LE PROBLEME INVERSE EN ELECTROMAGNETISME

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Phase de comparaison calcul-mesure

Dans le cas qui nous intรฉresse, mรชme en prenant en compte les incertitudes de mesure et de calcul, nous observons des diffรฉrences lors de la comparaison des rรฉsultats des tests รฉlectromagnรฉtiques expรฉrimentaux et numรฉriques.
Nous souhaitons expliquer ces diffรฉrences rรฉsiduelles. Compte tenu de la qualitรฉ de fabrication considรฉrรฉe, le support de la distribution spatiale de propriรฉtรฉs matรฉriaux est supposรฉ parfaitement maitrisรฉ. Cโ€™est-ร -dire que lโ€™รฉcart gรฉomรฉtrique entre la maquette numรฉrique et lโ€™objet fabriquรฉ est nรฉgligeable par rapport ร  lโ€™รฉcart de propriรฉtรฉs matรฉriaux. De plus, cet รฉcart local de propriรฉtรฉs matรฉriaux entre les objets numรฉrique et rรฉel nโ€™est que de quelques pourcents. Cโ€™est ce faible รฉcart que nous souhaitons quantifier ร  partir des rรฉsultats des tests รฉlectromagnรฉtiques numรฉrique et expรฉrimentaux.

HYPOTHESES ET DONNEES INITIALES

Le contexte et lโ€™existant conduisent ร  des hypothรจses dans la rรฉalisation de lโ€™objectif.

1) Tout dโ€™abord, ยซ la physique ยป dโ€™intรฉrรชt est lโ€™รฉlectromagnรฉtisme : les propriรฉtรฉs dโ€™intรฉrรชt sont les propriรฉtรฉs รฉlectromagnรฉtiques des matรฉriaux et les sollicitations testรฉes sont aussi de nature รฉlectromagnรฉtique.
2) Lโ€™intรฉrรชt, les moyens de simulations et ceux de mesures au CEA CESTA imposent de considรฉrer le problรจme dans le domaine frรฉquentiel (domaine de Fourier), dans la bande de frรฉquence SHF2.
3) Les objets sont conรงus axisymรฉtriques, cโ€™est-ร -dire que la distribution de propriรฉtรฉs matรฉriaux du cas de rรฉfรฉrence est axisymรฉtrique.
4) Les matรฉriaux dโ€™intรฉrรชts sont potentiellement magnรฉtiques et diรฉlectriques, dispersifs en frรฉquence et anisotropes. Cela signifie que leur rรฉponse ร  un champ รฉlectromagnรฉtique dรฉpend de la direction de propagation et de la frรฉquence de ce champ.
5) Le comportement des matรฉriaux est en plus considรฉrรฉ passif, linรฉaire vis-ร -vis de lโ€™onde รฉlectromagnรฉtique et non chiraux. Cela signifie que les relations de constitution des matรฉriaux lient linรฉairement leurs propriรฉtรฉs รฉlectromagnรฉtiques au champ appliquรฉ et que leurs rรฉponses รฉlectrique et magnรฉtique ne sont pas couplรฉes.
6) La distance entre lโ€™objet et les antennes dโ€™รฉmission et de rรฉception et la taille de lโ€™objet sont telles que lโ€™on considรจre le problรจme inverse ร  partir dโ€™observations en champ proche.
7) Les erreurs de discrรฉtisation sont considรฉrรฉes nรฉgligeables. Cโ€™est-ร -dire que le test numรฉrique discrรฉtisรฉ est considรฉrรฉ identique au test numรฉrique continu (par opposition ร  discret).

DU PROBLEME INVERSE AUX MODELES PERTURBATIFS

Il est important de rappeler que lโ€™objectif consiste ร  dรฉterminer la distribution spatiale de chaque propriรฉtรฉ รฉlectromagnรฉtique considรฉrรฉe. Le nombre dโ€™inconnues est alors potentiellement consรฉquent : pour une seule propriรฉtรฉ matรฉriaux, il faut dรฉterminer sa valeur en chaque point de lโ€™objet. Dโ€™un point de vue numรฉrique, si la fonction de base sur chaque maille est constante, il y a une inconnue par maille. Cโ€™est potentiellement un problรจme inverse de trรจs grande dimension et constitue lโ€™une des difficultรฉs majeures du problรจme considรฉrรฉ.
Nous souhaitons alors profiter au maximum des particularitรฉs de notre problรจme3 pour compenser cet inconvรฉnient.

