Département Electromagnétisme et Radar

Le projet THERMACOM vise à répondre à des enjeux scientifiques et techniques liés aux performances des systèmes antennaires et des cordons RF, dans des environnements thermiques particulièrement sévères. Les applications ciblées couvrent aussi bien le domaine Défense (antennes, signatures radar) que civil (spatial, nucléaire, volcanologie). D’une manière générale, les systèmes radiofréquence (RF) et hyperfréquences, notamment les antennes, les câbles et les connectiques associées, doivent supporter des températures élevées ; des environnements thermiques de l’ordre de plusieurs dizaines de degrés sont fréquents. Néanmoins, pour certains systèmes, ces températures peuvent devenir bien supérieures : c’est le cas par exemple des porteurs hypervéloces, des lanceurs spatiaux, des satellites et des réacteurs nucléaires, pour lesquels les températures peuvent atteindre 600°C. Le défi réside dans la capacité à concevoir des technologies permettant de s’accommoder conjointement des contraintes thermomécaniques, aérothermiques et électromagnétiques (EM). L’intégration d’un système antennaire soumis à de très haute température ne peut pas se limiter à la cellule de rayonnement ; elle doit prendre en compte le câblage RF auquel celle-ci est connectée. L'objectif principal du projet est donc de développer des capacités expérimentales (protocoles et technologies de mesure avancées) pour tester et caractériser des composants de type antenne ou cordons RF à de très hautes températures, afin de garantir leur performance sous contraintes thermiques extrêmes. Ce développement inclut la mise en place de trois bancs d’essais dédiés : - Un banc d’essais four tubulaire pour évaluer les cordons RF et des maquettes de démonstration. - Un banc d’essais en espace libre (c.à.d. hors chambre anéchoïde) pour caractériser des matériaux et des rayonnements d'antennes sous contrainte thermique. - Un banc d’essais en guide d'onde pour caractériser électromagnétiquement (permittivité et perméabilités complexes) les échantillons des matériaux en température. Ces bancs permettront de mesurer la réponse EM des composants dans des conditions proches de celles rencontrées, dans des contextes de défense ou civils, pour lesquelles la précision des performances est crucial pour la réussite de la mission (application radar, télémétrie, communications, commandes sans fil. Plus particulièrement, le projet propose le développement d’une solution innovante de cordons RF (câble et connecteurs) semi-rigides capables de fonctionner à des températures élevées, jusqu’à 600°C. Ces cordons, utilisés notamment dans les radars AESA (Active Electronically Scanned Array) et SAR (Synthetic Aperture Radar), permettent de transmettre des signaux avec une précision élevée. En outre, le projet propose la mise en place d’un sujet de thèse pour lequel un doctorant travaillera sur la modélisation thermo-électromagnétique, et participera par son travail fondamental à la cohérence entre les différentes étapes du projet. Ce travail s’inscrit dans le cadre de l'axe thématique « Ondes acoustiques et radioélectriques», et plus particulièrement dans les sous-axes thématiques : - « Génération et mesure des rayonnements » avec l’orientation « Maîtrise des systèmes antennaires en environnement aérothermique ». - « Guerre électronique et furtivité », avec l’orientation « Caractérisation électromagnétique des matériaux in situ et en température ». Pour mener à bien ces travaux, le projet THERMACOM est organisé autour de trois partenaires aux profils complémentaires : - L'ONERA, laboratoire de recherche pour la défense, l’aéronautique et le spatial. - RADIALL, industriel leader dans le développement et la fabrication de connecteurs et des composants associés pour des applications électroniques. - L’Institut Fresnel, laboratoire académique de recherche en optique, photonique, électromagnétisme, traitement de l’information et imagerie avancée.

