Présentation du radar FMCW pour les capteurs passifs

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Le réseau de capteurs

Dans un réseau de capteurs actifs, chaque relai de transmission demande une quantité d‟énergie propre à son fonctionnement, que ce soit entre éléments capteurs ou entre capteurs et noeuds du réseau. L‟information de la mesure physique est ainsi relayée successivement vers le lecteur qui analyse les données recueillies.
A contrario, le réseau de capteurs passifs a une configuration bien différente et bien plus simple. N‟emmagasinant aucune énergie pour son fonctionnement, le capteur passif ne peut pas relayer l‟information reçue à d‟autres cellules. L‟architecture de ce type de réseau est donc définie comme une somme de liaisons directes entre chaque capteur du réseau et le lecteur.
Pour principe de fonctionnement, l‟énergie envoyée par le lecteur est dirigée et reçue successivement par chaque capteur. Une partie de cette énergie est ensuite réémise par chacune de ces cellules vers le lecteur. Le niveau de cette rétrodiffusion est représentatif de la grandeur physique mesurée.
La figure 1, montre le type de réseau étudié, composé de plusieurs capteurs passifs qui communiquent directement avec le lecteur radar. Chaque capteur à sa propre antenne.

Choix des fréquences du radar

Le choix des fréquences des radars est dépendant des fréquences de fonctionnement des capteurs
réalisés au LAAS. Deux types de capteurs, de pression et de gaz sont étudiés dans la bande Ka (20 à 40 GHz). Un lecteur associé à ces cellules devra donc fonctionner dans cette bande, autour d‟une fréquence de 30 GHz. Toutefois avant de réaliser ce lecteur prototype, un premier radar sera réalisé à une fréquence beaucoup plus basse, à 3GHz. Celui-ci servira à analyser le comportement du système radar dans une lecture passive de cible avant d‟approfondir l‟étude à des fréquences plus hautes (30GHz).

La SER

La SER (Surface Equivalente Radar) caractérise la capacité d‟une cible à rayonner l’énergie électromagnétique reçue du radar [2]. Elle est l’expression d’un rapport entre l’énergie réémise sur la densité d’énergie reçue par unité de surface. Cette SER dépend de la polarisation de l‟onde, de la longueur d‟onde du radar, de la surface de réflexion de la cible et des matériaux la constituant. Elle est exprimée en m2 ou sous sa forme logarithmique en dBsm.
La surface équivalente radar d‟un objet est exprimée par l‟équation suivante : 2 2 2 Puissance réfléchie vers la source / unité d’angle solide Densité de puissance incidente / 4π lim 4 r R i E R E (3).

Le radar continu non modulé (CW)

Ce radar émet en continu des ondes électromagnétiques et en même temps reçoit les réflexions de la cible. Les techniques CW n‟utilisent pas de modulation temporelle, et, en tant que tel, il est très difficile par ce système de déterminer une distance. Ce radar continu est souvent dans une configuration bistatique, où l’émetteur et le récepteur sont dans des lieux distincts. Tout signal détecté provient de la région où se situe la cible, au point de chevauchement des diagrammes de rayonnement des antennes du radar. Ce radar Continu est utilisé essentiellement pour la mesure de vitesse par décalage Doppler.

Le radar continu à modulation de fréquence (FMCW)

Le deuxième type de radar à ondes continues est le radar FMCW à modulation de fréquence (frequency modulated Continuous Wave). Comme les systèmes CW, il émet et reçoit en permanence un signal mais la fréquence du signal transmis est modifiée en fonction du temps. Cette modulation de fréquence (FM) permet au radar de déterminer la distance mais également la vitesse de la cible.
La modulation de fréquence peut prendre deux formes couramment utilisées, une modulation sinusoïdale ou linéaire. Cette dernière apporte une plus grande simplicité d‟utilisation lors du traitement du signal radar.
Le radar FMCW face au radar à impulsion apporte des avantages en termes de puissance émise, et facilité de réalisation. Ce qui le différencie principalement du radar à impulsions est sa répartition énergétique de l‟onde émise sur une période temporelle plus large. Ainsi le niveau de puissance crête de ces radars FMCW est beaucoup plus faible. Nul besoin d‟utiliser des générateurs d‟onde de forte puissance à base de klystrons ou magnétrons. Des générateurs de fréquence contrôlés en tension moins gourmands en énergie peuvent être employés par ce radar FMCW apportant aussi une facilité de réalisation. Actuellement, avec le progrès des composants RF et des circuits numériques à base de processeur, la réalisation d‟un radar FMCW est plausible au sein d‟un laboratoire.
En utilisant des techniques FMCW pour l‟étude des réseaux de capteurs, ce radar offre un compromis entre les avantages et inconvénients des techniques CW et des radars à impulsions. La possibilité de le réaliser au sein du laboratoire est un atout considérable pour l‟étude des réponses de capteurs passifs.

