Modelling and imaging tools for a microwave scanner: Application to the control of moisture inside a soil column.
Outils de modélisation et d'imagerie pour un scanner micro-onde : Application au contrôle de la teneur en eau d'une colonne de sol.
Résumé
Soil moisture information is a key variable for describing water and energy exchanges at the plant root/surface/air interface. Intensive effort has been undertaken to provide non-invasive geophysical methods, in particular using microwave sensors. Indeed, the real and imaginary part of the soil dielectric constant is linked to its volumetric water content as well as its salinity. The goal of the current project is to demonstrate the potentiality of a non-invasive microwave imaging system for water content monitoring. The interaction between an electromagnetic wave and a target of the order of a wavelength results in a scattered wave, which depends on the target properties. The measurement of this field will allow to retrieve information about the scatterer, in particular its dielectric permittivity. This study will exploits the experimental circular scanner currently developed at Institut Fresnel which presents a simplified 2D configuration adequate for monoliths monitoring. Modelling and imaging numerical tools have been specifically created for such application. In particular, performing quantitative microwave imaging is a nonlinear ill-posed problem. Moreover, the measured fields are perturbed with noise. Therefore, all available a-priori information are of great importance to stabilize the solution. To this hand, we have implemented a Zernike polynomials representation and worked on the calibration procedure. The reconstructed permittivity maps obtained from experimental measured fields will be presented and discussed. We have also perform some theoretical studies based on the properties of the scattering operator, in order to gain quantitative ideas on the a priori information which are relevant to consider as well as the amount of information which were available.
L'évaluation de la teneur en eau est actuellement un objectif important pour la caractérisation des sols et la compréhension des mécanismes liés au transfert hydrique et à l'absorption racinaire. Il existe un lien entre les variations de la teneur en eau et la permittivité des sols. L'objectif de ces travaux est d'exploiter ce couplage pour définir un protocole d'imagerie active micro-onde d'un monolithe. En effet, lorsqu'une onde électromagnétique rencontre un objet ayant des dimensions caractéristiques de l'ordre de sa longueur d'onde, celle-ci après interactions, va induire un courant qui à son tour générera un champ électromagnétique diffracté. La mesure de ce champ va permettre de revenir aux informations relatives à l'objet, en particulier sa permittivité. Nous nous appuierons ici sur un système de mesure hyperfréquence constitué d'une cavité métallique cylindrique. Il a donc fallu mettre au point des outils numériques de modélisation et d'imagerie de permettant de décrire le phénomène de diffraction dans un tel environnement. L'imagerie micro-onde quantitative est un problème inverse non-linéaire mal posé. De plus, les mesures du champ électromagnétique sont perturbées, ce qui va induire de l'instabilité dans le problème inverse. C'est pourquoi il est nécessaire de mettre en place un algorithme itératif avec ajout d'informations a priori (polynômes de Zernike) pour obtenir une solution stabilisée. Des reconstructions obtenues à partir de champ mesurés sur différents fantômes sont discutées. De plus, les informations fournies par l'étude du comportement de l'opérateur de diffraction renseignent sur la quantité de données accessibles et les informations a priori qui peuvent être légitimes de considérer.