De nombreux domaines d’applications bénéficient de la technologie ULB, ses atouts la mettent en
concurrence avec d’autres technologies existantes. Le faible niveau de densité spectrale de
puissance est l’un des premiers avantages qu’offre cette technologie. En effet, l’énergie totale du
signal est étalée sur une très large bande de fréquences, ce qui permet aux systèmes ULB de ne
pas interférer avec d’autres systèmes tels que les systèmes à bande étroite.
Les applications de communication nécessitent un certain débit d’information (
Fig. I-10), celles
qui sont liées au radar n’exigent pas un grand débit mais nécessitent une bonne précision sur de
grandes distances, tandis que les communications sans fils sont à très hauts débits plutôt à courte
portée.
13
L’utilisation de l’ULB impulsionnelle pour des applications par exemple militaires, est justifiée par
le faible niveau d’énergie et la courte durée des informations transmises. Cela représente un
avantage majeur pour l’envoi de données confidentielles car il est difficile de détecter ce type de
signaux.
Les caractéristiques que confère l’utilisation d’un spectre de fréquence large bande qui couvre des
fréquences de quelques centaines de MHz, permettent aux ondes électromagnétiques de pénétrer
dans différents milieux (sol argileux, sol sableux, etc..) et matériaux (bétons, briques, etc..). Une
pénétration des ondes EM plus profonde dans le milieu ausculté est assurée grâce aux fréquences
basses du spectre, et la grande largeur de bande permet quant à elle une bonne résolution
temporelle entrainant de grandes précisions de localisation adaptées aux applications radar.
Fig. I-10. Les débits d’information en fonction des applications ULB
Quelques exemples de radar GPR commerciaux et développés à XLIM, notamment pour la
détection de cibles sont abordés dans la suite.
I.3.1. Radar GPR
Pour les applications radar, la technologie ULB a fait ses preuves notamment pour les radars GPR
ou à pénétration de sol (Grounding Penetrating Radar) pour des domaines tels que la détection
de mines anti-personnel ou anti-char ainsi que l’auscultation des sous-sol à travers une
caractérisation de ses propriétés diélectriques. En effet, l’émission d’un signal de durée ultra brève
contribue à une meilleure résolution radar (∆R) car elle est directement proportionnelle à la
bande passante du signal.
∆𝑅 = 𝑣
2𝐵𝑃
Équation 4
Ou, v est la vitesse de propagation dans le milieu et BP la bande passante du radar
Cette amélioration de résolution obtenue grâce à l’ULB impulsionnel permet à travers la
superposition de plusieurs réponses impulsionnelles de recueillir des informations sur la
localisation de l’objet enterré, sa taille ainsi que ses caractéristiques diélectriques.
14
Le fonctionnement du GPR impulsionnel, est basé sur l’excitation du sous-sol par un train
d’impulsions de durée courte (1 à 50 ns) rayonné par une antenne d’émission et par la détection
via une antenne, des échos successifs associés aux contrastes de permittivités ou de conductivités
rencontrés par les ondes électromagnétiques au cours de leur propagation. Le déplacement du
système radar (émission \ réception) à la surface du sol permet d’acquérir des traces (coupes
radars ou scans) sur une fenêtre temporelle et de former des radargrammes (ou image radar) de
la structure du sous-sol (
Fig. I-11).
Fig. I-11. Exemple d’un radargramme obtenu par un système GPR UTILY SCAN DF [16]
Plusieurs systèmes de radars GPR existent sur le marché. Les systèmes les plus utilisés présentent
une configuration monostatique où la même antenne sert à l’émission et à la réception. De
nombreux laboratoires et sociétés travaillent dans le domaine du GPR depuis quelques dizaines
d’années. GSSI (Geophysical Survey Systems Inc) est l’une des premières sociétés ayant développé
des GPR dès 1974 avec une bande de fréquences de travail allant de 80MHz à 2.5GHz. Aujourd’hui,
ils commercialisent des radars GPR utilisables dans différents domaines (l'inspection du béton,
les mines, l'archéologie, la géologie et la géophysique, la géodétection des réseaux ...). Par exemple
le modèle « Utily Scan DF » (
Fig. I-12) est dédié à la détection de réseaux enterrés.
15
I.3.2. Radars ULB développés à XLIM
Les raisons pour lesquelles la plupart des GPR fonctionnent en configuration monostatique (la
même antenne est utilisée pour l’émission et la réception) sont liées à la fois à l’aspect technique
et à l’aspect économique. Cependant d’autres configurations existent telles que la bi-statique
(deux antennes, l’une à l’émission et l’autre à la réception sont placées côte à côte). Certaines
entreprises et instituts de recherches se consacrent également au développement de radars
fonctionnant en configuration multistatique permettant de gagner considérablement en temps de
mesure et en qualité d’image, avec cependant des traitements numériques plus élaborés. Des
développements sont accomplis pour améliorer la résolution verticale des GPR impulsionnels en
utilisant des impulsions de durée adaptée à la profondeur et à la résolution voulues [17]. Ce type
d’amélioration est lié notamment au développement d’antennes permettant d’obtenir des
performances adéquates (bande de fréquences, directivité, polarisation, couplage, gain). Plusieurs
antennes dédiées au GPR ont été développées à XLIM, telles que l’antenne ciseaux [18] et l’antenne
libellule [19], conçues pour un radar SAR (Synthetic Aperture Radar) ULB impulsionnel dans le
cadre du projet du démonstrateur PULSAR (Fig. I-13). Ces deux antennes sont appliquées à la
détection de mines enterrées (
Fig. I-14).
Fig. I-13. Démonstrateur PULSAR
Fig. I-14. Antenne ciseau (à gauche) et Antenne libellule (à droite) intégrées sur le radar de détection de mines PULSAR
16
Lors de ce projet, des problèmes liés à la tenue en tension des antennes vis à vis des impulsions
d'amplitudes crêtes supérieures à 25 kV et à la difficulté d'approvisionnement de générateurs
délivrant des impulsions ULB de niveaux supérieurs à quelques dizaines de kilovolts présentant
des temps de montée de l'ordre de 100 picosecondes ont été identifiés. Pour répondre à ces
contraintes, un concept multi-sources / multi-antennes dans le cadre du projet RUGBI [20] a été
mis en place.
La solution se base sur une architecture à N générateurs / N antennes capable de sommer de façon
cohérente les puissances rayonnées. Les antennes n'ont plus besoin dans ce cas de supporter une
trop forte tension crête ce qui restreint les contraintes lors de sa conception. Le problème de la
limitation de la gigue entre les N rayonnements a été résolue par le recours à N
photocommutateurs éclairés par un même faisceau Laser.
Fig. I-15. Principe de fonctionnement du Radar RUGBI
La Fig. I-15 illustre l'architecture de ce système, qui a permis de prouver la faisabilité d’un radar
à N antennes commandées par N sources optoélectroniques.
Dans le document
Contribution à la conception d'antennes ultra large bande impulsionnelles d'encombrement réduit
(Page 30-34)