Les hypothรจses 10) et 11) (cf. ยงIII p. 29) incitent naturellement ร  simplifier le problรจme inverse considรฉrรฉ. La solution du problรจme inverse est cherchรฉe comme des variations locales de propriรฉtรฉs matรฉriaux autour dโ€™un cas de rรฉfรฉrence. Le support de la distribution solution du problรจme est connu : cโ€™est celui de la rรฉfรฉrence.
Les zones de prรฉlรจvement du champ รฉlectrique sont extรฉrieures ร  lโ€™objet et ร  toutes interfaces matรฉrielles. Cela signifie que le champ รฉlectromagnรฉtique en ces points est continu.
Cette considรฉration conduit ร  considรฉrer le caractรจre dรฉrivable du champ aux points de mesure. De plus, lโ€™objet fabriquรฉ doit rester intรจgre au test : le cadre de ces travaux est un contrรดle non destructif pour lโ€™objet. Ainsi, le test รฉlectromagnรฉtique expรฉrimental constitue une source de donnรฉes pauvre : seules quelques quantitรฉs (les champs รฉlectromagnรฉtiques dans notre cas) peuvent รชtre mesurรฉes et uniquement en certains points (impossible de mesurer le champ รฉlectromagnรฉtique au cล“ur des matรฉriaux).

Au contraire, le test numรฉrique constitue une source de donnรฉes trรจs riche : il est potentiellement possible dโ€™รฉvaluer nโ€™importe quelle quantitรฉ (champs, courants, potentiels etcโ€ฆ) en tous points du domaine de test (en tout point du maillage). Ainsi, le test รฉlectromagnรฉtique numรฉrique constitue une excellente rรฉfรฉrence ร  partir de laquelle lโ€™impact de toute variation peut รชtre observรฉ ; ร  partir de laquelle le test รฉlectromagnรฉtique expรฉrimental peut รชtre comparรฉ.

DES PROPRIETES MATERIAUX A LA CONDITION Dโ€™IMPEDANCE : MODELES Dโ€™INTERACTION ONDE/MATIERE

Comme nous le verrons, les รฉquations de Maxwell macroscopiques expriment la propagation dโ€™une onde รฉlectromagnรฉtique dans un milieu. Elles constituent un modรจle de propagation. Pour expliquer comment une onde se propage dans un matรฉriau, il faut y ajouter un modรจle dโ€™interaction onde-matiรจre.

Dans le cadre qui nous intรฉresse, les propriรฉtรฉs รฉlectromagnรฉtiques intrinsรจques des matรฉriaux peuvent se rรฉsumer ร  leur permรฉabilitรฉ magnรฉtique et leur permittivitรฉ diรฉlectrique. Ce sont des quantitรฉs macroscopiques volumiques qui expriment la capacitรฉ de rรฉaction macroscopique dโ€™un matรฉriau ร  une sollicitation รฉlectromagnรฉtique. Les relations constitutives du matรฉriau expriment cette rรฉaction : elles constituent un modรจle dโ€™interaction onde-matiรจre volumique. Ainsi, aprรจs discrรฉtisation, il est possible dโ€™รฉvaluer numรฉriquement la propagation dโ€™une onde รฉlectromagnรฉtique ร  travers tout type de distribution volumique de matรฉriaux. Un tel modรจle prรฉsente lโ€™avantage dโ€™รชtre trรจs gรฉnรฉral : parmi les matรฉriaux connus, trรจs peu ne peuvent รชtre modรฉlisรฉs par un tel modรจle. Mรชme un simple modรจle linรฉaire suffit ร  reprรฉsenter les interactions ondes-matiรจre de la majoritรฉ des matรฉriaux utilisรฉs. Par contre, puisquโ€™il sโ€™agit dโ€™un modรจle volumique, la rรฉsolution numรฉrique nรฉcessite une discrรฉtisation tridimensionnelle dont la taille des mailles est en particulier proportionnelle ร  la longueur dโ€™onde5. Ainsi, pour un objet de grandes dimensions par rapport ร  la longueur dโ€™onde, la rรฉsolution du problรจme ainsi modรฉlisรฉ peu devenir trรจs coรปteuse en calcul.

