WO2008006825A1 - Detecteur d'objets par analyse d'echos hyperfrequences dans une enceinte a chaos variable - Google Patents

Detecteur d'objets par analyse d'echos hyperfrequences dans une enceinte a chaos variable Download PDF

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WO2008006825A1
WO2008006825A1 PCT/EP2007/057020 EP2007057020W WO2008006825A1 WO 2008006825 A1 WO2008006825 A1 WO 2008006825A1 EP 2007057020 W EP2007057020 W EP 2007057020W WO 2008006825 A1 WO2008006825 A1 WO 2008006825A1
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WO
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signal
enclosure
detection device
holes
signals
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/057020
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English (en)
Inventor
Nicolas Millet
Jean-Claude Lehureau
Original Assignee
Thales
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Publication date
Application filed by Thales filed Critical Thales
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/12—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/04—Systems determining presence of a target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • G01S7/032—Constructional details for solid-state radar subsystems

Definitions

  • the field of the invention is that of devices for detecting hidden objects on human subjects. These devices are more particularly dedicated to the surveillance and security of airport areas and transport planes, but they can also be placed at the entrance of protected buildings or controlled access areas such as boarding docks. or trains.
  • these devices perform a measurement of the power reflected by the human body as a function of the frequency of the emitted wave.
  • the significant electromagnetic resonances that are indicative of the presence of dielectric objects are thus determined.
  • One of the main drawbacks of these single-detector systems is that the measurement is one-off or almost one-off. Therefore, controlling a subject may take some time.
  • These devices are then poorly adapted to the rapid control of a large number of passengers. It can also be difficult to pinpoint the exact position or size of a suspicious object.
  • the proposed device largely solves these disadvantages. Indeed, it allows to realize from a single pair of transmitter and detector a simultaneous measurement at several points. This covers a large area of control while allowing a fairly precise location of a suspicious object, thus facilitating the intervention of a security officer for a more thorough search.
  • the millimeter waves used by this device are not dangerous for human health and allow a general public use.
  • the analysis of the signals does not require considerable computing power and conventional computer means are sufficient to achieve them.
  • This device is finally very simple and can be achieved at low cost.
  • the signal generated comprises a frequency ramp.
  • Frequency analysis of the received signal makes it possible to find the different states of the holes. In this case, it is necessary to use a broadband microwave source, which is currently quite expensive.
  • the device according to the invention operates with one or more monochromatic sources, the signal variations necessary for the measurement being ensured by the variations by means of appropriate devices of the chaotic configuration of the enclosure.
  • the subject of the invention is a device for detecting dielectric objects on a human body comprising at least one detector comprising an enclosure in which there is arranged a transmitter emitting a microwave signal with at least one wavelength. and a microwave receiver, said enclosure having a measuring surface for positioning in the vicinity of said human body, characterized in that the measurement surface comprises at least two holes and said enclosure: is highly reflective to the wave emitted by the transmitter;
  • the structure comprises a single transmitter also acting as a receiver and the enclosure has essentially flat walls.
  • the so-called mode mixer device essentially comprises mechanical means made mobile during the measurements, said means being able to consist of: • pistons movable in translation arranged on the periphery of the enclosure and arranged so as to deform the walls of the said enclosure resiliently, to enter variably into the enclosure;
  • a movable wall disposed inside the enclosure; • by a rotor movable in rotation disposed within the enclosure and carrying at least one metallized fin;
  • the so-called mode mixer device essentially comprises electronic means making it possible to modify the electromagnetic characteristics of the enclosure, said means being able to be:
  • At least one set of two dipoles connected by a diode and means for controlling the bias voltage of said diode so as to connect or isolate the two dipoles; At least one gas cartridge and electrical means for ionizing the gas contained in said cartridge.
  • the spectrum of the transmitted signal comprises at least two monochromatic wavelengths and the frequency of the transmitted signal is in the frequency range between 10 and 40 gigahertz.
  • the structure can be portable and has, for this purpose, a handle.
  • the structure can also be a fixed security gantry of sufficient size to let a human subject pass.
  • the device further comprises a data processing system comprising means:
  • processing said received signals "Correlation of said processed signals with the various pre-recorded signals. It may also include:
  • Warning means when the correlation rate between a processed signal and at least one of the pre-recorded signals exceeds a critical threshold, said warning means being audible or visual;
  • Processing means making it possible to produce an image of the object or person illuminated by the signals emitted by the holes of the enclosure.
  • the invention also relates to a method for detecting dielectric objects on a human body from a detection device as described above and comprising at least the following successive steps:
  • • 1 st step Realization of pre-recorded received signals S PE corresponding to the different states of the holes; • 2nd stage: Setting up the sensor in the vicinity of a human body to be analyzed;
  • Step 3 Acquisition of the received signal corresponding to this location of the detector and processing said received signal;
  • the first step comprises the following substeps:
  • 2nd substep Recording of the received signal denoted signal-speaker SE corresponding to said transmission signal;
  • the third step comprises the following substeps:
  • Figure 1 shows a view of a device according to the invention comprising the actual detection means
  • Figure 2 shows a first embodiment of said enclosure
  • FIGS. 3 and 4 show the distribution of electromagnetic energy inside said enclosure for two positions of the mode mixer
  • Figures 6 and 7 show the signal variations in the presence or absence of object in front of a hole of the enclosure; " Figure 8 shows the method of producing a prerecorded signal;
  • FIGS. 9 and 10 show the principle of detection based on the correlation of a signal measured with the pre-recorded signals
  • FIGS. 11, 12, 13 and 14 represent four variant embodiments of mode mixers comprising mechanical means
  • FIGS. 15 and 16 show two variant embodiments of mode mixers comprising electronic means
  • FIG. 17 represents an alternative embodiment of the enclosure comprising waveguides; • Figures 18 and 19 show the variations of reflection of a given object as a function of the wavelength;
  • FIGS. 20 and 21 show the reflection variations of a given object as a function of the polarization
  • FIG. 22 represents the variations of the signal as a function of the distance separating the enclosure from the object to be analyzed
  • Figures 23 and 24 show a view of the device mounted on a portable structure
  • FIG. 1 represents a view of the detection device according to the invention. It basically comprises two main elements:
  • a detector 1 essentially comprising an enclosure 10 and a system for transmitting 14 and receiving 15 microwave signals;
  • An electronic data processing system 2 connected to said detector 1.
  • the chamber 10 essentially comprises millimeter-wave reflecting walls 100, a measurement surface 11 comprising holes 12.
  • a microwave wave emitter 14 and a receiver 15 are disposed inside the enclosure, as well as a device said mode mixer 13 arranged to vary variably during the time of a measurement the characteristics of the enclosure 10 so as to explore a significant fraction of said modes.
  • the transmitter and the receiver may be combined in a single transmission / reception device 16.
  • the operating principle is detailed in Figures 3 to 10.
  • the detector is disposed in front of an object C as shown in Figures 3 and 4.
  • the transmitter 14 emits an electromagnetic pulse inside the chamber 10
  • the wavelength emitted is located in the microwave range and more precisely in the frequency range between 18 and 40 GHz.
  • the device for mixing the modes is represented symbolically by a movable piston 13 which elastically deforms one of the walls of the enclosure 10.
  • the walls 100 of the enclosure being very reflective, the signal undergoes many reflections before reaching the detector. These reflections are symbolized by the 3 arrows broken on these figures.
  • the enclosure fills with energy E as indicated by the curves in fine lines in FIGS. 3 and 4 which correspond to the curves of equal energy. It is shown that in a reflective enclosure of volume V, the number of resonance modes, ie the number of independent stationary waveforms that can exist, is given by the relation: NOT . V with ⁇ : wavelength of the signal present in the cavity.
  • the human body is very reflective in the wave field used. Essentially composed of water whose complex index is about 6 + 3i, the reflection coefficient of the human body is about 70%. Conversely, in the presence of dielectric bodies, the reflectivity of the body will be less important. In the following text, we say that the hole is open if the energy is mostly lost and the hole is closed if the energy is, for the most part, reflected inside the enclosure.
