Application of the microwave analogy to study the scattering properties of trees, atmospheric particles and microorganisms
Analogie microonde appliquée à l'étude de la diffraction par des arbres, par des particules atmosphériques et des micro-organismes
Résumé
The interaction between an impinging electromagnetic wave and a target results in a
scattered wave, which depends upon the frequency, the size, shape and electromagnetic properties
of the target. The measurement of a scattered signal can be used to detect or characterize
a target, and the applications range from radar systems at large scale to optical tomography at
the microscale. When the targets have very large or very small dimensions, the microwave
analogy appears as a useful approach to experimentally investigate a scattering problem. The
experiment is therefore scaled to the microwave range and the target is mimicked by a centimeter-
sized analog, while maintaining the same initial wavelength over target dimension ratio
and conserving the same initial permittivity. The microwave scattering experiments are realized
in the anechoic chamber of the Centre Commun de Ressources en Microondes at the
frequencies between 2 GHz and 18 GHz.
The objective of this thesis is to widen the application of the microwave analogy by
adopting the appropriate techniques to create objects of controlled shapes and electromagnetic
properties using special manufacturing technologies, as well as by developing a versatile setup
providing accurate measurements. A special interest is given on low scattering targets, i.e.
with low permittivity contrasts and/or small dimensions compared to the wavelength. An extensive
study on the random noise characterization of the measurement setup was made and
the undesired reflections within the anechoic chamber were investigated. As a result, a novel
optimization technique was proposed which allow having a flexible control of the setup parameters
according to the investigated target. It consists on angular zones decompositions of
the bistatic region with different power profiles. In addition, A Hardgating system utilizing
two RF switches was installed to the measurement setup, allowing to make pulsed signals
measurements and to filter out the stray signals.
Thanks the new setup optimization, it became possible to accurately measure low scattering
levels down to -60 dBm2. Moreover, additive manufacturing technologies were involved
in the fabrication of analogs and a novel technique was proposed to obtain targets with
“on-demand” value complex permittivity and shape. It became possible manufacture low scattering
analogs of the real part of permittivity for any value between 1 and 3 by creating well
controlled porous structures.
Three main targets are studied within the scoop of this thesis: low permittivity spheroids,
analogs of photosynthetic microalgae, soot aggregates analogs with complex shape, and
scaled forest scene models composed of tree analogs with some metal vehicle analogs.
La diffraction est un phénomène issu de la l’interaction d’une onde électromagnétique
incidente avec un objet. En électromagnétisme, le champ diffracté, qui en résulte, est fonction
de la fréquence, de la taille de l’objet et de ses caractéristiques diélectriques et magnétiques.
La mesure du signal ainsi diffracté peut être mise à profit pour caractériser un objet. On peut
citer les radars comme des applications qui concernent les grands objets et la tomographie
optique pour les échelles micrométriques. Dans le cadre des études expérimentales, l’analogie
microonde peut s’avérer bénéfique autant pour les grands que les petits objets. Son principe
est de transposer à l’échelle centimétrique les objets dont nous souhaitons étudier la diffraction.
Pour être pertinente, cette translation d’échelle doit être réalisée en créant un analogue
respectant le même rapport dimension sur longueur d’onde, tout en conservant la, sur une
fréquence donnée, la même permittivité. Toutes les mesures de diffraction de cette thèse ont
été réalisées dans la chambre anéchoïque du Centre Commun de Ressources en Microondes
avec des fréquences variant entre 2 GHz et 18 GHz.
Les objectifs de cette thèse sont d’élargir le champ des applications de l’analogie microonde
en adaptant les techniques de fabrication des analogues pour créer des objets de caractéristiques
électromagnétiques et de géométrie contrôlées d’une part, et d’autre part de développer
un outil versatile et précis pour réaliser les mesures de diffraction. Un intérêt particulier
a été porté aux objets faiblement diffractant, ce qui peut être dû à leurs faibles dimensions
aussi bien qu’à leurs faibles permittivités. A la suite de la caractérisation des réflexions
parasites et de celle du bruit aléatoire perturbant les mesures, une nouvelle technique d’optimisation
du paramétrage des appareils de mesure, qui tient compte des objets étudiés, a pu
être proposée. Elle comporte notamment un réglage des puissances de source en fonction des
angles de bistatisme et un filtrage temporel, par switch, qui a été mis en place et paramétré
pour filtrer les signaux parasites mesurés.
Les bénéfices de ces diverses optimisations des paramètres de mesures ont été démontrés
et ils ont permis de mesurer des niveaux de section efficace radar aussi bas que -60 dBm2.
De plus, les avancées sur le contrôle de la permittivité permettent de réaliser des analogues de
géométrie maîtrisée avec des permittivités relatives à la carte dans la gamme de 1 à 3 ; la
permittivité étant ajustée par contrôle de la porosité.
Les trois principales études présentées concernent : des sphéroïdes de faible permittivité,
analogues de microalgues photosynthétiques, des agrégats de suies de forme complexes,
et des scènes forestières composées d’analogues d’arbres et de véhicules.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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