Lorsque la puissance de calcul nโ€™est pas suffisante, on cherche naturellement ร  simplifier ce modรจle. Lโ€™รฉlรฉment coรปteux dโ€™un modรจle linรฉaire volumique est en prioritรฉ la dimension du systรจme et donc le caractรจre volumique. On cherche alors un modรจle dโ€™interaction onde-matiรจre de dimension infรฉrieure. Le concept dโ€™impรฉdance surfacique est initialement introduit par Rytov [1] et Lรฉontovich dans les annรฉes 1940 pour traiter le problรจme de la diffraction par un objet diรฉlectrique ร  fort indice. Leur analyse est basรฉe sur un dรฉveloppement asymptotique oรน le paramรจtre considรฉrรฉ faible est lโ€™inverse de lโ€™indice du matรฉriau. Un tel modรจle rรฉduit lโ€™interaction onde-matiรจre dans tout le volume de matรฉriau ร  une condition รฉquivalente ร  la surface du matรฉriau
4 De faรงon gรฉnรฉrale, la rรฉsolution maitrisรฉe dโ€™un problรจme inverse nรฉcessite une connaissance fine du problรจme direct, du modรจle utilisรฉ et des hypothรจses faites (Figure 14). La propagation interne au matรฉriau nโ€™est alors plus รฉvaluรฉe rรฉduisant drastiquement le domaine maillรฉ et donc le nombre dโ€™inconnues.

Cette approche est globale et ne requiert en particulier aucune hypothรจse sur la nature du champ รฉlectromagnรฉtique. Cependant, ce modรจle est complexe : avant mรชme le calcul de propagation de lโ€™onde, il nรฉcessite lโ€™รฉvaluation dโ€™une intรฉgrale sur toute la surface de lโ€™objet pour estimer lโ€™impรฉdance surfacique en un point de lโ€™objet. Il reste encore trop coรปteux en calcul pour les ressources disponibles ร  lโ€™รฉpoque et aujourdโ€™hui, le faible gain de temps ne justifie pas de privilรฉgier ce modรจle au modรจle volumique. On trouve de nombreux travaux sur le sujet regroupรฉs sous ce quโ€™on appelle ยซ les impรฉdances dโ€™ordres รฉlevรฉs ยป.

En ne considรฉrant que les termes dโ€™ordre faible, le modรจle se simplifie. En particulier, Lรฉontovich [2] propose un modรจle dโ€™ordre zรฉro portant aujourdโ€™hui son nom oรน lโ€™impรฉdance en chaque point de la surface ne dรฉpend que des quantitรฉs sous la surface en ce point. Lโ€™รฉvaluation de lโ€™impรฉdance surfacique est rรฉduite au calcul dโ€™une expression vectorielle sans intรฉgrale. Cโ€™est ce quโ€™on appelle un modรจle local. Cette simplification introduit de nombreuses hypothรจses mais prรฉsente lโ€™avantage de rรฉduire considรฉrablement le problรจme et de rendre la rรฉsolution bien moins coรปteuse. Aujourdโ€™hui, le modรจle dโ€™impรฉdance surfacique de Lรฉontovich dispose dโ€™une notoriรฉtรฉ excellente dans le monde industriel. Sa simplicitรฉ lui permet en particulier dโ€™รฉvaluer ร  moindre coรปt et avec une prรฉcision suffisante, la signature radar de grands objets (avions, รฉoliennes, immeubles etcโ€ฆ). Cโ€™est en plus un excellent complรฉment dโ€™un modรจle volumique. En effet, la rรฉsolution des รฉquations de Maxwell avec un modรจle dโ€™interaction onde-matiรจre volumique est dโ€™autant plus coรปteuse que la frรฉquence augmente. Par contre, ร  matรฉriaux donnรฉs, la prรฉcision du modรจle dโ€™impรฉdance surfacique de Lรฉontovich est dโ€™autant meilleure que la frรฉquence augmente.

Ainsi, nous jugeons que les deux types de modรจles dโ€™interaction onde-matiรจre sont pertinents dans le cadre de notre travail. Nous proposons alors dโ€™รฉtudier le problรจme perturbatif prรฉcรฉdemment dรฉcrit dans le cadre du modรจle dโ€™interaction onde-matiรจre volumique et du modรจle en impรฉdance de Lรฉontovich.
Lorsque le modรจle considรฉrรฉ est de type volumique, nous cherchons donc ร  รฉtablir un modรจle de sensibilitรฉ du champ รฉlectromagnรฉtique aux points de mesures ร  des variations de permittivitรฉ diรฉlectrique et de permรฉabilitรฉ magnรฉtique.

