Inspection Térahertz au Travers de Développements Radars FMCW et Méthodologies Avancées d'Imagerie

Terahertz Inspection Through FMCW Radar Developments and Advanced Imaging Approaches

• Auteur / Autrice : Adrien Chopard
• Direction : Patrick Mounaix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Cristell Maneux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Mounaix, Cristell Maneux, Jean-François Lampin, Frédéric Garet, Jean-Paul Guillet, Dominique Coquillat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Lampin, Frédéric Garet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle non destructif

Radar

Imagerie terahertz

Ondes millimétriques

Mots clés libres

Térahertz

Ondes Millimétriques

Imagerie

Radar FMCW

Contrôle Non-Destructif

Imagerie Cohérente

Terahertz

Millimeter-Waves

Imaging

FMCW Radar

Non-Destructive Testing

Coherent Imaging

Résumé

Résultant des récents développements observables sur les performances de systèmes térahertz, ce manuscrit fait part d'avancées instrumentales, axées vers le domaine applicatif du contrôle non-destructif. Plus spécifiquement, pour les méthodes d’inspection par émission continue, les moyens standards d'imagerie point par point induisent de fortes contraintes temporelles de mesure. Dans le but d'y faire face, une transposition vers l'imagerie en temps réel a été entreprise. Le développement d'un procédé versatile d'éclairage galvanométrique permet de remédier aux principaux facteurs limitants intrinsèques d’une telle géométrie, pour arriver à des capacités d'imagerie plein champs optimisées ; allant jusqu'à la démonstration de reconstruction tomographiques 3D. Consécutivement, l’usage de méthodes de détection cohérente, au travers du développement détaillé d’une architecture radar FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave), a été basée sur un mélange harmonique homodyne modulé en fréquence dans la gamme spectrale de 150 GHz. Elle a démontré des performances nominales de mesures longitudinale. En particulier, l’emploi d’une PLL (Phase Locked Loop) garantissant la stabilité du transceiver, complétée d’une approche algorithmique de déconvolution par normalisation, assure des performances d’utilisation accrues avec une plage dynamique atteignant 100 dB, tout en pouvant octroyer une cadence de mesure allant jusqu’à 7.62 kHz. Ces développements ont naturellement mené à des thématiques applicatives d’inspection volumique pour le contrôle sans contact. En particulier, la pertinence envers la problématique de mesure d’épaisseur sur échantillons millimétriques stratifiés a été établie. Finalement, motivée par de similaires considérations de contrôle topologiques, la reconstruction cohérente de fronts d’ondes, par imagerie sans lentille, a été transposée dans le domaine térahertz. Cette thématique a fait appel aux méthodes d’holographie hors-axe et de reconstruction de phase itérative, par l'usage d'imagerie point par point dans le domaine sub-térahertz, puis converties vers pour une implémentation en temps réel à 2.5 THz.

Following recent developments of systems performances in the terahertz spectral range, this work reports on several instrumentation advances, intended as complementary tools for contactless Non-Destructive Testing. On the field of continuous wave sensing, even though optimal for the recovery of terahertz representations, standard single point focused imaging features an intrinsic recording time limitation. As an alternative, a transposition toward real-time imaging was undertaken. The development of a versatile galvanometric illumination process ensured the mitigation of intrinsic restraining factors in such a geometry. It ultimately led to reliable full-field imaging, up to the demonstration of enhanced real-time 3D tomographic inspection capabilities. Subsequently, the use of coherent sensing, through the detailed development of a FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) radar transceiver, operating in the 150 GHz frequency range, demonstrated nominal longitudinal sensing performances, based on a homodyne harmonic mixing scheme. Namely, the application of a normalization deconvolution procedure, along with a Phase Locked Loop stabilized architecture, ensures its reliable and consistent operation with high dynamic range measurement capabilities up to 100 dB and raw measurement rates up to 7.62 kHz. Those developments naturally led to applicative considerations with targeted Non-Destructive Testing oriented problematics. Namely, in parallel of volumetric inspection and specific instrumentation advances, the sensing capabilities for constactless thickness extraction on millimetric stratified sample geometries was obtained. Ultimately, with similar thickness and topological inspection aspirations, coherent wave front sensing, through lensless focused imaging, was explored. It called on multi-plane phase retrieval and off-axis holography approaches, through single point sensing in the sub-terahertz range, and further transposed at 2.5 THz, with real-time recording.