La SER, est la grandeur qui permet de quantifier le pouvoir réflecteur d'un objet, ou a contrario sa discrétion électromagnétique. Maîtriser la SER, voire la diminuer, est un enjeu majeur dans le domaine aéronautique de défense. C'est en particulier un gage de survivabilité pour les aéronefs. Historiquement, les fréquences RADAR d'intérêt étaient celles de la bande Super Haute Fréquence, ce qui équivaut à des longueurs d'onde de 2 à 30 centimètres. Des outils d'analyse adaptés ainsi que des moyens de mesure ou de caractérisation de la SER ont été mis au point. Ils se sont révélés extrêmement performants. On peut citer par exemple la chambre anéchoïque CAMELIA du CESTA. En revanche, dans le domaine des basses fréquences, il est plus délicat de réaliser des mesures précises. Pour des longueurs d'onde de 1 à 5 mètres, l'épaisseur des absorbants est souvent trop faible ; même les dimensions des chambres anéchoïques ne représentent que quelques longueurs d'onde. Notre objectif, lors de cette thèse, était de proposer et d'étudier des algorithmes nouveaux permettant d'améliorer ou de faciliter la caractérisation de la SER en basse fréquence. La notion de courants caractéristiques, introduite par Harrington et Mautz dans les années 70, puis reprise par Y. Morel dans le cas d'objets parfaitement conducteurs, permet la décomposition d'un courant induit quelconque en courants élémentaires. Les modes caractéristiques sont obtenus en faisant rayonner ces courants caractéristiques. Cependant, il n'existe pas d'outil de détermination des modes lorsque l'objet n'est plus parfaitement conducteur. Nous nous sommes donc dotés d'un tel outil, que nous avons construit et validé. Pour cela, nous avons repris dans un premier temps le cadre mathématique qui permet de définir l'opérateur de Perturbation, ses propriétés mathématiques et sa décomposition en éléments propres. Nous avons montré que cet opérateur discrétisé conserve ses propriétés mathématiques. Nous avons ensuite validé notre méthode de calcul direct des modes caractéristiques, issus de la diagonalisation de l'opérateur de perturbation discrétisé. Dans un deuxième temps, nous avons mené des études phénoménologiques. Nous avons tout d'abord observé l'évolution des éléments propres de l'opérateur de perturbation en fonction de l'impédance, et nous nous sommes intéressés au cas particulier de l'impédance égale à 1. Nous avons ensuite observé les phénomènes lorsque la fréquence évolue. En nous concentrant sur les valeurs propres, nous avons pu différencier deux types de modes. Enfin, nous avons détaillé quelques exemples d'applications concrètes de cette méthode de détermination des modes, qui permettent d'améliorer ou de faciliter la caractérisation de la SER en basse fréquence. L'outil ORFE (Outil de Reformulation, Filtrage et Extrapolation de données) permet d'atténuer les termes d'erreurs inhérents à toute caractérisation, et d'extrapoler des données existantes à des cas de figure non acquis ou non accessibles en mesure. Il a donné lieu à un brevet. Un outil d'interpolation de SER en basse fréquence a aussi été construit. Il permet d'obtenir de meilleurs résultats que l'interpolation linéaire de la SER. Nous avons aussi mis en place une méthode d'imagerie basse fréquence. Elle permet de localiser d'éventuels défauts de métallisation de l'objet considéré, en utilisant la base des courants caractéristiques. Enfin, nous avons présenté une méthodologie de caractérisation de SER qui intègre les limites des moyens de mesure. Nous avons mis en évidence que cette caractérisation donne une information absolue sur la SER de l'objet, dans un périmètre de validité. Un brevet a été déposé sur cette méthode.