LE PROBLEME INVERSE EN ELECTROMAGNETISME

Gรฉnรฉralitรฉs

J.B. Keller dรฉcrit deux problรจmes inverses comme des problรจmes dont la formulation de lโ€™un met lโ€™autre en cause. Cette dรฉfinition comporte une part dโ€™arbitraire. Une dรฉfinition plus pratique est quโ€™un problรจme inverse consiste ร  dรฉterminer des causes connaissant des effets. Ce problรจme est lโ€™inverse de celui appelรฉ problรจme direct, consistant ร  dรฉduire les effets ร  partir des causes connues. Cette seconde dรฉfinition dรฉcrit ร  quel point nous sommes plus habituรฉs ร  รฉtudier des problรจmes directs. En effet, depuis Newton la notion de causalitรฉ est ancrรฉe dans notre subconscient scientifique : nous avons appris ร  poser, puis rรฉsoudre des problรจmes pour lesquels les causes sont donnรฉes, et lโ€™on cherche les effets.

Cette dรฉfinition exprime aussi que la rรฉsolution des problรจmes inverses pose des difficultรฉs particuliรจres. Nous avons tous appris que ยซ les mรชmes causes produisent les mรชmes effets ยป, autrement dit, quโ€™il est raisonnable dโ€™exiger que le problรจme direct soit bien posรฉ. Il est par contre facile dโ€™imaginer que les mรชmes effets puissent provenir de causes diffรฉrentes. Cette idรฉe contient en germe la principale difficultรฉ de lโ€™รฉtude des problรจmes inverses : ร  observations limitรฉes7, ils peuvent avoir plusieurs solutions.

Ainsi, le problรจme inverse nous est plus complexe que le problรจme direct : Non seulement il ne nous est pas habituel et intuitif mais il hรฉrite en plus de la complexitรฉ du problรจme direct ร  laquelle sโ€™ajoute le caractรจre mal posรฉ. Cโ€™est ce caractรจre que Hadamard introduit dรจs 1923. Il dรฉfinit un problรจme bien posรฉ comme un problรจme dont :

– une solution existe,
– la solution est unique,
– la solution dรฉpend de faรงon continue des donnรฉes.
Depuis Hadamard, la littรฉrature sur le problรจme inverse est considรฉrable. ยซ Chaque physique ยป cherche ร  retrouver les causes des observations faites9.
En รฉlectromagnรฉtisme, la littรฉrature sur le sujet est aussi trรจs vaste. De maniรจre gรฉnรฉrale, les travaux existants gravitent autour de trois grands domaines dโ€™applications :
– lโ€™imagerie mรฉdicale
– lโ€™exploration des sols en gรฉophysique
– la caractรฉrisation de matรฉriaux
Dans chacun de ces domaines dโ€™application, les mรฉthodes peuvent รชtre classรฉes en fonction de leurs caractรฉristiques. La couleur rouge souligne le problรจme qui concerne nos travaux.
– Lโ€™objectif du problรจme inverse.
O Faut-il dรฉterminer :
la gรฉomรฉtrie ?
les propriรฉtรฉs radioรฉlectriques des matรฉriaux constitutifs ? une combinaison de ces รฉlรฉments ?
O Lโ€™inconnue doit-elle รชtre dรฉterminรฉe : sans prรฉcision : dรฉtection (mรฉthode qualitative) ? avec prรฉcision (mรฉthode quantitative) ?
– Les contraintes.
O Le problรจme est-il considรฉrรฉ dans le domaine frรฉquentiel (domaine de Fourier) ? dans le domaine temporel ?
O Lโ€™objet doit-il :
rester intรจgre : mรฉthodes non destructives (CND) obligatoires ?
peu importe : mรฉthodes destructives admissibles ?
– Les hypothรจses.
O Lโ€™onde se propage-t-elle :
en ligne droite dans tout lโ€™environnement entre la source et le rรฉcepteur ? pas forcรฉment en ligne droite ?
O Les matรฉriaux sont-ils : diรฉlectriques, magnรฉtiques ? isotropes, anisotropes ? constants ou dispersifs en frรฉquence ?
O Les points de mesures sont-ils considรฉrรฉs : en champ proche ? en champ lointain (cas particulier du prรฉcรจdent) ?
– Les aspects mathรฉmatiques du problรจme.
O Le modรจle du problรจme direct est-il : linรฉaire ? non-linรฉaire ?
O La rรฉsolution du problรจme inverse est-elle : itรฉrative ? non itรฉrative ?
La littรฉrature sur le problรจme inverse en รฉlectromagnรฉtisme รฉtant considรฉrable, la liste qui suit nโ€™est pas exhaustive. Elle regroupe les travaux que nous jugeons les plus pertinents. Nous commenรงons par rรฉsumer la littรฉrature sur les problรจmes dont lโ€™inversion peut รชtre abordรฉe par simple transformรฉe inverse de type Fourier ou Radon. Ensuite lโ€™รฉtat de lโ€™art sur les problรจmes inverses en gรฉomรฉtrie est introduit avant dโ€™approfondir la littรฉrature traitant du problรจme inverse en matรฉriaux. Nous finissons par un รฉtat de lโ€™art concernant les approximations utilisรฉes dans toutes les approches prรฉcรฉdemment รฉvoquรฉes pour linรฉariser les formulations intrinsรจquement non linรฉaires.

