Modélisation et conception d'antennes radar large bande pour la cartographie de la teneur en eau volumique des sols agricoles PDF Download
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Book Description
Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de développement d'un outil radar pour la cartographie de la teneur en eau des sols agricoles et se consacre plus particulièrement à la conception de deux prototypes d'antennes radar large bande. Deux prototypes d'antennes ont ainsi été conçus de manière numérique sur la base d'un code de simulation électromagnétique en trois dimensions basé sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) pour la résolution des équations de Maxwell. Les prototypes ont été conçus avec comme ligne directrice un encombrement minimum (format A4) et une largeur de bande maximum sur la gamme 100 MHz - 1 GHz (dans l'air). Afin d'étudier apriori le comportement de ces prototypes en présence de sols, une étude numérique a été réalisée en représentant les sols par des demi-espaces infinis. Cette étude numérique se base sur l'évolution du coefficient de réflexion des prototypes dans le domaine fréquentiel (s11). Pour s'approcher au mieux des conditions de terrain, l'effet d'un contact non idéal entre l'antenne et le sol (représentée par une élévation de l'antenne) ainsi que celui de la rugosité du sol (représenté par des surfaces en tôle ondulée et en boîtes d'oeufs) ont été investigués. Sur la base de cette étude numérique, deux prototypes d'antennes (une antenne de type bow-tie et une de type dipôle elliptique) ont été fabriqués et testés en laboratoire et sur le terrain. Les premiers tests en laboratoire ont permis : (i) de vérifier la bonne cohérence entre mesure de s11 en milieu contrôlé et simulation FDTD précise de l'antenne (i.e. prenant en compte tous ses éléments constitutifs), (ii) une calibration en champ lointain et en champ proche de l'antenne permettant l'utilisation d'un modèle analytique pour simuler le s11 de l'antenne en présence d'un sol, (iii) une première estimation de la permittivité diélectrique d'un sol simple (sable) par les deux types de modélisation (FDTD et analytique). Enfin, les prototypes d'antennes ont été testés sur le terrain afin de vérifier leur comportement lors de mesures in situ. Ces tests montrent un fort impact (bruit) des câbles coaxiaux utilisés lors des mesures (notamment à haute fréquence), ainsi qu'une bonne sensibilité du dispositif aux contrastes de permittivité diélectrique.
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Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de développement d'un outil radar pour la cartographie de la teneur en eau des sols agricoles et se consacre plus particulièrement à la conception de deux prototypes d'antennes radar large bande. Deux prototypes d'antennes ont ainsi été conçus de manière numérique sur la base d'un code de simulation électromagnétique en trois dimensions basé sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) pour la résolution des équations de Maxwell. Les prototypes ont été conçus avec comme ligne directrice un encombrement minimum (format A4) et une largeur de bande maximum sur la gamme 100 MHz - 1 GHz (dans l'air). Afin d'étudier apriori le comportement de ces prototypes en présence de sols, une étude numérique a été réalisée en représentant les sols par des demi-espaces infinis. Cette étude numérique se base sur l'évolution du coefficient de réflexion des prototypes dans le domaine fréquentiel (s11). Pour s'approcher au mieux des conditions de terrain, l'effet d'un contact non idéal entre l'antenne et le sol (représentée par une élévation de l'antenne) ainsi que celui de la rugosité du sol (représenté par des surfaces en tôle ondulée et en boîtes d'oeufs) ont été investigués. Sur la base de cette étude numérique, deux prototypes d'antennes (une antenne de type bow-tie et une de type dipôle elliptique) ont été fabriqués et testés en laboratoire et sur le terrain. Les premiers tests en laboratoire ont permis : (i) de vérifier la bonne cohérence entre mesure de s11 en milieu contrôlé et simulation FDTD précise de l'antenne (i.e. prenant en compte tous ses éléments constitutifs), (ii) une calibration en champ lointain et en champ proche de l'antenne permettant l'utilisation d'un modèle analytique pour simuler le s11 de l'antenne en présence d'un sol, (iii) une première estimation de la permittivité diélectrique d'un sol simple (sable) par les deux types de modélisation (FDTD et analytique). Enfin, les prototypes d'antennes ont été testés sur le terrain afin de vérifier leur comportement lors de mesures in situ. Ces tests montrent un fort impact (bruit) des câbles coaxiaux utilisés lors des mesures (notamment à haute fréquence), ainsi qu'une bonne sensibilité du dispositif aux contrastes de permittivité diélectrique.
