Domaine Physique - thématiques de recherche du département Electromagnétisme et radar (DEMR)

Adjoint scientifique de département

Jean-Philippe Parmantier

DEMR
département Électromagnétisme et radar

Thématiques PHY au département DEMR

• Antennes, matériaux micro-onde et technologies pour la furtivité DEMR
• Compatibilité électromagnétique DEMR
• Imagerie radar et télédétection DEMR
• Propagation et radiocommunications DEMR
• Simulation de la scène électromagnétique DEMR
• Systèmes et technologies pour le radar et la guerre électronique DEMR
• Traitement du signal pour le radar et la guerre électronique DEMR

PHY représente le domaine scientifique Physique de l'ONERA

Antennes, matériaux micro-onde et technologies pour la furtivité AMMTF

[CNU 63] [CoCNRS 8, 3]

DEMR Juan Carlos Castelli, Cédric Martel [POC name.surname@onera.fr]

• Antenne
• Radôme
• Structures périodiques, métamatériaux, métasurfaces (passive et actives)
• Ecrans absorbants (passifs et actifs)
• Mesure de signature radar
• Caractéristiques électromagnétiques des matériaux

Exemples

La méthode EMIR (ElectroMagnetic InfraRed), créée et développée à l’ONERA, permet une visualisation quasi instantanée du rayonnement d’une source micro-onde. De récents travaux, menés par la société ANYWAVES et avec la participation de l’ONERA, ont permis de prouver qu’une intégration de la méthode EMIR dans une chambre anéchoïde miniature et transportable était possible. Suite à ces travaux, ANYWAVES a créé la filiale ANYFIELDS pour la commercialisation d’un appareil de mesure EMIR.

Configuration bistatique

Configuration monostatique 3D

La base anéchoide bistatique BABI est depuis 35 ans un moyen d’essai de mesure de SER multistatique unique en son genre en France. En continuelle évolution, cette installation a vu ces dernières années ses capacités de mesure s’étendre : mesures jusqu’à 90 GHz grâce à l’acquisition d’un analyseur de réseaux de dernière génération, mise en place d’un rail au plafond permettant d’acquérir des mesures de SER 3D en configuration monostatique et multistatique.

Compatibilité électromagnétique CE

[CNU 63] [CoCNRS 8, 6]

DEMR Isabelle Junqua, Daniel Prost [contacts name.surname@onera.fr]

• Couplage EM, blindage EM, protection EM vis-à-vis des AGREM (agressions électromagnétiques) d’origine naturelle (effets indirects des décharges électrostatiques et effets indirects foudre LIE) ou d’origine intentionnelle (IEMI,  AED-EM) ou non intentionnelles (HIRF)
• CEM interne
• Expertise CEM (Accompagnement à la qualification et certification EM)
• Développement de modèles numériques pour la modélisation et la simulation des couplages EM avec les systèmes
• Développement de techniques expérimentales innovantes pour la caractérisation CEM des systèmes

Exemples

Le banc moyenne puissance BRUSHLESS pour analyse des émissions EM conduites

Méthodes expérimentales et de modélisation innovantes Pour caractériser le comportement CEM de chaines de puissance électrique embarquées, l’ONERA développe des méthodes innovantes qui sont mises en œuvre et validées sur des bancs de test (BRUSHLESS, TROPHEA).

Simulation collaborative CEM Depuis une dizaine d’années, notamment dans le cadre de projets collaboratifs européens (FP7 HIRF-SE, H2020-EPICEA) et contrats industriels, l’ONERA développe et applique une méthodologie de simulation CEM collaborative de façon à modéliser l’ensemble de la problématique, depuis la scène externe, la CAO et le maillage externe et interne du système jusqu’aux équipements et leurs réseaux de câbles d’interconnexion.

Simulation collaborative CEM sur la maquette de fuselage EPICEA (H2020) :
CAO et maillage ALICE-FDTD et modélisation CRIPTE des réseaux de câbles internes
 

Imagerie radar et télédétection IRT

[CNU 63] [CoCNRS 8, 6]

DEMR Fredéric Brigui, Jean-Philippe Ovarlez [contacts name.surname@onera.fr]

• Formation d’images SAR, notamment acquises dans des configurations difficiles : trajectoires circulaires, très haute résolution spatiale, multistatique.
• Calibration/Validation de données radar acquises depuis des capteurs spatiaux, aéroportés ou drones.
• Estimation de paramètres géo-physiques de l’environnement par exploitation de données de télédétection micro-ondes.
• Caractérisation de cibles et de l’environnement électromagnétique.Expertise et dimensionnement de systèmes radar imageurs.