Lโ€™inversion directe : les modรจles de propagation rectiligne

La longueur dโ€™onde de lโ€™onde incidente par rapport aux tailles caractรฉristiques de lโ€™objet permet de sรฉparer les problรจmes en diffรฉrentes catรฉgories. En effet, plus la longueur dโ€™onde est faible par rapport aux caractรฉristiques (gรฉomรฉtriques et matรฉriaux) de lโ€™objet et plus le phรฉnomรจne de diffraction devient minoritaire rendant lโ€™hypothรจse dโ€™une propagation rectiligne de plus en plus juste. On peut alors interprรฉter les rรฉsultats de mesures comme une ombre due ร  lโ€™attรฉnuation des matรฉriaux traversรฉs. Sous cette hypothรจse, le problรจme inverse peut รชtre traitรฉ directement, faisant appel aux modรจles de Radon [8], Wolf [9] et Fourier [10]. Ainsi, lโ€™utilisation de rayons X en imagerie mรฉdicale devient naturelle. Lโ€™ensemble de ces techniques est regroupรฉ dans les techniques dites de tomographies [11]. Dans le cas qui nous intรฉresse, les objets considรฉrรฉs sont de lโ€™ordre de quelques dizaines de centimรจtres et la bande de frรฉquence est la bande SHF. Les techniques de tomographie ne sont donc pas adaptรฉes.

Le problรจme inverse en gรฉomรฉtrie

Depuis le dรฉbut des annรฉes 1980, les travaux de Colton et Kress sur le problรจme de diffraction inverse posent les bases thรฉoriques. Dans leur ouvrage de rรฉfรฉrence [12], la nature non linรฉaire et mal posรฉe du problรจme inverse de diffraction est mise en รฉvidence. En particulier, lโ€™existence et lโ€™unicitรฉ de la solution du problรจme inverse sont traitรฉes pour les รฉquations dโ€™Helmoltz et de Maxwell. Les problรจmes inverses sont classรฉs en deux grands types : le problรจme inverse en gรฉomรฉtrie (ยซ inverse obstacle problem ยป) et le problรจme inverse en matรฉriau (ยซ inverse medium problem ยป). Ils considรจrent principalement le problรจme inverse en gรฉomรฉtrie dรฉfini comme la recherche, ร  partir de connaissances (partielles) du champ lointain, de la position spatiale dโ€™une frontiรจre dont la condition dโ€™interaction onde-matiรจre homogรจne est connue.

Ils introduisent la mรฉthode ยซ dual space method ยป qui consiste ร  dรฉcomposer le champ lointain en รฉlรฉments orthogonaux puis ร  rรฉsoudre un problรจme aux valeurs propres. Ils dรฉmontrent en particulier quโ€™ร  connaissance parfaite du champ lointain, il existe une solution unique. Le problรจme inverse en matรฉriau est succinctement abordรฉ en utilisant une variation de la mรฉthode ยซ dual space method ยป.

Le problรจme est posรฉ avec lโ€™objectif de retrouver les indices de matรฉriaux diรฉlectriques ร  partir de mesures du champ lointain. En particulier, ils prouvent quโ€™il nโ€™existe pas dโ€™indice de rรฉfraction comme solution unique lorsquโ€™il est dรฉterminรฉ ร  partir du champ.