Un nouvel axe de recherche sur les réseaux de capteurs a été initié au LAAS par la réalisation de nouveaux capteurs sans fil passifs utilisant une transduction électromagnétique dans la détection de pression et de gaz. Ces capteurs fortement intégrés ne nécessitent aucune alimentation embarquée et leur fréquence de fonctionnement se situe dans la bande de fréquence Ka (26 à 40 GHz). Cette thèse s'inscrit donc dans la conception et la réalisation d'un lecteur adapté à l'interrogation à distance de capteurs à transduction électromagnétique. Son principe de fonctionnement est basé sur une technologie radar de type FMCW. L'avantage principal de la lecture radar des données issues de ce type de capteurs passifs réside dans la possibilité d'avoir des portées de plusieurs dizaines de mètres, bien supérieures à celles classiquement obtenues dans les technologies SAW ou RFID. Dans une première étape est présenté le principe de fonctionnement du lecteur radar et la réalisation de deux prototypes centrés sur les fréquences de 3GHz et 30GHz. Une étude du spectre de la sortie radar, appelé signal de battement radar, est abordée afin de montrer comment les positions et les mesures des capteurs sont lues à distance par ce type de lecteur. Par la suite, un travail d'analyse de la communication sans fil permet de déterminer les paramètres de rétrodiffusion électromagnétique à prendre en compte, tels que les impédances et les fréquences de fonctionnement des capteurs. Ces paramètres sont la base d'une optimisation du système global en termes de sensibilité, de portée radar et des niveaux minimaux de Surface Equivalente Radar (SER) des cibles interrogées. La validation de cette analyse se borne à la mesure de la portée maximale associée à ce type de lecteur et aux différentes mesures de SER de plusieurs types de capteurs dans les bandes de fréquence de 3GHz et 30GHz. Deux principes d'identification de cellules passives sont ensuite présentés. Le premier est basé sur l'utilisation des deux modes de rétrodiffusion de la SER d'un capteur (mode de structure et mode d'antenne) favorisant dans le même temps l'identification sur un mode et la mesure de la grandeur physique sur l'autre, a distance du lecteur. Le deuxième principe utilise le spectre d'un diffuseur multi-bande dont sa SER reconfigurable permet d'associer l'identification de chaque capteur dans un réseau, à la manière d'un code barre. En conclusion, les résultats obtenus dans cette étude valident le principe d'interrogation à longue distance de réseau de capteurs passifs et ouvrent de nouvelles perspectives sur la conception de nouvelles cellules de mesures pour de nouvelles applications dans les secteurs de l'aéronautique, du nucléaire, et de l'environnement. / A new development on sensor networks has been started by LAAS to implement new wireless sensors using passive electromagnetic transduction in the detection of pressure and gas. These highly integrated sensors require no power and the embedded operating frequency is in the Ka band (26 to 40GHz). This thesis is on the design and the realization of a reader suitable for remote sensing of sensor electromagnetic transduction. Its working principle is based on an FMCW radar technology. The main advantage of this radar when reading passive sensors is the ability to have ranges of several tens of meters, much higher than those obtained with conventional SAW or RFID technology. In the first step, the principle of operation of the reader and also the realization of two prototypes focused on the frequencies of 3GHz and 30GHz are presented. A study of the output radar spectrum, called beat signal radar, is discussed to show how the positions and measurements from the sensors are read remotely by the reader. Afterwards, an analysis of the wireless communication is performed to take into account parameters of electromagnetic backscatter such as the impedance and operating frequency of these sensors. These parameters are the basis of an optimization of the global system in terms of sensitivity radar range and the minimal levels of Radar Cross Section (RCS) of the interrogated targets.The validation of this analysis is limited by the reader's maximum range and by various RCS measurements of several types of sensors in the frequency bands of 3GHz and 30GHz. Two principles of sensor passive identification are then presented. The first is based on the simultaneous use of both modes of the sensor's RCS (structural mode and antenna mode), facilitating the identification by one mode and measuring the physical quantity using the other mode. The second principle uses the spectrum of a multiband scatterer where its reconfigurable RCS can associate the identification of each sensor in a network, such as a barcode. In conclusion, the result obtained in this thesis validate the principle of an interrogating network of passive sensors over a long reading range and consequently open a new way of sensor design for future aerospace, nuclear and environment applications.