Technique de modulation

La technique de modulation en toit, utilise une modulation avec une période composée de deux intervalles. La fréquence du signal émis augmente au cours du premier intervalle et diminue sur le suivant. Comme les systèmes radar FMCW permettent à la fois de faire l‟acquisition de l‟information de distance et de vitesse de la cible dans le domaine fréquentiel, les pentes successives du signal de modulation sont utilisées pour séparer ces deux informations. La figure 10(a) montre l‟excursion en fréquence de la transmission Tx et de la réception Rx en fonction du temps pour une modulation en toit. Le signal émis, en noir, peut être caractérisé par trois paramètres fondamentaux : la bande passante ΔF, la période de modulation T, et une valeur de fréquence de référence f0. La bande passante est caractérisée par l‟amplitude de l‟excursion en fréquence définie comme la différence entre la fréquence la plus élevée et la plus basse. Le signal reçu, en pointillés, est une image retardée du signal émis, retard correspondant au temps aller retour entre le radar et une cible stationnaire. Ce signal de réception peut également être décalé en fréquence, due à un décalage Doppler pour une cible en mouvement.
Le choix de cette modulation en toit est retenu pour ce projet. Les capteurs sont considérés comme stationnaires mais pourraient à l‟avenir, dans d‟autres applications, avoir une vitesse relative par rapport au radar qui les interroge. L’analyse qui suit prendra en compte les deux caractéristiques de
distance et de vitesse de la cible. Pour nous affranchir de l‟effet Doppler sur la détection radar d‟une grandeur physique, la solution serait d‟associer au capteur une référence de mesure de pression ou de détection de gaz (connectée à une ligne à retard) subissant les mêmes variations de fréquence. Un traitement de signal adapté pour comparer les niveaux des fréquences de battement de la référence et du capteur permet ainsi de réaliser la mesure de la grandeur physique indépendamment de la vitesse de la cible.

Conception des radars FMCW

La conception des radars FMCW est planifiée en plusieurs étapes. Un prototype radar est premièrement réalisé dans la bande de fréquences S, autour de 3 GHz, afin de valider le principe de détection de cibles fixes et de vérifier les caractéristiques importantes du radar à prendre en compte pour la suite de l‟étude. Les premières cibles utilisées seront de simple surface de SER connues ou d‟antennes chargées par différentes impédances représentants des capteurs dont la charge varie avec la mesure physique détectée. Ce travail, nous mènera ensuite à un deuxième prototype radar FMCW utilisé dans la bande Ka, autour de 30 GHz. Ce radar HF aura pour fonction de détecter à distance les mesures d‟un capteur de pression puis d‟un capteur de gaz réalisés au LAAS.
La réalisation des radars qui dépend des choix imposés sur le système global lecteur-cible est fonction des applications de l‟étude [9]- [10]. Une première estimation des valeurs des caractéristiques des cibles à mesurer en prenant en compte l‟environnement de la lecture à distance est la première étape à la validation des choix des composants pour la réalisation du premier prototype radar.

Le prototype radar à 3GHz

La réalisation de ce radar FMCW à 3GHz a pour objectif de détecter des cibles de faibles Surfaces Equivalentes radar à des distances proches de 20 mètres. La bande passante du radar pour l‟interrogation des capteurs, ou cibles chargées doit être large. Cette largeur de bande sera de 10 % soit 300 MHz pour une fréquence radar de 3GHz.
Le Schéma block global d‟un radar FMCW est présenté en figure 11. Il est composé d‟un émetteur, d‟un récepteur, d‟antennes et d‟une partie pour le traitement de signal.