  • the time signals S c and Sc + o reaching the receiver and corresponding to the presence or absence of an object in front of one of the holes depend both on the geometry of the enclosure and the nature of the body placed in front of the holes.
  • the method for detecting dielectric objects on a human body comprises, at least, the following successive steps:
  • Step 3 Acquisition of the received signal corresponding to this location of the device and processing said received signal; • 4 th step: Correlation of said processed signal with the various prerecorded signals;
  • the correlation method simply provides secure information about the presence or absence of suspicious objects.
  • the first step of the method may comprise the following substeps illustrated in FIG.
  • 3rd substep At least one of the holes being closed, transmitting a transmission signal by the transmitter, under at least one hole FERME of Figure 8; 4th substep : Recording of the corresponding signal, said signal being noted as a ST-signal-hole;
  • the third step may include the following substeps:
  • 2nd substep Recording of the signal corresponding to said transmission signal, said signal being noted signal-measurement; • 3rd substep: Calculate the processed signal obtained by subtracting the speaker signal to the measuring signal.
  • the pre-recorded and processed signals are obtained by subtraction of the speaker signal. This operation makes it possible to prevent the signal of the speaker from disturbing the final measurement by introducing a parasitic correlation related to the speaker.
  • the fourth step of the method is illustrated in FIGS. 9 and 10.
  • the processed signals S 0 obtained by measurement are correlated with the pre-recorded signals S PEI and S PE2.
  • the correlation operation is conventionally represented by a cross centered in a circle.
  • the signal measured is almost identical to the pre-recorded signal S P E I.
  • the correlation rate Tc 1 is important; which means that the measured signal is representative of a configuration very close to the pre-recorded signal, which corresponds, for example, to a certain closed hole.
  • the measured signal is different from the pre-recorded signal S PE 2
  • the correlation coefficient T C2 is low, meaning that the measured signal is not representative of the configuration of signal pre -recorded, which corresponds, for example, to a certain closed hole.
  • a first definition of the correlation operation is as follows:
  • Note ref the vector corresponding to a local measurement of intra-cavity power for all modes scanned for a reference state of the enclosure.
  • R refiP (M) ref N (where N is the number of scanned modes or decorrelated measurements of the same state and M is the number of registered reference states.
  • Equation 1 amounts to solving an over-determined equation system.
  • the matrix R is not invertible, not being square, but it is pseudo-invertible.
  • the device comprises an electronic data processing system comprising means:
  • the computing power needed to perform the signal processing is not considerable. If the system performs measurements at a rate of 100 hertz, one measurement every 10 milliseconds, if each signal is digitized on 1000 points and if one carries out 100 correlations with pre-recorded signals, it is necessary to realize 100,000 operations between two measurements, ie 100,000 operations in 10 milliseconds. Each operation must then be performed at a minimum frequency of 10 megahertz, which is very low with the current calculation means.
  • the geometry of the speaker is chaotic.
  • deflectors can be positioned between transmitter and receiver, for example.
  • the so-called mode mixer device must be arranged to variably modify the characteristics of the enclosure during the time of a measurement so as to explore a significant fraction of said modes. There are a large number of devices to achieve this result. However, we can separate the mode mixers into two main categories: mechanical mixers that will vary the geometric characteristics of the enclosure and the so-called mixers electronic devices that will vary these electrical or electromagnetic characteristics.
  • FIGS. 11 to 14 show different mechanical devices making it possible to mix the modes.
  • a first solution is illustrated in FIG. 11. It consists in arranging N mechanical actuators which are, for example, pistons 131 placed on the periphery of the enclosure in different places. By actuating one of these elements, the latter locally presses on one of the walls of the enclosure and modifies the behavior of the resonant wave in the enclosure 10.
  • a variant of this first device consists in introducing variable elements into the enclosure. 'pregnant. Indeed, if we have several highly reflective elements that can enter or leave the enclosure, it changes the resonance conditions of the wave in the latter.
  • a third solution is to introduce into the enclosure an element moving in a continuous and repetitive manner. This displacement can be achieved in several ways:
  • This wall 132 may be a reflective membrane that moves in the enclosure or directly one of the walls of the enclosure.
  • a fourth way of modifying the geometry of the enclosure is to introduce electromechanical elements 133 into the enclosure also called MEMS as illustrated in FIG. 14, MEMS being the acronym for
  • the MEMS consists of an electronically controlled moving part. It is possible to achieve, thanks to the mobile part of the MEMS, deformations of the micrometer order of the enclosure. The introduction of MEMS into the chamber thus makes it possible to modify the resonance conditions of the wave electronically.
  • a first solution consists in placing in the enclosure several diodes 136 polarized from the outside as shown in FIG. 15. By polarizing the diodes in reverse or in direct, it is possible to make them pass-by or blocking and thus to introduce will short circuits in the enclosure. Introducing highly reflective elements in the cavity has the effect of changing the resonance conditions in the cavity, and thus allow to completely reconfigure the system.
  • each diode connects two dipoles 135.
  • a second solution is to introduce plasma actuators into the enclosure.
  • These actuators are, for example, neon type capsules 137 as illustrated in FIG. 16. By ionizing or not the gas contained in each capsule, it is possible to make it conductive or not. These elements can be made transparent or reflective for the wave that resonates in the enclosure.
  • the mixers can operate either binary or continuously.
  • the elementary devices constituting the mixer have only two possible states. For example, a piston may be depressed or raised, a diode may be on or off.
  • N elements By having N elements, it is possible to obtain up to 2 N different configurations from N actuators binaries. For example, if one wishes to have a thousand different elementary configurations, 5 elementary devices are needed.
  • Waveguides 19 are placed at the holes to facilitate losses. These guides may be dielectric or coaxial guides.
  • the device can operate with a monochromatic signal emitted at a single wavelength.
  • a dielectric object placed on the surface of the human body will, depending on its thickness and of its refractive index, to present several frequencies of resonance.
  • the wave 120 is integrally transmitted through the dielectric and is absorbed by the human body as illustrated in FIG. 19.
  • the wave 120 is reflected to a large extent towards the chamber as illustrated in FIG. 18.
  • frequency information is thus obtained on what is in front of each of the holes.
  • the signal comprises some discrete frequencies, in practice, the necessary number of frequencies is less than ten.
  • the energy distribution strongly depends on the polarization of the resonant wave.
  • the resonance modes of a cavity are generally decomposed into different modes TE and TM, acronyms respectively signifying Transverse Electrique and Transverse Magnide, these modes designating two rectilinear polarizations of the wave and orthogonal ones of the other .
  • a polarizing reflecting object that is to say, promoting the reflection of a given polarization placed in front of one of the holes does not bring the same changes to the resonant wave as an object that does not affect the polarization . It is therefore possible to determine the influence of the object on the polarization of the wave, which gives additional information on the type of object observed.
  • polarization requires classifying objects according to their effect on polarization.
  • reference signals obtained from several well-selected polarizing objects during the signal storage phase and then correlating the signal to be analyzed with said reference signals, it is possible to trace the polarimetric effect of the object.
  • FIGS. 20 and 21 where two reference signals are obtained by placing a polarizing wire 200 in two different configurations in front of a hole in the enclosure. In this case, the wire is rotated 90 degrees between the two measurements of FIGS. 20 and 21.
  • the sensitivity to polarization is particularly significant in the case of edges of objects. An edge has a significant discontinuity of the index seen by the wave, which has a potentially strong polarizing effect.
  • a slot made of a conductive material is a strongly polarizing element, only the linear polarization component parallel to the slot being reflected. Detecting the edges of objects by the polarizing effects they cause is a simple way to improve the detection capabilities of the device.
  • the device operates when the object is in contact with the holes or in the immediate vicinity of the holes. It can also work when the object is no longer in the immediate vicinity of the holes. If the device moves away from the reflecting surface of the human body, two phenomena will occur as shown in the diagrams of Figure 22: • A phase shift is introduced by the loss of contact;
  • the modification of the resonant wave inside the cavity is based on the amplitude or phase of the reflection of the object present in front of one of the holes.
