Brevet FR2802303A1 — publié le 20010615

présente invention est relative un procédé d'obtention d'une imagerie du sous-sol utilisant un radar à pénétration de sol. Elle vise plus particulièrement un procédé permettant, à partir d'un point fixe, l'exploration des structures géologiques d'un sous-sol ainsi que la détection d'obstacles enfouis à faible profondeur sous la surface (canalisations dans le domaine du génie civil, mines dans une application militaire...). Selon un autre aspect de l'invention, elle vise un radar pénétration de sol mettant en oeuvre ce procédé d'obtention d'une imagerie du sous-sol à partir d'un point fixe. Pour les missions planétaires, et pour Mars en particulier, de tels radars à pénétration de sol apparaissent en effet comme les instruments les mieux adaptés à l'exploration du sous-sol ; ceci tient notamment à leur bonne adaptation aux fortes contraintes imposées par de telles missions sur la masse et la puissance des instruments de mesure. L'utilisation sur Terre de radars pour l'exploration des structures géologiques du sous-sol requiert en général un instrument mobile qui permet de quadriller le terrain en effectuant de nombreuses mesures et l'utilisation d'algorithmes d'inversion pour retrouver la structure du terrain sous-jacent. En effet, de tels instruments enregistrent uniquement la distance des réflecteurs ou des diffuseurs sans mesure de leur direction par rapport à l'émetteur et ne permettent donc d'obtenir d'images en trois dimensions du sous-sol qu'à condition d'être déplacés au dessus de la surface à sonder. Or, au cours de missions planétaires comme celle prévue sur la planète Mars, une station automatique sera déposée sur la surface de la planète et les mesures seront donc faites partir d'un point fixe, l'atterrisseur. On connaît également comme instruments de détection, des radars embarqués à bord de satellites placés en orbite autour de la surface de la planète à sonder. A l'heure actuelle, de tels radars présentent l'inconvénient majeur de ne pas être suffisamment puissants car trop éloignés de la surface pour permettre une détection au-delà de 100 mètres de profondeur environ. La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients en proposant un procédé d'obtention d'une imagerie du sous-sol comportant un radar à pénétration de sol qui permet de déterminer la direction de propagation des ondes réfléchies ou rétrodiffusées par les inhomogénéités du sous-sol et donc de mesurer non seulement la distance des réflecteurs ou des diffuseurs mais aussi leur direction par rapport à l'émetteur sans avoir recours un instrument mobile ; l'obtention de telles données permettant alors de réaliser une image en trois dimensions des réflecteurs ou diffuseurs souterrains à l'aide d'algorithmes de traitement et d'analyse. A cet effet, le procédé d'obtention d'une imagerie du sous-sol selon l'invention, utilisant un radar pénétration de sol comportant des moyens d'émission, de réception et de traitement de signaux, se caractérise en ce que - on émet des signaux à partir d'un point fixe par rapport au sous-sol et à l'aide d'au moins deux antennes électriques ; - on reçoit des signaux réfléchis ou rétrodiffusés par des réflecteurs ou des diffuseurs dudit sous-sol à l'aide desdites antennes électriques et de trois antennes magnétiques ; - et on traite lesdits signaux réfléchis ou rétrodiffusés l'aide d'un algorithme afin d'obtenir ladite imagerie dudit sous-sol. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures - la figure 1 représente un diagramme du dispositif électronique du radar selon l'invention ; - la figure 2 représente un diagramme de rayonnement d'une antenne électrique utilisée dans le radar à pénétration de sol ; - les figures 3a et 3b représentent des diagrammes de rayonnement de 3 antennes électriques utilisées simultanément avec une différence de phase de 120 ; - la figure 4 est une vue en perspective d'un module déployé à la surface de Mars comprenant un radar selon l'invention. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le procédé d'obtention d'une imagerie d'un sous-sol utilise radar fixe à pénétration de sol comportant un emetteur, un récepteur, un ensemble d'au moins deux antennes électriques et de trois antennes magnétiques et un dispositif électronique de commande et de contrôle permettant de gérer les signaux émis et reçus. s'agit d'un radar stationnaire où l'émetteur et le récepteur sont placés au même endroit et où émission et réception des signaux doivent être séparées dans le temps. Après la fin de l'émission, le récepteur effectue la mesure des échos. plus, on utilise les antennes électriques à l'émission de ces signaux et l'ensemble des antennes électriques et magnétiques à leur réception. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, pour déterminer la direction des ondes réfléchies ou rétrodiffusées et détectées par le récepteur, on émet au moyen desdites antennes électriques du radar des ondes polarisées dans un plan, et grâce à la mesure de trois composantes magnétiques des ondes réfléchies ou rétrodiffusées, on obtient, à l'aide d'algorithmes de traitement et d'analyse des équations de Maxwell auxquelles satisfont les champs électrique et magnétique, la direction des vecteurs de propagation de celles-ci. De manière à obtenir de telles ondes polarisées circulairement ou elliptiquement dans un plan, on peut utiliser deux ou trois antennes électriques pour l'émission des signaux qui fonctionnent simultanément avec une différence de phase convenablement choisie entre les signaux émis. Lorsque cela est possible, pour des applications terrestres par exemple, il est avantageux pour améliorer la précision du procédé, de disposer de 3 antennes electriques qui permettent alors la mesure de six composantes des ondes réfléchies. Selon un autre mode d'opération, il est également possible d'émettre de façon indépendante ondes polarisées linéairement le long des 3 directions correspondant à chacune des 3 antennes électriques ; l'ensemble complet des 3 antennes électriques et des 3 antennes magnétiques étant utilisé pour réceptionner et déterminer leur direction d'arrivée. En effet, la possibilité d'opérer avec différents schémas de polarisation présente un intérêt significatif pour le procédé puisqu'il permet d'étudier plus en détails les propriétés de diffusion des réflecteurs du sous-sol. On décrira maintenant le dispositif électronique, qui est une façon de réaliser le procédé selon l'invention. Comme illustré sur la figure 1, ce dispositif comprend avantageusement cinq sous-systèmes un générateur et amplificateur d'ondes, un récepteur à antenne électrique, un récepteur à antenne magnétique, une unité de commande du radar et une unité digitale. Les signaux émis par le générateur d'ondes sont, dans un premier temps filtrés pour permettre d'éliminer les lignes spectrales indésirables de la largeur de bande du radar, et dans un second temps, amplifiés. De plus, on dispose des interrupteurs aux entrées des amplificateurs de façon isoler ces derniers lorsqu'ils ne sont pas utilisés. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les signaux émis par le générateur d'ondes se présentent soit sous la forme d'une impulsion unique, soit sous la forme d'un train d'impulsions codé. On réalise ainsi un codage des signaux émis qui permet une meilleure reconnaissance des signaux réfléchis ou rétrodiffusés et qui présente l'avantage de pouvoir effectuer des mesures avec différentes périodes de temps des signaux. Le récepteur d'antenne électrique comporte trois commutateurs C1-E, C2-E et C3-E installés pour protéger le récepteur contre une surcharge qui pourrait survenir pendant la période de transmission des signaux. On dispose d'un unique amplificateur A1 en association avec les antennes électriques AE1, AE2 et A3 et ce dernier est connecté à chacune d'entre elles par l'intermédiaire d'un commutateur C-E couplé à un dispositif de commande CST-E qui fait varier la sensibilité en fonction du temps. En variante, on peut également utiliser un amplificateur pour chaque antenne. Le dispositif de commande de sensibilité CST-E consiste en un atténuateur variable dont l'atténuation diminue lorsque le temps s'écoule pendant la période de réception des signaux de façon à harmoniser approximativement la variation anticipée de l'amplitude du champ électrique avec la profondeur de sondage. De plus, un filtre passe-bande FPB-E élimine tous les signaux indésirables de la bande de fréquence utile qui peuvent provenir, par exemple, d'interférences électromagnétiques. La commande de sensibilité de temps CST-E et le filtre passe-bande FPB-E doivent être avantageusement configurés de manière à s'adapter à l'impédance de l'antenne pendant période de réception des signaux. Le radar utilisé mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention étant immobile, le champ électromagnétique réfléchi est également stationnaire, et les trois antennes sont connectées en séquence à l'amplificateur de manière à realiser une mesure complète quelque soit le plan polarisation des ondes. Au niveau du sous-système récepteur à antenne magnétique, les signaux provenant des antennes magnétiques AM1, AM2 et AM3 sont mesurés de manière similaire . une antenne (AM) est sélectionnée par un commutateur (C-M) puis connectée à un préamplificateur (PA-M) ; le