De nombreux autres travaux viennent complรฉter cette approche thรฉorique. Concernant lโ€™unicitรฉ de la solution dans diffรฉrents contextes, nous renvoyons aux travaux de Colton, Coyle et Monk [14], Cakoni et Colton [15] et Colton et Pรคivรคrinta [16]. Depuis les travaux de Kirsh et Kress [17], qui utilisent une idรฉe originale de Isakov [18], nous savons que le champ lointain diffractรฉ provenant dโ€™une seule direction dโ€™incidence suffit ร  dรฉterminer de maniรจre unique la forme de la gรฉomรฉtrie quelles que soient les conditions ร  la frontiรจre.

De ces premiers travaux thรฉoriques naissent une multitude de mรฉthodes qualitatives se concentrant sur le problรจme inverse en gรฉomรฉtrie ร  partir de mesures en champ lointain. Les plus connus sont la ยซ linear sampling method ยป [19] et la ยซ factorization method ยป dont une excellente revue est proposรฉe par Lechleiter [20]. Cette derniรจre mรฉthode repose sur de solides bases thรฉoriques de la dรฉcomposition de lโ€™opรฉrateur de champ lointain afin dโ€™en calculer un noyau11. Toutes ces formulations sont intrinsรจquement non linรฉaires. La rรฉsolution du problรจme inverse ainsi considรฉrรฉ fait alors appel ร  des techniques dโ€™optimisation. Certains de ces travaux utilisent des approximations pour en simplifier la rรฉsolution. Nous avons choisi de sรฉparer cet aspect dans une partie spรฉcifique (cf. ยง 6.Approximations : Linรฉarisations).

La recherche du support de la distribution spatiale de propriรฉtรฉs matรฉriaux (la gรฉomรฉtrie) est un sujet largement explorรฉ dans la littรฉrature. Il est par contre intรฉressant de remarquer que ces approches reposent sur des caractรฉristiques de lโ€™opรฉrateur de champ lointain diffractรฉ par des objets constituรฉs gรฉnรฉralement de matรฉriaux non magnรฉtiques. Puisque nous souhaitons en particulier profiter de la spรฉcificitรฉ des mesures en champ proche, les mรฉthodes existantes pour le problรจme inverse en gรฉomรฉtrie ne sont pas adaptables au problรจme que nous considรฉrons.

Le problรจme inverse en matรฉriaux

En revanche, sur le sujet qui nous intรฉresse, cโ€™est-ร -dire le problรจme inverse en matรฉriaux, la littรฉrature est plus รฉparse. Nous la classons en deux catรฉgories : le contrรดle non destructif et le contrรดle destructif.

Les techniques destructives pour lโ€™objet sont caractรฉristiques de la caractรฉrisation de matรฉriaux dite en propagation guidรฉe. On retrouve les techniques coaxiales, de cavitรฉ [21], d’interfรฉromรฉtrie ร  un cornet ou de sondes ร  terminaison coaxiale ouverte (Mosig [22]). Dans tous les cas, un รฉchantillon de gรฉomรฉtrie travaillรฉe est insรฉrรฉ dans un instrument oรน une mesure de rรฉflexion, de transmission ou de frรฉquence de rรฉsonnance permet alors de remonter aux caractรฉristiques radioรฉlectriques homogรฉnรฉisรฉes de lโ€™รฉchantillon. Dans le cadre de nos travaux, ces mรฉthodes ne sont pas adaptรฉes puisque destructives et homogรฉnรฉisantes. Pour le lecteur intรฉressรฉ, un excellent rรฉsumรฉ de ces mรฉthodes est proposรฉ par Quรฉffelec.

De faรงon gรฉnรฉrale, les moyens de dรฉterminer les propriรฉtรฉs รฉlectromagnรฉtiques des matรฉriaux par mรฉthodes non destructives sont rรฉpartis dans la littรฉrature autour de deux thรฉmatiques distinctes : la caractรฉrisation de matรฉriau et le problรจme inverse en matรฉriau. Dans la pratique, ces deux thรฉmatiques sont trรจs liรฉes puisquโ€™elles partagent le mรชme objectif. La distinction faite semble surtout concerner lโ€™approche du problรจme.