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Ce mémoire présente la conception d’une antenne Ultra Large Bande pour le régime impulsionnel (bande passante 300MHz- 3GHz) ainsi que la conception d’un Radar de type réseau d’antennes permettant un dépointage du faisceau dans le domaine temporel. Cette étude menée en collaboration avec la DGA (Délégation Général pour l’Armement) a pour objectif de réaliser un prototype d’un Radar de taille réduite par rapport aux fréquences travail. L’étude s’attarde sur les techniques de miniaturisation des antennes et plus particulièrement celles appliquées aux antennes à ondes progressives. Une fois l’antenne élémentaire conçue, une deuxième phase d’étude porte sur l’optimisation du réseau de ces antennes élémentaires. L’étude se termine par les tests et mesures du Radar réalisé, le Radar est alimenté à l’aide d’un générateur à base de photocommutateurs réalisés par l’équipe photonique du laboratoire XLIM. Les performances sont alors comparées aux résultats de simulation du rayonnement de ce type de Radar.
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L'agriculture en Tunisie fait partie des secteurs importants sur lesquels reposent l'économie du pays. Elle revêt également son importance par sa contribution à la sécurité alimentaire. Dans un contexte de gestion des ressources naturelles, la caractérisation et le suivi des états de surface est indispensable, particulièrement dans les régions semi-arides où plusieurs contraintes freinent le développement agricole (période de sécheresse, conflits sur le partage des eaux, manque de ressources, surexploitations des nappes, etc.). En Tunisie, près de 80 % des ressources en eau disponibles sont utilisées par l'agriculture avec une efficacité limitée. Là, où les ressources en eau sont très limitées, l'estimation de l'état hydrique de surface est particulièrement nécessaire pour établir les décisions adéquates pour une meilleure gestion de cette ressource. Dans ce contexte, la télédétection fournit une base fondamentale de données pour l'observation de la surface et constitue un outil majeur pour l'acquisition d'informations à distance. Les travaux réalisés au cours de cette thèse sur la plaine de Kairouan, au Centre de la Tunisie et caractérisée par un climat semi aride, contribuent à l'évaluation du potentiel des nouveaux capteurs satellitaires Sentinel-1 (S-1) et Sentinel-2 (S-2) pour la caractérisation des états de surface, spécifiquement l'humidité du sol dans un contexte de gestion durable des ressources en eau et en sol. En effet, ces nouveaux systèmes offrent aujourd'hui des produits opérationnels avec une forte répétitivité temporelle et des résolutions spatiales métriques permettant un suivi régulier. Dans notre contexte, les données radars sont particulièrement sensibles aux conditions de surface, précisément à l'humidité du sol, à la rugosité de surface et à la végétation. Ils se dévoilent comme les outils les plus prometteurs pour un suivi précis à l'échelle de la parcelle ou régionale. Ce travail comprend deux principales parties qui relient directement l'humidité du sol (variable clé pour différents processus) à l'irrigation dans un premier temps, puis à la texture du sol. L'approche adoptée combine les mesures expérimentales à l'utilisation de données de la télédétection multi-capteurs en synergie, ainsi à la modélisation et à la cartographie. La thèse se structure en trois volets. Le premier volet de ce travail évalue le potentiel des données radars en bande C pour une large base de données. Les résultats ont montré à travers des études du comportement et de modélisation que le signal radar permet de suivre la dynamique temporelle et spatiale de l'humidité du sol sur des parcelles de céréales. Le second volet, consiste à évaluer l'utilisation conjointe de données optiques et radars afin de pouvoir prédire l'état hydrique de surface sur une couverture végétale.[...].
