URSI 2015 – Sonder la matière par les ondes électromagnétiques

Des applications à large spectre au service de l’ homme 24/10/2015
Auteurs :
Publication REE REE 2015-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-4:14189
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URSI 2015 – Sonder la matière par les ondes électromagnétiques

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Introduction URSI 2015 L’homme a pu éveiller sa curiosité scientifique par l’observation de phéno- mènes physiques rencontrés dans la nature tels que la décomposition de la lumière du soleil par une averse : c’est le phénomène de l’arc en ciel. Pline l’Ancien avait observé cette décomposi- tion à travers un prisme il y a maintenant deux mille ans. C’étaient les balbutiements scientifiques des études de l’interaction ondes/matière. L’analyse du comportement des ondes électromagnétiques (interférences, diffraction), la mise en équation des phénomènes par Maxwell et l’ensemble des tra- vaux de la communauté scientifique ont permis par la suite d’exploiter ces ondes et d’en faire des outils incontournables de notre société. L’utilisation la plus courante et qui vient rapi- dement à l’esprit concerne les télécommunica- tions. Mais les ondes électromagnétiques sont couramment mises en œuvre pour analyser les inhomogénéités, les discontinuités... de la matière traversée ; c’est notamment le cas des applications radar. Dans certains cas, l’émission-absorption de certaines ondes électromagnétiques par la ma- tière peut aussi être utilisée pour mieux connaître sa composition, ce principe est couramment uti- lisé en radioastronomie ou en spectroscopie... Les applications de types radar sont générale- ment réalisées dans la partie « basse fréquence » du spectre couvert par les ondes électromagné- tiques, ce qui a tout d’abord permis de développer des moyens de détection et localisation ayant des résolutions nécessaires et suffisantes pour locali- ser et identifier divers objets (avions, nuages...). Dans notre société, le radar est ainsi souvent perçu comme l’outil privilégié du monde militaire, voire de l’aviation civile, mais ses ap- plications météorologiques sont bien souvent ignorées du grand public. Cependant les radars météorologiques peuvent mesurer les changements de l’indice de réfraction de l’air dans les basses couches de l’atmosphère. Il est possible, par mé- thode inverse, de réaliser une mesure de la réfrac- tivité atmosphérique. Pour ce faire, les échos de cibles fixes (pylônes électriques, tours, châteaux d’eau…) sont utilisés, l’analyse des sauts de phase de l’onde associés aux réflexions sur ces cibles permet de remonter aux fluctuations des pro- priétés de réfraction du milieu dans lequel elle se propage. Plusieurs campagnes de mesures dans la bande S du réseau de Météo-France en ont dé- montré la faisabilité. Plus récemment, une analyse de données provenant d’une année de mesures sur un radar en bande C de Trappes, a permis d’établir la possibilité de mesurer les variabilités de la réfractivité liées à la turbulence atmosphérique des basses couches. L’article « Mesure de la réfrac- tivité atmosphérique par radar météorologique : comparaison avec un réseau de capteurs au sol » relate ces travaux et met en évidence la perti- nence de l’emploi du radar pour analyser l’effet des turbulences sur la réfractivité atmosphérique. Son auteur principal, Ruben Hallali est doctorant au Laboratoire de l’atmosphère des milieux et de l’observation spatiale. Certains radars, sont quant à eux conçus de manière à pouvoir sonder l’ionosphère. Mais ils REE N°4/2015 75 Les ondes électromagnétiques pour sonder la matière Des applications à large spectre au service de l’homme Cyril Lupi Maître de conférences Université de Nantes Alain Priou Professeur émérite de l’université Paris Ouest Nanterre La Défense URSI 2015 sont parfois également utilisés pour mener des recherches en océanologie et en sismologie. Ils peuvent être exploités de manière active pour faire de l’astronomie radar, voire de manière pas- sive pour faire ce que l’on nomme plus communé- ment de la radioastronomie. L’article « Astronomie radar et radioastronomie à l’aide du radar trans- horizon Nostradamus » présente le radar Nostra- damus, son exploitation en astronomie radar, ainsi que des observations passives du Soleil et de Jupi- ter en bande HF. L’auteur principal de cet article, Jean-François Degurse, est docteur de l’université Paris 11 Paris-Sud. Il est bien évident que, compte tenu du large domaine de longueur d’onde couvert par les ondes électromagnétiques, il est impossible de couvrir l’ensemble du spectre des applications. Celles décrites précédemment concernaient la partie basse fréquence du spectre. En se transposant à plus haute fréquence, la longueur d’onde devient de l’ordre de grandeur des dimensions de certains objets dont on veut pouvoir contrôler la qualité. Le contrôle non destructif est aujourd’hui l’un des domaines technologiques en pleine expansion face aux besoins de l’industrie aéronautique et tend à se vulgariser dans l’industrie automobile. Parmi les technologies de contrôle non des- tructif, on peut distinguer deux grandes catégo- ries : les techniques surfaciques et les techniques volumiques. Pour cette dernière, les technologies les plus répandues dans les domaines électromagnétique et acoustique sont les rayons X, les ultrasons et l’infra- rouge. Les ondes électroma- gnétiques térahertz ont des