Contrôle radiofréquence de l'écoulement de l'eau dans le sol et de l'absorption racinaire – CESAR

La teneur en eau du sol est un paramètre clé pour décrire les transferts en eau et en énergie dans le continuum sol/plante/air. En particulier, visualiser au cours du temps l'évolution spatiale de la teneur en eau avec une résolution inférieure au mètre est importante pour améliorer les pratiques agricoles, l'irrigation et réduire la pollution. Les méthodes traditionnelles de contrôle de l'humidité du sol en laboratoire ou avec des capteurs in-situ sont invasives, coûteuses en temps et en argent. Des méthodes rapides et fiables qui seraient adaptées au contrôle en continu de phénomènes évoluant dans le temps sur quelques minutes (chemins préférentiels ...) et de variation spatiale très hétérogène (digitation ...) ne sont donc actuellement pas disponibles, en particulier pour des milieux fortement saturés et/ou très argileux. De nombreux efforts ont été fournis pour proposer de nouvelles méthodes géophysiques non destructives, en particulier des capteurs hyperfréquences. En effet, la permittivité complexe du sol est liée à la teneur en eau et à la salinité. Ainsi, des systèmes de télédétection sont utilisés pour estimer l'humidité de la couche superficielle du sol au niveau régional avec des mesures journalières, mais ces meures sont affectées par la rugosité, le couvert végétal .... De plus en plus de capteurs GPR sont aussi utilisés pour l'identification des paramètres hydrauliques du sous-sol. Par contre, en utilisant un signal temporel, on est confronté aux problèmes de dispersion et de résolution qui changent avec la fréquence. Le but du projet CESAR est de démontrer les potentialités d'une imagerie microonde non destructive pour visualiser l'évolution de l'humidité du sous-sol, avec une résolution spatial attendue de l'ordre du cm, des temps d'acquisition de l'ordre de la minute et une profondeur de pénétration englobant la zone racinaire. Le but est de proposer un outil de mesure complémentaire pour des échelles intermédiaires de celles de la télédétection et celles des capteurs in-situ. Les cartes de permittivité complexe obtenues permettront d'améliorer la compréhension des flux de masse dans les sols et à l'interface sol/plante. Ce projet est le fruit d'une collaboration pluridisciplinaire entre cinq chercheurs de l'Institut Fresnel et trois chercheurs de l'UMR 'Climat, Sol et Environnement' de l'INRA d'Avignon. Ce projet bénéficie aussi de l'expertise de deux chercheurs confirmés, A. Franchois de l'Université de Gand en Belgique et G. Saracco du CEREGE. Ce projet contient deux volets : * Un volet expérimental pour le développement de prototypes hyperfréquences travaillant à fréquence fixe avec un réseau d'antennes. Le premier prototype, un scanner microonde circulaire, présente une configuration simplifiée 2D adaptée pour une étude préalable des phénomènes. Le deuxième se rapproche d'une configuration réaliste avec des antennes positionnées au dessus d'un bac à sable placé dans un environnement contrôlé, tel que la chambre anéchoique que l'Institut Fresnel est en train de construire. * Un volet théorique pour la modélisation et l'inversion des champs électromagnétiques afin d'obtenir des cartes de permittivité des zones éclairées. Des algorithmes d'inversion multi-physiques couplant l'hydrodynamique et l'électromagnétisme seront développés pour obtenir une résolution spatiale inférieure à la demi-longueur d'onde. Ces deux aspects évolueront conjointement afin de proposer des protocoles de mesure optimisés. En utilisant un simulateur de pluie, nous pourrons ainsi suivre les chemins préférentiels de l'eau dans le sol en effectuant une tomographie microonde toutes les minutes. Ou en plaçant une plante dans la zone éclairée, nous visualiserons l'absorption de l'eau par les racines. Résultats attendus * Développement d'un outil complémentaire aux systèmes actuels imageant la permittivité complexe afin de visualiser les variations d'humidité d'un sol hétérogène avec une grande profondeur de pénétration (quelques dizain