  • the response obtained by the presence of an object in front of one of the holes will depend on its distance to the detector. For example, for two positions distant from each other ⁇ / _ is a few millimeters of the same object placed in front of one of the holes, the response obtained is totally different. In other words, after scanning several modes of the cavity, we obtain: where (I) is the correlation operation, s is the measured signal and d is the distance from the object to the detector.
  • the wave from a hole enters the cavity through several holes at a time.
  • FIG. 23 shows a view of a portable detection device. It basically comprises two main elements:
  • a detector 1 comprising a system for transmitting and receiving microwave signals
  • An electronic data processing system 2 connected to said detector.
  • the structure of the detector 1 essentially comprises: An enclosure 10 comprising a measurement surface 11 intended to be positioned in the vicinity of the human body, said surface 11 comprising a certain number of holes 12;
  • FIG. 24 represents the implementation of this device for detecting objects O on a subject C.
  • a suspicious object is concealed on subject C.
  • the device essentially comprises:
  • a structure 1 comprising the system for transmitting and receiving microwave signals
  • the use of the device is very simple.
  • a security guard not shown in Figure 24, sweeps the body of the person to be controlled.
  • the measured signal can not be correlated with any of the pre-recorded signals.
  • the alarm is not activated.
  • the suspect object is under the holes of the structure. In this case, the measured signal corresponds to at least one of the pre-recorded signals.
  • Alarm 22 is activated.
  • this device can be used to make a detection gate 18 as shown in FIG. 25. It is indeed quite possible to retro-propagate the wave over a few meters to obtain a low-resolution image of the body. all at once. Again, the device comprises alarm means 22 in case of detection of suspicious objects.

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Abstract

Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de détection d'objets non métalliques dissimulés sur des sujets humains. Le dispositif de détection d'objets diélectriques selon l'invention comprend au moins un détecteur comportant une enceinte (10) dans laquelle sont disposés un émetteur (14) émettant un signal d'ondes hyperfréquences et un récepteur (15) d'ondes hyperfréquences, ladite enceinte : comporte une surface (11) de mesure comportant au moins deux trous (12); est fortement réfléchissante à l'onde émise par l'émetteur; a un volume supérieur à environ le cube de la longueur d'onde de façon que le nombre de modes de résonance possible à l'intérieur de l'enceinte soit supérieur à environ mille; a une géométrie de type chaotique pour lesdits modes; comporte au moins un dispositif (13) dit mélangeur de modes agencé de façon à modifier de façon variable pendant le temps d'une mesure les caractéristiques de l'enceinte de façon à explorer une fraction significative desdits modes. Un dispositif de traitement relié à ce détecteur permet de corréler les signaux mesurés à des signaux pré-enregistrés de façon à déterminer la présence d'objets suspects.

Description

DETECTEUR D'OBJETS PAR ANALYSE D'ECHOS HYPERFREQUENCES DANS UNE ENCEINTE A CHAOS VARIABLE.
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de détection d'objets dissimulés sur des sujets humains. Ces dispositifs sont plus particulièrement dédiés à la surveillance et à la sécurisation des zones aéroportuaires et des avions de transport, mais ils peuvent également être disposés à l'entrée de bâtiments protégés ou de zones d'accès contrôlé comme des quais d'embarquement de navires ou de trains.
Pour assurer la sécurité des passagers dans les avions, les valises de soute et les bagages à main sont contrôlés par des systèmes d'imagerie à rayons X. Le passager lui-même ne passe que par un portique détecteur de métaux. Or, il est nécessaire de détecter sur le passager les objets non métalliques présentant un réel danger tel que des explosifs ou des armes en céramique.
Pour combler cette faille de sécurité, certains aéroports ont mis en place, à titre expérimental, des scanners à rayons X pour les passagers eux- mêmes. Toutefois, l'utilisation de rayons X dans un but non médical est interdite dans un grand nombre de pays et en particulier dans la plupart des états européens. En effet, cette technique comporte un réel danger pour l'être humain en cas d'utilisation régulière.
Afin de pallier les inconvénients de l'utilisation des rayons X, il est possible d'utiliser des détecteurs chimiques adaptés à reconnaître les molécules spécifiques des explosifs. Il est également possible de changer de gamme de fréquences et de réaliser une image du corps humain dans le domaine des ondes électromagnétiques millimétriques. En effet, les objets ou les matières dangereuses que l'on cherche à détecter réfléchissent ces ondes de manière très différente de celle du corps humain. On peut ainsi facilement les détecter. Cette imagerie peut se faire soit de façon passive, soit de façon active. La technique passive consiste à réaliser une image directement du corps sans l'éclairer. A l'opposé, la technique active permet de faire une image en illuminant le corps, par exemple, avec un faisceau millimétrique connu à une longueur d'onde précise.
Ces techniques ont plusieurs inconvénients. Elles sont complexes à mettre en œuvre. Certaines utilisent des systèmes coûteux de déflexion à miroir. Leur mise en place systématique dans un aéroport nécessite alors des investissements considérables. D'autre part, les techniques consistant à faire de l'imagerie haute résolution du corps humain se heurtent à un problème d'éthique. En effet, les vêtements étant peu denses et déstructurés sont transparents au rayonnement millimétrique et par conséquent, le sujet apparaît nu sur l'image millimétrique. Or, un passager n'accepte pas d'être analysé à nu par un opérateur.
Pour pallier ces inconvénients, il est possible de simplifier les systèmes en utilisant de petits dispositifs portatifs qui permettent de faire un balayage du corps observé sans avoir recours à une image de bonne qualité.
Généralement, ces dispositifs réalisent une mesure de la puissance réfléchie par le corps humain en fonction de la fréquence de l'onde émise. On détermine ainsi les résonances électromagnétiques significatives, révélatrices de la présence d'objets diélectriques. Il est également possible de faire de la détection par des mesures de polarisation ou d'ellipsométrie des ondes réfléchies par le corps humain, les caractéristiques de polarisation dépendant de la nature du corps éclairé. Un des inconvénients principaux de ces systèmes mono-détecteur est que la mesure est ponctuelle ou quasi- ponctuelle. Par conséquent, le contrôle d'un sujet peut prendre un certain temps. Ces dispositifs sont alors mal adaptés au contrôle rapide d'un grand nombre de passagers. Il peut également être difficile de déterminer très précisément la position ou la taille d'un objet suspect.
Le dispositif proposé résout en grande partie ces inconvénients. En effet, il permet de réaliser à partir d'un couple unique d'émetteur et de détecteur une mesure simultanée en plusieurs points. On couvre ainsi une zone de contrôle importante tout en permettant une localisation assez précise d'un objet suspect, facilitant ainsi l'intervention d'un agent de sécurité pour une fouille plus approfondie. En outre, les ondes millimétriques utilisées par ce dispositif ne sont pas dangereuses pour la santé humaine et permettent une utilisation grand public. L'analyse des signaux ne nécessite pas de puissance de calcul considérable et des moyens informatiques conventionnels suffisent pour les réaliser. Ce dispositif est enfin d'une grande simplicité et peut être réalisé à bas coût.
Le principe physique mis en œuvre qui a déjà fait l'objet d'une demande de brevet par le présent demandeur en mai 2005 portant le numéro de dépôt 05 05208 est basé sur les variations d'un signal hyperfréquence émis à l'intérieur d'une enceinte comportant un certain nombre de trous susceptibles de laisser fuir les ondes électromagnétiques. Lorsqu'un de ces trous est au voisinage ou au contact d'un corps, les fuites engendrées par ce trou varient en fonction des propriétés de réflexion de ce corps. Par conséquent, la géométrie de l'enceinte est perturbée et le signal hyperfréquence est modifié. Par l'analyse de ce signal, on retrouve le lieu de la perturbation. Bien entendu, pour que le dispositif fonctionne correctement, il faut que la perturbation de chaque trou soit importante et décorrélée de celles des autres trous. Pour cela, il est nécessaire que la géométrie de l'enceinte soit chaotique. Il est également très difficile d'obtenir des mesures exploitables si le signal est émis à une seule fréquence et si tous les paramètres de la cavité restent constants pendant la mesure. Aussi, dans cette précédente demande, le signal généré comporte une rampe de fréquences. L'analyse fréquentiel du signal reçu permet de retrouver les différents états des trous. Dans ce cas, il faut nécessairement utiliser une source hyperfréquences large bande, composant qui reste actuellement assez coûteux. Aussi, afin d'éliminer cet inconvénient, le dispositif selon l'invention fonctionne avec une ou plusieurs sources monochromatiques, les variations de signal nécessaires à la mesure étant assurées par les variations au moyen de dispositifs appropriés de la configuration chaotique de l'enceinte.
Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de détection d'objets diélectriques sur un corps humain comprenant au moins un détecteur comportant une enceinte dans laquelle sont disposés un émetteur émettant un signal d'ondes hyperfréquences à au moins une longueur d'onde et un récepteur d'ondes hyperfréquences, ladite enceinte comportant une surface de mesure destinée à être positionnée au voisinage dudit corps humain, caractérisé en ce que la surface de mesure comporte au moins deux trous et que ladite enceinte : • est fortement réfléchissante à l'onde émise par l'émetteur ;
• a un volume très supérieur au cube de la longueur d'onde de façon que le nombre de modes de résonance possible à l'intérieur de l'enceinte soit supérieur à environ mille ;
• a une géométrie de type chaotique pour lesdits modes ; • comporte au moins un dispositif dit mélangeur de modes agencé de façon à modifier de façon variable et reproductible dans le temps d'une mesure les caractéristiques de l'enceinte de façon à explorer une fraction significative desdits modes. Avantageusement, la structure comporte un émetteur unique faisant également office de récepteur et l'enceinte comporte des parois essentiellement planes.
Avantageusement, le dispositif dit mélangeur de modes comporte essentiellement des moyens mécaniques rendus mobiles pendant les mesures, lesdits moyens pouvant être constitués : • par des pistons mobiles en translation disposés sur la périphérie de l'enceinte et agencés de façon soit à déformer les parois de la dite enceinte de façon élastique, soit à pénétrer de façon variable dans l'enceinte ;
• par une paroi mobile disposée à l'intérieur de l'enceinte ; • par un rotor mobile en rotation disposé à l'intérieur de l'enceinte et portant au moins une ailette métallisée ;
• par au moins un micro-système électro-mécanique de type MEMS.
Avantageusement, le dispositif dit mélangeur de modes comporte essentiellement des moyens électroniques permettant de modifier les caractéristiques électromagnétiques de l'enceinte, lesdits moyens pouvant être :
• au moins un ensemble de deux dipôles reliés par une diode et des moyens de commande de la tension de polarisation de ladite diode de façon à relier ou à isoler les deux dipôles ; • au moins une cartouche de gaz et des moyens électriques d'ionisation du gaz contenu dans ladite cartouche.
Avantageusement, le spectre du signal émis comporte au moins deux longueurs d'onde monochromatiques et la fréquence du signal émis se situe dans la gamme de fréquences comprise entre 10 et 40 gigahertz.
La structure peut être portative et comporte, à cette fin, une poignée. La structure peut également être un portique de sécurité fixe de taille suffisante pour laisser passer un sujet humain.
Avantageusement, le dispositif comporte, en outre, un système de traitement de données comportant des moyens :
• De mémorisation de signaux pré-enregistrés correspondants aux différents états d'ouverture ou de fermeture des trous ;
• D'acquisition des signaux reçus par le détecteur ;
• De traitement desdits signaux reçus ; « De corrélation desdits signaux traités avec les différents signaux pré-enregistrés. Il peut également comporter :
• des moyens d'avertissement lorsque le taux de corrélation entre un signal traité et au moins un des signaux pré- enregistrés dépasse un seuil critique, lesdits moyens d'avertissement étant sonores ou visuels ;
• des moyens de traitement permettant de réaliser une image de l'objet ou de la personne éclairé par les signaux émis par les trous de l'enceinte. L'invention concerne également un procédé de détection d'objets diélectriques sur un corps humain à partir d'un dispositif de détection tel que décrit ci-dessus et comportant au moins, les étapes successives suivantes :
• 1ere étape : Réalisation de signaux reçus pré-enregistrés SPE correspondants aux différents états des trous ; • 2eme étape : Mise en place du détecteur au voisinage d'un corps humain à analyser ;
• 3eme étape : Acquisition du signal reçu correspondant à cet emplacement du détecteur et traitement dudit signal reçu ;
• 4eme étape : Corrélation dudit signal traité avec les différents signaux pré-enregistrés SPE . Avantageusement, la première étape comporte les sous-étapes suivantes :
• 1ere sous-étape : Les trous de l'enceinte étant tous ouverts, émission d'un signal par l'émetteur et mise en fonctionnement du dispositif mélangeur de modes pendant la mesure ;
• 2eme sous-étape : Enregistrement du signal reçu noté signal- enceinte SE correspondant audit signal d'émission ;
• 3eme sous-étape : Au moins un des états des trous ayant changé, émission d'un signal par l'émetteur et mise en fonctionnement du dispositif mélangeur de modes pendant la mesure ;
• 4eme sous-étape : Enregistrement du signal reçu noté signal- trou ST correspondant audit signal d'émission ;
• 5eme sous-étape : Calcul d'un signal pré-enregistré SPE obtenu par soustraction du signal-enceinte SE au signal-trou ST ;
• 6eme sous-étape : Réalisation des sous-étapes 3 à 5 pour les différents états possibles des trous de façon à obtenir les différents signaux pré-enregistrés.
Avantageusement, au moins deux changements d'état de deux troisièmes sous-étapes successives de la première étape sont obtenus par l'introduction d'un objet fortement polarisant disposés dans deux positions différentes devant un même trou, de façon à réaliser au moins deux signaux pré-enregistrés SPE correspondants à deux états de polarisation différents des trous. Avantageusement, la troisième étape comporte les sous-étapes suivantes :
• 1ere sous-étape : émission d'un signal par l'émetteur et mise en fonctionnement du dispositif mélangeur de modes pendant la mesure ; • 2eme sous-étape : Enregistrement du signal reçu dit signal- mesure correspondant audit signal d'émission ;
• 3eme sous-étape : Calcul du signal traité obtenu par soustraction du signal-enceinte au signal-mesure. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
• La figure 1 représente une vue d'un dispositif selon l'invention comportant les moyens de détection proprement dits ;
• La figure 2 représente une première variante de réalisation de ladite enceinte ;
• Les figures 3 et 4 représentent la répartition d'énergie électromagnétique à l'intérieur de ladite enceinte pour deux positions du mélangeur de modes ;
• La figure 5 représente le signal temporel obtenu sur le récepteur ;
• Les figures 6 et 7 représentent les variations de signaux en présence ou en l'absence d'objet devant un trou de l'enceinte ; « La figure 8 représente la méthode de réalisation d'un signal préenregistré ;
• Les figures 9 et 10 représentent le principe de détection basé sur la corrélation d'un signal mesuré avec les signaux pré-enregistrés ;
• Les figures 11 , 12, 13 et 14 représentent 4 variantes de réalisation de mélangeurs de modes comportant des moyens mécaniques ;
• Les figures 15 et 16 représentent 2 variantes de réalisation de mélangeurs de modes comportant des moyens électroniques ;
• La figure 17 représente une variante de réalisation de l'enceinte comportant des guides d'onde ; • Les figures 18 et 19 représentent les variations de réflexion d'un objet donné en fonction de la longueur d'onde ;
• Les figures 20 et 21 représentent les variations de réflexion d'un objet donné en fonction de la polarisation ;
• La figure 22 représente les variations du signal en fonction de la distance séparant l'enceinte de l'objet à analyser ;
• Les figures 23 et 24 représentent une vue du dispositif monté sur une structure portative ;
• La figure 25 représente le fonctionnement du dispositif monté sur une structure fixe. La figure 1 représente une vue du dispositif de détection selon l'invention. Il comprend essentiellement deux éléments principaux :
• un détecteur 1 comportant essentiellement une enceinte 10 et un système d'émission 14 et de réception 15 de signaux hyperfréquences ;
• un système électronique de traitement de données 2 relié audit détecteur 1.
