La mission Cassini-Huygens a été conçue dans le but d'étudier la planète Saturne et son environnement proche, notamment le satellite Titan. L'orbiteur Cassini possède à son bord un instrument radar en bande Ku (f=13.78 GHz) qui aura pour principal but de percer l'épaisse atmosphère de Titan et d'en imager la surface. Dans ce contexte, l'objectif de notre travail était de préparer l'interprétation des futures données du radar. Nous avons, pour ce faire, réalisé des simulations de la propagation de l'onde radar avec l'aide de mesures diélectriques effectuées en laboratoire, ceci afin d'anticiper les éventuelles perturbations liées à la traversée de l'épaisse atmosphère de Titan et à la rétrodiffusion sur sa surface. En raison de l'absence de données concernant les propriétés diélectriques micro-onde des particules qui composent les brumes de Titan, nous avons effectué des mesures de la constante diélectrique d'analogues d'aérosols synthétisés en laboratoire (aussi appelés tholins) autour de 13.78 GHz. Nous avons obtenu pour la partie réelle une valeur comprise entre 2 et 2.5, avec une tangente de perte allant de 10-3 à 5.10-2. Nous avons également rassemblé les valeurs de constante diélectrique des espèces susceptibles de composer l'atmosphère et la surface de Titan pour lesquelles il existait déjà des mesures dans le domaine micro-onde : hydrocarbures légers en phase liquide et solide, glace d'eau et silicates. Avec l'aide de ces mesures diélectriques, nous avons ensuite développé des simulations dédiées à l'étude du comportement de l'onde radar de Cassini tout au long de son parcours. Les résultats en termes d'atténuation atmosphérique sont les suivants : (1) les scénarios de brumes d'aérosols ne causent aucune atténuation et dans ces conditions l'onde radar atteint la surface de Titan sans subir aucune perte. Dans ces modèles d'atmosphère, le rayon des particules n'excède pas 1 um et l'atténuation résultante ne dépassent jamais 0.01 dB. (2) En revanche, lorsque une couche de pluie est ajoutée dans les derniers kilomètres, l'atténuation dépasse rapidement la limite de sensibilité de l'instrument radar. Une onde émergeant d'un tel nuage serait tellement atténuée qu'en retour, aucun écho de surface ne pourrait être détecté. Seule la composante réfléchie sur la couche de nuages pourrait être accessible. Les simulations de rétrodiffusion de surface démontrent également que l'on peut s'attendre à une rétrodiffusion plutôt faible, même pour des surfaces relativement rugueuses à la longueur d'onde du radar de Cassini. A travers une étude plus détaillée de la propagation du pulse de l'altimètre de Cassini et de son interaction avec l'atmosphère de Titan, nous sommes arrivés à la conclusion qu'il serait possible de détecter la présence hypothétique de nuages et de sonder un certain nombre de leurs propriétés (existence de pluies et extension des systèmes de nuages, taille, concentration et vitesse des particules).

La connaissance des propriétés diélectriques des tissus biologiques constitue un enjeu majeur pour la santé. Ces propriétés traduisent la manière dont un tissu stocke ou dissipe l’énergie électromagnétique transmise par un champ extérieur ; étant liées à la composition et à la structure du milieu organique, elles traduisent également la nature et l’état physiologique d’un tissu. Leur estimation fine permet donc, le cas échéant, de détecter et/ou de suivre l’évolution d’une pathologie. Parmi les méthodes de caractérisation diélectrique des tissus possibles, nous nous sommes concentrés sur une technique de caractérisation électromagnétique par antenne inductive exploitée en émission/réception, qui permet une mise en œuvre sans contact entre le système de mesure et le tissu. Celle-ci opère dans la gamme des radiofréquences (RF) ce qui présente l’avantage de rendre le dispositif sensible à la fois à la conductivité électrique et à la permittivité diélectrique du tissu. Cette technique travaillant en champ proche nécessite l’utilisation d’un modèle électromagnétique 3D des interactions sonde / tissu pour être mise en œuvre de manière pertinente. Dans ces travaux, nous nous sommes donc intéressés au problème de la modélisation des interactions, ainsi qu’à la résolution du problème inverse qui consiste à estimer les paramètres diélectriques recherchés à partir des données de mesure fournies par l’antenne et du modèle élaboré. Pour cela, nous nous sommes concentrés sur une configuration canonique, constituée d’une antenne RF filiforme circulaire, interagissant avec un milieu diélectrique homogène « sain » dont les paramètres diélectriques macroscopiques sont représentatifs d’un tissu organique (conductivité de 0.6 S/m et permittivité relative de 80), et d’une inclusion sphérique représentative d’une lésion présentant un contraste de 10% à 50% avec les paramètres du milieu « sain ». Nous avons établi un modèle d’interactions électromagnétiques 3D reposant sur une formulation semi – analytique à