FR3087269A1 - Methode et dispositif de caracterisation de la surface d'un objet - Google Patents

Methode et dispositif de caracterisation de la surface d'un objet Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne une méthode de caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet au moyen d'une antenne à diagramme de rayonnement directif en champ proche. Cette caractérisation est réalisée en déterminant le coefficient de réflexion (160) d'une onde émise en champ proche sur l'objet, pour une pluralité de fréquences d'une bande de fréquence d'intérêt, et en en déduisant (170) une estimation de la perméabilité magnétique dans une zone prédéterminée de cette surface.

Description

MÉTHODE ET DISPOSITIF DE CARACTÉRISATION DE LA SURFACE D'UN OBJET DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne de manière générale le domaine du contrôle nondestructif d'un objet et plus particulièrement de la caractérisation électromagnétique de sa surface. Elle trouve notamment application dans l'analyse du revêtement d'un objet, en particulier pour vérifier la furtivité radar d'une cible.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Il est connu d'utiliser des revêtements en matériaux magnétiques pour conférer des propriétés de furtivité radar à un objet (par exemple un aéronef). Ces revêtements sont généralement caractérisés lors de leur élaboration, à partir d'échantillons de petite taille. Cette caractérisation présente toutefois l'inconvénient de ne pas être réalisée in situ. Alternativement, la caractérisation peut porter sur l'objet lui-même dans sa globalité, pourvu du revêtement en question. Elle doit alors généralement être réalisée dans une chambre anéchoïque et nécessite des campagnes de mesures coûteuses. En outre, elle ne permet d'obtenir que des caractéristiques globales de l'objet (surface équivalente radar, par exemple) dans différentes directions sans pouvoir remonter facilement à une quantification des défauts du revêtement. Des moyens d'imagerie permettent de mettre en évidence des points brillants sans pouvoir identifier aisément les caractéristiques locales qui ont généré ces points brillants.
Les écarts entre les caractéristiques attendues et les caractéristiques mesurées de l'objet peuvent être dus soit à un défaut de fabrication du revêtement soit à son altération au cours du temps (vieillissement du matériau, dégradation de l'état de surface due à l'environnement, dégradation de l'interface revêtement-objet par exemple).
L'objet de la présente invention est par conséquent de proposer une méthode de caractérisation locale de la surface d'un objet et plus précisément de caractérisation électromagnétique de sa surface qui puisse être réalisée in situ et ne nécessite pas des équipements de mesure complexes et coûteux.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention est définie par une méthode de caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet, dans laquelle :
a) on acquiert une première réponse fréquentielle ( Sant(f0),...,Sant(fN_j ) d'une antenne à diagramme de rayonnement directif en champ proche, la première réponse fréquentielle correspondant au coefficient de réflexion (5n) à une pluralité de fréquences d'une bande de fréquence d'intérêt, en absence de l'objet ;
b) on illumine un étalon métallique au moyen de l'antenne, à une distance prédéterminée correspondant à la zone de champ proche, et l'on acquiert une seconde réponse fréquentielle (5//,),...,5//^/) correspondant au coefficient de réflexion (5U) à la pluralité de fréquences de la bande de fréquence d'intérêt ;
c) on obtient une première réponse fréquentielle différentielle ( 5//,),...,5//^/ ) en soustrayant la première réponse fréquentielle à la seconde réponse fréquentielle ;
d) on illumine l'objet au moyen de l'antenne, à ladite distance prédéterminée, et l'on acquiert une troisième réponse fréquentielle (5(/,),...,5(/^/) correspondant au coefficient de réflexion (5U) à la pluralité de fréquences de la bande de fréquence d'intérêt ;
e) on obtient une seconde réponse fréquentielle différentielle (5(/,),...,5(/^/ ) en soustrayant la première réponse fréquentielle à la troisième réponse fréquentielle ;
f) on calcule un coefficient de réflexion de l'objet à partir d'un rapport entre la seconde réponse fréquentielle différentielle et la première réponse fréquentielle différentielle, ainsi que d'un coefficient de réflexion de la sphère étalon ;
g) on estime la perméabilité magnétique à la surface de l'objet à partir du coefficient de réflexion de l'objet mesuré à l'étape précédente.
Avantageusement, préalablement à l'étape (f), la première et la seconde réponse fréquentielle différentielle sont transformées par IFFT respectivement en une première et une seconde réponse impulsionnelle différentielle dans le domaine temporel, les première et seconde réponses impulsionnelles différentielles faisant ensuite l'objet d'un fenêtrage temporel pour éliminer les échos parasites dus à l'environnement, les première et seconde réponses impulsionnelles différentielles ainsi fenêtrées étant transformées par FFT pour fournir à l'étape (f) une première et une seconde réponse fréquentielle différentielle débarrassées des échos parasites.
