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Page 1 Titre : Lecteur Radar pour Capteurs Passifs à Transduction Radio Fréquen

Page 1 Titre : Lecteur Radar pour Capteurs Passifs à Transduction Radio Fréquence JURY Serge Verdeyme Professeur - XLIM Président du jury Hervé Aubert Professeur -INP-ENSEEIHT Directeur de thèse Patrick Pons Chargé de recherche -LAAS-CNRS Co-Directeur de Thèse Sylvain Ballandras Directeur de recherche -Femto-ST Rapporteur Robert Staraj Professeur -UNSA Rapporteur Martin Paulet Ingénieur AIRBUS Membre Pierre Dubois Ingénieur Rockwell Collins Membre Gérald Balandreau PDG– DATUS Sud ouest Membre Ecole doctorale : Génie Electrique, Electronique et Télécommunications (GEET) Unité de recherche : LAAS-CNRS Directeur(s) de Thèse : Hervé Aubert Professeur -INP-ENSEEIHT Patrick Pons Chargé de recherche -LAAS-CNRS Rapporteurs : Sylvain Ballandras Directeur de recherche -Femto-ST Robert Staraj Professeur -UNSA Discipline ou spécialité : MicroOndes, ElectroMagnétisme et Optoélectronique Présentée et soutenue par : DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par : Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse) En vue de l’obtention du Franck Chebila Le : 31 Mars 2011 tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 Page 2 tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 Page 3 A ma famille tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 Page 4 tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 Remerciements Page 5 REMERCIEMENTS Le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé au sein du Laboratoire d‟Analyse et d‟Architecture des Systèmes (LAAS) du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de Toulouse. J‟exprime ma reconnaissance aux directeurs successifs, Raja Chatila et jean-Louis Sanchez pour leurs accueil au sein du LAAS. Cette thèse fut menée dans les groupes MIcro et Nanosystèmes pour les Communications sans fils (MINC) et Microdispositifs et Microsystèmes de Détection (M2D) sous les directions de Robert Plana et de Pierre Temple. Je les remercie également pour leur accueil et pour les moyens qu‟ils ont mis à ma disposition pour la réalisation de ces travaux. Je tiens vivement à remercier mes directeurs de thèse, Monsieur Hervé AUBERT, Professeur à l‟Institut National Polytechnique de Toulouse, et Monsieur Patrick PONS, chargé de recherche au CNRS, pour la confiance qu‟ils m‟ont apportée en me proposant cette recherche et par leurs encouragements et les échanges scientifiques que nous avons eu lors de la réalisation du projet. J‟exprime ma profonde gratitude aux membres du jury qui ont évalué cette thèse. A Monsieur Robert Staraj, Professeur à l‟université de Nice-Sophia Antipolis et Monsieur Sylvain BALLANDRAS, Directeur de recherche chez Femto–ST, qui ont cordialement acceptés d‟être rapporteurs de ce travail. A Monsieur Serge Verdeyme, Professeur à l‟université de Limoge et au laboratoire XLIM, pour avoir été président du jury. A Messieurs Martin Paulet, ingénieur AIRBUS à Toulouse, Pierre Dubois, ingénieur de Rockwell Collins à Blagnac et Gérald Balandrau, Directeur de DATUS Sud-Ouest, pour avoir accepté d‟examiner ces travaux. Un très grand remerciement à tous mes amis et collègues pour les très bons moments passés ensemble durant ces trois années et pour l‟aide qu‟ils ont pu m‟apporter dans ce travail. Merci à Mohamed Mehdi Jatlaoui, Hamida Hallil, Sofiane Bouaziz, Nuria Torres, Jean François LE NEAL, Rodrigo SAAD, Tonio Idda, Sébastien PACCINI, Jinyu Jason RUAN, Fadi KHALIL et à tous les membres du groupe MINC et M2D. Mes remerciements à notre secrétaire Brigitte DUCROCQ pour toute son aide administrative ainsi qu‟aux membres des services de la Documentation, de l‟Edition, du Personnel, du Magasin et du Service Infrastructure et Logistique du LAAS. tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 Page 6 tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 Table des Matières Page 7 Table des Matières tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 Table des Matières Page 8 I. INTRODUCTION & PROBLEMATIQUE .................................................................................... 12 I.1 INTRODUCTION ............................................................................................................................... 12 I.2 LES CAPTEURS PASSIFS ET LEURS LECTEURS ................................................................................ 13 I.2.1 Définition d’un réseau de capteurs passifs ................................................................................. 13 I.2.2 Le capteur ................................................................................................................................... 13 I.2.3 Les capteurs RFID et leurs lecteurs .............................................................................................. 14 I.2.4 Capteurs passifs du LAAS ............................................................................................................ 18 I.3 PROBLEMATIQUE ............................................................................................................................ 