CONCEPTION D'UN MIROIR A RETOURNEMENT TEMPOREL (stage M2R au LSEET Toulon-Var)
"Soutenance M2R": Rapport Présentation
"JS09 URSI-France" : Article Présentation
Ce stage s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche dont
l'objectif consiste à mettre au point un prototype de capteurs
micro-onde [2-4] GHz, destiné à détecter et caractériser
une anomalie immergée dans un environnement inhomogène. Le système
sera composé d'un réseau d'antennes émettant
des signaux très large bande et fonctionnant en configuration multistatique
(chaque antenne peut émettre et recevoir). L'alimentation de chaque
antenne devra être contrôlée en amplitude et en phase afin
d'assurer une grande agilité en termes de pointage du faisceau.
En effet, l'aspect novateur du système réside dans ce que
l'émetteur devra s'auto-configurer afin de focaliser son
rayonnement sur le point brillant détecté lors de la précédente émission.
Cette approche, fondée sur les propriétés des miroirs à retournement
temporel, ne requiert aucune connaissance préalable sur l'anomalie.
Elle est déjà appliquée en Acoustique ultrasonore pour
des problèmes de contrôle non destructif et d'imagerie médicale.
La technologie pour les micro-ondes en électromagnétisme n'a évidemment
rien à voir, et le projet est destiné à évaluer
le potentiel du retournement temporel appliqué à des signaux
très large bande.
Outre la compréhension théorique nécessaire, le stage comporte beaucoup d'aspects techniques. Le travail s'articulera principalement autour des points suivants :
Compréhension des aspects théoriques liés au problème étudié : retournement temporel en micro-ondes.
Réalisation de cartes électroniques permettant de piloter les différents éléments de la manipulation (déphaseurs, atténuateurs, commutateurs pour les antennes, …).
Finalisation de l'interface à microcontrôleur PIC destinée au pilotage automatique des différents éléments du système.
Etude (algorithme) et réalisation d'un programme sur PC (en MATLAB) destiné à recueillir les données et à les traiter. Le PC commandera, en outre, via une liaison ETHERNET, un analyseur
de réseau servant de source RF ce qui permettra de paramétrer le PIC dans le but de piloter le système complètement autonome. Ce travail s'appuiera sur les connaissances théoriques acquises
au premier point.
Mise en œuvre d'une série de tests permettant de valider le système avant son exploitation.
Historique :
Ce travail de recherche se place dans le contexte des études sur les
nouveaux concepts de radars agiles, l'agilité se traduisant ici
par une grande versatilité en termes de front d'onde émis
par le système. D'un point de vue technique, l'objectif
consiste à mettre au point un prototype destiné prioritairement à détecter
et caractériser une anomalie immergée dans un environnement inhomogène.
Le terme anomalie désigne ici une distribution de permittivité a
priori non prévue par la statistique des fluctuations de permittivité de
l'environnement.
L'aspect novateur du système réside dans le fait que l'émetteur
devra s'auto-configurer afin de focaliser son rayonnement sur le point
brillant détecté lors de la précédente émission,
ceci afin d'optimiser le rapport signal à bruit en « évacuant » la
signature du fouillis. Un tel système, appelé miroir à retournement
temporel, ne requiert aucune connaissance préalable sur l'anomalie.
Cette approche est déjà appliquée en Acoustique ultrasonore
pour des problèmes de contrôle non destructif et d'imagerie
médicale (travaux du Laboratoire Ondes et Acoustique de l'ESPCI – LOA
http://www.loa.espci.fr/cnd_website/index_CND_fr.html). La technologie pour
les micro-ondes en électromagnétisme est évidemment très
différente. A ce jour, deux voies ont été explorées.
D'une part, le concept de miroir à conjugaison de phase, qui possède
aussi cette capacité à retourner l'onde incidente sur la
source, a été transposé de l'Optique aux micro-ondes.
Ceci est réalisé grâce à des circuits électroniques
qui reproduisent le comportement des matériaux non-linéaires
utilisés en Optique. Ces miroirs sont optimisés pour une fréquence
donnée et ne traitent que des signaux quasi-monochromatiques. D'autre
part, le LOA a, pour des applications en télécommunications,
développé un miroir à retournement temporel travaillant
sur des signaux à faible largeur de bande autour de 2,45GHz (http://www.loa.espci.fr/electromag/index_groupe_electromag_fr.html).
Notre projet :
Par rapport à l'existant, notre objectif est double : développer
un système multistatique (dit MIMO en télécommunications)
compatible avec des signaux ultra-large bande (ULB, ?f/fc > 0.25) et capable,
grâce à l'application de la méthode de Décomposition
de l'Opérateur de Retournement Temporel (DORT) de focaliser sélectivement
sur l'un ou l'autre des points brillants de la scène dès
la première itération du processus, et pas nécessairement
sur le plus brillant. Des études expérimentales, menées
sur des cibles simples, d'abord avec un seul cornet large bande dans
la chambre anéchoïque à l'Institut Fresnel à Marseille,
puis avec le radar SIMIS à huit antennes ULB du Laboratoire d'Electronique
Antennes et Télécommunications (LEAT), ont permis de synthétiser
numériquement le retournement à partir des données enregistrées,
validant par là même le concept.