En gรฉnรฉral, le problรจme inverse en matรฉriau est posรฉ ร  partir dโ€™observations subies dโ€™une gรฉomรฉtrie subie. Les ยซ pires ยป observations sont alors gรฉnรฉralement considรฉrรฉes : lโ€™objet est mesurรฉ en champ lointain – lโ€™intรฉgrale de rayonnement ยซ moyennant ยป la rรฉponse locale. Le problรจme est alors trรจs gรฉnรฉral conduisant ร  des problรฉmatiques considรฉrรฉes sous un aspect mathรฉmatique (on comprend que retrouver des quantitรฉs locales dโ€™une observation globale soit un problรจme particuliรจrement mal posรฉ). En caractรฉrisation de matรฉriaux, on cherche ร  rรฉsoudre un problรจme inverse simple et donc ร  travailler ร  lโ€™รฉtablissement dโ€™un systรจme de mesures adรฉquat par des observations choisies dโ€™une gรฉomรฉtrie choisie. Cela conduit gรฉnรฉralement ร  des moyens de mesures spรฉcifiques dโ€™une rรฉponse locale.

Lorsque les mรฉthodes de caractรฉrisation sont dites en espace libre et les matรฉriaux considรฉrรฉs inhomogรจnes, la distinction avec ce qui est appelรฉ ยซ le problรจme inverse en matรฉriaux ยป devient rรฉellement fine. Les observations sont gรฉnรฉralement ร  une distance suffisante pour ยซ moyenner ยป la rรฉponse locale de lโ€™objet. Et mรชme lorsque la gรฉomรฉtrie est choisie comme la plus simple possible, elle comporte nรฉcessairement une rรฉponse non-choisie (par exemple la diffraction par les bords dโ€™une plaque plane alors quโ€™on cherche ร  mesurer le coefficient de rรฉflexion).
En ยซ caractรฉrisation des matรฉriaux ยป :

Les mรฉthodes de caractรฉrisation non destructives sont gรฉnรฉralement celles dites en espace libre. La mรฉthode requiert en gรฉnรฉral des gรฉomรฉtries de test particuliรจres. En effet, la majoritรฉ de ces mรฉthodes est basรฉe sur lโ€™acquisition des coefficients de rรฉflexion et de transmission planaires [23]
[24]. Les matรฉriaux testรฉs sont donc sous forme de plaques planes. Pour ces mรฉthodes, les effets de diffraction et les rรฉflexions multiples sont les principales causes ou sources dโ€™erreurs. Il existe diffรฉrentes faรงons de rรฉduire ces erreurs. Par exemple, Ghodgaonkar [25] propose de minimiser les rรฉflexions par une combinaison de lentilles et dโ€™antennes. Dโ€™une faรงon diffรฉrente, Sagnard [26] propose dโ€™utiliser un รฉchantillon suffisamment large et suffisamment loin de la source. Dans notre cas, la gรฉomรฉtrie de lโ€™objet nโ€™est pas plane et ces techniques ne sont alors pas utilisables et difficilement adaptables.

Quelques travaux se rapprochent dโ€™avantage de notre problรฉmatique oรน la mesure est rรฉalisรฉe sans contact et le problรจme est globalement abordรฉ comme un problรจme inverse plus que comme un problรจme de caractรฉrisation. Dans ce cadre, les travaux de Eyraud [27] sont ร  noter. La mรฉthode proposรฉe combine des mesures en champ lointain avec une modรฉlisation statistique des incertitudes de mesure pour dรฉterminer la permittivitรฉ complexe isotrope. Faget [28] qui utilise une mรฉthode nommรฉ RECY dรฉveloppรฉe par Dieudonnรฉ [29] [30], dรฉtermine la permรฉabilitรฉ magnรฉtique de bandes de matรฉriaux ร  partir de mesures en champ proche. Bien que lโ€™application soit rรฉduite ร  un cas bidimensionnel et ร  une configuration spรฉcifique (les bandes de matรฉriaux sont collรฉes sur un cylindre mรฉtallique et on ne dรฉtermine que la permรฉabilitรฉ supposรฉe isotrope), la formulation originelle est assez gรฉnรฉrale (tridimensionnelle et magnรฉto-diรฉlectrique) rendant cette approche intรฉressante. Nous verrons plus tard que cette formulation est gรฉnรฉralisรฉe par une autre mรฉthode : la VPRT.

