Development of a microwave sensor for in situ measurement of marine sediment density
Elaboration d’un capteur hyperfréquence pour la mesure in situ de la densité des sédiments marins
Résumé
The characterization of marine sediments density is an essential source for identifying the nature of underwater soils. Many methods have been used to measure sediments density : radioactive, optical, acoustic and microwave. Following a thorough comparison between the different methods, the microwave methods were selected. The latter are based on the variation of the dielectric properties (complex permittivity) of the studied medium. Knowing that the purpose of our work is to integrate our microwave sensor on the Penfeld penetrometer fork that penetrates 30 m into the ground up to water depth of 6000 m, the patch antenna was chosen. Experimental measurements were made on laboratory-prepared samples based on kaolinite (representative of real sediments).After identifying the dielectric properties of these mixtures using a coaxial probe, several electromagnetic simulations on the Ansys HFSS software were performed to design the antennas optimized in our mixtures. The antennas were made experimentally : reflection and transmission measurements (resonance frequency and levels obtained with S parameters) were used to derive the sediment density and electrical conductivity.
La caractérisation de la densité des sédiments marins est une source essentielle pour l’identification de la nature des sols sous-marins. De nombreuses méthodes ont été utilisées pour la mesure de la densité de ces derniers : radioactives, optiques, acoustiques et hyperfréquences. Suite à une comparaison approfondie entre les différentes méthodes, les méthodes hyperfréquences ont été sélectionnées. Ces dernières sont basées sur la variation des propriétés diélectriques (permittivité complexe) du milieu étudié. Sachant que le but de notre travail est d’intégrer le capteur hyperfréquence sur la fourche du pénétromètre Penfeld qui va pénétrer de 30 m dans le sol à une profondeur d'eau de 6000 m, l’antenne patch a été choisie. Les mesures expérimentales ont été effectuées sur des échantillons préparés au laboratoire, à base de kaolinite (représentatif des sédiments réels). Après avoir identifié les propriétés diélectriques de ces mélanges à l'aide d'une sonde coaxiale, plusieurs simulations électromagnétiques sur le logiciel Ansys HFSS ont été effectuées afin de concevoir les antennes adaptées à nos mélanges. Les antennes ont été réalisées expérimentalement : les mesures en réflexion et en transmission (fréquence de résonance, niveaux obtenus avec les paramètres S) ont permis de déduire la masse volumique et la conductivité électrique des sédiments.
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