Les Radars à Ondes de Surfaces (ROS) permettent une observation continue de la surface de mer sur de longues distances, de 50 à 300 km selon la fréquence utilisée dans la bande des Hautes-Fréquences (HF, 3-30 MHz). L’objectif de ce projet est de renforcer les capacités de surveillance maritime civile et environnementale par ROS sur la façade méditerranéenne française. Pour cela, nous proposons une collaboration entre les deux seuls opérateurs développant une activité d’observation pérenne sur cette côte : le laboratoire MIO, qui maintient deux réseaux de radars océanographiques HF (13.5 et 16.15 MHz) pour la cartographie en temps réel des courants dans les régions de Toulon et Nice, et l’ONERA, qui déploie actuellement un ROS (6.5 MHz) en Camargue pour la surveillance des navires dans le Golfe du Lion. Nous souhaitons réaliser une symbiose des données et méthodes développées pour chacun des réseaux de radars pour augmenter leurs performances respectives et accroître les produits disponibles sur la côte Méditerranéenne. Les principales nouveautés seront : 1) Une expertise des performances de détection de cibles marines offerte par les systèmes ROS du MIO et de l’ONERA en fonction des conditions environnementales, des caractéristiques techniques des instruments et des cibles illuminées par les deux radars. Une évaluation du pistage des navires et de son transfert d’un système ROS à un autre sera également réalisée. 2) Le développement de nouvelles applications à finalité environnementale (en particulier, cartographie à haute résolution spatiale des courants de surface et des champs de vagues et de vents, mesure d’événements extrêmes) pour les systèmes ROS du MIO et de l’ONERA et fusion des résultats obtenus par chaque instrument pour une optimisation de la couverture spatiale. Les modèles numériques (de circulation générale et de vagues) ainsi que des données de bouées dérivantes constitueront un jeu de données complémentaire. 3) Une confrontation des produits issus des deux instruments ROS du MIO et de l’ONERA avec des produits obtenus depuis des instruments spatiaux (cartes de vents et courants et détection de navire par radar imageur SAR, composante géostrophique du courant et mesure des vagues par altimétrie). Mots clés : Radar à Ondes de Surfaces (ou radar HF), courants, vagues, détection de navire, radar SAR spatial, altimétrie spatiale, côte Méditerranéenne.

L'imagerie SAR (Synthetic Aperture Radar, radar à synthèse d'ouverture) repose sur l'émission d'ondes électro-magnétiques hyper-fréquences qui sont ensuite rétro-diffusées par les éléments à la surface du sol, permettant ainsi d'en mesurer les propriétés physiques. Le déphasage relatif des ondes reçues par le radar, mesuré en combinant des paires d'images (interférométrie) ou une pile d'images (tomographie) acquises sous des incidences voisines, donne accès à la hauteur des éléments de la scène ou à leur déplacement. La polarimétrie qui émet des ondes avec différentes polarisations, permet quant à elle d'accéder à une information plus riche sur les propriétés électro-magnétiques des rétro-diffuseurs. Ces techniques d'imagerie sont maintenant bien établies mais la pleine exploitation automatique des données acquises reste difficile en raison du très fort bruit de speckle qui dégrade les données et des déformations géométriques présentes (liées à la visée latérale: phénomènes d’ombre et de repliement). Parallèlement, les techniques d'intelligence artificielle et en particulier l'apprentissage profond ont révolutionné le domaine de l'analyse et de l'interprétation d'images ces 5 dernières années. Certains problèmes ont connu des avancées fulgurantes au point de pouvoir être considérés comme quasiment résolus dans certaines conditions (débruitage, super-résolution, classification, ...). Pourtant l'exploitation de ces approches nécessite encore des efforts de recherche importants dans différentes situations : peu de données étiquetées, nature spécifique des données (comme par exemple des vecteurs de nombres complexes en imagerie SAR), nécessité de caractériser la fiabilité du résultat… Un axe de recherche particulièrement actif à l'heure actuelle est l'articulation entre les connaissances physiques, souvent disponibles sous forme de modèles, et les approches d'apprentissage s'appuyant sur les données. L'objectif central de ce projet est d'exploiter, dans des méthodes d'apprentissage, les connaissances de la physique du SAR afin de développer de nouvelles approches d'analyse et d'interprétation de scènes radar. Il s’articule selon les 3 axes suivants. Un premier axe est dédié à la représentation de la connaissance dans les réseaux profonds, notamment en intégrant la physique d’acquisition (données vectorielles complexes, paramètres d’intérêt dans des matrices de covariance à symétrie hermitienne définies positives), et la géométrie d’acquisition (prise en compte de l’influence de la géométrie, notamment les positions relatives des capteurs en interférométrie ou tomographie et des relations spatiales entre objets de la scène). Un deuxième axe est consacré aux stratégies d’apprentissage dans le cas d’un faible nombre de données étiquetées (simulation de bases d'entraînement, techniques d'auto-supervision) et à la confiance qu’on peut associer aux résultats. Le dernier axe est consacré au développement d’applications pour la caractérisation et le suivi du milieu urbain en imagerie SAR : la classification de scènes urbaines, leur reconstruction tri-dimensionnelle et la détection de changements. Une des originalités du projet tient au choix de ne pas se limiter à une application ou une modalité particulière de l'imagerie radar, mais plutôt à étudier des cadres génériques pour la représentation des données SAR en exploitant les connaissances et les contraintes physiques spécifiques à ce domaine. Les objectifs sont donc doubles : d'une part apporter des contributions méthodologiques sur l'intégration des connaissances physiques propres à l'imagerie SAR dans l'architecture des réseaux et leur entraînement (axes 1 et 2) ; d'autre part apporter des contributions applicatives pour l'interprétation de scène urbaine par imagerie SAR (caractérisation, reconstruction 3D, détection de changements) (axe 3).