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Le recours à la caractérisation des états hydrique, géométrique et physique de surface du sol est essentiel dans la gestion et la conservation des ressources naturelles dans les régions agricoles semi-aride. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse visent à estimer la variabilité spatio-temporelle des paramètres de surfaces agricoles nues (humidité, rugosité et texture) moyennant des données radars multi-temporelles acquises en bande X à haute résolution spatiale. Une nouvelle description de l'état géométrique des sols est d'abord proposée à travers l'estimation d'un nouveau paramètre de rugosité, le paramètre Zg, estimé en fonction de trois paramètres statistiques de rugosité (écart type des hauteurs "s", longueur de corrélation "l" et la forme de la fonction de corrélation). Les simulations des signaux radar montrent une très forte corrélation avec ce paramètre de rugosité. L'apport du paramètre Zg est confirmé à travers une large base de données expérimentale et spatiale acquises sur différents sites en France. Le deuxième volet de cette thèse présente une analyse des sensibilités des signaux radars issus de capteurs (TerraSAR-X et COSMO-SkyMed), aux paramètres de surface (l'humidité et les trois paramètres de rugosité : s, Zs=s2/l et Zg). Une forte corrélation est observée entre les mesures radars acquises à différentes configurations (polarisations HH et VV, et à 26° et 36°d'incidences) et tous les paramètres du sol. Cette analyse est suivie par des comparaisons des coefficients de rétrodiffusion réels et simulés à partir des modèles physique et semi empirique couramment utilisés : Modèle d'équation intégrale " IEM " de Fung et al., 1992, Modèle de Dubois (Dubois et al., 1995) et le Modèle IEM empiriquement calibré par Baghdadi et al., 2011. Le dernier modèle a montré une forte cohérence avec les mesures radar. Dans le troisième volet, une méthode empirique de détection de changement est développée, en combinant les images radars TerraSAR-X avec des données d'humidités ponctuelles dérivées du réseau des 7 capteurs repartis sur la zone d'étude en continue, pour spatialiser l'état hydrique du sol. La performance de l'algorithme proposé, est évaluée et validée sur de nombreuses parcelles de référence. La spatialisation de la teneur en argile des sols est déduite à partir du calcul de la moyenne des cartes de l'état hydrique du sol (une erreur quadratique moyenne équivalent à 108 g/kg). Pour cartographier la rugosité des sols, des relations empiriques reliant le signal radar aux paramètres de rugosité (Ecart type des hauteurs et le paramètre Zg) étaient élaborées. En inversant les mesures radars, les cartes de rugosité qui en résultent, ont permis de distinguer différents états de surface des sols (labourés, dégradés ou en jachère). Dans le dernier volet, un modèle d'estimation du bilan hydrique des sols agricoles nus " MHYSAN " qui simule l'évaporation et l'état hydrique surfacique est développé. Cette dernière partie souligne le potentiel de calibrer un modèle hydrologique des sols en assimilant les produits d'humidité radars.
Author: Samuel Besse Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 204
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Les radars géologiques jouent un grand rôle pour la prospection non destructive dans des domaines aussi variés que le génie civil ou la recherche spatiale : détection d'objets enfouis, recherche d'eau liquide dans le sol de Mars... Leur évolution nécessite études théoriques et simulations rigoureuses afin de se focaliser sur les phénomènes physiques. La 1ère partie de ce mémoire porte sur la génération de sols réalistes et sur le calcul du champ diffracté. La 2ème partie rappelle le principe des antennes large bande et détaille le fonctionnement de l'antenne amortie selon le modèle de Wu-King. La 3ème partie relative à l'interprétation des échos radars propose un modèle analytique déterminant le signal reçu lorsque le sol se compose d'une succession d'interfaces planes. Combiné à un algorithme génétique, ce modèle permet d'inverser des résultats de simulations. Enfin, une méthodologie permettant l'obtention de B-scans est développée pour visualiser la signature d'objets