signal sortant alimente alors un amplificateur (A2) par l'intermédiaire d'un dispositif de commande de sensibilité du temps (CST-M) et d'un filtre passe-bande (FBP-M). De même que pour antennes électriques, on peut utiliser un amplificateur pour chaque antenne. Enfin, l'unité digitale comprend un convertisseur analogique numérique CAN, un sommateur et une mémoire Ainsi, le signal sélectionné par un commutateur à double entrée CDE subit une conversion digitale et des intégrations cohérentes sont alors réalisées pour profiter de l'immobilité du radar et à partir de là, améliorer le rapport signal sur bruit. L'unité de commande du radar a pour fonction de générer de manière continue tous les signaux nécessaires aux différentes opérations. On décrira maintenant un mode de réalisation préféré des antennes électriques et magnétiques utilisées dans le radar. Les antennes électriques (AE1, AE2 et AE3) sont typiquement des dipôles demi-onde dont la longueur optimale est égale au quart de la longueur d'onde utilisée ; le profil la résistance électrique le long de celles-ci étant ajusté de manière à atténuer les réflexions internes des signaux transmis et à amortir les résonances naturelles qui empêchent l'observation des couches peu profondes du sous-sol. En variante, on peut également utiliser des monopoles quart d'onde. Comme représenté par la figure 2, le diagramme rayonnement dans le plan du champ électrique d'une telle antenne transmettant une onde polarisée linéairement, se caractérise par une structure à lobes : un lobe principal tourné vers le sol, deux lobes secondaires et un lobe plus faible dirigé vers le haut. Ainsi, l'antenne électrique n'éclaire (ou n'envoie de l'énergie) de manière significative que dans un secteur d'angle inférieur à 60 . Les figures 3a et 3b représentent également les variations de puissance rayonnée en fonction de la direction propagation de 3 antennes électriques utilisées simultanément et déphasées de 120 entre elles. Ces antennes emettent ainsi des ondes polarisées elliptiquement dans un plan. Les diagrammes de rayonnement 3a dans le plan n 1 et 3b dans le plan n 2, montrent également une structure à 3 lobes tournés vers le sol. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les antennes magnétiques (AM1, AM2 et AM3) sont du type à retour de flux à haute fréquence ; elles comportent chacune un capteur et sont connectées à un préamplificateur. Les trois capteurs associés au préamplificateur sont utilisés pour détecter les trois composantes magnétiques des signaux réfléchis sur le radar. En effet, ces antennes magnétiques sont disposées de manière à former un trièdre orthonormé qui servira de repère pour mesurer les composantes magnétiques des signaux réfléchis ou rétrodiffusés ; chaque composante étant détectée par l'un de ces capteurs associés au préamplificateur. Pour ce faire, chacun des capteurs comporte une bobine constituée de spires enroulées sur un noyau ferromagnétique. Le matériau de ce noyau ferromagnétique est choisi selon la gamme de fréquence. Ainsi, pour une mission sur mars où cette fréquence de travail est avantageusement choisie aux environs de 2 MHz, le noyau ferromagnétique est composé, soit d'une tige en ferrite, soit d'un barreau en mu métal. De plus, les spires primaires et secondaires de chaque capteur sont réalisées par un fil de cuivre émaillé et sont directement enroulées sur le noyau. Leur structure est configurée de manière à minimiser les capacités parasites. Chaque capteur est alors placé dans une structure en résine d'époxy dont la surface externe est recouverte d'une couche conductrice qui protège le capteur contre les champs électriques externes et qui améliore l'équilibre thermique du système. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les trois antennes magnétiques du radar mettant en oeuvre le procédé d'obtention d'une imagerie d'un sous-sol peuvent être remplacées par une unique antenne magnétique qui pivote dans l'espace de manière à se positionner correctement pour mesurer les trois composantes magnétiques des ondes réfléchies ou rétrodiffusées. Selon une application de l'invention, le procédé d'obtention d'une imagerie d'un sous-sol est utilisé à bord d'une station automatique déposée sur la surface de Mars afin 'étudier les structures géologiques souterraines de cette planète et notamment pour rechercher la présence de glace et/ou d'eau sous forme liquide. Pour ce faire et comme représenté sur la figure 3, le module d'atterrissage sur Mars comporte des panneaux solaires déployables, trois antennes magnétiques orthogonales entre elles ainsi que trois antennes électriques angulairement espacées de 120 . De plus, on