Un nouvel axe de recherche sur les réseaux de capteurs a été initié au LAAS par la réalisation de nouveaux capteurs sans fil passifs utilisant une transduction électromagnétique dans la détection de pression et de gaz. Ces capteurs fortement intégrés ne nécessitent aucune alimentation embarquée et leur fréquence de fonctionnement se situe dans la bande de fréquence Ka (26 à 40 GHz). Cette thèse s'inscrit donc dans la conception et la réalisation d'un lecteur adapté à l'interrogation à distance de capteurs à transduction électromagnétique. Son principe de fonctionnement est basé sur une technologie radar de type FMCW. L'avantage principal de la lecture radar des données issues de ce type de capteurs passifs réside dans la possibilité d'avoir des portées de plusieurs dizaines de mètres, bien supérieures à celles classiquement obtenues dans les technologies SAW ou RFID. Dans une première étape est présenté le principe de fonctionnement du lecteur radar et la réalisation de deux prototypes centrés sur les fréquences de 3GHz et 30GHz. Une étude du spectre de la sortie radar, appelé signal de battement radar, est abordée afin de montrer comment les positions et les mesures des capteurs sont lues à distance par ce type de lecteur. Par la suite, un travail d'analyse de la communication sans fil permet de déterminer les paramètres de rétrodiffusion électromagnétique à prendre en compte, tels que les impédances et les fréquences de fonctionnement des capteurs. Ces paramètres sont la base d'une optimisation du système global en termes de sensibilité, de portée radar et des niveaux minimaux de Surface Equivalente Radar (SER) des cibles interrogées. La validation de cette analyse se borne à la mesure de la portée maximale associée à ce type de lecteur et aux différentes mesures de SER de plusieurs types de capteurs dans les bandes de fréquence de 3GHz et 30GHz. Deux principes d'identification de cellules passives sont ensuite présentés. Le premier est basé s ur l'utilisation des deux modes de rétrodiffusion de la SER d'un capteur (mode de structure et mode d'antenne) favorisant dans le même temps l'identification sur un mode et la mesure de la grandeur physique sur l'autre, a distance du lecteur. Le deuxième principe utilise le spectre d'un diffuseur multi-bande dont sa SER reconfigurable permet d'associer l'identification de chaque capteur dans un réseau, à la manière d'un code barre. En conclusion, les résultats obtenus dans cette étude valident le principe d'interrogation à longue distance de réseau de capteurs passifs et ouvrent de nouvelles perspectives sur la conception de nouvelles cellules de mesures pour de nouvelles applications dans les secteurs de l'aéronautique, du nucléaire, et de l'environnement.

La SER, est la grandeur qui permet de quantifier le pouvoir réflecteur d'un objet, ou a contrario sa discrétion électromagnétique. Maîtriser la SER, voire la diminuer, est un enjeu majeur dans le domaine aéronautique de défense. C'est en particulier un gage de survivabilité pour les aéronefs. Historiquement, les fréquences RADAR d'intérêt étaient celles de la bande Super Haute Fréquence, ce qui équivaut à des longueurs d'onde de 2 à 30 centimètres. Des outils d'analyse adaptés ainsi que des moyens de mesure ou de caractérisation de la SER ont été mis au point. Ils se sont révélés extrêmement performants. On peut citer par exemple la chambre anéchoïque CAMELIA du CESTA. En revanche, dans le domaine des basses fréquences, il est plus délicat de réaliser des mesures précises. Pour des longueurs d'onde de 1 à 5 mètres, l'épaisseur des absorbants est souvent trop faible ; même les dimensions des chambres anéchoïques ne représentent que quelques longueurs d'onde. Notre objectif, lors de cette thèse, était de proposer et d'étudier des algorithmes nouveaux permettant d'améliorer ou de faciliter la caractérisation de la SER en basse fréquence. La notion de courants caractéristiques, introduite par Harrington et Mautz dans les années 70, puis reprise par Y. Morel dans le cas d'objets parfaitement conducteurs, permet la décomposition d'un courant induit quelconque en courants élémentaires. Les modes caractéristiques sont obtenus en faisant rayonner ces courants caractéristiques. Cependant, il n'existe pas d'outil de détermination des modes lorsque l'objet n'est plus parfaitement conducteur. Nous nous sommes donc dotés d'un tel outil, que nous avons construit et validé. Pour cela, nous avons repris dans un premier temps le cadre mathématique qui permet de définir l'opérateur de Perturbation, ses propriétés mathématiques et sa décomposition en éléments propres. Nous avons montré que cet opérateur discrétisé conserve ses propriétés