Selon un mode de réalisation, les étapes (d), (e), (f), (g) sont répétées en une pluralité de points d'un maillage de l'objet pour fournir une cartographie de la perméabilité magnétique à la surface de l'objet.
Avantageusement, on calcule une fonction d'écart entre la perméabilité magnétique mesurée pour une pluralité de points du maillage de l'objet et une perméabilité de consigne, ladite fonction d'écart étant intégrée sur une zone déterminée de la surface de l'objet pour donner un résultat d'intégration, le résultat d'intégration étant comparé à une valeur de seuil prédéterminée pour déterminer si ladite zone est conforme ou non. La zone de la surface de l'objet peut être déterminée par exemple au moyen d'une interface HMI.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, décrit en référence aux figures jointes parmi lesquelles :
La Fig. 1 représente de manière schématique une méthode de caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet, selon un mode de réalisation de l'invention ;
La Fig. 2 représente de manière schématique un système de caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet permettant de mettre en œuvre la méthode de la Fig. 1.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Nous considérerons dans la suite un objet dont la surface est à caractériser localement, par exemple un objet comportant un revêtement comportant un matériau magnétique.
Le principe général de l'invention est de caractériser l'objet par une mesure de la perméabilité magnétique en illuminant localement l'objet au moyen d'un faisceau électromagnétique dans une bande de fréquence donnée. Plus précisément, la surface de l'objet est maillée selon un maillage par points et le coefficient de réflexion de l'objet est mesuré en chaque point de ce maillage dans la bande de fréquence considérée.
Cette méthode de caractérisation fait appel à une antenne de mesure présentant un diagramme de rayonnement directif en champ proche comme celle décrite par exemple dans le brevet US-B-5673052 ou bien, plus avantageusement, dans la demande FR 1859372. Ainsi, l'on pourra utiliser une antenne-réseau, dont les antennes élémentaires sont des antennes patch, focalisée en appliquant une distribution de phase appropriée, soit une antenne patch entourée d'un réflecteur cylindrique pour confiner le faisceau.
Dans tous les cas, les mesures de coefficient de réflexion seront réalisées en champ proche, c'est-à-dire en maintenant une distance entre l'objet et l'antenne de D1 mesure inférieure à —, où D est la taille de l'ouverture de l'antenne et λ est la longueur 2Λ d'onde du faisceau de mesure.
La Fig. 1 représente de manière schématique une méthode de caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet, selon un mode de réalisation de l'invention.
Dans une première étape, 110, on effectue l'acquisition d'une première réponse fréquentielle de l'antenne de mesure en absence de l'objet. Cette première réponse fréquentielle prend en compte les réflexions du signal d'entrée sur l'antenne elle-même et les réflexions éventuelles au niveau du couplage entre le câble d'alimentation et l'antenne.
La première réponse fréquentielle est obtenue en calculant le coefficient de réflexion (5U) comme le rapport complexe entre l'amplitude de l'onde réfléchie et l'amplitude de l'onde émise, à une pluralité de fréquences équiréparties dans une bande de fréquence d'intérêt. On notera dans la suite, SantSant, la première réponse fréquentielle à ces fréquences.
Dans une seconde étape, 120, on acquiert une seconde réponse fréquentielle, relative à un ensemble antenne plus objet, aux mêmes fréquences /0, pour un objet métallique d'étalonnage, parfaitement réfléchissant (par exemple une sphère métallique), et situé à une distance prédéterminée de l'étalon. On notera dans la suite, Se(f0),...,Se, la seconde réponse fréquentielle à ces fréquences.
Dans une troisième étape, 130, on soustrait la première réponse fréquentielle à la seconde réponse fréquentielle pour obtenir une première réponse fréquentielle différentielle, Se (ff) = Se (f)- Sant (f) , i = 0,...,N-1 évaluée auxfréquences considérées
Dans une quatrième étape, 140, on acquiert une réponse fréquentielle, relative à un ensemble constitué par l'antenne plus l'objet à caractériser, aux mêmes fréquences . On notera dans la suite 5(/,),...,5(/^) la seconde réponse fréquentielle mesurée à ces fréquences.
Dans une cinquième étape 150, on soustrait respectivement la première réponse fréquentielle 5an'(/0),...,Sant(fN_f) à la troisième réponse fréquentielle 5(/,),...,5(/^) acquise en présence de l'objet. On obtient alors une seconde réponse fréquentielle différentielle 5(/) = 5(/)-5“(/) , i = 0,...,N-1 évaluée aux fréquences considérées.
