Thèse en cours

Imagerie radar de subsurface : modélisation physique et application aéroportée
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Auteur / Autrice : Lisa-Marie Mazzolo
Direction : Xavier Ferrieres
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Mathématiques et Applications
Date : Inscription en doctorat le 01/12/2021
Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA SCANR Signal communication Antennes Navigation Radar

Mots clés

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Résumé

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Les données de télédétection acquises dans le domaine micro-ondes offrent de nombreuses opportunités pour l'observation de la Terre et trouvent des applications tant sur les surfaces continentales qu'océaniques. Cependant, de par leur capacité à pénétrer le milieu observé, les ondes radar peuvent également être exploitées pour le sondage en subsurface et notamment pour la télédétection de structures et d'objets enfouis. L'imagerie radar a permis par le passé la détection d'objets et de structures enfouis sous la surface mais ces résultats ont pour la plupart été obtenus en conditions désertiques ou de sol propice. On peut notamment citer les campagnes expérimentales menées par l'ONERA sur la Dune du Pyla (Pyla Experiment – 2001), en Tunisie (TuniSAR – 2010) et au Groenland (GreenSAR – 2018). L'objectif de cette thèse est d'apporter une évaluation des systèmes d'observation micro-ondes pour l'imagerie de subsurface, par une approche conjointe expérimentale, numérique et théorique. Le travail de thèse consistera dans un premier temps à étendre, par des approches numériques, les outils de modélisation de la propagation EM dans le sol pour pouvoir traiter efficacement une configuration air/sol/objet. La difficulté sera de tenir compte d'un sol tronqué par des conditions de type PML (Perfectly Matched Layers) et de prendre en compte correctement une source de type onde plane ou faisceau gaussien et enfin, de réaliser dans ces conditions, un calcul de champ lointain précis. L'avantage de ce type de modélisation est de permettre de tenir compte facilement d'un sol inhomogène et d'éventuelles rugosités à sa surface, par raffinement du maillage par exemple. Un ensemble de simulations, dans le sens direct, permettra de quantifier les conditions requises (type de sol, humidité, état de surface, profondeur) pour détecter un type de structure enfouie. Quand la détection est effective (champ diffracté par l'objet enfouie d'énergie suffisante), le modèle air/sol/objet mis en place dans la thèse sera exploité comme base de données pour fournir un ordre de grandeur de la profondeur à laquelle la structure est enfouie. On étudiera également la capacité à inverser numériquement le modèle en fonction des mesures expérimentales disponibles pour retrouver conjointement l'humidité et la rugosité surfacique (conductivité et permittivité) que l'on pourra ensuite utiliser pour définir une fonction d'humidité en profondeur. Les outils de modélisation seront adaptés et validés à partir de différents jeux de données expérimentales disponibles. Il s'agit de données SAR acquises par le moyen aéroporté SETHI de l'ONERA en bandes X [9.5-10.0 GHz] et UHF [225-380 MHz], polarisation complète et en résolution métrique sur des objets et structures enfouis spécifiquement pour les travaux de recherche menés à l'ONERA sur cette thématique : Nîmes-Garons : mesures sur des vestiges archéologiques ; Captieux : mesures sur des objets enfouis ; Biscarosse : mesures sur des objets et câbles enfouis ; Fauga : mesures sur une galerie souterraine. L'ONERA dispose donc d'un jeu de données de télédétection unique. Il permettra de confronter les développements du modèle numérique réalisés, à des données expérimentales. Des outils innovants de détection seront mis en œuvre sur ces données et les conditions expérimentales de détection en subsurface seront mises en parallèle des conditions prévues par la modélisation. La principale originalité de ce sujet de recherche concerne l'approche proposée pour répondre à la problématique : expérimentale et par modélisation numérique. Les développements numériques permettront de mieux cerner le potentiel de l'imagerie radar basse fréquence pour l'observation d'objets enfouis, et ils viendront s'appuyer sur un jeu de données SAR expérimentales particulièrement riche et original. Une finalité importante des travaux de thèse est de proposer des recommandations : • Pour le dimensionnement d'un système radar imageur sur porteur de type drone : domaine angulaire d'observation, résolution spatiale, domaine fréquentiel optimal, niveau de bruit instrumental, mode polarimétrique etc. • Sur la nature des sols (composition, humidité etc.) et le type de cible (SER etc.) qui pourront effectivement être détectés selon la profondeur d'enfouissement. Les retombées attendues seront immédiatement accessibles à l'issu des travaux de thèse et concernent tout autant les domaines civils (prospection archéologique non intrusive etc.) et défenses (IED etc.).