Non-Invasive Near-Field Measurement Setup Based on Modulated Scatterer Technique Applied to Microwave Tomography

L'objectif principal de cette thèse est d'aborder la conception et le développement d'un montage d'imagerie en champ proche (CP) basé sur la technique de diffusion modulé (TDM). La TDM est une approche bien connue et utilisée pour des applications où des mesures précises et sans perturbations sont nécessaire. Parmi les applications possibles disponibles pour la fabrication d'une sonde TDM, que ce soit électrique, optique, mécanique, le diffuseur optique modulé DOM a été pris en considération afin de fournir des mesures quasi sans-perturbations en raison de l'invisibilité des fibres optiques face aux champs radiofréquence électromagnétiques. La sonde est composée d'une puce photodiode commerciale “off-the-shelf” (dispositif non-linéaire), d'une antenne dipôle courte agissant comme diffuseur et un réseau d'adaptation (cir¬cuit passif). Cet dernieér améliore les propriétés de diffusion et augmente également la sensibilité de la sonde DOM dans la bande de fréquence pour laquelle le réseau correspondant est optimisé. Les caractéristiques de rayonnement de la sonde, y compris sa réponse de polarisation croisée et sa sensibilité omnidirectionnelle, ont été théoriquement et expérimentalement étudiés. Enfin, la performance et la fia¬bilité de la sonde a été étudiée en comparant des mesures de distribution de champs proche avec une distribution de champs simulé. Une vitesse d'imagerie accrue a été obtenue utilisant un réseau de sondes DOM, ce qui réduit les mouvements mécaniques résultant ansi en une amélioration remarquable de la vitesse de mesure. Le couplage mutuel, le temps de commutation et l'effet d'obscurité, des effets qui peuvent affecter les performances du réseau ont été explorés. Ensuite, les résultats obtenus par le réseau ont été validé par une imagerie CP en mesurant la distribution des champs E d'une antenne sous test (AST) et la comparant à des résultats de simulation. Une calibration et un calcul de moyenne ont été appliqués à des données brutes pour com¬penser pour les incertitudes dans la fabrication et l'interaction entre réseau/AST et réseau/antenne de réception. La plage dynamique et la linéarité de la réponse de l'imagerie CP ont été améliorées en ajoutant un circuit suppresseur de porteuse en avant de l'antenne. Le suppresseur élimine la porteuse sur laquelle aucune information n'est transmise et laisse les bandes latérales intactes.

Abstract

The main focus of this thesis is to address the design and development of a near-field (NF) imaging setup based on the modulated scatterer technique (MST). MST is a well-known approach used in applications where accurate and perturbation-free mea¬surement results are necessary. Of the possible implementations available for making an MST probe, including electrical, optical and mechanical, the optically modulated scatterer OMS was considered in order to provide nearly perturbation-free measure¬ment due to the invisibility of optical fiber to the radio-frequency electromagnetic fields. The OMS probe consists of a commercial, off-the-shelf (COTS) photodiode chip (nonlinear device), a short-dipole antenna acting as a scatterer and a match¬ing network (passive circuit). The latter improves the scattering properties and also increases the sensitivity of the OMS probe within the frequency range in which the matching network is optimized. The radiation characteristics of the probe, includ-ing cross-polarization response and omnidirectional sensitivity, were both theoreti¬cally and experimentally investigated. Finally, the performance and reliability of the probe was studied by comparing measured near-field distributions on a known field distribution with simulations. Increased imaging speed was obtained using an array of OMS probes, which re¬duces mechanical movements. Mutual-coupling, switching time and shadowing effect, which all may affect the performance of the array, were investigated. Then, the re¬sults obtained by the array were validated in a NF imager by measuring the E-field distribution of an antenna under test (AUT) and comparing it with a simulation. Cal¬ibration and data averaging were applied to raw data to compensate the probes for uncertainties in fabrication and interaction between array/AUT and array/receiving antenna. Dynamic range and linearity of the developed NF imager was improved by adding a carrier canceller circuit to the front-end of the receiver. The canceller eliminates the carrier on which no information is transmitted and leaves the sidebands intact. This enables us to increase the amplification gain to achieve better signal-to-noise ratio (SNR) and more importantly to expand the imager's dynamic range.