Exemples

Imagerie SAR à partir de signaux d’opportunité Les algorithmes de formation d’images SAR développés pour les moyens aéroportés de l’ONERA (SETHI, Busard) permettent également de former des images SAR à partir de signaux d’opportunité émis par des sources extérieures et dans des configurations bistatiques.

A partir de signaux émis par le satellite TerraSAR-X, réfléchis par le sol puis captés par une antenne réceptrice de l’ONERA (configuration bistatique), une image SAR est générée en bande X et en haute résolution sur la zone de Beauregard.

Imagerie SAR en bande X à haute résolution spatiale et longue portée La complémentarité entre le moyen d’acquisition aéroporté SETHI et les outils de formation d’images radar de l’ONERA a permis la production d’une image SAR en bande X à haute résolution spatiale (20 cm) et longue portée (fauchée radiale de 50 km – portée de 50 à 100 km). Cette dualité permet d’illustrer l’efficacité de la télédétection micro-ondes pour la surveillance de théâtre d’opération, tout en maintenant l’instrument à distance de sécurité.

Imagerie SAR pour détecter et localiser des objets enfouis Le traitement massif multi-vues de données SAR acquises en bande X par l’instrument aéroporté SETHI (recalage et fusion de 432 images) a permis la détection et la localisation d’un débris de réacteur du vol AF66 enfouis sous 2 m de neige au Groenland.

L’analyse de cette pièce a fourni des éléments cruciaux au Bureau d'enquêtes et d'analyse pour la sécurité de l'aviation civile (BEA) pour identifier les causes de l’incident survenu en plein vol sur un A380.

Propagation et radiocommunications PRORAD

[CNU 63] [CoCNRS 8, 6]

DEMR Vincent Fabbro, Jonathan Israël [contacts name.surname@onera.fr]

Influence de l’environnement électromagnétique et de la propagation radioélectrique sur les systèmes de télécommunication, radionavigation, guerre électronique, radar.

• Modélisation (physique, statistique) : propagation, fouillis, milieu
• Caractérisation du milieu de propagation : ionosphère, troposphère, environnements terrestre et maritime
• Mesures (équipements spécifiques)
• Techniques de traitement
• Simulation systèmes de radiocommunications

Exemples

L’ONERA réalise des campagnes de mesures des effets de propagation troposphériques pour le CNES, l’ESA, et Eumetsat ainsi que pour ses besoins propres. Illustration de résultats de la campagne de mesures menée sur le site du Centre Spatial Guyanais, achevée avec le recueil de trois années de données avec une disponibilité exceptionnelle compte tenu de l’éloignement..

Graphe représentant la probabilité (en pourcentage d’une année moyenne, représenté sur l’axe des abscisses) de dépasser un affaiblissement par la pluie en dB (en ordonnée), issue de la campagne expérimentale menée à 20 GHz par le CNES et l’ONERA sur le Centre Spatial Guyanais à Kourou en 2017, 2018 et 2020 et prédite par le modèle  d’atténuation due à la pluie de l’Union Internationale des Télécommunications (Rec. ITU-R P.618-13)

Station de réception CNES de la balise 20 GHz d’Amazonas

Pour prédire l’état du canal de propagation en Arctique, l’ONERA développe un modèle statistique d’occurrence de la scintillation ionosphérique affectant les signaux GNSS et les bilans de liaison de télécommunications en collaboration avec la NMA (Norwegian Mapping Authority). Ce modèle nommé HAPEE (High Latitude ionospheric disturbances Positioning Error Estimator) permet la prédiction dans l’heure qui vient de l’occurrence de scintillation (cf. illustration) en considérant en entrée les mesures du vent solaire effectuées au point de Lagrange L1 par des capteurs embarqués à bord du satellite ACE.