Optionnellement, on effectue (étape non représentée) une IFFT de la première et de la seconde réponse fréquentielle différentielle pour obtenir respectivement une première et une seconde réponse impulsionnelle différentielle dans le domaine temporel, soit se(f) et s(f). En effet, on conçoit que si l'on choisit la bande de fréquence d'intérêt suffisamment large, la réponse temporelle peut être assimilée à une réponse impulsionnelle. On peut ensuite effectuer un fenêtrage temporel de la première et de la seconde réponse impulsionnelle différentielle, de manière à éliminer des échos parasites provenant de l'environnement. On effectue alors enfin une FFT des réponses impulsionnelles différentielles se(f) et s(f) fenêtrées temporellement pour fournir une première et seconde réponse impulsionnelle différentielle, débarrassées des échos parasites. Alternativement, on pourra diviser la seconde réponse impulsionnelle différentielle s(f) par la première se(f), puis effectuer le fenêtrage temporel avant de calculer la FFT.
A l'étape 160, on déduit de la première et de la seconde réponse impulsionnelle différentielle, éventuellement débarrassées des échos parasites, un coefficient de réflexion de l'objet au moyen de :
s(f)=4^se(f) se(f) (1) où Se(f) est le coefficient de réflexion de l'étalon, calculé par simulation, Se(f) et S(f) sont les FFT de se(f) et s(f), respectivement. Le calcul est effectué aux fréquences f, i = Q,...,N-1.
A l'étape 170, on détermine la perméabilité magnétique à la surface de l'objet à partir du coefficient de réflexion obtenu à l'étape précédente, de l'épaisseur du revêtement (magnétique ou magnéto-diélectrique) et, le cas échéant, d'une estimation de la permittivité diélectrique du matériau.
Lorsque le revêtement est constitué d'une couche d'épaisseur d, le coefficient de réflexion S est relié à l'impédance d'onde normalisée Zn par :
jZntan(^)-l jZ„tan(^J) + l
On peut ainsi estimer la permittivité diélectrique du matériau constitutif du revêtement à partir d'une mesure du coefficient diélectrique.
De manière générale, on peut simuler ou mesurer sur un échantillon le coefficient de réflexion pour différentes valeurs de paramètres géométriques du revêtement (par exemple son épaisseur d ), et différentes valeurs de caractéristiques électromagnétiques du matériau (par exemple sa permittivité diélectrique et sa perméabilité magnétique).
Bien que la permittivité diélectrique et la perméabilité magnétique soient en général des grandes tensorielles, en pratique généralement seule une valeur scalaire est représentative de cette permittivité électrique/ perméabilité magnétique soit parce que le matériau a des propriétés isotropes, soit parce que cette permittivité électrique/ perméabilité magnétique présente une valeur significative dans une direction seulement.
Les valeurs de coefficient de réflexion sont stockées dans une table (look-up table) dépendant des paramètres μ,ε,ά .
Si l'on dispose d'une estimation de la permittivité électrique εα et de l'épaisseur da du matériau, on recherche dans la table les valeurs de S en fonction de μ pour les valeurs εα, da en question. On obtient ainsi une série de valeurs de S correspondant à des valeurs discrètes de μ .
Selon une première variante, on peut utiliser une approche déterministe et rechercher par interpolation la valeur μ minimisant l'écart
Selon une seconde variante, on peut utiliser une approche probabiliste et estimer la valeur μ au sens d'un critère de maximum de vraisemblance, autrement dit, en supposant que la distribution selon μ est uniforme :
μ = arg max (Pr (3)
A où Pr(s|//) est la fonction de vraisemblance de μ .
Les étapes 120-180 sont répétées en chaque point du maillage de l'objet. On obtient en définitive une cartographie de la perméabilité magnétique à la surface de l'objet. Cette cartographie permet d'identifier des défauts dans le revêtement, qu'ils soient dus à la fabrication ou au vieillissement du matériau.
On pourra notamment calculer en chaque point du maillage une fonction d'écart ζ (différence ou rapport, par exemple) entre la perméabilité magnétique ainsi mesurée et une valeur de perméabilité de consigne. Cette fonction d'écart pourra être intégrée sur une zone de la surface de l'objet en utilisant le maillage précité et le résultat d'intégration pourra être comparé à un seuil pour déterminer si le revêtement est conforme aux propriétés attendues dans la zone considérée. La zone en question pourra être identifiée sur une représentation de l'objet au moyen d'une interface HMI (par exemple au moyen d'un stylet sur un écran tactile).
La Fig. 2 représente de manière schématique un système de caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet permettant de mettre en œuvre la méthode de la Fig. 1.