Le problรจme inverse en matรฉriaux est intrinsรจquement non linรฉaire. La rรฉsolution du problรจme inverse ainsi considรฉrรฉ fait alors appel ร  des techniques dโ€™optimisation. Certains de ces travaux utilisent des approximations pour en simplifier la rรฉsolution. Nous avons choisi de sรฉparer cet aspect dans une partie spรฉcifique (cf ยง 6.Approximations : Linรฉarisations).
En ยซ problรจme inverse en matรฉriaux ยป :
Parmi les travaux sโ€™inscrivant dans la thรฉmatique du problรจme inverse en matรฉriaux, deux grandes familles peuvent รชtre distinguรฉes : la dรฉtermination des caractรฉristiques รฉlectromagnรฉtiques volumiques des matรฉriaux, cโ€™est-ร -dire la permรฉabilitรฉ magnรฉtique et la permittivitรฉ diรฉlectrique, et la dรฉtermination des caractรฉristiques surfaciques, lโ€™impรฉdance.
Caractรฉristiques volumiques :
En utilisant les fondamentaux prรฉcรฉdemment รฉvoquรฉs, Kirsch introduit la ยซ transmission eigenvalues method ยป reposant elle aussi sur une dรฉcomposition judicieuse de lโ€™opรฉrateur de champ lointain. En 2010, Cakoni, Gintides et Haddar montrent les capacitรฉs de cette mรฉthode ร  dรฉterminer la permittivitรฉ diรฉlectrique anisotrope homogรจne. Dans notre cas, la mesure est rรฉalisรฉe en champ proche et les matรฉriaux sont considรฉrรฉs inhomogรจnes et magnรฉtiques. Cette technique prometteuse nโ€™est alors pas adaptรฉe.

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Table des matiรจres

INTRODUCTION
PARTIE I : CONTEXTE
A. CONTEXTE ยซ ENTREPRISE ยป
I. Objectifs initiaux/Contexte
II. Rรฉsumรฉ du contexte avant hypothรจses
III. Hypothรจses et donnรฉes initiales
IV. Rรฉsumรฉ du contexte aprรจs hypothรจses
V. Du problรจme inverse aux modรจles perturbatifs
VI. Des propriรฉtรฉs matรฉriaux ร  la condition dโ€™impรฉdance : modรจles dโ€™interaction onde/matiรจre
VII. Conclusion
B. CONTEXTE BIBLIOGRAPHIQUE
I. Le problรจme inverse en รฉlectromagnรฉtisme
II. Modรจles รฉlectromagnรฉtiques perturbatifs en matรฉriaux
III. Conclusion
C. CONCLUSION
I. Contribution de la thรจse
II. Dรฉmarche
III. Dรฉroulement-Plan du document
PARTIE II : MODELISATION
D. MODELE DE SENSIBILITE VOLUMIQUE
I. Le problรจme direct : propagation รฉlectromagnรฉtique en milieu magnรฉto-diรฉlectrique inhomogรจn
II. Sensibilitรฉ du problรจme direct : extension de la ยซ Volumetric Perturbative Reciprocal Theory ยป
III. Conclusion
E. MODELE DE SENSIBILITE SURFACIQUE
I. Le problรจme direct : le rayonnement des courants รฉlectromagnรฉtiques surfaciques
II. Sensibilitรฉ du problรจme direct : sensibilitรฉ du champ รฉlectrique rรฉtrodiffusรฉ ร  lโ€™impรฉdance de sur
Leontovich
III. Conclusion
PARTIE III : DOMAINE DE VALIDITE
F. MOTIVATION
G. MODELE DE SENSIBILITE VOLUMIQUE (VPRT)
I. Modรจle exact
II. Premier ordre
III. Second ordre
IV. Cas monostatique
V. Distribution axisymรฉtrique
VI. Propriรฉtรฉs matรฉriaux orthotropes et isotropes
VII. รฉtude numรฉrique de lโ€™erreur sur un exemple axisymรฉtrique
VIII. Conclusion partielle
H. MODELE DE SENSIBILITE SURFACIQUE
I. Hypothรจse ยซ petites perturbations ยป
II. Influence du modรจle en impรฉdance de Lรฉontovich
III. Influence du modรจle dโ€™optique physique
IV. Modรจle hybride

V. Modรจle champ lointain
VI. Modรจle ยซ Born en impรฉdance ยป
VII. Conclusion partielle
PARTIE IV : APPLICATION
I. UN EXEMPLE Dโ€™APPLICATION AU PROBLEME INVERSE EN MATERIAUX
I. Prรฉsentation du cas de rรฉfรฉrence
II. Dรฉmarche
III. Evaluation de la sensibilitรฉ
IV. Prรฉsentation de la mesure simulรฉe
V. Rรฉsolution du problรจme inverse linรฉaire axisymรฉtrique
VI. Conclusion
CONCLUSION GENERALE : RESUME, CRITIQUES ET PERSPECTIVES
Rรฉsumรฉ des conclusions partielles
Critiques et Perspectives
BIBLIOGRAPHIE

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