choisit une fréquence de travail du radar fixe au voisinage de 2 MHz de manière à sonder le sous-sol jusqu' une profondeur de 3 kilomètres environ. La longueur optimale des antennes égale à un quart de la longueur d'onde utilisée est donc d'environ 35 mètres ; les pertes en propagation dans le sous-sol diminuent avec la fréquence d'onde et la résolution spatiale requiert une large bande passante. De préférence, on effectuera les mesures de our à une fréquence inférieure à la fréquence critique de l'ionosphère qui, dans ces conditions, joue le rôle de bouclier contre le bruit électromagnétique galactique. Selon d'autres applications non limitatives de l'invention, le dispositif mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention peut être utilisé en géologie, pour la détection de ressources dans un sous-sol (nappes phréatiques...) ou pour l'exploration des structures géologiques, dans le domaine du génie civil pour la détection d'obstacles enfouis à faible profondeur (canalisations...) ou encore pour des applications militaires (détection de mines...). Pour ce faire, il suffit de choisir une fréquence de travail adaptée aux dimensions de l'objet ou de l'obstacle à détecter et à la profondeur de sondage. La présente invention telle que décrite précédemment offre de multiples avantages ; en particulier, l'emploi d'un tel procédé pour obtenir une image de la structure en trois dimensions du sous-sol et des obstacles enfouis permet, tout en limitant le quadrillage donc le temps la difficulté de mesure, d'obtenir par inversion des résultats plus précis puisque fondés non seulement sur des mesures de temps de propagation des échos mais aussi sur la connaissance de leur direction d'arrivée. I1 demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'obtention d'une imagerie du sous-sol, utilisant un radar pénétration de sol comportant des moyens d'émission, de réception et de traitement de signaux, caractérisé en ce que - on émet des signaux à partir d'un point fixe par rapport au sous-sol et à l'aide d'au moins deux antennes électriques ; - on reçoit des signaux réfléchis ou rétrodiffusés par des réflecteurs ou des diffuseurs dudit sous-sol à l'aide desdites antennes électriques et de trois antennes magnétiques ; - et on traite lesdits signaux réfléchis ou rétrodiffusés à l'aide d'un algorithme afin d'obtenir ladite imagerie dudit sous-sol. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour déterminer la distance et la direction desdits réflecteurs ou diffuseurs dudit sous-sol, on émet à l'aide desdites antennes électriques des ondes polarisées linéairement, circulairement ou elliptiquement dans un plan et on mesure les composantes du vecteur de propagation des signaux réfléchis ou rétrodiffusés. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour obtenir des ondes polarisées circulairement ou elliptiquement dans un plan, on émet lesdits signaux à l'aide de deux ou trois antennes électriques fonctionnant simultanément avec une différence de phase convenablement choisie entre lesdits signaux émis. 4 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour obtenir des ondes polarisées linéairement, on émet lesdits signaux de façon indépendante le long des directions respectives de chacune des desdites antennes électriques. 5 - Radar pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux antennes électriques (AE) utilisées à la fois pour l'émission de signaux et la réception de signaux réfléchis ou rétrodiffusés par des réflecteurs ou diffuseurs sous , trois antennes magnétiques (AM1, AM2 et AM3) utilisées pour la réception desdits signaux réfléchis ou retrodiffusés, et un dispositif électronique pour commander traiter ces signaux. 6 - Radar selon la revendication 5, caractérisé en ce lesdites antennes électriques (AE) sont des dipôles demi-onde ou des monopoles quart d'onde. 7 - Radar selon l'une des revendications ou 6, caractérisé en ce que lesdites antennes magnétiques (AM1, et AM3) sont remplacées par une unique antenne magnétique pivotante dans l'espace. 8 - Radar selon l'une des revendications à 7, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans le domaine militaire pour la détection de mines ou analogues. 9 - Radar selon l'une des revendications à 7, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans le domaine du genie civil pour la détection d'obstacles enfouis à faibles profondeurs tels que notamment des canalisations. 10 - Radar selon l'une des revendications à 7, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans le domaine de la geologie pour l'exploration des structures géologiques d'un sous-sol, notamment pour la détection des ressources du sous-sol.