Protocoles de mesure et de calibrage de champs électromagnétiques en vue de l'imagerie par diffraction d'objets faiblement enfouis

Electromagnetic fields measurement and calibration protocols for the shallowly buried objects imaging.

• Auteur / Autrice : Soufiane Nounouh
• Direction : Amélie Litman, Christelle Eyraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, rayonnement et Plasma
• Date : Soutenance le 22/10/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Ciarletti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Eyraud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Sagnard, Jean-Yves Dauvignac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Objets enfouis -- Détection

Traitement du signal

Imagerie microonde

Mots clés libres

Mesures hyperfréquences

Diffraction micro-onde

Modélisation de rayonnement d'antenne

Calibrage

Imagerie

Traitement de mesures

Objets enfouis

Hyperfrequency instrumentation

Microwave scattering

Antenna radiation modeling

Calibration

Imaging

Experimental errors

Buried targets

Résumé

Cette thèse est consacrée à la mise en place d'un système hyperfréquence dédié à l'imagerie du proche sous-sol. L'analyse de l'onde mesurée après interaction de l'onde incidente avec le milieu permet de remonter aux propriétés électromagnétiques de la structure illuminée. Ici, nous choisissons d'utiliser une seule fréquence en s'appuyant sur une configuration multistatique pour garantir une meilleure diversité de l'information.L'imagerie quantitative exige un calibrage minutieux des données mesurées après correction des erreurs expérimentales. Un calibrage a été donc proposé, basé sur la mesure du diagramme de rayonnement de chaque antenne. Celles-ci sont modélisées quantitativement en champ proche grâce à une combinaison de fils sources adéquatement optimisée. Ce calibrage, rapide et simple, ne nécessite pas d'objets de calibrage supplémentaires. Il a été d'abord testé dans le cas de la diffraction par des objets 2D en espace libre, puis dans le cas d'objets faiblement enfouis. Les champs calibrés servent de données d'entrée à des algorithmes d'inversion. En terme de localisation, les résultats obtenus sont très satisfaisants. Quant à la caractérisation, la configuration stratifiée apparaît bien moins propice que la configuration en espace libre, de part la faible quantité d'information disponible. Des changements ont été apportés à la configuration (différentes antennes avec ou sans orientation) dans l'optique d'améliorer le rapport signal à bruit. Bien que les reconstructions des permittivité soient encore perfectibles, les premiers résultats sont intéressants d'autant plus que les algorithmes n'exploitent aucune information a-priori sur la cible.

This thesis is devoted to the development of a microwave system dedicated to subsurface imaging applications. The analysis of the measured wave after the interaction with the medium allows to retrieve the electromagnetic properties of the probed structure. Here, we choose a single frequency operating mode combined with a multistatic configuration in order to improve the information diversity.Quantitative imaging requires a high-precision calibration of the measured data even after a careful correction of experimental errors. Thus, a calibration method is proposed, exploiting the measurement in free-space of the radiation pattern of each antenna. These patterns are quantitatively modeled thanks to an optimized linear combination of elementary sources positioned on the antenna's aperture. This simple and efficient calibration avoids additional measurements with calibration objects. This method provides successful results in a 2D free space scattering problem, as well as in the shallowly buried targets case.The calibrated data serve as inputs to inversion algorithms. As localization is concerned, very satisfactory detection results are obtained. Regarding the characterization aspects, the results indicate that the stratified configuration is less suitable than the free space configuration, due to its lack of spatial information. In order to improve the signal-to-noise ratio, some amendments are made to the experimental configuration (different antennas with or without orientation). Although the permittivity reconstructions are perfectible, the first results are promising especially since no a-priori on the targets has been inserted in the inversion algorithm so far.