Dans un local de mesure, les réflexions sur les parois échos) peuvent s'avérer gênantes. Comme les performances des matériaux absorbants actuels sont réduites aux basses fréquences, le contrôle actif en temps réel des échos à basse fréquence est l'objet d'études au LMA depuis plusieurs années. La principale difficulté rencontrée dans la mise en œuvre de ce contrôle réside dans l'estimation de ces échos, grandeurs non directement mesurables à l'aide d'un capteur. L'objectif de ce travail de thèse a donc été de trouver une méthode d'estimation. Le dispositif envisagé repose sur la discrétisation d'une surface fermée sur laquelle sont disposés des microphones de pression. Des « filtres d'échos », qui relient les signaux de pression sur la surface de microphone aux échos dans le local, sont identifiés in situ en utilisant un protocole expérimental spécifique ou, dans des cas de géométries et de conditions aux limites simples, via un modèle numérique. Les expériences menées dans une maquette de 2×1.1×1.2 m3 munie de 32 microphones ont ainsi montré qu'il était possible d'estimer raisonnablement les échos dans une cavité réfléchissante ou partiellement absorbante, jusqu'à une fréquence d'environ 350 Hz.

Les mesures utilisées actuellement en chambres anéchoïque, pour la caractérisation de la surface équivalente radar (SER) sont généralement perturbées, en particulier en basse fréquence lorsque les parois de la chambre génèrent des trajets multiples. En basse fréquence l’épaisseur des matériaux absorbants devient faible devant la longueur d’onde et ceux-ci ne peuvent plus être considère comme parfaitement absorbants. Dans ce cas, le champ total incident sur la cible sous test est ainsi la somme du champ incident direct et des champs réfléchis par les parois. Basé sur le principe de retournement temporel qui permet de focaliser spatialement et temporellement une onde électromagnétique, l’objectif de la thèse est de présenter une nouvelle méthode d’imagerie microonde qui profite des degrés de liberté spatio-temporels de la propagation au sein d’un milieu diffusant afin de détecter une cible avec une haute résolution. / The currently used methods for radar cross section (RCS) measurements at low frequencies encounter several disturbing phenomena, such as the multipath propagation caused by reflections from the walls. Descending in frequency, the thickness of absorbent materials becomes small compared with the wavelength and they are no longer perfectly absorbent. Therefore, the total incident field on the target becomes the sum of the incident wave and the reflected waves from the walls of the chamber. Inspired by time reversal technique which allows spatial and temporal focusing of an electromagnetic wave, the objective of the thesis is to present a novel imaging method in the microwave range which benefits from the spatio-temporal degrees of freedom provided by the transmission through a random medium in order to detect a target with high resolution.

Ces travaux de thèse ont porté sur l’étude de nouveaux matériaux pour l’absorption électromagnétique en chambre anéchoïque. Ce sujet a été imaginé à partir de l’étude d’une nouvelle matrice jusqu’alors jamais utilisée pour les absorbants électromagnétiques : la mousse époxy. Cette dernière présente en effet de nombreux avantages par rapport aux matrices habituellement utilisées dans le commerce : possibilité de réaliser des formes complexes, piégeage de la charge au cœur du matériau… Nous avons associé cette matrice avec différentes charges carbonées (noir de carbone, graphite et des fibres longues de carbone). L’association de la mousse époxy avec des fibres de carbone millimétriques a montré d’excellentes performances d’absorption pour un taux de charge très faibles : 0,5 %wt (S11 ≈ -40 dB entre 4 et 18 GHz en incidences normale et oblique). En variant la longueur des fibres de carbone, nous avons mis en évidence qu’il était possible d’améliorer les performances d’absorption en