Exemple de segmentation sémantique d'image pour différents environnements et différentes conditions d'acquisition. La végétation est indiquée en vert, le bâti en rouge, les ponctuels en bleu et le ciel garde sa radiométrie initiale (reste de l'image). La ligne de visée est indiquée par un disque magenta

L’ONERA poursuit également l’exploitation conjointe de données RF et vidéo pour caractériser statistiquement le canal de propagation mobile en fonction de l’environnement rencontré (présence de végétation, de bâtiments, de pylône ou environnement dégagé). Des données images acquises simultanément aux données RF peuvent être exploitées automatiquement par des algorithmes de deep learning pour déterminer la présence et le type d’obstacle présent sur la ligne de visée (cf. illustration).
 

Simulation de la scène électromagnétique SSE

[CNU 63] [CoCNRS 8]

DEMR Vincent Gobin, Jérôme Simon [contacts name.surname@onera.fr]

Modélisation et simulation électromagnétique

• La modélisation se concentre sur la représentation des phénomènes physiques et leur validation.
• La simulation concerne l’exploitation des modèles, dans des environnements informatiques de type plateformes ou simulateurs, travaillant sur des bases de données.

Résolution numérique des équations de Maxwell

• Par méthodes "exactes" : méthodes temporelles, fréquentiel, décomposition de domaines ; algorithmes de compression
• Par méthodes asymptotiques : optique géométrique, optique physique, méthodes de rayon
• Optimisation informatique (HPC, GPU)
• Modélisation et calcul de signatures radar, antennes, CEM.

Plateformes logicielles et simulateurs de scènes complexes

• Scènes complexes faisant interagir des cibles et des radars
• Systèmes complexes tels que des véhicules ou des installations
• Modèles de radar et capteur électromagnétique
• Modèles de fouillis géo-référencés
   
• Contribution à la mission "référent environnement électromagnétique" confiée par la DGA à l'ONERA

Exemples

Applications : [haut gauche] détection d’armes sur personnes en mouvement [haut droite] diagramme de SER multi-statique [bas gauche] propagation d’une onde à travers un jet de  propulseur [bas droite] rayonnement d’un réseau de 200 antennes

Codes de résolution des équations de Maxwell en fréquentiel et temporel

Ils exploitent les architectures HPC de l’ONERA et du GENCI. Maxwell3D,  FACTOPO_FEM-FETI, MaxwellTD dont ALICE sont utilisés pour réaliser des études complexes.

Ils sont aussi régulièrement confrontés à l’état de l’art européen à travers différents workshops (EM ISAE et EM EDA).

Images dans le visible et leur pendant en SAR synthétique

Simulation de scènes complexes - EMPRISE est le référentiel développé par l’ONERA pour la simulation électromagnétique de scènes complexes au profit de la DGA, des industriels et des académiques. Ces travaux concrétisent le rôle de "référent environnement"  de l’ONERA auprès de la DGA.

L’ONERA s’appuie sur des sous-traitants pour les développements informatiques et la réalisation de bases de données de terrains virtuels (SCALIAN-DS, OKTAL-SE et FWD).

Aperçu d’une simulation PATMAR (rendu radar)

PATMAR (Simulation de PATtrouille MARitimes) et STIMUSAR (STIMUlation SAR) sont les deux premiers applicatifs d’EMPRISE.

La diffusion de premières versions d’outils logiciels aux industriels MBDA et Thales vient concrétiser les efforts de toute l’équipe projet. Le marché EMPRISE a vocation à accompagner les usages du référentiel par les industriels pour la période 2021-2025.
 

Systèmes et technologies pour le radar et la guerre électronique STRGE

[CNU 63] [CoCNRS 8]

DEMR Philippe Brouard, Jean-François Nouvel [contacts name.surname@onera.fr]

Domaines d'excellence

• Systèmes radars et multifonctions
• Conception de systèmes hyperfréquences
• Numérisation Haute Fréquence
• Traitement numérique embarqué
• Technologies Emission/Réception
• Radar et capteur compacts courte portée

Finalités scientifiques et techniques

• Études système et développement de démonstrateurs pour le radar et la guerre électronique (GE)
• Conception et réalisation de moyens de mesures pour la caractérisation des cibles, des scènes et des environnements radar

Socle de compétences

• Expertise système s’appuyant sur une connaissance de la physique des cibles et des scènes radar, couvrant les technologies des capteurs, leur intégration, le traitement du signal et les outils de métrologie. Expertise s’appuyant sur un parc unique en Europe de moyens d’essais.