L'enceinte 10 comporte essentiellement des parois réfléchissantes 100 aux ondes millimétriques, une surface de mesure 11 comportant des trous 12. Un émetteur 14 d'ondes hyperfréquence et un récepteur 15 sont disposés à l'intérieur de l'enceinte ainsi qu'un dispositif dit mélangeur de modes 13 agencé de façon à modifier de façon variable pendant le temps d'une mesure les caractéristiques de l'enceinte 10 de façon à explorer une fraction significative desdits modes. Comme indiqué sur la figure 2, l'émetteur et le récepteur peuvent être confondus dans un dispositif unique 16 d'émission/réception.
Le principe de fonctionnement est détaillé sur les figures 3 à 10. En fonctionnement, le détecteur est disposé devant un objet C comme indiqué sur les figures 3 et 4. L'émetteur 14 émet une impulsion électromagnétique à l'intérieur de l'enceinte 10. La longueur d'onde émise est située dans le domaine des hyperfréquences et plus précisément, dans la gamme de fréquences comprise entre 18 et 40 gigahertz.
Sur ces figures, le dispositif destiné au mélange des modes est représenté symboliquement par un piston mobile 13 qui déforme de façon élastique une des parois de l'enceinte 10. Comme indiqué sur les figures 3 et 4, les parois 100 de l'enceinte étant très réfléchissantes, le signal subit de nombreuses réflexions avant de parvenir au détecteur. Ces réflexions sont symbolisées par les 3 flèches brisées sur ces figures. L'enceinte se remplit d'énergie E comme indiqué par les courbes en traits fins sur les figures 3 et 4 qui correspondent aux courbes d'égale énergie. On démontre que dans une enceinte réfléchissante de volume V, le nombre de modes de résonance, c'est-à-dire le nombre de formes d'ondes stationnaires indépendantes qui peuvent exister, est donnée par la relation : N . V avec λ : longueur d'onde du signal présent dans la
Figure imgf000011_0001
cavité.
Il est très facile d'obtenir un grand nombre de modes en choisissant un volume V très supérieur au cube de la longueur d'onde. En faisant très légèrement varier les conditions de résonance de l'onde dans la cavité, il est facile de balayer un grand nombre de mode parmi N modes possibles. Ainsi, pour les deux positions du piston 13 montrées en figures 3 et 4, la répartition des modes est différente et l'énergie reçue par le récepteur est également sensiblement différente. Par conséquent, en modulant soit les paramètres géométriques soit les paramètres de réflectivité de l'enceinte, on module le signal reçu par le récepteur comme illustré en figure 5 qui représente les variations d'amplitude du signal reçu par le récepteur en fonction des déplacements dans le temps du piston 13 représenté sur les figures 3 et 4. Une partie du signal est également reçue par les trous 12. Selon la nature de l'objet C placé devant ces trous 12, cette partie sera perdue ou réfléchie à l'intérieur de l'enceinte 10. En effet, le corps humain est très réfléchissant dans le domaine d'onde utilisé. Essentiellement composé d'eau dont l'indice complexe vaut environ 6+3i, le coefficient de réflexion du corps humain vaut environ 70%. A l'inverse, en présence de corps diélectriques, la réflectivité du corps sera moins importante. Dans la suite du texte, on dira que le trou est ouvert si l'énergie est, en majorité, perdue et que le trou est fermé si l'énergie est, en majorité, réfléchie à l'intérieur de l'enceinte.
Par conséquent, comme illustré sur les figures 6 et 7, les signaux temporels Sc et Sc+o parvenant au récepteur et correspondant à la présence ou à l'absence d'objet devant un des trous dépendent à la fois de la géométrie de l'enceinte et de la nature du corps placé devant les trous.
Pour que le signal soit exploitable, c'est-à-dire permette de déterminer la nature de l'objet situé devant chaque trou, il faut que deux conditions soient remplies :
• la variation du signal due à un changement d'état d'un trou doit être significative ;
• les variations de signal dues à deux trous différents doivent être sensiblement différentes de façon à différentier facilement les trous. Pour réunir ces deux conditions, l'enceinte doit être de nature chaotique de façon à la rendre fortement sensible aux faibles perturbations et en particulier aux changements d'état des trous. Dans ces conditions, la réponse percussionnelle de l'enceinte est donc extrêmement chahutée. Une grande quantité d'impulsions arrivent sur l'émetteur à des intervalles plus ou moins longs après un trajet plus ou moins complexe dans l'enceinte 10.
En tant que tels, les signaux sont encore trop complexes pour être facilement exploités.
Pour obtenir un traitement du signal à la fois simple et efficace, le procédé de détection d'objets diélectriques sur un corps humain selon l'invention comporte, au moins, les étapes successives suivantes :
• 1ere étape : Réalisation de signaux reçus pré-enregistrés correspondants aux différents états d'ouverture ou de fermeture des trous ;
• 2eme étape : Mise en place du détecteur au voisinage d'un corps humain ;
• 3eme étape : Acquisition du signal reçu correspondant à cet emplacement du dispositif et traitement dudit signal reçu ; • 4eme étape : Corrélation dudit signal traité avec les différents signaux pré-enregistrés ;
La méthode de corrélation permet d'obtenir simplement une information sûre sur la présence ou l'absence d'objets suspects.
Plus précisément, la première étape du procédé peut comporter les sous-étapes suivantes illustrées en figure 8 :
• 1ere sous-étape : Les trous de l'enceinte étant tous ouverts, émission d'un signal d'émission par l'émetteur, cadre TOTALITE DES TROUS OUVERTS de la figure 8;
• 2eme sous-étape : Enregistrement du signal correspondant, ledit signal étant noté signal -enceinte SE ;
• 3eme sous-étape : Au moins un des trous étant fermé, émission d'un signal d'émission par l'émetteur, cadre AU MOINS UN TROU FERME de la figure 8 ; • 4eme sous-étape : Enregistrement du signal correspondant, ledit signal étant noté signal-trou ST;
• 5eme sous-étape : Calcul d'un signal pré-enregistré SPE obtenu par soustraction du signal-enceinte SE au signal-trou Sτ ; • 6eme sous-étape : Réalisation des sous-étapes 3 à 5 pour les différents états d'ouverture ou de fermeture des trous de façon à obtenir les différents signaux pré-enregistrés. On obtient ainsi un certain nombre de signaux pré-enregistrés qui sont la signature des états de fermeture ou d'ouverture des différents trous. II est à noter que les signaux pré-enregistrés doivent représenter au moins toutes les configurations où un trou est fermé. Par conséquent, si l'enceinte comporte N trous, au moins N signaux doivent être préenregistrés.
La troisième étape peut comporter les sous-étapes suivantes :
• 1ere sous-étape : Emission d'un signal d'émission par l'émetteur ;
• 2eme sous-étape : Enregistrement du signal correspondant audit signal d'émission, ledit signal étant noté signal-mesure ; • 3eme sous-étape : Calcul du signal traité obtenu par soustraction du signal-enceinte au signal-mesure.
Dans les différentes étapes et sous-étapes du procédé, les signaux pré-enregistrés et traités sont obtenus par soustraction du signal- enceinte. Cette opération permet d'éviter que le signal de l'enceinte ne vienne perturber la mesure finale en introduisant une corrélation parasite liée à l'enceinte.
La quatrième étape du procédé est illustrée sur les figures 9 et 10. Dans les deux cas, les signaux traités S0 obtenus par mesure sont corrélés avec les signaux pré-enregistrés SPEI et SPE2- Sur ces figures, l'opération de corrélation est classiquement représentée par une croix centrée dans un cercle.