basses fréquences en utilisant des fibres plus longues. Enfin, nous avons dirigé nos recherches sur la réalisation d’un matériau absorbant ‘Vert’ à partir d’une matrice de liège. Ces nouveaux matériaux, réalisés à partir de matières biosourcées, ont montré de meilleures performances d’absorption qu’un absorbant du commerce de mêmes dimensions en incidence normale (S11 = -53 dB et S11 = - 27 dB respectivement à 4,2 GHz) et en incidence oblique (S11 = -50 dB et S11 = -30 dB respectivement à 4,2 GHz) et constituent donc des candidats potentiels pour le remplacement des matériaux absorbants du commerce actuels. / This thesis work focused on the study of new materials for electromagnetic absorption in anechoic chambers. This subject arose from the study of a new matrix which was never used for electromagnetic absorbers until then: the epoxy foam. This foam has many advantages compared to the matrices usually used in the trade like the possibility of cutting complex shapes out of them or trapping the charge in the core of the absorber...This matrix was associated to different carbonaceous load (carbon black, graphite and carbon fibers). The combination of epoxy foam with millimeter carbon fibers has shown better absorption performance at very low loading rates: 0.5 %wt (S11 ≈ -40 dB between 4 and 18 GHz under normal and oblique incidences). The use of different fiber lengths showed that it is possible to improve absorption performance at low frequencies using long carbon fibers. Finally, we directed our work on the creation of an absorbent material from a cork matrix. These new materials, made from bio-based materials, have shown better absorption performance than a commercial absorber, with the same dimensions in normal incidence (S11 = -54 dB and S11 = - 27 dB respectively at 4.26 GHz) and oblique incidence (S11 = -51 dB and S11 = -30 dB respectively at 4.26 GHz) and are therefore potential candidates for the replacement of existing commercial absorbent materials.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse s'intègre dans le domaine de la télédétection de l'environnement maritime. Il porte, d'une part sur l'étude de l'interaction d'une onde électromagnétique avec une surface maritime en présence d'une cible complexe et observée en configuration bistatique. D'autre part, le travail est complété par l'étude et l'analyse de l'influence sur cette interaction des différents paramètres à la fois liés à la cible et à l'environnement. Dans ce contexte d'étude, le présent travail s'articule autour de deux volets importants. Le premier vise l'étude et la simulation de la Surface Equivalente Radar (SER) d'une cible complexe placée dans un environnement marin. Et un deuxième volet applicatif qui traite l'imagerie radar ISAR d'une cible complexe. Afin de traiter le premier point, le modèle électromagnétique retenu est basé sur une combinaison de méthodes asymptotiques (Optique Physique (OP), Optique Géométrique (OG), Méthode des courants équivalents (MCE)) intégrant les phénomènes d'ombrage et les multitrajets. Afin d'introduire l'influence de la surface de mer sur la réponse électromagnétique de la cible dans son environnement, nous avons opté pour une représentation de la scène (cible+surface de mer) par un ensemble de facettes triangulaires. Dans ce cadre, la cible discrétisée par un maillage triangulaire est générée à l'aide d'un outil de CAO (CATIA V5), quant à la surface de la mer, elle est générée en utilisant le spectre de mer d'Elfouhaily (et le modèle de Debye pour la prise en compte des paramètres diélectriques de l'eau de mer). Enfin, afin d'appliquer la méthode développée dans le cadre de l'imagerie radar ISAR, le calcul de la SER de la cible navale a été effectué en considérant une nouvelle représentation de la cible en parallélépipèdes. La méthodologie proposée a été évaluée via des simulations ainsi que des expérimentations (dans la chambre anéchoïque de l'ENSTA Bretagne) sur un modèle générique d'un navire.