Ce système, 200, comprend un analyseur de réseau vectoriel, 210, permettant de mesurer classiquement les paramètres S d'un réseau hyperfréquence, un dispositif de traitement des mesures, 220, une antenne à diagramme de rayonnement directif en champ proche dans la bande de fréquence d'intérêt, 230, un duplexeur, 240, relié, d'une part, à l'antenne et, d'autre part, aux ports d'entrée et de sortie de l'analyseur de réseau, aux moyens de câbles coaxiaux, 260. Le cas échéant, on pourra se passer du duplexeur et se contenter d'un seul câble coaxial, la mesure se faisant par simple réflectométrie.
L'antenne, 230, est une antenne-réseau ou bien une antenne patch à réflecteur cylindrique, comme indiqué précédemment. Cette antenne est montée sur un système de bras articulé et robotisé, 250, permettant de balayer la surface de l'objet, 290, en respectant une distance prédéterminée avec sa surface, dans des conditions d'illumination en champ proche.
Le dispositif de traitement, 220, reçoit les mesures de l'analyseur de réseau vectoriel et effectue le traitement représenté en Fig. 1. Ce dispositif de traitement peut être équipé d'une interface HMI permettant de représenter la cartographie de la surface de l'objet et, le cas échéant, d'indiquer les zones dont la perméabilité magnétique ne respecte pas la valeur de consigne.

Claims (5)

  1. REVENDICATIONS
    1. Méthode de caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet, caractérisée en ce que :
    a) on acquiert (110) une première réponse fréquentielle (Sant(f0),...,Sant(fN_/) d'une antenne à diagramme de rayonnement directif en champ proche, la première réponse fréquentielle correspondant au coefficient de réflexion (5U) à une pluralité de fréquences d'une bande de fréquence d'intérêt, en absence de l'objet ;
    b) on illumine un étalon métallique au moyen de l'antenne, à une distance prédéterminée correspondant à la zone de champ proche, et l'on acquiert (120) une seconde réponse fréquentielle (5//,),...,5//^/) correspondant au coefficient de réflexion ( 5U ) à la pluralité de fréquences de la bande de fréquence d'intérêt ;
    c) on obtient (130) une première réponse fréquentielle différentielle (5//,),...,5//^/ ) en soustrayant la première réponse fréquentielle à la seconde réponse fréquentielle ;
    d) on illumine l'objet au moyen de l'antenne, à ladite distance prédéterminée, et l'on acquiert (140) une troisième réponse fréquentielle (5(//,...,5(/^/) correspondant au coefficient de réflexion ( 5U ) à la pluralité de fréquences de la bande de fréquence d'intérêt ;
    e) on obtient (150) une seconde réponse fréquentielle différentielle (5(/,),...,5(/^/ ) en soustrayant la première réponse fréquentielle à la troisième réponse fréquentielle ;
    f) on calcule (160) un coefficient de réflexion de l'objet à partir d'un rapport entre la seconde réponse fréquentielle différentielle et la première réponse fréquentielle différentielle, ainsi que d'un coefficient de réflexion de la sphère étalon ;
    g) on estime (170) la perméabilité magnétique à la surface de l'objet à partir du coefficient de réflexion de l'objet mesuré à l'étape précédente.
  2. 2. Méthode de caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet selon la revendication 1, caractérisée en ce que, préalablement à l'étape (f), la première et la seconde réponse fréquentielle différentielle sont transformées par IFFT respectivement en une première et une seconde réponse impulsionnelle différentielle dans le domaine temporel, les première et seconde réponses impulsionnelles différentielles faisant ensuite l'objet d'un fenêtrage temporel pour éliminer les échos parasites dus à l'environnement, les première et seconde réponses impulsionnelles différentielles ainsi fenêtrées étant transformées par FFT pour fournir à l'étape (f) une première et une seconde réponse fréquentielle différentielle débarrassées des échos parasites.
  3. 3. Méthode de caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les étapes (d), (e), (f), (g) sont répétées en une pluralité de points d'un maillage de l'objet pour fournir une cartographie de la perméabilité magnétique à la surface de l'objet.
  4. 4. Méthode de caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on calcule une fonction d'écart entre la perméabilité magnétique mesurée pour une pluralité de points du maillage de l'objet et une perméabilité de consigne, ladite fonction d'écart étant intégrée sur une zone déterminée de la surface de l'objet pour donner un résultat d'intégration, le résultat d'intégration étant comparé à une valeur de seuil prédéterminée pour déterminer si ladite zone est conforme ou non.
  5. 5. Méthode de caractérisation électromagnétique de la surface d'un objet selon la revendication 4, caractérisée en ce que la zone de la surface de l'objet est déterminée au moyen d'une interface HMI.
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