Traitement du signal de battement : Méthode de Welch

La détection radar des capteurs est sensible au bruit engendré par les composants du lecteur et de l‟environnement extérieur proche du système. Pour améliorer la sensibilité de cette mesure, il est nécessaire, en parallèle de l‟optimisation du montage radar, de développer des algorithmes de traitement de signal sur l‟écho des capteurs mesurés [21]-[22].
Ce traitement consiste donc à retrouver la fréquence du signal de battement du radar FMCW à partir du signal temporel observé.
D‟une part nous avons traité le signal temporel sans filtrage, puis avec un filtre passe bande, pour tenter d‟éliminer le bruit autour de la fréquence de la détection d‟une cible. Différents types de filtres ont été appliqués au signal pour évaluer le plus favorable à l‟application.
Un deuxième traitement de signal est ensuite réalisé par l‟algorithme de Welch (Annexe A). Son rôle est de permettre une bonne estimation de la fréquence de détection de la cible à partir du signal radar temporel. Cet estimateur est simple à mettre en place et donne des résultats de mesures en temps réel.
Cet algorithme est fondé sur la méthode du périodogramme qui estime la densité spectrale de puissance P d‟un signal S échantillonné de durée finie de longueur N.

Etude de la Surface Equivalente Radar

La grandeur qui caractérise le degré de réflectivité d‟une cible soumise au champ électromagnétique de l‟onde radar est appelée Surface Equivalente Radar (SER).
Par définition, la SER correspond à une surface d‟une cible fictive qui, illuminée par une densité de puissance identique à celle d‟une cible réelle, rétrodiffuserait un écho de même puissance que celui reçu réellement par le récepteur [1].
Dans notre étude, cette SER est donc sensible à une surface fictive du capteur. Pour que la variation de mesure faite par le capteur puisse être mesurée par le radar, le changement du niveau de SER implique une modification géométrique ou un changement des propriétés électromagnétiques de la cellule de mesure. La variation de surface du capteur en fonction d‟une mesure physique est impossible sur les types de capteurs réalisés. Leurs tailles de quelques millimètres carrés sont beaucoup trop faibles pour le type d‟interrogation radar que nous souhaitons. La solution consiste à utiliser les propriétés électromagnétiques des capteurs passifs de pression et de gaz réalisés.
La transduction Radio Fréquence de ces capteurs fut conçue pour que la quantité physique qu‟ils mesurent soit corrélée à un décalage fréquentiel dans leurs réponses, en transmission ou en réflexion. Ainsi, pour chaque position fréquentielle de la fréquence de résonance des capteurs correspond une valeur de pression ou de présence de gaz.
Ce changement des propriétés de la cellule à la détection de pression ou de gaz va avoir également une influence sur l‟impédance d‟entrée du capteur. Toute détection entrainera donc une modification du niveau du coefficient de réflexion du port du capteur connecté à l‟antenne, dans une échelle de valeurs absolues comprises entre 0 et 1.
Ces deux valeurs extrêmes expriment que l‟onde radar est soit totalement absorbée soit totalement rétrodiffusée par la cible. La variation de mesure aura donc un impact direct sur le niveau de puissance de l‟écho de la cible et donc de sa SER.
Dans le chapitre précédent, nous avions présenté la capacité du prototype radar FMCW à détecter des cibles réduite de 1cm2 sur une portée de 14 m. L‟étude décrite dans ce chapitre, montre que ce radar FMCW est capable de détecter une antenne chargée par un capteur sur des distances supérieures à 20 m. Cette portée va dépendre essentiellement du niveau de rétrodiffusion de la cible, donc de sa Surface Equivalente Radar. Nous comprenons que pour une SER forte, à un niveau de puissance constant en émission et en réception radar, nous aurons une grande portée et inversement. Mais pour le système, une SER forte ne signifie pas pour autant une précision des mesures de pression ou de gaz. La notion de sensibilité apparaît comme une caractéristique primordiale du système. Elle sera donc étudiée en parallèle de la portée radar et de la SER, caractéristiques qui sont dépendantes des impédances d‟entrées du capteur.
Quelques notions théoriques sur la SER de ces cellules seront abordées avant de réaliser une série de mesures radar à distance, des capteurs de pression et de détection de gaz.

