Le domaine de l’imagerie électromagnétique comprend deux pôles. Le premier est lié à la conception et l’emploi d’un système d’acquisition du champ électromagnétique. Le second a pour objet les algorithmes de traitement des mesures permettant de tenir compte de l’interaction du rayonnement microonde avec les inhomogénéités du milieu ausculté pour reconstruire des images. Le travail présenté dans cette thèse se situe dans la première thématique, il tient au développement d’un système radar à impulsions synthétiques pour l’étude des objets enfouis

Le RADAR, néologisme anglais de RAdio Dectection and Ranging, est un système électronique utilisant les ondes éléctromagnétiques (EM) qui a été mis au point pour détecter à distance les objets et mesurer leur éloignement, comme des avions ou des bateaux. Le principe est basé sur la réflexion des ondes EM par des corps conducteurs ou diélectriques. C’est avant la seconde guerre mondiale que furent développés les premiers systèmes radars. Ces radars fonctionnaient principalement en bandes HF et VHF, respectivement 3–30 MHz et 30–300 MHz, et autorisaient des portées d’environ 80 km. À l’aide de l’effet Doppler-Fizeau, ces systèmes fournissaient une base de détection des objets mobiles. Ainsi, ils ont été utilisés pendant la guerre pour renforcer les dispositifs de défense militaires. Les premiers radars impulsionnels ont alors vu le jour. À partir de la vitesse de propagation des ondes EM dans l’air, il est possible d’estimer la distance de la cible à l’aide du délai observé entre l’impulsion émise et celle qui a été réfléchie par la cible. Depuis lors, les systèmes radars se sont développés matériellement (antennes, source radiofréquence, récepteur, …) et plus tard, avec les traitements informatiques, par des outils pour l’analyse et l’interprétation de données. Actuellement, les radars sont largement répandus dans des applications civiles – comme le contrôle du trafic aérien, la navigation aérienne, maritime et terrestre, les prédictions météorologiques – et militaires – surveillance, pilotage ou guidage d’armes autopropulsées.

Le radar à pénétration de surface, communément désigné SPR (Surface Penetrating Radar), est une variante spécialement conçue pour fonctionner à travers un milieu opaque. Les premières expérimentations ont été réalisées lors d’études sur des glaciers. L’intérêt pour ce type de système crût en raison de leur capacité à imager ce qui se trouve derrière une interface diélectrique, comme estimer et visualiser les formes, tailles et profondeurs d’inhomogénéités. L’introduction sur le marché du premier Ground Penetrating Radar (GPR) commercial a conduit rapidement au développement de ces systèmes et à la diversification des champs d’applications, tout en restant principalement un outil de contrôle non destructif. Ainsi, ils sont employés en géophysique pour estimer la structure des sous-sols ou retrouver la profondeur d’une nappe d’eau. Aussi utilisés en archéologie, ils permettent de retrouver les contours de structures enfouies afin d’éviter des dommages durant l’excavation. En génie civil, ils fournissent des informations sur l’intégrité des ouvrages d’art. Lorsqu’ils sont employés sur d’anciennes zones de combat, ils tentent de localiser des mines antipersonnelles et les obus qui n’ont pas explosé. Cependant, même avec le développement des techniques GPR, ils manquent encore des procédures automatisées et stables afin d’étudier les énormes quantités d’informations qu’ils génèrent. En outre, l’analyse manuelle de ces données impose généralement la présence d’un opérateur qualifié, conduisant à des interprétations subjectives, requièrant invariablement une durée significative.

Des procédés d’imagerie sont régulièrement employés dans plusieurs domaines scientifiques. Pour le grand public, les applications médicales sont les plus connues, telles que la radiographie et la tomodensitométrie par rayons X (scanner) ou encore l’imagerie à résonance magnétique (IRM) pour établir un diagnostic. Les premières méthodes de reconstruction tomographique dans le domaine de l’imagerie microonde datent des années 80 ([PER83], [DEV84], [PIC85] et [BOL86]). Elles font appel à des algorithmes de résolution qualitative, basés sur des méthodes de tomographie par diffraction. Cette technique, dont le principal intérêt tient dans le faible coût en temps de calcul, permet de reconstruire uniquement les sources induites dans le milieu. La résolution quantitative permet quant à elle de reconstruire la permittivité complexe des objets et a fait l’objet d’études ultérieurement [FRA93][LOB96].

Un système d’imagerie microonde est donc confronté à des objets, qualifiés aussi de cibles ou d’hétérogénéités, localisés dans un milieu dont les caractéristiques sont connues. Plusieurs alternatives sont possibles pour parvenir à une image, que ce soit par investigation invasive ou non, avec une configuration circulaire ou linéaire autour du milieu. Dans cette thèse, nous étudions un système radar destiné à la détection d’objets en espace libre ou enfouis, basé sur un mode actif, non invasif et un réseau linéaire de capteurs.

Le problème global de l’imagerie microonde est tributaire de deux aspects. Le premier est lié à la conception et la mise en oeuvre d’un dispositif de mesure. Le système relève le champ diffracté, rayonné par les courants induits au sein des hétérogénéités, générés suite à l’éclairement du milieu par un champ électromagnétique incident. Le second aspect porte sur le traitement du signal en tenant compte de l’interaction onde-matière, qui se produit au sein des objets diélectriques soumis à un rayonnement microonde, et l’utilisation d’algorithmes pour reconstruire une image liée aux caractéristiques des sources induites, dues au constraste de permittivité, du milieu sous investigation.

Le problème de l’imagerie microonde est abordé dans ce chapitre, tout d’abord au regard des algorithmes de détection et de reconstruction. Avec la connaissance du champ incident et la mesure du champ diffracté, ils tendent vers l’obtention d’informations pour la détection et la localisation d’objets (imagerie qualitative), l’identification et la classification (imagerie quantitative). Puis, nous présentons les systèmes radars pour des applications en réflexion de type subsurface couramment utilisés en fonction du mode de génération de l’onde incidente, des types de capteurs électromagnétiques et de leur configuration. Nous évoquons enfin les phénomènes physiques intervenant dans les acquisitions réalisées par un radar subsurface, ce qui nous conduit à ouvrir des pistes en vue d’optimiser au mieux les mesures qui sont collectée .