Cette thèse élargie le champ des applications de l’analogie microonde en adaptant les techniques de fabrication permettant de contrôler les analogues et en développant un outil versatile et précis pour réaliser les mesures. L’analogie microonde consiste à transposer à l’échelle microonde les objets dont nous souhaitons étudier la diffraction en créant un analogue respectant le même rapport dimension sur longueur d’onde, et les mêmes propriétés morphologiques électromagnétiques. Une attention particulière a été portée aux objets faiblement diffractant ayant des niveaux SER aussi faibles que -60 dBm2. 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 a été 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 précisément des niveaux de SER très faibles. De plus, la mise en œuvre de la fabrication additive a permis de réaliser des analogues de géométrie maîtrisée avec des permittivités relatives locales à la carte ayant des parties réelles 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 micro-algues, des agrégats de suies de forme complexes, et des scènes forestières composées d’analogues d’arbres et de véhicules. / This thesis widens the application of the microwave analogy by adopting the appropriate techniques to create objects of controlled shapes and electromagnetic properties using novel manufacturing technologies, as well as by developing a versatile setup providing accurate measurements. Microwave analogy is a useful approach to investigate a scattering problem when the targets have nanometric or metric sizes. The experiment is scaled to the microwave range and the target is mimicked by a centimeter-sized analog, while maintaining the same initial wavelength over target’s dimension ratio and conserving the same geometric and electromagnetic properties. A special attention is given to low scattering targets with RCS levels down to -60 dBm2. The random noise of the measurement setup was characterized and a novel optimization technique was proposed which consists of an angular decomposition of the bistatic region with different power profiles. The undesired reflections within the anechoic chamber were identified and a Hardgating system was installed, allowing to filter out the stray signals. In addition, additive manufacturing technologies were involved in the fabrication of analogs and a novel technique was proposed to obtain targets with “on-demand” shapes and local values of their complex permittivity. We can manufacture low scattering analogs of the real part of permittivity for any value between 1 and 3 by creating well controlled porous structures. The three main targets are studied: low permittivity spheroids, analogs of microalgae, soot aggregates analogs with complex shape, and scaled forest scene composed of tree analogs with some metal vehicle analogs.

Les matériaux absorbants des ondes électromagnétiques sont des éléments importants pour l'évaluation de nombreux systèmes électroniques militaires mais également civils. Ces matériaux sont utilisés, par exemple, pour la réduction des interférences électromagnétiques (EMI) dans divers composants sans fils, la réduction de la surface équivalente radar (SER) ou comme absorbants à l'intérieur des chambres de mesures. C’est cette dernière application qui est visée par les travaux de cette thèse. L’objectif de mes travaux de thèse est d’optimiser des matériaux absorbants utilisés dans les chambres anéchoïques. La géométrie et la composition du matériau absorbant sont les deux paramètres qui influencent la capacité d’absorption de l’onde électromagnétique par un matériau. Ce seront donc les deux pistes d’optimisation explorés durant cette thèse. Notre but est d’obtenir les absorbants présentant les plus faibles coefficients de réflexion et de transmission, soit une absorption élevée, ceci dans une large bande de fréquence. / The electromagnetic absorber materials are important elements for evaluating various electronic and civil systems. These materials are used, for example, for minimizing electromagnetic interferences (EMI) in different wireless components, for minimizing the radar cross section (RCS) or for usage in anechoic chambers. The latter application is the targeted work in this thesis. The objective of this work is to optimize the absorber materials used in anechoic chambers. The geometry and the material composition are the two parameters that influence the absorption of the electromagnetic wave inside the material itself. This are the two topics of optimization explored in this thesis. Our objective is to obtain material absorbers that have low reflection and transmission coefficients and high absorption in a large frequency band.

