Analyse des performances d`un radar de sol multi

Journées scientifiques 24/25 mars 2015
URSI-France
SONDER LA MATIÈRE PAR
LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES
Analyse des performances d'un radar de sol multi antennes dédié à la
reconstruction 3D des objets
________________________________________________________________________________
Salwa Himya**, Theo Forte*, Thibault Houdeville*, Yann Thebault*, Mohammed Serhir**
* Majeure Électronique et Communication, CentraleSupelec-Campus Gif-sur-Yvette, {prenom.nom}@supelec.fr
** Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (GeePs) (UMR 8507 CNRS / CentraleSupelec - Universites
UPMC et UPSud) 11 rue Joliot-Curie - Plateau de Moulon 91192 Gif sur Yvette Cedex - France,
[email protected]
Mots clés: Ground Penetrating Radar, Radar de sol, Migration, Focalisation, Antenna, Antenne.
Introduction
Dans la continuité des travaux de conception d’antennes large bande utilisées dans les radars à pénétration de sol
(Ground Penetrating Radar), nous nous intéressons à la mise en réseau de ces antennes pour constituer un système multi
antennes MIMO (multiple input multiple output). Il se trouve que la diversité d’informations apportées par un système
MIMO permet la reconstruction 3D d’objet enfouis.
Un radar à pénétration de sol est un outil d’auscultation non-invasif constitué généralement d’un émetteur et d’un
récepteur placés l’un à côté de l’autre. L’émetteur génère un champ (régime impulsionnel) qui illumine la zone sous test
et le récepteur capte la réponse temporelle du milieu à analyser. Nous définissons un A-scan comme étant le signal
mesuré par le récepteur du radar en un point donné de l’espace à ausculter. En se déplaçant le long d’une droite le signal
mesuré par le récepteur décrit un radargramme de type B-scan. Si le déplacement est bidimensionnel (suivant x et y par
exemple) on parle de C-scan. La terminologie utilisée ici est associée à une configuration pseudo-mono-statique dans
laquelle l’émetteur est proche du récepteur.
L’utilisation d’un radar multi-antenne cette fois-ci permettrait d’effectuer un C-scan avec un simple déplacement
unidimensionnel. En plus du gain considérable de temps de mesure, la richesse d’information permettrait -sous réserve
de quelques traitements- de localiser finement les objets enfouis. Parmi les traitements qui existent nous citons les
techniques de migration [1]. À partir des radargrammes mesurés, nous cherchons à localiser plus précisément les objets
qui sont à l’origine du champ diffracté en éliminant la composante du temps par un procédé de focalisation.
Figure 1 Scène représentant une antenne d'émission (antenne papillon) et plusieurs points de mesure du champ (trièdres
verts). Les cibles à localiser sont représentées par deux disques métalliques.
En effet, les antennes émettrices et réceptrices utilisées dans les radars sont omnidirectionnelles et généralement peu
directives. Ainsi le signal mesuré ne provient pas d’une seule direction mais de tout le lobe d’antenne. Cela se traduit
par le fait qu’une cible isolée ne produit pas seulement un écho à sa verticale mais une trace hyperbolique sur l’image
temporellement et spatialement. La migration est une technique utilisée pour corriger ces déformations. Elle focalise les
hyperboles générées par une cible ponctuelle et reconstruit l’image sur un plan des coordonnées spatiales. Il existe
plusieurs techniques de migration. Les plus connues sont la migration de Kirchhoff, la migration F-k et le retournement
temporel.
133
URSI-France
Journées scientifiques 24/25 mars 2015
Nous nous intéressons à la migration de Kirchhoff. Cette méthode se base sur le principe de Huygen’s. Tout point du
front d’onde est considéré comme une source secondaire qui génère elle aussi un autre front d’onde. Les sources
secondaires de Huygen’s sont des points d’ouverture qui génèrent des ondes et ces dernières dépendent des angles de
propagation. Contrairement aux sources ponctuelles qui possèdent un rayonnement isotropique, les sources secondaires
génèrent des hyperboles de diffraction dans le plan (espace, temps). Le but de cette méthode de migration est de
sommer l’énergie produite par ces sources secondaires et les associer au point principal qui les a générés.
La migration F-k est basée sur l’utilisation de la transformée de Fourier bidimensionnelle. Il s’agit de convertir les
données mesurées au niveau des sondes et qui sont dans le domaine temps-espace à des données en Fréquence- espace
K (spectre spatial). F représente la fréquence (transformée de Fourier temporelle) et k est le nombre d’onde
(transformée de Fourier spatiale). Une fois les données dans le domaine F-K, il est simple d’appliquer l’algorithme de
migration. Son principe est fortement semblable aux transformations exploitées dans la mesure d’antennes en champ
proche en coordonnées cartésiennes. La migration F-K trouve un parallèle dans la transformation champ proche- champ
proche exploitée dans la caractérisation d’antenne.
Figure 2 Résultat de l'exécution de la migration dans le cas de la configuration présentée dans la figure 1
Nous avons implémenté l’algorithme de Kirchhoff temporel sous la forme d’un script MATLAB. Notre travail actuel
consiste à définir clairement les limites de cette technique de migration. On s’intéresse : au cahier de charges à respecter
par l’antenne ou les antennes d’émission, au positionnement spatial des sondes de mesures (trièdres verts présents sur la
figure 1) et à la nature des cibles à identifier en fonction de la gamme de fréquence en question (résolution). On montre
l’exécution de notre code de migration dans la figure 2. On identifie clairement les deux disques métalliques présents
dans la figure 1.
Conclusion
Nous étudions les limites de fonctionnement de l’algorithme de migration de Kirchhoff. Nous appliquons cette
technique pour plusieurs configurations en exploitant différentes antennes. L’espacement entre les sondes de mesure et
la plage fréquentielle de travail sont des critères déterminants pour la résolution de la focalisation à atteindre.
Remerciements
This work is a contribution to COST (European Cooperation in Science and Technology) Action TUl208 "Civil
Engineering Applications of Ground Penetrating Radar" (www.OPRadar.eu).
Références bibliographiques
1- D. J. Daniels, “Surface-Penetrating Radar”, London, IEE 1996.
2- T. G. Savelyev, A. G. Yarovoy, and L. P. Ligthart, “Weighted near-field focusing in an array-based gpr,” Radio
Science, vol. 43, p. 4, 2008.
3- K. Gu, G. Wang, and J. Li, “Migration based sar imaging for ground penetrating radar systems,” IEE Proceedings
Radar, Sonar and Navigation,, vol. 151, pp. 317–325, 2004.
134