Sur la figure 9, le signal mesuré est quasiment identique au signal pré-enregistré SPEI . Dans ce cas, le taux de corrélation Tc 1 est important, ce qui signifie que le signal mesuré est représentatif d'une configuration très voisine du signal pré-enregistré, qui correspond, par exemple, à un certain trou fermé.
Sur la figure 10, le signal mesuré est différent du signal pré- enregistré SPE2- Dans ce cas, le taux de corrélation TC2 est faible, ce qui signifie que le signal mesuré n'est pas représentatif de la configuration du signal pré-enregistré, qui correspond, par exemple, à un certain trou fermé.
En comparant le signal traité à l'ensemble des signaux préenregistrés, on met en évidence les corrélations éventuelles. Ainsi, il devient possible de détecter des objets cachés par cette méthode.
Une première définition de l'opération de corrélation est la suivante :
I sιgnal(t).référence{t).dt
[signal référence) Corr = - r , \\référence\\ *
{ référence2 (t).dt " "
où « référence » désigne un des signaux enregistrés correspondant à un état de référence et « signal » est la mesure en temps réel que l'on cherche à analyser pour déterminer l'état de chaque trou. ( j ) est l'opérateur de produit scalaire.
Cette définition de la corrélation fonctionne bien tant que deux états distincts fournissent deux signaux complètements différents ou décorrélés. Ce qui peut s'écrire :
VÎ, 7, (référence Euu référence Ftαl ) = 0
Dans le cas général, cette condition n'est pas nécessairement respectée. Elle dépend du nombre de modes balayés N. En effet, le résultat du produit scalaire de deux vecteurs aléatoirement choisis dans un espace de dimension N vaut en moyenne :
Figure imgf000014_0001
=
Si le nombre de modes balayés est insuffisant, il est possible d'utiliser une autre méthode de corrélation. Soit le vecteur x qui correspond à une mesure locale de la puissance intra-enceinte pour l'ensemble des modes balayés pour un état de l'enceinte donné, x est le signal à analyser.
Figure imgf000015_0001
• (')
On note ref le vecteur correspondant à une mesure locale de la puissance intra-cavité pour l'ensemble des modes balayés pour un état de référence de l'enceinte.
Figure imgf000015_0002
soit R la matrice définie par
Figure imgf000015_0003
R = refiP (M ) refN ( où N est le nombre de modes balayés ou de mesures décorrélées d'un même état et M est le nombre d'états de référence enregistrés.
On définit un vecteur Etat de dimension M tel que
x = R.Etat = R. Equation 1
Figure imgf000015_0004
•0)
Ainsi, si Etatt = \ , χ = ref" . Pour connaître l'état de l'enceinte à un instant donné, il faut résoudre l'équation 1. Etat, = i est obtenu si cet état de référence est réalisé. Il est possible d'obtenir cette égalité pour plusieurs i simultanément. Si Etat, correspond à l'état "le trou n°i est bouché par un objet réfléchissant", alors en bouchant les trous i et j, on obtient Etat, ≈ Etatt = i . De même, si le trou i n'est pas bouché de la même manière que lors de l'enregistrement, par exemple, si le trou est partiellement bouché ou si l'objet réfléchissant est plus éloigné du trou par exemple, on obtient le plus souvent Etat, ≠ i et ≠ o . En général, on a : 1 > Etat, ≥ -1 .
En règle générale, N > M . Résoudre l'équation 1 revient à résoudre un système d'équation sur-déterminé. La matrice R n'est pas inversible, n'étant pas carrée, mais elle est pseudo-inversible. L'opération de corrélation à effectuer s'écrit donc : Etat = pinv(R).x où pinv est l'opérateur de pseudo inversion.
Pour réaliser ce procédé, le dispositif comporte un système de traitement électronique de données comportant des moyens :
• De mémorisation de signaux pré-enregistrés correspondants aux différents états d'ouverture ou de fermeture des trous ;
• D'acquisition des signaux reçus par le détecteur ;
• De traitement desdits signaux reçus ; « De corrélation desdits signaux traités avec les différents signaux pré-enregistrés.
La puissance de calcul nécessaire pour réaliser le traitement des signaux n'est pas considérable. Si le système réalise des mesures à une cadence de 100 hertz, soit une mesure toutes les 10 millisecondes, si chaque signal est numérisé sur 1000 points et si l'on effectue 100 corrélations avec des signaux pré-enregistrés, il faut donc réaliser 100 000 opérations entre deux mesures, soit 100 000 opérations en 10 millisecondes. Chaque opération doit alors être réalisée à une fréquence minimale de 10 mégaHertz, ce qui est très faible avec les moyens de calcul actuels.
Comme il a été dit, un des points importants du dispositif est que la géométrie de l'enceinte soit chaotique. A cette fin, on doit éviter que les surfaces principales de l'enceinte soient parallèles, on peut également introduire des déflecteurs dans l'enceinte si elle est de forme simple pour la rendre chaotique. Ces déflecteurs peuvent être positionnés entre émetteur et récepteur, par exemple.
Le dispositif dit mélangeur de modes doit être agencé de façon à modifier de façon variable pendant le temps d'une mesure les caractéristiques de l'enceinte de façon à explorer une fraction significative desdits modes. Il existe un grand nombre de dispositifs permettant d'obtenir ce résultat. On peut cependant séparer les mélangeurs de modes en deux grandes catégories : les mélangeurs de type mécanique qui vont faire varier les caractéristiques géométriques de l'enceinte et les mélangeurs dits électroniques qui vont faire varier ces caractéristiques électriques ou électromagnétiques.
L'enceinte est très sensible aux déformations de ses parois puisqu'elles sont fortement réfléchissantes. Un déplacement de l'ordre de la dizaine de micromètres modifie considérablement les propriétés de l'onde à l'intérieur de l'enceinte. Un mélangeur mécanique doit donc assurer un déplacement de cet ordre. A titre d'exemples non limitatifs, les figures 11 à 14 représentent différents dispositifs mécaniques permettant d'assurer le mélange des modes. Une première solution est illustrée en figure 11. Elle consiste à disposer N actuateurs mécaniques qui sont, par exemple, des pistons 131 placés sur le pourtour de l'enceinte à différents endroits. En actionnant un de ces éléments, ce dernier appuie localement sur une des parois de l'enceinte et modifie le comportement de l'onde résonnante dans l'enceinte 10. Une variante de ce premier dispositif consiste à introduire de façon variable des éléments dans l'enceinte. En effet, si l'on dispose de plusieurs éléments fortement réfléchissants que l'on peut faire entrer ou sortir de l'enceinte, on modifie les conditions de résonance de l'onde dans cette dernière.
Une troisième solution consiste à introduire dans l'enceinte un élément se déplaçant de manière continue et répétitive. Ce déplacement peut être réalisé de plusieurs manières :
• En déplaçant un piston qui pénètre plus ou moins profondément dans la cavité de manière continue ;
• En déplaçant une paroi comme indiqué sur la figure 12. Cette paroi 132 peut être une membrane réflective qui se déplace dans l'enceinte ou directement une des parois de l'enceinte. Dans ce cas, la reconfiguration peut avoir lieu pour des déplacements de l'ordre de δx = λ/Q , où λ est la longueur d'onde et Q le facteur de surtension de l'enceinte. Par exemple, pour une longueur d'onde de l'ordre de un centimètre et un facteur de surtension de l'ordre de 1000, le déplacement nécessaire est de l'ordre de 10 microns.
• En faisant tourner un objet 133 dans l'enceinte comme indiqué en figure 13. Ce dernier ne doit pas présenter de symétrie de révolution autour de l'axe de rotation. Il peut par exemple avoir une forme similaire à celle des pales d'un ventilateur.
Un quatrième moyen de modifier la géométrie de l'enceinte est d'introduire des éléments électromécaniques 133 dans l'enceinte encore appelés MEMS comme illustré en figure 14, MEMS étant l'acronyme de
Micro-Mechanical Electronical System. Le MEMS est composé d'une partie mobile commandé électroniquement. Il est possible de réaliser grâce à la partie mobile du MEMS, des déformations de l'ordre du micromètre de l'enceinte. L'introduction de MEMS dans l'enceinte permet ainsi de modifier électroniquement les conditions de résonance de l'onde.