Le brouillard électromagnétique dans lequel nous vivons en permanence estaujourd’hui montré du doigt car, outre les risques sanitaires qu’il pourrait engendrer, illimite l’usage de certaines technologies. L’importance des interférences entre réseauxsans fil, ou la peur du piratage sur ces mêmes réseaux, en sont deux exemples. Cetravail de thèse vise à développer un nouveau moyen de protection contre certaines deces ondes électromagnétiques. Plus spécifiquement, ce travail se focalise sur unetechnologie capable de filtrer uniquement les ondes WiFi et GSM à travers de grandessurfaces d’une habitation, comme un mur. Pour ce faire, la fonctionnalisation d’uncomposant standard des bâtiments, le papier-peint, a été étudié.L’utilisation de surfaces sélectives en fréquence a été retenue. Ces motifs sontdirectement imprimés sur du papier à l’aide d’encre conductrice et de la techniqued’impression flexographique. L’étude s’est également portée sur la réalisation de motifsde filtrage innovants. Les résultats de simulation montrent qu’ils sont capables de filtrerdeux ou trois bandes, qu’ils sont quasiment insensibles à la polarisation et à l’angled’incidence dans une plage allant de 0° à ± 80°. Le travail a ensuite permis dedémontrer la faisabilité pratique de ce concept aux stades laboratoire et industriel.Ensuite, nous avons démontré expérimentalement l’efficacité de ce concept dans lesbandes WiFi. La transmission atteint alors -30 dB. Enfin, une validation expérimentaledu produit en situation réelle a été menée, à savoir la pose du papier-peint sur du plâtre,du bois, l’influence de la colle ou encore la pose d’une couche de papier-peint décoratifpar-dessus le produit.En conclusion, les résultats pratiques obtenus confirment les résultats théoriquesestimés et, permettent à ce nouveau concept, appelé métapapier, d’être suffisammentefficace pour permettre la réduction des ondes WiFi ou GSM. / The electromagnetic smog in which we live today is nowadays a real issue because it limits the use of certain technologies and also because there are some potential health risks associated with it, even if the latter is still a controversial subject. The importance of the interferences between wireless networks or the possibility of data hacking on the same networks are two examples. The aim of this thesis is to develop a new way to protect buildings against some of these electromagnetic waves. More specifically, this work focuses on a technology able to filter only the WiFi and the GSM waves through large areas of a home, like a wall for example. To do this, the functionalization of a standard component of buildings, the wallpaper, was studied. The use of frequency selective surface (FSS) was chosen. These patterns are printed directly on paper with a conductive ink printing technology: the flexography. The study also focuses on the realization of innovative filter designs. Simulation results show that these novel FSS are able to filter two or three bands. They are almost insensitive to the polarization and to the angle of incidence in the range of 0° to ±80°. The realization feasibility of this concept in a laboratory or in industrial conditions was demonstrated. Next, an experimental demonstration of this concept in the WiFi bands was carried out. In this context, the transmission coefficient was reached -30 dB. Finally, an experimental validation of the product in real conditions of use was conducted, namely the wallpaper was put over plasterboards or over wood panels. Also, the influence of the glue on the general performances and the placement of a decorative wallpaper over the FSS wallpaper were studied. In conclusion, the practical results obtained confirm and validate the theoretical predictions of this new concept, called metapaper, and show that the practical realizations are efficient enough to allow the reduction of WiFi or GSM signals.

