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RÉSUMÉ
Les dispositifs à ondes élastiques opèrent comme capteurs grâce à la sensibilité de leurs caractéristiques physiques, notamment vitesse de l’onde, et aux paramètres environnementaux. Ils sont exploités comme cible coopérative de RADAR à courte portée (< 10 m) en tant que capteurs passifs interrogeables sans fil. Cet article décrit la chaîne de mesure : conception de la cible pour retarder le signal au-delà du fond incohérent ; conception du capteur par choix du substrat piézoélectrique pour l’analyse de la fréquence de résonance ou phase du signal retardé ; mise en œuvre du RADAR et des algorithmes de traitements.
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Acoustic wave transducers are considered as short range RADAR cooperative targets for probing through a radiofrequency link passive sensor responses. A systems engineering approach is needed to consistently address the whole measurement chain as described in this article : target design in order to delay the sensor response beyond clutter ; physical quantity measurement through a resonance frequency or echo delay introduced by the sensing mechanism ; short range RADAR implementation and associated signal processing schemes ; and finally sensor design including a clever selection of the piezoelectric substrate. Application examples are given at the end of the presentation.
Auteur(s)
-
Jean-Michel FRIEDT : Enseignant à l'université de Franche-Comté, - Chercheur au département temps-fréquence de l'institut FEMTO-ST, Besançon, France
-
Sylvain BALLANDRAS : Directeur général, frec|n|sys, Besançon, France
INTRODUCTION
Les dispositifs passifs interrogeables sans fil répondent au besoin qu’aucune autre technologie ne peut appréhender : fournir un signal représentatif d’une grandeur physique au moyen d’un transducteur passif (sans source d’énergie locale) dont les caractéristiques sont sondées à travers une liaison radiofréquence. Ces capteurs sont déployés en environnement hostile dans lesquels une source d’énergie ne saurait fonctionner, ou dans un environnement où la longévité du capteur ne pourrait être garantie par une source d’énergie locale. Le principe qui préside à la conception de capteurs passifs interrogeables sans fil consiste à considérer ceux-ci comme une cible coopérative d’un système RADAR à courte portée : le RADAR se comporte comme une source de signal conçue pour sonder la réponse de la cible, dont la section RADAR (« réponse ») est affectée par son environnement, et en particulier la grandeur physique à mesurer. Le signal rétropropagé par la cible contient l’information qui nous intéresse – la grandeur mesurée – extraite après réception par le RADAR par traitement du signal. Nous nous efforçons par ailleurs de suivre deux principes qui, sans être intrinsèquement liés aux capteurs passifs interrogeables sans fil, garantissent la robustesse de la mesure ; nous nous focalisons sur les informations liées à la phase ou à la fréquence des signaux plutôt qu’à leur amplitude par souci de robustesse et d’immunité de la réponse à l’environnement. Par ailleurs, nous recherchons des mécanismes d’interaction de la cible avec le champ électromagnétique rayonné par le RADAR qui soient linéaires, afin de garantir une réponse du capteur quelle que soit la puissance incidente, la portée étant alors limitée par le plancher de bruit de l’étage de réception qui détermine la plus petite puissance détectable.
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MOTS-CLÉS
capteur onde élastique de surface RADAR courte portée cible coopérative résonateur acoustique
KEYWORDS
sensor | surface acoustic wave | short range RADAR | cooperative tagert | acoustic resonator
VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 2001 par Eugène DIEULESAINT, Daniel ROYER
DOI (Digital Object Identifier)
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5. Principe de sensibilité : grandeurs accessibles
5.1 Propriété intrinsèque versus extrinsèque
Le transducteur à ondes élastiques répond à deux exigences : séparer la réponse du capteur de l'ensemble des échos générés par l'environnement (clutter) et introduire une signature représentative de la grandeur mesurée (figure 2). L'approche que nous avons choisie d'exploiter pour distinguer le capteur de l'environnement consiste à retarder la réponse temporelle du premier au-delà de celle du dernier, et ce, compte tenu de la sensibilité du récepteur. Ainsi, pour un récepteur ne présentant pas une sensibilité suffisante pour détecter une cible de grandes dimensions – quelques centaines à milliers de mètres carrés de section efficace équivalente (voir encadré) – à plus de 150 m, retarder la réponse du capteur de 1 µs suffit pour garantir que tout signal acquis après cette date est attribuable au capteur.
L'argumentaire sur la section efficace RADAR équivalente d'une cible à une distance de 150 m qui renverrait un signal de la même puissance qu'un transducteur à onde élastique conçu comme cible coopérative se déroule comme tel :
1) l'équation du RADAR monostatique annonce une décroissance de la puissance reçue comme la puissance 4 de la distance d en supposant que la cible ponctuelle se comporte comme source d'une onde sphérique après intersection de la puissance incidente issue de l'émetteur ;
2) la section RADAR équivalente σ (en m2) est remplacée par les pertes d'insertion du transducteur IL définies comme le rapport de la puissance incidente à la puissance rétrodiffusée, et par soucis d'homogénéité, nous remplaçons σ par λ 2. IL avec λ la longueur d'onde électromagnétique ;
3) premier cas, un résonateur (décroissance de la puissance de 8,7 dB/τ avec τ = Q/πf, la constante de temps de décroissance du signal issu du résonateur de fréquence de résonance f et de facteur de qualité Q) :...
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Principe de sensibilité : grandeurs accessibles
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - STOCKMAN (H.) - Communication by means of reflected power. - Proceedings of the IRE, 36(10) : p. 1196-1204 (1948).
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(2) - GLINSKY (A.) - Theremin : ether music and espionage. - University of Illinois Press (2000).
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(3) - YU (X.), LIANG (M.), XIN (H.) - Performance evaluation of wideband microwave direction-of-arrival estimation using Luneburg lens. - IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 16 : p. 2453-2456 (2017).
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(4) - APPELBAUM (J.), HORCHERT (J.), STOCKER (C.) - Shopping for spy gear : Catalog advertises NSA toolbox. - Der Spiegel, http://leaksource.info/2013/12/30/nsas-ant-division-catalog-of-exploits-for-nearly-every-major-software-hardware- firmware/ (2013).
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(5) - ALLEN (C.T.), SHI (K.), PLUMB (R.G.) - The use of ground-penetrating radar with a cooperative target. - IEEE transactions on geoscience and remote sensing, 36(5) : p. 1821-1825 (1998).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
IEEE Frequency Control Symposium IFCS
http://ieee-uffc.org/publications/intérnational-frequency-control-symposium-proceedings/
European Frequeny and Time Forum EFTF
HAUT DE PAGE
IEEE Sensors
https://ieee-sensors.org/sensors-journal/
IEEE Trans. Ultrasonics and Frequency Control
http://ieee-uffc.org/publications/transactions-on-uffc/
MDPI Sensors
http://www.mdpi.com/journal/sensors
HAUT DE PAGE
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