sources distribuées (DPSM) adaptée à cette configuration. Une étude paramétrique de la mise en œuvre du modèle, validée dans des configurations simples par rapport à des modèles analytiques et des expérimentations, a permis de construire un modèle qui montre des écarts inférieurs à 5 % par rapport à l’expérimentation, et qui établit un compromis acceptable entre exactitude et ressources informatiques nécessaires pour calculer la solution. Enfin, nous nous sommes intéressés à la résolution du problème inverse, consistant à retrouver les paramètres géométriques et diélectriques d’une lésion enfouie dans un milieu diélectrique « sain », à partir des variations d’impédances de l’antenne RF. Pour cela, nous avons construit un modèle inverse à réseaux de neurones artificiels (RNA) à partir de banque de données produites par le modèle DPSM. Une étude paramétrique a permis d’identifier les configurations de mise œuvre (fréquences, positions des antennes) les plus pertinentes permettant d’estimer les propriétés diélectrique, la taille et la position de l’inclusion dans le tissu, avec des erreurs d’estimation de l’ordre de 7% avec une antenne unique monofréquence, pour la caractérisation d’une inclusion de 3 cm de rayon enfouie jusqu’à 6 cm de profondeur. Ces travaux ouvrent la voix à des techniques de diagnostics de dans des milieux plus complexes (tissus stratifiés…) avec des techniques d’investigation multi-antennes et/ou multifréquences particulièrement prometteuses. / The characterization of the dielectric properties of organic tissues is a major issue in health diagnosis. These properties reflect the way organic material stores or dissipates the electromagnetic energy transmitted by an external field. They are related to the composition and the structure of the organic medium. Furthermore, they are also related to the nature and the physiological state of a tissue. For that reason the estimation of these properties is very valuable for detecting and/or monitoring the evolution of tissue pathology.Among the existing dielectric characterization methods, we focused on a characterization technique using an inductive antenna, which acts as a transmitter/receiver sensor and allows a contactless implementation between the measuring system and investigated tissue to be carried out. This system is operated in the radio-frequency (RF) band. Indeed, in the RF the device is equally sensitive to both the electrical conductivity and the dielectric permittivity of the tissue. This technique operates in a near-field and therefore a 3D electromagnetic modeling technique is required to accurately model the interactions between the sensor and the investigated tissue.This work deals with the 3D modeling and with the resolution of the inverse problem required to estimate the dielectric parameters of tissues starting from the data provided by the antenna and the outputs of the model. For this purpose, a canonical configuration featuring a filiform circular antenna is considered. This antenna interacts with a “healthy” homogeneous dielectric medium, which possess the macroscopic dielectric parameters of a typical organic tissue (i.e. conductivity 0.6S/m and relative permittivity of 80 at 100 MHz). Meanwhile, a spherical inclusion buried within the tissue is considered to simulate a tissue lesion. This inclusion features a dielectric contrast of 10% up to 50% by reference to the parameters of the “healthy” medium. A 3D modeling of the sensor/tissue interactions is established, which is based on the distributed point source method (DPSM), a versatile semi-analytical modeling technique. The model is adjusted using a parametric study and validated against analytical models (in simplified configurations) and experiments. The implemented DPSM modeling was found to feature a 5% accuracy error, compared to the experimentations, together with offering an acceptable trade-off between accuracy and the computation cost. Finally, we focused on the solving of the inverse problem which consists in estimating the geometric and dielectric parameters of a buried lesion in the “healthy” dielectric medium, starting from the variations of the impedance of the RF antenna. To do so, a behavioral model build up using an artificial neural network (ANN) was established. The model is build using a data base elaborated using the DPSM model. The parameters of the ANN is discussed in order to identify the relevant configuration (frequency, position of the antenna) to estimate the dielectric properties, the size and the position of the inclusion in the tissue. For a single antenna operated at a single frequency, an inclusion of 3cm radius buried as deep at 6 cm within the tissue was located and characterized with estimation errors of the order of 7%.The methodologies developed in these works open the way to the diagnosis of more complex material (such as layered tissues), using promising techniques such as multi-frequency non contact RF antenna arrays.