Exemples

Combinant architectures ouvertes et utilisation croissante de modules numériques, les systèmes développés par l’ONERA permettent d’expérimenter de nouveaux modes d’observation comme l’imagerie multistatique.

Configuration SAR bistatique mettant en oeuvre le satellite TerraSAR-X comme émetteur radar et le récepteur du BUSARD fonctionnant en bande X

Image ISAR obtenue sur un avion de ligne avec le radar HYCAM à l'émission et le récepteur de la station MEDYCIS

L’évolution des technologies, toujours plus performantes et compactes, permet également de concevoir des charges utiles embarquables pour des applications dans le domaine du radar ou de la guerre électronique. L’ONERA développe ainsi des charges utiles pour nanosatellites, assurant par exemple une fonction de sondage HF de l’ionosphère pour le radar transhorizon Nostradamus, ou pour des drones pour des missions d’observation et des fonctions voir et éviter.

Montage d’un capteur radar bande X sur un drone du commerce (DJI M600,  à gauche) et un exemple d’image radar enregistrée avec ce capteur (à droite)

Montage d’un capteur radar dédié à la fonction « voir et éviter » en cours de tests en vol. Un blindage électromagnétique a été testé autour des hélices du drone

L’ONERA étudie, développe et fait évoluer, pour répondre et anticiper de futures menaces, des grands démonstrateurs radar pour des fonctions d’alerte avancée.

Radar transhorizon Nostradamus (gauche) et le Démonstrateur Radar Très Longue Portée (DR-TLP, central) ou encore pour la surveillance de l’espace (GRAVE, droite)

Traitement du signal pour le radar et la guerre électronique TSRGE

[CNU 63] [CoCNRS 8, 6]

DEMR Olivier Rabaste, Thierry Deloues [contacts name.surname@onera.fr]

• Détection et estimation
• Classification, identification, reconnaissance, apprentissage
•  Filtrages (filtrage adapté, particulaire, des interférences) et pistage radar
• Traitement d’antennes
• Goniométrie
• Formes d'ondes

Exemples

Représentation temps-fréquence d'une séquence de signaux simulés de chauve-souris, modélisés à partir de signaux réels

L’ONERA étudie de nombreuses formes d’onde novatrices pour les applications radar et les traitements associés afin de répondre aux nouvelles problématiques et applications émergentes : radar MIMO (Multiple Input Multiple Output), radars multi-statiques, systèmes conjoints radar-communication… Les études consistent aussi bien à résoudre des problèmes d’optimisation complexes qu’à étudier des signaux biologiques, par exemple ceux des chauves-souris !

Signatures Doppler d’un drone quadrirotor. Ces figures ont été obtenues dans le cadre de la lutte anti-drones par radar passif, avec l'enregistrement et de le traitement de mesures expérimentales

L’ONERA est expert dans l’enregistrement et le traitement de signaux passifs. Depuis de nombreuses années, les algorithmes de traitement développés à l’ONERA/DEMR, appliqués aux signaux de télévision numérique DVB-T enregistrés dans ce cadre, ont permis de démontrer de bonnes capacités de détection et de localisation bistatiques sur des micro et mini-drones à voilure fixe ou tournante. Des algorithmes de classification ont aussi été développés afin de classifier les drones à partir de leur signature Doppler.

Position GPS (vérité terrain)

Plots localisés fournis par le traitement pass

L’ONERA développe de nombreux outils de traitement pour détecter et localiser des cibles en environnement complexe. Des tests de détection spécifiques ont été proposés pour gérer la présence de fouillis complexe et fort, généré par les échos de sol (bâtiments, arbres, mer, …), ainsi que des techniques permettant d’exploiter la connaissance de l’environnement pour améliorer les performances du système radar. Des applications telles que le radar « around-the-corner » sont également étudiées : il s’agit dans ce cas de détecter et localiser des cibles qui ne sont pas en ligne de vue directe du radar.

 

 

Radar « Around-The-Corner » : Détection et localisation de cibles masquées en milieu urbain (en haut). Mesures réelles (au centre) et localisation par filtrage particulaire (en bas)

* CNU : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national des universités (voir liste au CNU)
* CoNRS : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national de la recherche scientifique, en vigueur au CNRS (voir CoNRS/sections)