Schéma électrique du capteur avec son antenne

Le capteur est assimilé à une charge connectée à sa propre antenne [2]. Lorsque cette charge n‟est pas adaptée à l‟antenne, une partie de l‟énergie de l‟onde incidente émise par le radar et que reçoit le capteur est re-rayonnée. Cette quantité de rayonnement réémis est fonction du courant et de la puissance fournie à l‟antenne de la cible. Leurs niveaux seront évalués sur la base des caractéristiques du schéma équivalent de la cible présentée sur la figure 1.
Ce circuit est composé de trois éléments :
 Un générateur de Thévenin représentant l‟antenne est composé d‟une source de tension Veff avec son impédance interne ZA. Le courant circulant dans le circuit est le courant induit par le rayonnement électromagnétique radar.
 une charge externe ZL, connectée aux bornes du générateur, représente le capteur ou tout autre circuit électronique passif.
 Une liaison entre l‟antenne et la charge. Celle-ci est soit inexistante soit de très courte longueur au regard de la longueur d‟onde de 1cm du circuit lorsque le capteur est directement relié à son antenne. Dans le cas d‟une liaison de grande longueur, par exemple un câble coaxial, ses propriétés RF seront prise en compte dans le calcul du circuit de la cible.
Le schéma électrique équivalent de la cible nous montre que les impédances complexes de l‟antenne et du capteur vont intervenir dans le calcul de la SER totale détectée par le radar.

Table des matières

I. INTRODUCTION & PROBLEMATIQUE
I.1 INTRODUCTION
I.2 LES CAPTEURS PASSIFS ET LEURS LECTEURS
I.2.1 Définition d’un réseau de capteurs passifs
I.2.2 Le capteur
I.2.3 Les capteurs RFID et leurs lecteurs
I.2.4 Capteurs passifs du LAAS
I.3 PROBLEMATIQUE
II. LE LECTEUR RADAR
II.1 ETUDE PRELIMINAIRE
II.1.1 Le réseau de capteurs
II.1.2 La résolution du Lecteur Radar
II.1.3 Choix des fréquences du radar
II.1.4 La SER
II.1.5 Portée du radar
II.1.6 Perturbations environnementales
II.2 TECHNIQUES RADAR
II.2.1 Radar à Impulsions
II.2.2 Radar à ondes continues
II.2.3 Présentation du radar FMCW pour les capteurs passifs
II.2.4 Technique de modulation
II.3 CONCEPTION DES RADARS FMCW
II.3.1 Le prototype radar à 3GHz
II.3.2 Le prototype radar à 30GHz
II.4 CONCLUSION
III. ETUDE DE LA SURFACE EQUIVALENTE RADAR
III.1 SCHEMA ELECTRIQUE DU CAPTEUR AVEC SON ANTENNE
III.2 SER STRUCTURALE ET SER DE MODE ANTENNE
III.3 ETUDE DE LA SER APPLIQUEE AUX CAPTEURS
III.3.1 1er Cas d’étude
III.3.2 2ème cas d’étude
III.4 DETECTION AVEC LES RADARS REALISES
III.5 ETUDES ET MESURES DES CAPTEURS
III.5.1 Procédure de mesure
III.5.2 Capteur passif : Mesure d’un filtre
III.5.3 Le capteur de pression
III.5.4 Capteur de gaz passif
III.6 CONCLUSION
IV. TECHNIQUES D’IDENTIFICATION DES CAPTEURS
IV.1 IDENTIFICATION PAR LES SER DE MODE DE STRUCTURE ET MODE D’ANTENNE
IV.1.1 Description du montage
IV.1.2 Les mesures
IV.1.3 Applications
IV.1.4 Logiciel d’identification de cibles
IV.2 DIFFUSEUR MULTIBANDES
IV.2.1 Etude du diffuseur
IV.2.2 Conception et mesures
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
PRODUCTION SCIENTIFIQUE

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