Objectifs et moyens prévus :
A terme (travail de thèse), le système sera composé de
deux réseaux indépendants de huit antennes ULB chacune contrôlées
en amplitude et en phase, afin d'assurer une grande agilité en
termes de pointage du faisceau. Cet aspect fera l'objet d'une collaboration
avec le LEAT, qui dispose d'une grande expérience dans le couplage
entre antennes. Deux modes de fonctionnement sont prévus : le retournement du signal enregistré, la réémission de l'onde associée à un vecteur
propre grâce à la méthode DORT.
On testera aussi des méthodes de traitement du signal pour détecter
et localiser des anomalies, par exemple en combinant les méthodes MUSIC
et décomposition de l'ORT sur les valeurs singulières de
la matrice inter-éléments. L'intérêt de disposer
de signaux ULB est de pouvoir, préalablement au retournement, filtrer
temporellement le signal pour exclure l'écho indésirable
de contributeurs connus, si la résolution le permet.
Moyens actuels (lors du stage) :
Durant le stage, n'ayant pas reçu tout le matériel souhaité,
nous avons constitué un système allégé mais parfaitement
fonctionnel. Actuellement, il est constitué d'un réseau
de 4 voies d'émission/réception complètes. Chaque
voie possède son couple atténuateur-déphaseur et son antenne
permettant de dépointer le faisceau, comme le cahier des charges le
stipule. Néanmoins ne possédant pas encore le second réseau,
nous serons dans l'obligation de simuler, avec MATLAB, la carte de champ
du signal diffracté à partir des données mesurées
en appliquant la méthode DORT.
Principe de fonctionnement :
La Figure 1 représente une expérience réalisée
en acoustique. Un champ de tiges (diffuseurs) est placé entre une antenne
primaire en émission et un réseau d'antennes en réception.
L'antenne primaire envoie une impulsion temporelle, en direction des
diffuseurs, le réseau capte le champ diffracté issu de l'interaction
onde-matière résultante. Une carte de ce champ est ensuite simulée
numériquement sous MATLAB.
Figure 1 : Principe du miroir à retournement temporel
Ensuite, deux possibilités se présentent :
On simule des réémissions sur PC du champ diffracté.
On remarquera que le signal convergera, au bout de quelques itérations,
vers un seul diffuseur (ou un sous ensemble de diffuseurs proches) qui aura
un coefficient de diffusion plus fort.
On simule une réémission sur PC d'une partie de ce champ
mesuré en appliquant la méthode DORT. Cela nous permettra de
focaliser le faisceau d'émission sur le diffuseur souhaité.
Comme précisé précédemment, nous souhaitons réaliser,
en pratique, le dépointage du faisceau de réémission.
Pour ce faire, nous avons notre réseau pilotable. Néanmoins,
la pratique est plus complexe que la théorie. Afin d'être
précis dans le pointage de ce faisceau, le laboratoire a opté pour
une impulsion synthétique. Notre système enverra des ondes monochromatiques.
La reconstitution du signal temporel est ensuite possible par transformée
de Fourier. Ceci permet d'avoir une grande liberté sur la résolution
fréquentielle, la bande passante et le nombre de points d'acquisition.
Ce principe est aussi appelé radar à saut de fréquence.
Réalisation du miroir à conjugaison de phase :
Notre miroir à conjugaison de phase peut être scindé en
trois parties (cf figure 2). Une partie « HAUTES FREQUENCES » constituée
d'un analyseur de réseau, d'un réseau d'antennes
pilotables en amplitude et en phase avec le couple atténuateur-déphaseur
permettant le dépointage du faisceau émis. Ensuite, la partie « Circuits
d'interface » comportant toute électronique centralisée
autour d'un microcontrôleur afin de piloter la partie « HF ».
Notre système est centralisé autour de MATLAB afin de réaliser
du traitement du signal sur les données acquises et de gérer
les contrôles à distance de l'analyseur de réseau
et des circuits d'interface.
Figure 2 : Architecture générale
Ce prototype sera limité par le temps d'acquisition de l'analyseur
de réseau, restreignant, à ce stade, l'utilisation du radar à des
environnements quasi-statiques. Aussi, la partie technique devra être
optimisée, lors du travail de thèse. Il mènera à la
réalisation d'un système totalement autonome, possédant
ses propres générateurs et démodulateurs, afin d'optimiser
la durée du cycle réception-retournement. Cette optimisation
passera aussi par l'implantation au sein du système des algorithmes
de traitement des données. Cela permettra de préciser le champ
d'application dans des milieux mobiles tels que la mer.
Photos de notre prototype radar :
Figure 3 : Plan de travail HF avec l’analyseur de réseau, le radar , ses antennes et sa partie commande (électronique)
Figure 4 : Zoom sur la partie HF et commande
Figure 5 : Partie HF
Figure 6 : Electronique en amont
Laboratoire de Sondages Electromagnétiques
de l'environnement Terrestre (LSEET-LEPI)
Université de Toulon et du Var
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