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DE NOMBREUSES APPLICATIONS CIVILES OU MILITAIRES FONT USAGE DES RADARS A BANDE ULTRA LARGE (ULB) POUR LA DETECTION D'OBJETS ENFOUIS DANS LA VEGETATION OU ENTERRES DANS LE SOL. TOUTEFOIS, LES PREMIERES EXPERIMENTATIONS, IMPLIQUANT DE TELS SYSTEMES, ONT MONTRE QU'UN FORT NIVEAU DE FOUILLIS S'AJOUTE AU SIGNAL UTILE ET PERTURBE L'EXPLOITATION DES DONNEES. LA COMPREHENSION DE L'INTERACTION D'UNE IMPULSION ULTRA BREVE AVEC UNE SCENE ELECTROMAGNETIQUE COMPLEXE EST DONC CRUCIALE POUR SURMONTER CES EFFETS DEGRADANTS, LORS DU DIMENSIONNEMENT ET DE L'UTILISATION DES PLATES-FORMES RADARS. LE TRAVAIL PRESENTE CONSISTE A CONCEVOIR ET A DEVELOPPER DES LOGICIELS D'ANALYSE ELECTROMAGNETIQUE TEMPORELLE ET DE TRAITEMENT DU SIGNAL. CES OUTILS PERMETTENT AINSI DE MODELISER, D'INTERPRETER ET D'EXPLOITER DES DONNEES REELLES OU SIMULEES. TOUT D'ABORD, NOUS PROPOSONS UNE ANALYSE ELECTROMAGNETIQUE TEMPORELLE D'OBJETS ENFOUIS DANS DES SOLS DISPERSIFS ET CONDUCTEURS, PAR UN OUTIL BASE SUR UNE ADAPTATION DE LA METHODE TEMPORELLE DES DIFFERENCES FINIES (FDTD) AU CAS DE LA DIFFRACTION RADAR ULB. LES INFLUENCES DE DIVERS PARAMETRES DES SOLS (HUMIDITE, DENSITE, NATURE) SUR LA SIGNATURE RADAR DES OBJETS ENFOUIS SONT MISES EN EVIDENCE SUR DES SIGNAUX SIMULES. ENSUITE, L'IDENTIFICATION DES OBJETS PAR L'ETUDE DE LEURS RESONANCES NATURELLES EST ANALYSEE EN DETAIL. FONDE SUR LA METHODE DU DEVELOPPEMENT EN SINGULARITES (SEM), LE PRINCIPE CONSISTE A EXTRAIRE, D'UNE PARTIE DU SIGNAL RECU, LES FREQUENCES DE RESONANCE PROPRES AUX OBJETS. DEUX METHODES D'EXTRACTION, PRONY ET MATRIX PENCIL, ONT ETE IMPLANTEES, PUIS VALIDEES SUR DES SIGNAUX SIMULES ET ENFIN TESTEES SUR DES SIGNAUX REELS PROVENANT DE SYSTEMES OPERATIONNELS. ENFIN, NOUS DETAILLONS LA CONCEPTION ET LE DEVELOPPEMENT ORIGINAUX DE NOTRE SIMULATEUR ELECTROMAGNETIQUE DE FOUILLIS ULB, GENERE PAR UNE SURFACE RUGUEUSE DIELECTRIQUE. BASEE SUR L'APPROXIMATION DE KIRCHHOFF, CETTE TECHNIQUE CALCULE LA REPONSE TEMPORELLE DE LA SCENE. LA RUGOSITE ET LES ANTENNES ULB FONT L'OBJET DE TRAITEMENTS PARTICULIERS ET NOVATEURS. LA CONFRONTATION DES SIMULATIONS A DES MESURES REELLES ISSUES D'EQUIPEMENTS TRES RECENTS CONCLUT CETTE ETUDE DE FACON ENCOURAGEANTE.
Author: Philippe Delmote Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 229
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La première partie de cette thèse porte sur l'étude, le dessin et la réalisation d'antennes ultra large bande (ULB). Ces dernières, appelées « Libellule », sont dédiées à des applications métrologie impulsionnelle et RADAR dans le domaine temporel. Les deux aériens réalisés équipent le dispositif PULSAR destiné à la détection de mines enfouies. Une seconde étude a été menée dans le but de créer un démonstrateur RADAR optoélectronique. L'objectif est de synchroniser parfaitement quatre antennes d'émission afin de réaliser la sommation des champs rayonnés dans l'axe. Quatre antennes, dérivées de la géométrie « Libellule » ont été conçues et réalisées dans le cadre de cette étude. La dernière partie de ce manuscrit aborde le thème des communications ULB. Deux antennes dédiées à un fonctionnement dans la bande 3.1 - 10.6 GHz sont présentées ; cette dernière étude a abouti à la réalisation d'un prototype qui a été testé et validé.
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Ce mémoire présente la conception et la réalisation d'un démonstrateur radar Ultra Large Bande (ULB) impulsionnel optoélectronique. Les applications visées sont la détection de cibles diverses (humains, véhicules, armes, mines,...) dissimulées dans différents milieux (végétation, sol, bâtiments) à courte et moyenne portée. Cette étude menée en collaboration avec la Délégation Générale pour l'Armement (DGA) aboutit à la mise en oeuvre du banc nommé RUGBI (Radar Ultra Grande Bande Instantanée). L’objectif de ce projet est de repousser les limites actuelles de portée, de résolution et d’acquisition des radars Ultra Large Bande (ULB) purement électroniques. En effet, l’utilisation de photoconducteurs éclairés par un faisceau laser ultrarapide, permet de générer des impulsions électromagnétiques courtes à fort niveau de tension sans gigue, autorisant ainsi le concept multisources. La conception du radar fait appel à un état de l'art des matériels hyperfréquences (générateurs, numériseurs, antennes,...) susceptibles de répondre aux besoins du système. Des choix ou de nouvelles conceptions sont réalisés. L'assemblage du système complet, son positionnement dans le local de test, la réalisation du réseau d'antenne ULB sont détaillés. Des programmes de pilotage des bancs sont réalisés sous le logiciel Labview. Enfin des expérimentations permettent de caractériser et de valider le fonctionnement de ce radar. Le rayonnement et le fonctionnement en mode radar sont étudiés.
Author: Quentin Vitale
Author: Quentin Vitale
Author: Adrien Godard
Author: Safa Bousbih
Author: Azza Gorrab
Author: Samuel Besse![L'apport de l'humidité du sol dans la modélisation des valeurs relatives d'images radar en bande C [microforme] : le cas de sols couverts en milieu agricole PDF](https://books.google.com/books/content/images/frontcover/L1bGwgEACAAJ?fife=w80-h100)
Author: Michel Dupuis
Author: YVES.. LOSTANLEN
Author: Philippe Delmote
Author: Jean-Christophe Diot