20 II. LE LECTEUR RADAR .................................................................................................................... 28 II.1 ETUDE PRELIMINAIRE .................................................................................................................... 28 II.1.1 Le réseau de capteurs ............................................................................................................. 28 II.1.2 La résolution du Lecteur Radar ............................................................................................... 31 II.1.3 Choix des fréquences du radar................................................................................................ 32 II.1.4 La SER ..................................................................................................................................... 32 II.1.5 Portée du radar ....................................................................................................................... 33 II.1.6 Perturbations environnementales .......................................................................................... 35 II.2 TECHNIQUES RADAR ...................................................................................................................... 37 II.2.1 Radar à Impulsions ................................................................................................................. 38 II.2.2 Radar à ondes continues ........................................................................................................ 39 II.2.3 Présentation du radar FMCW pour les capteurs passifs ......................................................... 40 II.2.4 Technique de modulation ....................................................................................................... 42 II.3 CONCEPTION DES RADARS FMCW ................................................................................................ 45 II.3.1 Le prototype radar à 3GHz ..................................................................................................... 45 II.3.2 Le prototype radar à 30GHz ................................................................................................... 51 II.4 CONCLUSION................................................................................................................................... 59 III. ETUDE DE LA SURFACE EQUIVALENTE RADAR ................................................................. 64 III.1 SCHEMA ELECTRIQUE DU CAPTEUR AVEC SON ANTENNE ............................................................. 65 III.2 SER STRUCTURALE ET SER DE MODE ANTENNE .......................................................................... 66 III.3 ETUDE DE LA SER APPLIQUEE AUX CAPTEURS ............................................................................. 68 III.3.1 1er Cas d’étude ........................................................................................................................ 68 III.3.2 2ème cas d’étude ...................................................................................................................... 72 III.4 DETECTION AVEC LES RADARS REALISES ...................................................................................... 75 III.5 ETUDES ET MESURES DES CAPTEURS ............................................................................................. 81 III.5.1 Procédure de mesure .............................................................................................................. 81 III.5.2 Capteur passif : Mesure d’un filtre ......................................................................................... 82 III.5.3 Le capteur de pression ............................................................................................................ 84 III.5.4 Capteur de gaz passif.............................................................................................................. 91 tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 Table des Matières Page 9 III.6 CONCLUSION................................................................................................................................... 94 IV. TECHNIQUES D’IDENTIFICATION DES CAPTEURS ............................................................ 98 IV.1 IDENTIFICATION PAR LES SER DE MODE DE STRUCTURE ET MODE D’ANTENNE ......................... 98 IV.1.1 Description du montage ......................................................................................................... 98 IV.1.2 Les mesures ............................................................................................................................ 99 IV.1.3 Applications .......................................................................................................................... 101 IV.1.4 Logiciel d’identification de cibles .......................................................................................... 