Modèle numérique d'une métasurface optimisée par un algorithme inverse pour imager le sous-sol

Emmah est une Unité Mixte de Recherche (UMR) regroupant Avignon Université (AU) et l’INRAe. Une large partie du département de physique d’Avignon Université fait partie de cette unité et travaille notamment sur des problèmes de modélisations directe et inverse. L’unité dispose de calculateurs puissants que pourra utiliser le stagiaire et de logiciels tels que MATLAB ou COMSOL multiphysics.

Contexte : La caractérisation électromagnétique du proche sous-sol souffre d'un très faible couplage entre les antennes radars et l'interface air-sol. Pour un mode bistatique (antenne émettrice / antenne réceptrice), la majeure partie de l'onde rayonnée par l'antenne émettrice est immédiatement réfléchie par l'interface et ne fournit aucune information sur les hétérogénéités du sous-sol. Pour réduire la réflexion du sol et obtenir des rapports signal-sur-bruit importants via l'antenne réceptrice, certains travaux émergent autour de l'étude de métamatériaux bidimensionnels. Appelées métasurfaces (MTS), elles sont placées entre les antennes et l'interface air-sol afin d'obtenir un coefficient de transmission plus élevé. Celui-ci peut être maximisé en optimisant le motif des cellules unitaires. Les MTS présentent également l'avantage d'être légères, faciles à fabriquer pour les micro-ondes et adaptables à n’importe quelle gamme de fréquence. Néanmoins, les MTS proposées actuellement ont du mal à traiter un signal large bande et sont à motif unique. De fait, les approches actuelles pour maximiser l'onde transmise se concentrent sur des antennes directives, par ingénierie du front d'onde. L'idée du stage est de développer un modèle numérique relativement robuste d'une métasurface améliorée par à un algorithme inverse pour en maximiser les effets. Il s'agira d'un modèle numérique fait par éléments finis via un logiciel commercial. Partant de géométries et compositions simples issues de la littérature scientifique, vers des cas plus techniques, il faudra démontrer quantitativement parlant l'efficacité de la démarche. Selon l’avancée du projet, une étude préliminaire basée sur une analyse de sensibilité (type de sol, fréquences d’exploitation, etc.) pourra être publiée dans une revue à comité de lecture, afin de poser les bases d'un projet de thèse à venir. En quantifiant la désadaptation d’impédance nous chercherons à établir une meilleure compréhension des limites actuelles des systèmes d’imagerie et identifier les meilleurs scénarios d’ingénierie pour les améliorer. Il s'agit autant d'un travail académique qu'un travail d'ingénieur.

Travail demandé : Le ou la candidat.e aura pour missions principales : 1) de faire une recherche bibliographique sur les métasurfaces ainsi que sur l'imagerie par ondes électromagnétiques dans le sol ; 2) prendre en main le logiciel d'éléments finis COMSOL pour la modélisation directe ; 3) prendre en main des codes d'inversion en lien avec des travaux antérieurs de l'équipe et chercher des méthodes d'optimisation pour trouver des géométries de métasurface intéressantes pour les applications visées.

Ces tâches pourront se compléter et évoluer en fonction du profil du ou de la candidat.e et de l'avancée des travaux au cours du stage. 

Lieu, encadrement et moyens : Le stage aura lieu au sein de l'UMR EMMAH, unité mixte de recherche regroupant Avignon Université et l'INRAE, sur le campus Agroparc de l'Université d'Avignon, à l'entrée de la ville.

L'encadrement sera effectué par Simon Marcellin, chercheur spécialisé en éléments finis et en métamatériaux. Il sera conseillé par le reste de l'équipe, dont Slimane Arhab, chercheur spécialisé en méthodes numériques inverses et en électro\-magnétisme, et Arnaud Mesgouez, notre chef d'équipe, spécialisé dans les méthodes analytiques et semi-analytiques sur les ondes mécaniques. 

Rémunération et durée du stage : Le stage est prévu pour durer entre quatre et six mois selon la disponibilité du candidat et donnera lieu à une gratification au seuil minimal (environ 600 euros par mois). Le ou la stagiaire aura accès à un bureau et à des machines de calculs puissantes au sein du laboratoire expérimental. Il ou elle profitera de la présence de jeunes doctorants, d'une équipe accessible et sera encouragé.e à assister aux présentations scientifiques qui animent les équipes de l'UMR EMMAH.

De niveau Bac+4 (Master, Ingénieur), le ou la candidat.e aura un profil axé électromagnétisme avec une appétence pour les méthodes théoriques et numériques ainsi qu'une curiosité pour la recherche scientifique en général. Il est à noter que ce stage ne pourra pas se poursuivre immédiatement en thèse, bien qu'il en introduise les fondements.