Il est également possible de réaliser le mélangeur de modes au moyen de dispositifs électroniques. Plusieurs dispositifs sont possibles. Une première solution consiste à placer dans l'enceinte plusieurs diodes 136 polarisées depuis l'extérieur comme illustré sur la figure 15. En polarisant les diodes en inverse ou en direct, il est possible de les rendre passantes ou bloquantes et ainsi d'introduire à volonté des court-circuits dans l'enceinte. Introduire des éléments fortement réfléchissants dans la cavité a pour effet de changer les conditions de résonances dans la cavité, et donc de permettre de reconfigurer totalement le système. Sur la figure 15, chaque diode relie deux dipôles 135.
Une seconde solution consiste à introduire des actuateurs à plasma dans l'enceinte. Ces actuateurs sont, par exemple, des capsules de type néon 137 comme illustré en figure 16. En ionisant ou non le gaz contenu dans chaque capsule, il est possible de le rendre conducteur ou non. Ces éléments peuvent être rendus transparents ou réfléchissants pour l'onde qui résonne dans l'enceinte.
Les mélangeurs peuvent fonctionner soit de façon binaire soit en continu. Dans un mode de fonctionnement binaire, les dispositifs élémentaires constituant le mélangeur n'ont que deux états possibles. Par exemple, un piston peut être enfoncé ou relevé, une diode peut être passante ou bloquée. En disposant de N éléments, il est donc possible d'obtenir jusqu'à 2N configurations différentes à partir de N actuateurs binaires. Par exemple, si l'on souhaite avoir mille configurations élémentaires différentes, 5 dispositifs élémentaires sont nécessaires.
Un point également important est que l'énergie électromagnétique puisse sortir par les trous en quantité suffisante de façon que la différence entre un trou ouvert ou fermé soit significative. Pour éviter d'avoir des trous trop importants, une solution possible est illustrée en figure 17. Des guides d'onde 19 sont placés au niveau des trous pour faciliter les pertes. Ces guides peuvent être des guides diélectriques ou coaxiaux.
Comme on l'a dit, le dispositif peut fonctionner avec un signal monochromatique émis à une seule longueur d'onde. Cependant, il peut être intéressant de faire fonctionner le dispositif à plusieurs longueurs d'onde ou à plusieurs fréquences comme illustré en figures 18 et 19. En effet, un objet diélectrique posé à la surface du corps humain va, en fonction de son épaisseur et de son indice de réfraction, présenter plusieurs fréquences de résonance. A ces fréquences symbolisées par des flèches continues doubles, l'onde 120 est intégralement transmise à travers le diélectrique et est absorbée par le corps humain comme illustré en figure 19. A des fréquences différentes symbolisées par des flèches continues simples, au contraire, l'onde 120 est réfléchie en grande partie vers l'enceinte comme illustré en figure 18. En utilisant plusieurs longueurs d'onde, on obtient ainsi une information fréquentielle sur ce qui se trouve en face de chacun des trous. Pour obtenir une « signature » fréquentielle de l'objet significative, il suffit que le signal comporte quelques fréquences discrètes, en pratique, le nombre de fréquences nécessaire est inférieur à la dizaine.
A l'intérieur de l'enceinte, la répartition d'énergie dépend fortement de la polarisation de l'onde qui résonne. Par exemple, les modes de résonance d'une cavité sont en générale décomposés en modes TE et TM différents, acronymes signifiant respectivement Transverse Electrique et Transverse Magnétique, ces modes désignant deux polarisations rectilignes de l'onde et orthogonales l'une de l'autre. Un objet réfléchissant polarisant, c'est-à-dire favorisant la réflexion d'une polarisation donnée placé devant l'un des trous n'apporte pas les mêmes modifications à l'onde résonante qu'un objet qui n'affecte pas la polarisation. Il est donc possible de déterminer l'influence de l'objet sur la polarisation de l'onde, ce qui donne une information supplémentaire sur le type d'objet observé. Utiliser la polarisation requiert de pouvoir classifier les objets en fonction de leur effet sur la polarisation. En enregistrant des signaux référence obtenus à partir de plusieurs objets polarisants bien choisis pendant la phase de mémorisation des signaux et en corrélant ensuite le signal à analyser avec lesdits signaux de référence, on peut remonter à l'effet polarimétrique de l'objet. C'est ce qui est illustré en figures 20 et 21 où deux signaux de référence sont obtenus en plaçant un fil métallique 200 polarisant dans deux configurations différentes devant un trou de l'enceinte. Dans ce cas, le fil est tourné de 90 degrés entre les deux mesures des figures 20 et 21. La sensibilité à la polarisation est particulièrement significative dans le cas de bords d'objets. Un bord présente une discontinuité importante de l'indice vu par l'onde, ce qui a un effet polarisant potentiellement fort. Par exemple, une fente faite dans un matériau conducteur est un élément fortement polarisant, seule la composante de polarisation linéaire parallèle à la fente étant réfléchie. Détecter les bords des objets par les effets polarisants qu'ils entraînent est un moyen simple d'améliorer les capacités de détection du dispositif.
Le dispositif fonctionne lorsque l'objet est au contact des trous ou au voisinage immédiat des trous. Il peut également fonctionner lorsque l'objet n'est plus au voisinage immédiat des trous. Si le dispositif s'éloigne de la surface réfléchissante du corps humain, deux phénomènes vont se produire comme illustré sur les schémas de la figure 22 : • Un déphasage est introduit par la perte de contact ;
• Plusieurs trous de l'enceinte reçoivent l'onde rétrodiffusée par l'objet lorsque la distance est suffisante (schéma bas de la figure 22)
La modification de l'onde résonnante à l'intérieur de la cavité se fait en fonction des caractéristiques en amplitude ou en phase de la réflexion de l'objet présent devant l'un des trous. La réponse obtenue par la présence d'un objet devant l'un des trous va donc dépendre de sa distance au détecteur. Par exemple, pour deux positions distantes l'une de l'autre de ^/ _ soit quelques millimètres d'un même objet placé devant l'un des trous, la réponse obtenue est totalement différente. Autrement dit, après balayage de plusieurs modes de la cavité, on obtient :
Figure imgf000021_0001
où ( I ) est l'opération de corrélation, s est le signal mesuré et d est la distance de l'objet au détecteur.
Ainsi, pour prendre en compte l'éloignement de l'objet par rapport au détecteur, il faut nécessairement prendre au moins deux références par trou correspondant à deux positions différentes de l'objet de référence, ces deux positions étant a priori distantes d'un quart de la longueur d'onde utilisée.
Si la distance séparant l'enceinte du corps réfléchissant est suffisamment importante, l'onde en provenance d'un trou entre dans la cavité via plusieurs trous à la fois. En calibrant correctement chacun des trous d'entrée/sortie de la cavité, c'est-à-dire en enregistrant les signaux correspondant à des cas de référence judicieusement choisis, il est possible d'obtenir une information partielle sur le front d'onde au niveau du détecteur. Une fois ce front d'onde déterminé, il est alors possible de rétro-propager numériquement l'onde réfléchie jusqu'à obtenir une image de l'objet réflecteur.
A partir du même dispositif fonctionnant dans deux régimes différents, il est donc possible d'obtenir une image de l'objet réfléchissant lorsque celui ci est en contact direct avec le détecteur, ou bien lorsqu'il est plus éloigné du détecteur. Dans le premier cas, on peut réaliser des dispositifs de détection portables tels que figurés sur les figures 23 et 24. La figure 23 représente une vue d'un dispositif de détection portable. Il comprend essentiellement deux éléments principaux :
• un détecteur 1 comportant un système d'émission et de réception de signaux hyperfréquences ;
• un système électronique de traitement de données 2 relié audit détecteur.
