Passive Millimeter-Wave Imaging Based on Subharmonic Self-Oscillating Mixing

Le sujet général de la thèse de doctorat présentée réside dans la recherche sur des nouvelles méthodes dans le domaine de l'imagerie aux micro-ondes, en particulier l'imagerie passive aux ondes millimétriques, qui est aussi connue sous le nom d'imagerie radiométrique. Cette dernière technique est utilisée pour former une image d'une scène particulière en capturant la radiation électromagnétique émise naturellement par chaque objet à la bande de fréquence des micro-ondes / ondes millimétriques, similaire à la façon dont une photographie est prise en capturant la radiation aux fréquences optiques. De cette façon, une image d'ondes millimétriques peut être formée et utilisée pour tracer différentes caractéristiques de la scène ou de l'objet, qui sont implicites à la bande de fréquences des micro-ondes / ondes millimétriques. L'imagerie à ondes millimétriques représente un des sujets d'actualité des plus prometteurs dans le domaine de la conception des capteurs à haute fréquence. L'utilité de cette technique réside surtout dans les particularités des phénomènes de l'atténuation atmosphérique permettant aux ondes millimétriques de pénétrer à travers une grande variété de conditions de mauvaise visibilité, comme par exemple la brume, le brouillard, les nuages, la fumée et les tempêtes de sable, ainsi que la capacité de se propager à travers des vêtements et certains autres matériaux. Outre ces avantages par rapport aux systèmes infrarouges ou optiques, les systèmes à ondes millimétriques surpassent les systèmes micro-ondes à plus basse fréquence par leurs longueurs d'ondes plus petites permettant d'atteindre une plus haute résolution. Pour leur mise en application, des fenêtres de propagation à 35, 77, 94, 140 et 220 GHz ont été assignées. Les domaines d'application présents et futurs sont principalement associés aux infrastructures militaires et commerciales. Ceux-ci englobent la surveillance, la navigation et la technologie automobile, ainsi que l'atterrissage des avions et le suivi de la circulation dans le brouillard sur les autoroutes. De plus, la demande de plus en plus grande en systèmes de détection de sécurité aux aéroports et d'autres lieux publics crée une demande toujours plus grande en scanners automatisés en temps réel dotés des caractéristiques suivantes : ne présenter aucun risque pour la santé, générer un nombre réduit de fausses alertes et permettre la détection des armes cachées ou des objets dangereux à travers les vêtements.

Abstract

The broad topic of the presented Ph.D. thesis consists in the research on novel methods in the field of microwave imaging, in particular the so-called passive millimetre-wave imaging, which is also referred to as radiometric imaging. This latter technique is used to form an image of a particular scene by means of sensing the natural electromagnetic radiation emitted by any object at microwave / millimetre-wave wavelengths, similar to the way in which a photograph is captured by sensing the radiation occurring at optical wavelengths. In this way, different characteristics of the observed scene or object, which are inherent to the microwave / millimetre-wave frequency range, can be mapped in the form of an image. Millimetre-wave imaging represents one of today's most promising research topics in the field of high frequency sensor design. The usefulness of this technique lies in particular in the peculiarities of atmospheric attenuation phenomenologies allowing millimetre-waves to penetrate through a variety of low-visibility conditions such as haze, fog, clouds, smoke, and sandstorms and furthermore in the ability to propagate through clothing and a number of other materials. Together with these advantages over infrared and optical systems, moreover, millimetre-wave systems outperform imagers at the lower microwave frequency range due to their smaller wavelengths and the thus achievable higher resolution. For their implementation, propagation windows at 35, 77, 94, 140, and 220 GHz are generally allocated. Present and future applications consist in both military and commercial infrastructure fields such as in surveillance, navigation, and automotive technology, as well as aircraft landing or highway traffic monitoring in fog. Moreover, the ever increasing demand for security screening systems at airports and other public environments creates a growing need for health-hazardless automated real-time scanners with minimized false alarms, and millimetre-wave imaging offering the ability to detect concealed weapons or hazardous objects through clothing material represents an excellent choice for this purpose. Furthermore, millimetre-wave imaging is applied to biomedical imaging such as the location of hot spots, tumours, or other anomalies in the body. Additional applications consist in non-destructive material testing and geological examinations such as the sensing of the Earth's atmosphere, oil spill detection, research on volcano activity, or meteorology.