105 IV.2 DIFFUSEUR MULTIBANDES ........................................................................................................... 107 IV.2.1 Etude du diffuseur ................................................................................................................ 107 IV.2.2 Conception et mesures ......................................................................................................... 109 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ............................................................................... 116 PRODUCTION SCIENTIFIQUE .............................................................................................................. 121 ANNEXE A .................................................................................................................................................. 126 ANNEXE B .................................................................................................................................................. 130 ANNEXE C .................................................................................................................................................. 134 tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 I Introduction & Problématique Page 10 Chapitre I Introduction & Problématique tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 I Introduction & Problématique Page 11 tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 I Introduction & Problématique Page 12 I. Introduction & problématique I.1 Introduction Depuis une dizaine d‟années, les réseaux de capteurs sans fil ont pris une part importante dans notre quotidien [1]-[2] et dans l‟industrie [3]-[4] pour des applications de surveillance, d‟analyse et de diagnostic [5]. Le développement croissant de ces systèmes n‟a pu se réaliser que par une évolution des capteurs plus performants dans la détection et la mesure de phénomènes physiques (pression, température, détection de gaz, accélération) et dans de nouvelles architectures réseaux moins consommatrices d‟énergie et facilement reconfigurables. Ces capteurs autonomes sans fil composés d‟éléments sensibles plus petits sont reliés à de nouveaux circuits électroniques de communication à faible coût dans des fréquences d‟utilisation inférieur à 3 GHz. Aujourd‟hui la plupart des recherches effectuées sur ces composants se focalisent essentiellement sur leur autonomie énergétique [6]. La limitation en termes de consommation d‟énergie de ces composants a mis en évidence l‟impossibilité d‟interroger ces capteurs de durées de fonctionnement supérieur à18 mois et pour des distances dépassant les 30 mètres [7]. Les études récentes se focalisent donc sur une consommation réduite des circuits électroniques des cellules sensibles, sur la quantité d‟énergie embarquée disponible et sur les systèmes de récupération d‟énergie. Il s‟avère toutefois que toutes ces techniques n‟apportent pas la solution idéale. En effet, la complexité des dispositifs mis en œuvre dans ces réseaux de capteurs sans fil pour minimiser cette consommation énergétique est encore un problème majeur. Face à ces technologies sans fil, de nouveaux capteurs passifs ont été étudiés et réalisés au Laboratoire d‟Analyse et d‟Architecture des Systèmes apportant une rupture technologique dans ce domaine. Le capteur de pression [8]-[9] et le capteur de gaz à modes de galerie réalisés utilisent une transduction radiofréquence millimétrique (30GHz) [10]. Pour être interrogeable à distance ces capteurs ont besoin d‟un lecteur qui soit compatible avec leurs caractéristiques de fonctionnement. C‟est dans le cadre de cette étude que sera réalisé un prototype de lecteur pour la mesure à distance de la pression et la détection de gaz. Des critères techniques pour la réalisation du lecteur seront à définir pour satisfaire cette détection mais également pour que cette portée d‟interrogation soit très supérieure à 20 mètres. Avant de présenter la problématique voyons l‟existant des capteurs passifs et leurs lecteurs respectifs. tel-00595578, version 1 - 25 May 2011 I Introduction & Problématique Page 13 I.2 Les capteurs passifs et leurs lecteurs I.2.1 Définition d’un réseau de capteurs passifs Les réseaux de capteurs sans fil contiennent un grand nombre de micro-capteurs qui recueillent les données d‟un environnement de manière autonome et acheminent ces informations vers un point de collecte, le lecteur [11]- [12]. Cet interrogateur analyse les données recueillies à distance pour informer l‟utilisateur des mesures effectuées. Suivant la technologie utilisée par le réseau sans fil et le type de capteur, les informations collectées seront différentes et les techniques d‟analyse des signaux vont contraindre à modifier les architectures des logicielles employés et la conception du lecteur. I-1 : Réseau de capteur I.2.2 Le capteur Un capteur est par définition un composant qui traduit une grandeur physique, telle une pression ou une détection de gaz, en une grandeur exploitable [13]. Son rôle est de donner une image interprétable uploads/Science et Technologie/ these-franck-chebila 1 .pdf