La physique

Les radars utilisés pour repérer les mines terrestres ont du mal à distinguer les caractéristiques des profondeurs auxquelles ces objets sont généralement enfouis, ce qui peut conduire à des faux positifs et donc à une perte de temps. Les chercheurs ont désormais démontré une preuve de concept pour une méthode radar capable de détecter des objets plus petits à des profondeurs plus grandes que ce qui était auparavant possible [1]. Les chercheurs affirment que leur technique pourrait permettre de détecter des mines terrestres enfouies à quelques mètres sous terre, bien plus profondément que les quelques centimètres accessibles avec la technologie actuelle. Les archéologues pourraient également utiliser cette nouvelle méthode pour retrouver des artefacts enterrés.

Un système radar envoie une série d'impulsions radio courtes qui peuvent rencontrer un objet et être réfléchies vers l'appareil. L'appareil utilise les ondes réfléchies pour déterminer la taille et la distance de l'objet. Lorsqu'il y a deux objets sur le trajet des impulsions, l'appareil peut résoudre les deux objets s'il détecte deux pics distincts dans les ondes radio réfléchies.

Pour augmenter la capacité d'un radar à détecter des objets proches les uns des autres, les impulsions peuvent être raccourcies. Réduire la longueur d'une impulsion nécessite d'augmenter sa bande passante, c'est-à-dire l'étendue des fréquences qui s'additionnent pour produire l'impulsion. En règle générale, les impulsions sont raccourcies en ajoutant des ondes à plus haute fréquence, mais l’ajout de ces fréquences présente un inconvénient. "Presque tous les supports matériels deviennent plus opaques à mesure que la fréquence augmente", explique John Howell, chercheur en radar à l'Université Chapman en Californie. Cette opacité croissante limite les profondeurs auxquelles on peut sonder en incluant les hautes fréquences. Ainsi, pour augmenter la sensibilité à de plus longues distances, les utilisateurs de radars doivent utiliser des impulsions plus longues et ainsi sacrifier la résolution.

Pour surmonter cette limitation, Howell et ses collègues ont conçu une forme d'onde radar qui ressemble à une série de zigzags, avec un pic et un creux triangulaires ainsi qu'un pic et un creux supplémentaires tronqués pour inclure des segments plats. Les segments inclinés sont très sensibles aux interférences entre les différentes ondes réfléchies, alors que les sections plates sont insensibles à ces interférences.

L’équipe a testé cette forme d’onde en l’envoyant via un câble coaxial conçu pour produire deux versions du signal d’une durée de 200 nanosecondes à l’extrémité : la version directe et une version retardée de plusieurs nanosecondes. Un oscilloscope a détecté l'interférence des deux signaux, qui représentaient les réflexions attendues de deux objets voisins.

Le signal combiné contenait certaines sections qui étaient substantiellement modifiées et d'autres qui restaient inchangées. Ces régions « sans changement » ont servi de points de référence permettant aux chercheurs de détecter les changements qui se seraient produits sur des distances plus courtes que la durée de l'impulsion et qui étaient induits par l'interférence entre les deux réflexions. À l’aide de ces informations, l’équipe a déduit des distances de séparation entre les deux objets virtuels qui étaient des dizaines de milliers de fois plus courtes que ce qui serait autrement possible.

Cette preuve de concept indique que la méthode devrait apporter des améliorations significatives, explique Howell. « Un radar ayant une résolution suffisante pour détecter une mine ne peut sonder que quelques centimètres de profondeur. Nous pouvons désormais obtenir une résolution subcentimétrique et sonder plusieurs mètres sous terre. Cette amélioration pourrait également permettre aux archéologues de retrouver de minuscules objets enfouis – actuellement, ils ne peuvent repérer que de grands murs ou des vides. Cela pourrait également aider les océanographes à cartographier le fond des océans, ce qui n'est pas possible avec les systèmes radar actuels.

L'augmentation de la résolution rapportée par Howell et ses collègues dépasse les précédentes "de plusieurs ordres de grandeur, ce qui est impressionnant et passionnant", déclare Stefan Frick, physicien quantique qui travaille sur le radar quantique à l'Université d'Innsbruck, en Autriche. Thomas Fromenteze, spécialiste des technologies radar à l'Université de Limoges, France, arrive à la même conclusion. "Les limites de résolution représentent une limitation matérielle considérable dans l'imagerie radar", dit-il, et les nouveaux travaux pourraient bénéficier au développement de méthodes de super-résolution.