fréquences et des longueurs d’onde comprises respective- ment entre 0,1 THz et 30 THz et 0,01 mm et 3 mm. La bande térahertz représente ainsi la frontière entre deux domaines physiques : l’électronique pour les microondes d’un côté et l’optique pour l’infrarouge de l’autre. Une telle frontière résulte de la nature des systèmes de détection de l’onde employés dans chaque cas : les plus basses fréquences sont détectables en champ alors que les plus hautes fréquences sont quant à elles détectables en intensité. Ces ondes ont été longtemps cantonnées aux secteurs de l’observa- tion astronomique et de la physique de la matière condensée. Mais au fur et à mesure du temps cer- tains paliers technologiques ont été franchis pour les deux composants de base que constituent les sources et capteurs. Ainsi la montée en perfor- mances des détecteurs et émetteurs térahertz per- met de réaliser aujourd’hui de l’imagerie térahertz ailleurs que dans un laboratoire. Meriam Triki, auteur de l’article « Imagerie térahertz avec cap- teurs à ondes de plasma – Application au contrôle non destructif volumique », docteur et chef de pro- jet chez T-Waves à Montpellier, présente les avan- cées technologiques de ces composants utiles à la mise en œuvre de l’imagerie térahertz, ainsi qu’un certain nombre d’applications dans un contexte industriel. Dès que l’on passe les limites de détection en champ et que l’on aborde le domaine de l’optique, il est clair qu’outre les exploitations en laboratoire, les applications les plus courantes se trouvent dans le domaine de l’imagerie médicale. Mais la forte demande en composants optoélectroniques pour les besoins de montée en débit des télécom- munications par fibre optique ont permis d’envi- sager de nouvelles applications de ces outils. Les capteurs à fibre optique et les systèmes de mesures associés sont aujourd’hui des outils pertinents pour la surveillance des structures et pour assu- rer ainsi le contrôle de leur « santé ». Leur insensibilité aux perturbations électromagné- tiques et à la corrosion font d’eux, par exemple, des outils pertinents pour le « monito- ring » des structures offshore des énergies marines renou- velables. Ils sont également de très bons outils pour le suivi des structures de génie Introduction 76 REE N°4/2015 Cyril Lupi est maître de conférences de l’université de Nantes depuis 2003 et vice-président de la commission A de l’URSI France. Alain Priou est professeur émérite de l’université Paris Ouest Nanterre La Défense depuis 2012. Il est Fellow Senior Member IEEE-MTT/APS et Fellow Member de l’Electromagnetic Academy. Il est membre du bureau du Pôle aéronau- tique Astech Paris Région et président de la commission B de l’URSI France. Conférencier invité et professeur invité du NUAA et d’autres universités de Chine, Malaisie et d’Amérique. Introduction URSI 2015 civil. Quand ces dernières sont en environnement irradié, comme c’est le cas pour les lieux de stoc- kage des déchets radioactifs, il devient difficile d’employer des composants de télécommunica- tions standards car ceux-ci ne sont pas « durcis » et se dégradent rapidement. Il est alors nécessaire d’employer des stratégies adaptées et c’est l’objet du quatrième article intitulé « Capteurs à fibre op- tique pour la surveillance et l’observation du stoc- kage de déchets radioactifs en couche géologique profonde ». L’auteur principal de cet article est Sylvie Delepine-Lesoille, docteur Telecom Pa- risTech. Elle occupe les fonctions d’ingénieur recherche et développement en instrumentation à l’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra). Nous espérons que ces quatre articles donne- ront un aperçu de l’actualité et des applications industrielles qui concernent l’exploitation des ondes électromagnétique pour sonder la matière. Ce dossier a été préparé à partir d’une sélection de communications présentées lors des Journées scientifiques d’URSI-France qui se sont tenues à Paris les 24 et 25 mars 2015 et qui ont eu pour thème « Sonder la matière par les ondes électro- magnétiques ». Le lecteur est invité à se rendre sur le site Web de la manifestation pour plus d’infor- mations (http://ursi-france.mines-telecom.fr). Mesure de la réfractivité atmosphérique par radar météorologique Comparaison avec un réseau de capteurs au sol Par Ruben Hallali, Francis Dalaudier, Gilles Guillemin, Alain Moreau, Jacques Parent du Châtelet .............................................................................................................. p. 78 Astronomie radar et radioastronomie à l’aide du radar transhorizon Nostradamus Un fleuron technologique français au service de la science Par Jean-François Degurse, Jean-Philippe Molinié, Véronique Rannou, Sylvie Marcos .......................... p. 87 Imagerie térahertz avec capteurs à ondes de plasma Application au contrôle non destructif volumique Par Meriam Triki, T. Antonini, C. Archier, B. Moulin, F. Teppe, P. Solignac, N. Dyakonova, W. Knap ............................................................................................................................. p. 99 Capteurs à fibre optique pour la surveillance et l’observation du stockage de déchets radioactifs en couche géologique profonde Par Sylvie Delepine-Lesoille, Stéphanie Leparmentier, Jean-Louis Auguste, Georges Humbert ...................................................................................................................... p. 104 LES ARTICLES REE N°4/2015 77