mathématiques. Nous avons ensuite validé notre méthode de calcul direct des modes caractéristiques, issus de la diagonalisation de l'opérateur de perturbation discrétisé. Dans un deuxième temps, nous avons mené des études phénoménologiques. Nous avons tout d'abord observé l'évolution des éléments propres de l'opérateur de perturbation en fonction de l'impédance, et nous nous sommes intéressés au cas particulier de l'impédance égale à 1. Nous avons ensuite observé les phénomènes lorsque la fréquence évolue. En nous concentrant sur les valeurs propres, nous avons pu différencier deux types de modes. Enfin, nous avons détaillé quelques exemples d'applications concrètes de cette méthode de détermination des modes, qui permettent d'améliorer ou de faciliter la caractérisation de la SER en basse fréquence. L'outil ORFE (Outil de Reformulation, Filtrage et Extrapolation de données) permet d'atténuer les termes d'erreurs inhérents à toute caractérisation, et d'extrapoler des données existantes à des cas de figure non acquis ou non accessibles en mesure. Il a donné lieu à un brevet. Un outil d'interpolation de SER en basse fréquence a aussi été construit. Il permet d'obtenir de meilleurs résultats que l'interpolation linéaire de la SER. Nous avons aussi mis en place une méthode d'imagerie basse fréquence. Elle permet de localiser d'éventuels défauts de métallisation de l'objet considéré, en utilisant la base des courants caractéristiques. Enfin, nous avons présenté une méthodologie de caractérisation de SER qui intègre les limites des moyens de mesure. Nous avons mis en évidence que cette caractérisation donne une information absolue sur la SER de l'objet, dans un périmètre de validité. Un brevet a été déposé sur cette méthode. / This work focuses on RADAR Cross Section (RCS) measurements in the low frequency domain. Radar Cross Section (RCS) is a description of how an object reflects an incident electromagnetic wave. Quantitatively, RCS is the effective surface area that intercepts the incident wave and isotropically scatters the energy. Controlling RCS is a real challenge for aeronautic defence. In the past, RCS interest frequencies used to be in the Super High Frequency domain (wavelengths between 2 and 30 centimetres). RCS is mastered in this frequency domain, due to the use of bright point model and large anechoic chamber. On the other hand, RCS measurements cannot be entirely and accurately obtained in the low frequency domain because of experimental constraints. Indeed, absorbing coatings are too thin (compared to the wavelength) to be efficient, and the anechoic chamber is too small. The aim of the thesis was to suggest new algorithms that improve RCS low frequency characterization. The Characteristic Currents were first introduced by Harrington and Mautz in the early 70's and then studied by Y. Morel in his PhD thesis. This work highlights that the current of any Perfectly Electrically Conducting (PEC) object can be split into elementary currents. The characteristic modes are obtained by radiating the characteristic currents. However, there is no tool to determine the characteristic modes for non PEC object. In this thesis, such a tool has been built and validated. We _rst needed to set the mathematical framework. We defined the Perturbation Operator, its eigenvalues decomposition and its mathematical properties. We proved that the discrete Perturbation Operator keeps its properties. This method of modes determination has then been validated. We then presented two phenomenology studies. The first one deals with the impact of impedance on the eigenvalues and eigenvectors of the perturbation operator. We get particularly interested in the case of the impedance equal to 1. The second focuses on the impact of frequency, which led us to distinguish two kinds of modes. When finally listed some concrete applications of our method of modes determination, that led to improve RCS characterizations. The first tool named ORFE (it stands for Reformulation, Filtering and Extrapolation Tool), consists in reducing errors that are inherent in RCS measurements, and extrapolating data out of measurement range. This tool has been patented. A RCS frequency interpolation algorithm has also been built. We then implemented a low frequency imagery method. It consists in localizing some perturbation of metallization, by using the characteristic current basis. We finally presented a way to characterize RCS while taking low frequency experimental constraints into account. We show that this characterization gives information of the RCS of the object in a validity perimeter. This method has been patented too.

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.