Flexible monolithic ultra-portable ground penetrating radar using inkjet printing technology
Intégration d'un géoradar ultra-portable en technologie à impression d'encre sur substrat souple
Résumé
Flexible monolithic ultra-portable ground penetrating radar using inkjet printing technology A Ground Penetrating Radar (GPR) performs nondestructive detection of buried objects, or subsurface imaging by transmitting electromagnetic waves and detecting and analyzing the reflections. The main challenge of GPR is the reduction in detection range due to the severe signal attenuation that is caused by subsurface conductivity that becomes more severe at high frequencies. In order to increase the detection range, GPR uses lower frequencies than non-GPR radars and thus requires larger antennas that may limit system portability. Most GPR systems use impulse radars however the FMCW (frequency modulated continuous wave) radar can provide some advantages such as frequency versatility, reduced system maintenance and improved range resolution. Frequencies below 1 GHz were initially uncommon in short-range FMCW radars but are now finding their way back in systems such as ultra-wideband (UWB) ground penetrating radars for mine detection and as well as other applications. When measurements are performed on vehicles, large antenna fixtures are not a problem. Portability, however, can become an issue in geophysical studies or emergency work in which one may need to transport the system through rugged, unexplored and/or hazardous locations without vehicle access and perform measurements. Inaccessible environments may require climbing up and down, squeezing through, jumping over, crawling under, maneuvering through or swimming through obstacles (mountains, caves, lakes, rocky areas). In addition to transportation, rapid system setup is critical in difficult conditions such as freezing temperatures or extreme heat where exposure time is costly and limits measurement time. One solution to enhance the portability and deployability of a GPR system for wide area rugged measurements is to realize a complete system on a continuous substrate that is rollable around a reasonably small radius and storable in a scroll or poster-like fashion for easy backpack transportation. Electronics that can flex and bend have already used in military applications and for outdoor sporting gear. Currently, there are a few types of technology available to realize flexible electronics that have been a major topic of research, each with different levels of integration. Inkjet printing technology offers a cost effective, versatile and efficient method for realizing flexible devices. In this work a classical FMCW radar system is designed and an effort is made, for the first time, to apply inkjet printing technology to a radar system. The system is referred to as a portable monolithic radar system in which all actives, passives and antenna are meant to share the same continuous rollable substrate. In doing this, a medium level of integration is used to investigate limits of system complexity, resolution and ultra miniaturization for tight rollability. Various design challenges of a large system are overcome that will hopefully give insight to new designs as the integration level using inkjet printing technology increases.
Un géoradar (GPR) effectue une détection non destructive d'objets enfouis, ou l'imagerie du sous-sol par transmission d'ondes électromagnétiques et la détection et l'analyse des réflexions. Le principal défi de GPR est la réduction de la portée de détection en raison de l'atténuation du signal grave causée par la conductivité du sous-sol qui devient plus sévère dans les hautes fréquences. Afin d'augmenter la portée de détection, GPR utilise des fréquences plus basses que les radars non-GPR et nécessite donc de plus grandes antennes qui peuvent limiter la portabilité du système. La plupart des systèmes utilisent des radars GPR à impulsion mais le FMCW (onde continue à fréquence modulée) radar peut présenter certains avantages tels que la versatilité de la fréquence, une maintenance réduite du système et une meilleure résolution de gamme. Les fréquences inférieures à 1 GHz ont d'abord été rares en radars de courte portée FMCW mais trouvent maintenant leur chemin de retour dans des systèmes comme ultra-large bande (UWB) pénétrant dans le sol des radars pour la détection des mines et ainsi que d'autres applications. Lorsque les mesures sont effectuées sur des véhicules, de grands appareils d'antenne ne sont pas un problème. La portabilité, cependant, peut devenir un problème dans les études géophysiques ou des travaux d'urgence dans laquelle on peut avoir besoin de transporter le système par des endroits accidentés, inexplorés et / ou dangereux sans accès aux véhicules. Des environnements inaccessibles peuvent nécessiter la manœuvrabilité à travers d’obstacles (montagnes, grottes, lacs, zones rocheuses). D’ailleurs, l’installation rapide du système est critique dans des conditions difficiles telles que les températures extrêmes, où le temps d'exposition est coûteux et le temps de mesure limité. Une solution pour améliorer la portabilité et la capacité de déploiement d'un système GPR est de réaliser un système complet sur un substrat qui est enroulable afin de permettre une transportation facile. L’électronique sur substrat flexible a déjà été utilisée dans des applications militaires et des sports en plein air. Actuellement, il y a quelques technologies disponibles pour réaliser l'électronique flexible qui ont été un thème majeur en recherche, chacune avec différents niveaux d'intégration. La technologie d'impression à jet d'encre offre une méthode efficace, polyvalente et rentable pour la réalisation de dispositifs flexibles. Dans ce travail, un système radar FMCW classique a été conçu et un travail présenté, pour la première fois, d’application de la technologie d'impression à jet d'encre sur un système de radar. Le système est appelé un système de radar monolithique portable dans lequel tous les agents actifs, passifs et l'antenne sont destinés à partager le même substrat enroulable continu. Ainsi, une intégration hybride est utilisée pour étudier la fiabilité et la performance du système complet enroulé autour d’un rayon serré. Plusieurs défis de conception d'un grand système ont été surmontés qui donneront un aperçu de nouveaux modèles au fur et à mesure que le niveau d'intégration à l'aide de la technologie d'impression à jet d'encre continue d’augmenter.
Origine : Version validée par le jury (STAR)