Le travail réalisé dans cette thèse s'intègre globalement dans le cadre de I'observation et la surveillance maritime.Afin d'améliorer la reconnaissance et I'identification automatique de cibles noyées dans un environnement perturbé, nous avons opté à la fusion de différentes connaissances et informations concernant une scène observée à distance par des capteurs micro-ondes. En effet, plusieurs phénomènes physiques co-existent et perturbent la propagation des ondes électromagnétiques au-dessus d'une surface et notamment au-dessus d'une surface maritime hétérogène (la réfraction due aux gradients d'indice, la rugosité de la surface de mer, les effets hydrodynamiques non linéaires du type vagues déferlantes, la présence d'objets, les polluants, sillage de navires, zones côtières, ...). Dans ce contexte, le travail présenté dans cette thèse porte sur l'étude de la signature électromagnétique (coefficients de diffusion) d'une surface maritime hétérogène avec la prise en compte des phénomènes hydrodynamiques (linéaires : vagues de capillarité et de gravité, non linéaires : vagues déferlantes). Cette estimation de la signature électromagnétique est effectuée en configuration bistatique (monostatique et propagation avant) et en bande X. L'étude complète de cette problématique est difficile. En effet, le déferlement est un processus dissipatif de l'énergie qui correspond à la dernière étape de la vie d'une vague et qui a donc le plus souvent lieu à I'approche du rivage. Ce phénomène non linéaire produit un pic de mer qui est une augmentation rapide des coefficients de diffusion et qui peut dépasser 10 dB dans une période de 100 ms. Ce pic peut conduire à des échos parasites, qui peuvent être identifiés comme des cibles virtuelles, et par la suite elles peuvent perturber le système de détection radar (fausses alarmes). Par conséquent, pour améliorer le processus de détection et pour réduire le taux de fausses alarmes, il est important de distinguer entre les cibles et les pics de mer générés par des vagues déferlantes. Ceci constitue I’une des motivations et aussi I'intérêt d'étudier la signature électromagnétique des vagues déferlantes dans différentes configurations d'observation de sorte que nous puissions facilement indiquer la présence voir I'identification des pics de mer. Pour contribuer à cette problématique, nous avons proposé une méthodologie basée sur un modèle électromagnétique hybride basé sur une combinaison d'une part de méthodes asymptotiques(SPMI utilisée dans le cadre de ce travail) pour simuler la réponse radar des vagues linéaire (vagues de capillarité et de gravité décrites via le spectre de mer d'Elfouhaily), et d'autre part de méthodes exactes (MoM, FB < Forward-Backward ) retenue dans le travail présenté dans ce manuscrit) pour calculer la réponse électromagnétique des vagues non-linéaires (profils considérés sont issus des résultats du code LONGTANK). Afìn de compléter l'étude théorique et les simulations réalisées, nous avons effectué une phase d'évaluation et de validation par des mesures de signature radar réalisées dans la chambre anéchoïque de I'Ensta Bretagne. / The work done in this thesis fits generally under the observation and maritime surveillance. To improve the detection and automatic identification of targets embedded in a noisy environment targets, we opted for the fusion of different knowledge and information regarding a remotely observed scene by microwave sensors. Indeed, several physical phenomena co-exist and interfere with the propagation of electromagnetic waves over a heterogeneous sea surface (the refraction due to the index gradients, the roughness of the sea surface, nonlinear hydrodynamic effects like waves breaking, the presence of objects, pollutants, ship wake, coastal areas,..). In this context, the work presented in this thesis focuses on the study of electromagnetic signature (diffusion coefficients) of a heterogeneous sea surface with consideration of hydrodynamic phenomena (linear: capillary and gravity waves, nonlinear: breaking waves). The electromagnetic signature is performed in bistatic configuration (monostatic and forward propagating) and in X-band. The complete study of this problem is difficult.Indeed, the breaking wave is a dissipative process of energy that corresponds to the last stage of the life of a wave and therefore has most often held in the shore. This nonlinear phenomenon produces a sea peak which is a rapid increase of the diffusion coefficients and can exceed l0 dB in a 100 ms period. This peak can lead to clutter, which can be identified as virtual targets, and then they can disrupt the detection radar system (false alarms). Therefore, to improve the detection process and reduce the false alarm rate, it is important to distinguish between targets and sea peaks generated by breaking waves. This represents one of the motivations and also the interest to study the electromagnetic signature of breaking waves in different observation configurations so that we can easily detect and identify the sea peaks. To solve this problem, we proposed a methodology based on a hybrid electromagnetic model which is on a combination of asymptotic methods (SPMI used in this work) to simulate the radar response of linear waves (capillary and gravity waves described via the Elfouhaily sea spectrum) and an exact methods, the method of moment (the FB "Forward-Backward" method is used in this work), to calculate the electromagnetic response of nonlinear waves (profiles are produced by the LONGTANK code). To complement the theoretical study and simulations, we carried out an evaluation and validation phase by measuring the radar signature of breaking wave profiles in the ENSTA Bretagne anechoic chamber.