

Cellule TEM

Caractérisation des matériaux

Géoradar

TEM cell

Material characterization

Ground penetrating radar

Résumé

La contamination par les mines antipersonnel est un problème répandu dans de nombreux pays. En effet, des milliers de personnes à travers le monde vivent des menaces quotidiennes à cause de ces pièges cachés. Le processus de dépollution des zones contaminées à des fins humanitaires est appelé déminage humanitaire. Les méthodes actuelles de déminage sont principalement manuelles et reposent sur des détecteurs de métaux et un radar à pénétration de sol (GPR). Dans certains cas, la quantité de métal présente dans la mine terrestre est très petite et ne suffit pas pour être détectée par le détecteur de métal. De l’autre côté, le GPR peut détecter et localiser la mine enfouie dans le sol en s’appuyant sur le fait que le signal réfléchi est lié à la permittivité des matériaux à l’interface. Le système GPR nécessite un traitement compliqué des signaux reçus pour identifier la présence du mien ou non. L’un des inconvénients du GPR est son incapacité à détecter les mines terrestres à faible profondeur. De plus, son efficacité de détection est limitée dans le cas de sol humide. Les coûts élevés et les efforts nécessaires nécessitent des travaux sur des sujets de recherche connexes pouvant améliorer les techniques de déminage existantes ou même en développer de nouvelles.Ce doctorat Les travaux de recherche visent à étudier la permittivité effective de la mine enfouie dans le sol environnant. Connaître plus d'informations sur l'interaction entre l'onde électromagnétique et la cible enterrée peut être très utile pour améliorer le processus de détection GPR. Dans ce travail, les différentes méthodes de caractérisation des matériaux à micro-ondes ont été décrites en détail afin de fournir à la littérature une bonne référence matière. La caractérisation des mines antipersonnel implique la recherche d'un dispositif d'essai approprié pouvant être utilisé pour l'extraction par permittivité effective. Étant donné que les lignes de transmission traditionnelles ne sont pas compatibles avec la caractérisation des mines antipersonnel en raison de la complexité de leur insertion de matériau et de leur taille limitée, la cellule électromagnétique transverse (TEM) a été choisie comme appareil d’essai en raison de son avantage en termes de facilité d’insertion de taille et de taille. Dans ce travail de recherche, l'utilisation de la cellule TEM fermée pour la caractérisation du matériau est tentée pour la première fois. Une nouvelle conception de la cellule TEM fermée est proposée. Cette conception permet la mise en œuvre des différentes techniques de caractérisation des matériaux. La cellule TEM proposée peut être utilisée pour caractériser des matériaux homogènes et non homogènes (y compris les mines terrestres). Ainsi, au lieu de simuler la mine avec le sol qui l’entoure, nous pouvons simuler son équivalence matérielle homogène qui a été étudiée dans la cellule TEM. De cette façon, nous pouvons réduire le temps de la simulation. En outre, une nouvelle approche de la détection des mines terrestres est proposée dans ce travail, basée sur la signature de permittivité effective. Cette méthode est dédiée à la détection de mines terrestres à faible profondeur et que son efficacité de détection augmente dans le cas de sols humides, et couvre les limitations actuelles de la technique GPR.Enfin, ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche sur le déminage humanitaire. Et ses résultats prometteurs peuvent conduire à améliorer la technologie de détection, autrement dit à réduire le nombre de pertes de vies humaines.

Landmines contamination is a widespread problem in many countries. Indeed, thousands of people around the globe are living in daily threats due to these hidden traps. The clearance process of the contaminated areas for humane purposes is known as humanitarian demining. Current demining methods are mostly manual and rely on metal detectors and ground penetrating radar (GPR). In some cases, the metal amount that exists in the landmine is very small and is not sufficient for being sensed by the metal detector. On the other side, the GPR can detect and locate the buried landmine in the soil relying on the fact that the reflected signal is related to the permittivity of the materials at interface. The GPR system needs complicated processing of the received signals to identify the presence of mine or not. One of the GPR disadvantages is its inability to detect the landmines at shallow depth. In addition, its detection efficiency is limited in the case of wet soil. The high cost and effort necessitate the work on related research topics that can enhance the existing demining techniques or even develop a newer one.This Ph.D. research work aims to study the effective permittivity of the buried landmine with its surrounding soil. Knowing more information about the interaction between the electromagnetic wave and the buried target can be very useful to enhance the GPR detection process. In this work, the different methods of microwave material characterization were described in detail in order to provide the literature with a good material reference. The characterization of landmines implies the search for a suitable test fixture that can be used in effective permittivity extraction. Since the traditional transmission lines are not compatible in use with landmines characterization due to their material insertion complexity and size limitation, the transverse electromagnetic (TEM) cell was selected as the test fixture owing to its advantage in the size and material insertion easiness. In this research work, the use of the closed TEM cell for material characterization is attempted for the first time. A novel design for closed TEM cell is proposed, this design allows the implementation of the different material characterization techniques. The proposed TEM cell can be used to characterize both homogenous and inhomogenous (including landmines) materials. The effective permittivity of two different types of landmines was extracted using the proposed closed TEM cell technique. Correspondingly, the GPR system configuration and its use in permittivity extraction of soil are studied and implemented numerically. The optimal configuration of the GPR system is obtained after a parametric effects study for different cases and scenarios. The main disadvantage in the simulation study of the GPR system is the long run time, especially with the presence of the buried landmines which has a complex shape. Thus, make use of the homogenization concept, we can replace any inhomogeneous material by its alternative homogenous material which has the same response (has the same effective permittivity). So, instead of simulating the landmine with its surrounding soil we can simulate its homogenous material equivalence that has been studied in the TEM cell. In this way, we can reduce the time of the simulation. Furthermore, a novel approach for landmines detection is proposed in this work based on the effective permittivity signature. This method is dedicated to shallow depth detection of landmines and its detection efficiency increases in the case of wet soil, and that is covering the current GPR technique limitations.Finally, this work opens new prospects for humanitarian demining research. And its promising results can lead to enhance detection technology, in other meaning a reduction in the loss of life.