Résumé / Abstract

Dans le secteur de l'agroalimentaire, l'utilisation de la RFID permet d'améliorer la sécurité des produits alimentaires tout en assurant une meilleure traçabilité et un meilleur suivi des produits. Le travail de cette thèse était principalement réalisé dans le cadre d’un projet en coopération avec plusieurs partenaires académiques et industriels dans le secteur fromager où l’objectif principal du projet était de maitriser l’ensemble des étapes de fabrication par un parfait suivi de la traçabilité des produits et un pilotage précis de l’affinage. Le travail réalisé dans cette thèse s'inscrit dans ce contexte et a comme objectif le développement de tags RFID UHF adaptés aux contraintes des produits alimentaires en assurant une double fonction: une fonction de traçabilité à identification unitaire, et ensuite une fonction de détection du degré de maturation de l'aliment par mesure indirecte de ses propriétés électromagnétiques et physico-chimiques.La première étape du projet était la caractérisation des paramètres électromagnétiques des produits alimentaires durant l’affinage afin de réaliser une conception appropriée de l'antenne du tag. En radiofréquences, c'est principalement le substrat qui dicte les propriétés électromagnétiques des composants, notamment la taille des antennes et leur diagramme de rayonnement. La connaissance de ces propriétés est indispensable afin de répondre aux exigences industrielles et d'intégrer dans de bonnes conditions les systèmes dans l'environnement applicatif. En plus, une étude de corrélation est réalisée entre la variation des propriétés diélectriques et celle des propriétés chimiques durant la période d’affinage des produits. Cette étude aide à comprendre la différence entre les différents produits et permet de déterminer les paramètres principaux à suivre durant l’affinage pour la conception du tag capteur.La deuxième étape était la conception des tags identifiants pour la traçabilité des produits alimentaires durant la procédure de fabrication. L’objectif principal est de réaliser un tag identifiant avec une performance qui répond aux besoins des fabricants dans le secteur fromager concernant la taille, la mémoire et la distance de lecture du tag tout en respectant les normes de santé au niveau d’emballage du tag ainsi que le substrat utilisé. Plusieurs configurations de tag RFID UHF étaient réalisées et testées dans un environnement industriel où les résultats obtenus montrent l’efficacité d’utiliser un système de RFID pour automatiser la traçabilité des produits dans le secteur fromager.La troisième étape concerne la conception des tags capteurs pour suivre le degré d’affinage des produits pendant la période de maturation. Une première solution, basée sur l’exploitation de l’effet de variation des propriétés diélectriques sur la distance de lecture de tag, montre un manque de performance due aux faibles variations ainsi qu’aux difficultés de mesure dans un environnement réel. Une deuxième solution basée sur la mesure de taux de dégagement des gaz durant l’affinage montre la possibilité d’estimer le degré d’affinage. Par contre, la puissance d’activation de capteur et le coût élevé ne permettent pas d’adopter cette solution. Finalement, deux solutions alternatives étaient réalisées pour mesurer l’augmentation du taux d’échapement des gaz d’une manière indirecte. La première configuration de tag capteur est basée sur le suivi du changement de dimensions du produit en utilisant un capteur résistif. D’autre part, la deuxième configuration de tag capteur est basée sur le suivi de changement de pression dans l’emballage du produit dû à la production de gaz. Les résultats obtenus montrent que ces deux configurations de tag RFID capteur peuvent offrir des solutions simples et efficaces pour le pilotage de l’affinage des produits alimentaires. / In the food sector, the use of RFID makes it possible to improve the safety of food while ensuring better traceability and better monitoring of products. The work of the thesis was mainly carried out within the framework of a project in cooperation with several academic and industrial partners in the cheese sector where the main objective of the project is to develop UHF RFID tags adapted to the constraints of food products by ensuring a dual function: a traceability function with unitary identification, and then a sensing function of cheese maturation by indirect measurement of its electromagnetic and physicochemical properties.The first step of the project was the characterization of the electromagnetic parameters of food products during ripening in order to achieve an appropriate design of the tag antenna. Knowledge of these properties is essential to meet industrial requirements and to integrate systems in right conditions. Also, a correlation study is carried out between the variation of the dielectric properties and that of the chemical properties during the period of cheese ripening. This study helps to understand the difference between cheese types and allows determining the main parameters to follow during cheese maturation for the design of the sensor tag.The second step was the design of identification tags for the traceability of food products during the manufacturing process. The primary objective is to create a UHF RFID tag with a performance that meets the needs of manufacturers in the cheese sector regarding the size, memory and reading distance while respecting the health standards at the packaging level as well as the substrate used. Several UHF RFID tag configurations were realized and tested in an industrial environment where the results obtained show the effectiveness of using an RFID system to automate the traceability of products in the cheese sector.The third step is the design of sensor tags to track the degree of maturation of products during the ripening period. A first solution, based on the exploitation of the effect of variation of the dielectric properties on the tag reading distance, shows a lack of performance due to the small variations as well as the difficulties of measurement in a real environment. A second solution based on the analysis of gas evolution rate shows the possibility of estimating the degree of cheese maturation. However, the sensor activation power and the high cost represent significant challenges and thus it was difficult to adopt this solution. Finally, two alternative solutions to measure the effect of gas evolution were presented. The idea is based on monitoring other parameters varying due to the increase of gas release during cheese maturation. The first sensor tag configuration traces the variation of product dimension due to maturation using a resistive sensor. On the other hand, the second sensor tag configuration measures the change of pressure inside the product packaging due to gas production. The results obtained show that these two sensor RFID tag configurations can offer simple and practical solutions for controlling the cheese ripening process.

