Imagerie de la structure interne des petits corps du système solaire

Imaging the internal structure of small solar system bodies

• Auteur / Autrice : Astrid Dufaure
• Direction : Amélie Litman, Christelle Eyraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d'image
• Date : Soutenance le 31/10/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Micolau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Amélie Litman, Alain Hérique, Pierre Vernazza, Sampsa Pursiainen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mark Haynes, Lorenzo Crocco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radars spatiaux

Ondes électromagnétiques

Optique des microondes

Astronomie -- Instruments

Mots clés libres

Ondes électromagnetiques

Diffraction 3D

Analogie micro-Onde

Problèmes inverses

Imagerie structurelle

Imagerie quantitative

Electromagnetic waves

3D scattering

Microwave analogy

Inverse problems

Structural imaging

Quantitative imaging

Résumé

La structure interne des petits corps du système solaire est encore mal connue, bien qu'elle puisse fournir des informations importantes sur le processus de formation des astéroïdes et des comètes. Les radars spatiaux peuvent fournir des observations directes de cette structure. Dans cette étude, j'étudie tout d'abord la possibilité de déduire la structure interne à l'aide d'une procédure d'inversion simple, rapide et nécessitant une mémoire limitée appliquée aux mesures radar. Deuxièmement, je vais plus loin en récupérant des informations quantitatives sur la cible. En particulier, un algorithme d'inversion non linéaire est proposé pour récupérer la carte de permittivité 3D de l'objet. Nous considérons une configuration multiple quasi monostatique avec des mesures sur une large bande de fréquence, ce qui est la configuration la plus courante pour les radars spatiaux. Nous avons réalisé en laboratoire une expérience équivalente au sondage d'un astéroïde en utilisant l'analogie micro-ondes (en multipliant la longueur d'onde et la dimension de la cible par le même facteur). Deux analogues basés sur la forme de l'astéroïde 25143 Itokawa ont été construits avec des intérieurs différents, l'un étant homogène et l'autre étant entouré d'un manteau et possédant un trou intérieur. L'interaction d'une onde électromagnétique avec ces analogues a été mesurée dans une chambre anéchoïque à l'aide d'un radar multifréquence dans une configuration quasi monostatique. J'ai ensuite inversé ces données à l'aide de deux procédures d'imagerie qualitatives classiques, ce qui a permis d'obtenir des informations structurelles sur l'intérieur des analogues. J'ai également travaillé sur la réduction du nombre de mesures radar utilisées dans les procédures d'imagerie, c'est-à-dire à la fois le nombre de paires émetteur-récepteur et le nombre de fréquences. Les résultats montrent que les différences structurelles internes peuvent être distinguées entre les analogues. Cette imagerie peut être obtenue même avec une configuration optimisée ayant un nombre réduit de mesures. Une analyse en composantes principales a également été effectuée sur le même jeu de champ diffracté mesuré. Cette analyse n'offre pas de reconstructions de meilleure qualité que celle de la configuration optimisée. Un algorithme d'inversion itératif non linéaire a été adapté pour récupérer la carte 3D de permittivité relative d'une cible via la recherche de la porosité en utilisant la loi de mélange de Looyenga. L'algorithme a été testé sur un objet canonique dans le but de l'appliquer aux analogues d'Itokawa dans le futur. Les résultats de l'imagerie quantitative obtenues sur l'objet canonique montrent que cette approche de reconstruction de la porosité est intéressante car elle permet d'obtenir une meilleure reconstruction de la forme de la cible et de la permittivité

The internal structure of small solar system bodies is still poorly understood, although it can provide important information about the formation process of asteroids and comets. Space radars can offer direct observations of this structure.In this study, I firstly investigate the possibility to infer the internal structure with a simple, fast and low memory consuming inversion procedure applied to radar measurements. Secondly, I am going a step further by retrieving quantitative information on the target. In particular, a non linear inversion algorithm is proposed to retrieve the 3D permittivity map of the object. We consider a multiple quasi-monostatic configuration with a measurements over a wide frequency band, which is the most common configuration for space radars. We carried out an experiment in the laboratory equivalent to the probing of an asteriod using the microwave analogy (multiplying the wavelength and the target dimension by the same factor). Two analogues based on the shape of asteroid 25143 Itokawa were constructed with different interiors. The electromagnetic interaction with these analogues was measured in an anechoic chamber using a multi-frequency radar and a quasi-monostatic configuration. I then inverted these data with two classical imaging procedures, allowing to reach the structural information of the analogues interior. Internal structural differences are distinguishable between the analogues. I also worked on the reducing of the number of radar measurements used in the imaging procedures, that is both the number of transmitter-receiver pairs and the number of frequencies. Similar results can be achieved even with the optimised configuration of a reduced number of measurements. A principal component analysis was also performed on the measured scattered field. The results show that this analysis does not offer better quality reconstructions then that of the optimised configuration. A non linear inversion algorithm was adapted allowing to retrieve the 3D relative permittivity map of a target via the iterative search of the porosity by using the Looyenga mixing law. The algorithm is tested on a canonical object with the goal to apply it to Itokawa analogue in the future. The quantitative imaging results obtained on the canonical object show that this porosity reconstruction approach is interesting because it allows to obtain a better reconstruction of the target shape and permittivity