Extérieurement, la structure du détecteur 1 comprend essentiellement : • une enceinte 10 comportant une surface de mesure 11 destinée à être positionnée au voisinage du corps humain, ladite surface 11 comprenant un certain nombre de trous 12 ;
• une poignée 17 ou tout autre moyen de préhension permettant la manipulation de la structure.
La figure 24 représente la mise en œuvre de ce dispositif de détection d'objets O sur un sujet C. Un objet suspect est dissimulé sur le sujet C. Le dispositif comporte essentiellement :
• Une structure 1 comportant le système d'émission et de réception de signaux hyperfréquences ;
• un système de traitement 2 des signaux reçus comportant éventuellement des moyens d'alarme 22 en cas de détection d'objets suspects, représentés par un cercle sur le boîtier 2 de la figure 16. L'utilisation du dispositif est très simple. Un agent de sécurité, non représenté sur la figure 24, balaie le corps de la personne à contrôler.
Sur la partie haute de la figure, aucun objet suspect n'est situé sous les trous de la structure. Le signal mesuré ne peut être corrélé avec aucun des signaux pré-enregistrés. L'alarme n'est pas activée. Sur la partie basse de la figure 24, l'objet suspect se trouve sous les trous de la structure. Dans ce cas, le signal mesuré correspond à au moins un des signaux pré-enregistré. L'alarme 22 est activée.
Dans le second cas, on peut utiliser ce dispositif pour faire un portail de détection 18 comme indiqué sur la figure 25. Il est en effet tout à fait possible de rétro-propager l'onde sur quelques mètres pour obtenir une image basse résolution du corps tout entier en une fois. Là encore, le dispositif comporte des moyens d'alarme 22 en cas de détection d'objets suspects.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection d'objets diélectriques sur un corps humain comprenant au moins un détecteur (1) comportant une enceinte (10) dans laquelle sont disposés un émetteur (14) émettant un signal d'ondes hyperfréquences à au moins une longueur d'onde et un récepteur (15) d'ondes hyperfréquences, ladite enceinte comportant une surface (11) de mesure destinée à être positionnée au voisinage dudit corps humain, caractérisé en ce que la surface de mesure comporte au moins deux trous (12) et que ladite enceinte :
• est fortement réfléchissante à l'onde émise par l'émetteur ; • a un volume supérieur à environ le cube de la longueur d'onde de façon que le nombre de modes de résonance possible à l'intérieur de l'enceinte soit supérieur à environ mille ;
• a une géométrie de type chaotique pour lesdits modes ;
• comporte au moins un dispositif dit mélangeur de modes (13) agencé de façon à modifier de façon variable et reproductible pendant le temps d'une mesure les caractéristiques de l'enceinte de façon à explorer une fraction significative desdits modes.
2. Dispositif de détection selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la structure (1) comporte un émetteur unique (16) faisant également office de récepteur.
3. Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enceinte (10) comporte des parois essentiellement planes.
4. Dispositif de détection selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif dit mélangeur de modes comporte essentiellement des moyens mécaniques (131 , 132, 133, 134) rendus mobiles pendant les mesures.
5. Dispositif de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens mobiles sont essentiellement constituées par des pistons mobiles (131) en translation disposés sur la périphérie de l'enceinte et agencés de façon à déformer les parois de la dite enceinte de façon élastique.
6. Dispositif de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens mobiles sont essentiellement constituées par une paroi mobile (132).
7. Dispositif de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens mobiles sont essentiellement constituées par un rotor mobile (133) en rotation portant au moins une ailette métallisée.
8. Dispositif de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens mobiles sont essentiellement constituées par au moins un micro-système électro-mécanique (134) de type MEMS.
9. Dispositif de détection selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif dit mélangeur de modes comporte essentiellement des moyens électroniques (135, 136, 137) permettant de modifier les caractéristiques électromagnétiques de l'enceinte.
10. Dispositif de détection selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens électroniques comprennent essentiellement au moins un ensemble de deux dipôles (136) reliés par une diode (135) et des moyens de commande de la tension de polarisation de ladite diode de façon à relier ou à isoler les deux dipôles.
1 1. Dispositif de détection selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens électroniques comprennent essentiellement au moins une cartouche de gaz (137) et des moyens électriques d'ionisation du gaz contenu dans ladite cartouche.
12. Dispositif de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le spectre du signal émis comporte au moins deux longueurs d'onde monochromatiques.
13. Dispositif de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence du signal émis se situe dans la gamme de fréquences comprise entre 10 et 40 gigahertz
14. Dispositif de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure est portative et comporte, à cette fin, une poignée (17).
15. Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la structure mécanique est un portique de sécurité (18) de taille suffisante pour laisser passer un sujet humain.
16. Dispositif de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comporte, en outre, un système de traitement de données (2) comportant des moyens : • De mémorisation de signaux pré-en registres correspondants aux différents états d'ouverture ou de fermeture des trous ;
• D'acquisition des signaux reçus par le détecteur (1 ) ;
• De traitement desdits signaux reçus ;
• De corrélation desdits signaux traités avec les différents signaux pré-en registres.
17. Dispositif de détection selon la revendication 16, caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre des moyens d'avertissement (22) lorsque le taux de corrélation entre un signal traité et au moins un des signaux pré-en registres dépasse un seuil critique, lesdits moyens d'avertissement étant sonores ou visuels.
18. Dispositif de détection selon la revendication 16, caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre des moyens de traitement permettant de réaliser une image de l'objet ou de la personne éclairé par les signaux émis par les trous de l'enceinte.
19. Procédé de détection d'objets diélectriques sur un corps humain à partir d'un dispositif de détection selon l'une des revendications 16 à 18, caractérisé en ce qu'il comporte, au moins, les étapes successives suivantes :
• 1ere étape : Réalisation de signaux reçus pré-enregistrés SPE correspondants aux différents états des trous (11 ) ; • 2eme étape : Mise en place du détecteur (1) au voisinage d'un corps humain à analyser ;
• 3eme étape : Acquisition du signal reçu correspondant à cet emplacement du détecteur et traitement dudit signal reçu ;
• 4eme étape : Corrélation dudit signal traité avec les différents signaux pré-enregistrés SPE .
20. Procédé de détection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première étape comporte les sous-étapes suivantes : • 1ere sous-étape : Les trous de l'enceinte étant tous ouverts, émission d'un signal par l'émetteur et mise en fonctionnement du dispositif mélangeur de modes pendant la mesure ;
• 2eme sous-étape : Enregistrement du signal reçu noté signal- enceinte SE correspondant audit signal d'émission ; • 3eme sous-étape : Au moins un des états des trous ayant changé, émission d'un signal par l'émetteur et mise en fonctionnement du dispositif mélangeur de modes pendant la mesure
• 4 i ème sous-étape : Enregistrement du signal reçu noté signal- trou ST correspondant audit signal d'émission ;
• 5eme sous-étape : Calcul d'un signal pré-enregistré SPE obtenu par soustraction du signal-enceinte SE au signal-trou Sτ ;
• 6eme sous-étape : Réalisation des sous-étapes 3 à 5 pour les différents états possibles des trous de façon à obtenir les différents signaux pré-enregistrés.
21. Procédé de détection selon la revendication 20, caractérisé en ce que au moins deux changements d'état de deux troisièmes sous-étapes successives de la première étape sont obtenus par l'introduction d'un objet fortement polarisant disposés dans deux positions différentes devant un même trou, de façon à réaliser au moins deux signaux pré-en registres SPE correspondants à deux états de polarisation différents des trous (11 ).
22. Procédé de détection selon l'une des revendications 19 à 21 , caractérisé en ce que la troisième étape comporte les sous-étapes suivantes :
• 1ere sous-étape : émission d'un signal par l'émetteur et mise en fonctionnement du dispositif mélangeur de modes pendant la mesure ; • 2eme sous-étape : Enregistrement du signal reçu dit signal- mesure correspondant audit signal d'émission ;
• 3ème sous-étape : Calcul du signal traité obtenu par soustraction du signal-enceinte au signal-mesure.
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