Cette publication présente les recherches que j'ai menées ces dernières années sur l'étude des structures pédologiques complexes pour la détection micro-ondes spatiale active et passive. Les compétences et les ressources de l'équipe CEMT sont utiles pour obtenir de très analyses précises qui permettent d'améliorer notre connaissance du comportement électromagnétique de structures pédologiques complexes. Mon expertise s'applique principalement dans le cadre de projets de recherche spatiaux (développement et la validation d'algorithmes de traitement des données). Ma recherche porte sur la modélisation et la simulation de phénomènes électromagnétiques dans le contexte de la télédétection active et passive. L'objectif est de calculer le coefficient bi-statique ou l'émissivité de structures géologiques ou pédologiques complexes. Cette recherche est menée conjointement avec des mesures expérimentales de constantes diélectriques du sol dans des conditions extrêmes (en termes de température, d'humidité ou la salinité de l'hétérogénéité). L'application de ces recherches est l'analyse et l'identification de la signature radar ou radiométrique de structures telles que les pergélisols par exemple.

Cette thèse s’intéresse à la caractérisation de couches diélectriques et magnétiques de structures multicouches par cavité résonante microonde. Les matériaux multicouches ont des propriétés électromagnétiques spécifiques et sont utilisés dans beaucoup de secteurs industriels, par exemple, dans les radiocommunications. La caractérisation électromagnétique reste une priorité pour la compréhension des caractéristiques de propagation des ondes électromagnétiques dans ces milieux. Dans ce travail de thèse nous proposons une nouvelle approche expérimentale pour déterminer les propriétés diélectriques effectives d’une structure multicouches en fonction des propriétés et de l’épaisseur de chacune des couches. En particulier, nous appliquons les expressions de permittivités issues de la méthode des perturbations utilisée en cavité résonante au cas d’un échantillon rectangulaire bicouche. L’analyse théorique établie a montré qu’une expression de simple proportionnalité reliant les propriétés diélectriques moyennes d’un matériau bicouche avec les propriétés diélectriques relatives et les épaisseurs des couches constituantes peut être obtenue. Cette méthode a été appliquée avec succès sur différents matériaux bicouches. En particulier, elle a permis la caractérisation d’une couche de YIG d’épaisseur très mince (19.6 μm) déposée par pulvérisation cathodique sur un substrat d’alumine en connaissant l’épaisseur et les propriétés diélectriques du substrat. La comparaison avec les résultats expérimentaux a révélé un bon accord entre théorie et mesure. L’analyse de l’incertitude associée au calcul de la permittivité par la méthode a montré une bonne sensibilité. Enfin, nous donnons les courbes de variation de la perméabilité effective mesurée pour un empilement bicouche avec une couche mince de YIG / This thesis aimed at characterizing the dielectric and magnetic layers of multilayer structures by using the technique of microwave resonant cavity. Multilayer structures have specific electromagnetic properties and are becoming increasingly important in many industrial domains, such as in radio-communication systems. The electromagnetic characterization remains a priority for understanding the characteristics of electromagnetic wave propagation in such environments. The thesis proposed a new experimental approach to determine the effective dielectric properties in a bilayer structure as a function of the characteristics and thickness of each specific layer. In particular, we apply the expressions of permittivities derived from the perturbations method which are used in resonant cavities in case of a bilayer rectangular sample. The established theoretical analysis leads us to propose a new expression of simple proportionality describing a relationship between the mean dielectric properties of a bilayer material and the relative dielectric properties and thickness of the constituent layers. The presented method has been successfully applied to different bilayer materials. Particularly, it allowed the characterization of a very thin layer (YIG layer) of thickness 19.6 microns deposited by cathodic sputtering on an alumina substrate by knowing the thickness and dielectric properties of this substrate. The comparison with the experimental results revealed good agreement between theory and measurement. The analysis of the uncertainty associated to the calculation of the permittivity by the presented method showed good sensitivity. Finally, we provide the curves of variation of the effective permeability measured for a bilayer stack