AMPERE : Approche Multi-physique et Parallèle del'Electromagnetisme pour les Radio-communications et l'Espace – AMPERE

Le projet AMPERE a pour objectif de simuler les champs électromagnétiques dans une scène virtuelle 3D. Il s’appuie sur un existant ainsi que sur plusieurs travaux de recherches des partenaires.
Le développement exponentiel de nouvelles applications en télécommunications radiofréquences civiles rend crucial le besoin d’outils de prédiction de fonctionnement et d’interaction de ces systèmes avec l’environnement 3D. Ce besoin de simulation est aussi renforcé par le développement de nouvelles technologies telles que la téléphonie, le WIFI, le GNSS, voire des technologies plus spécifiques qui « interfèrent » avec l’électromagnétisme. Quelle que soit la finalité de la liaison à établir ou du signal à détecter, les solutions aux principaux problèmes rencontrés reviennent à modéliser l’interaction d’une onde électromagnétique et d’une scène complexe 3D.
Lorsque les dimensions des objets étudiés deviennent de plus en plus grandes par rapport à la longueur d’onde, les méthodes asymptotiques, et en particulier le lancer de rayons, sont davantage appropriées.
La technique du lancer de rayons en électromagnétisme est proche de son équivalent plus classique en optique. Le lancer de rayons déterministe est particulièrement adapté aux objets standards ( terrain 3D, bâti 3D simple) mais pose problème pour des objets plus complexes tels que la végétation, où des méthodes de type lancer de rayons Monte Carlo sont plus adaptées.
Les partenaires ont une réelle expérience sur chacun de ces domaines. Des résultats ont pu être obtenus par les partenaires OKTAL-SE et ONERA en croisant le lancer de rayons déterministe et la formulation des équations électromagnétiques. Ces résultats ont donné lieu à des validations par comparaison à des méthodes de simulation différentes et par comparaison à des mesures. Toutefois, les applications restent extrêmement consommatrices de rayons, en cartographie de champ par exemple, avec beaucoup de points de réception. De fait, les temps de calculs, dans l’état actuel des outils, sont trop contraignants. D’où le projet AMPERE, dont l’objectif principal est de paralléliser les traitements et utiliser la GPU des plates-formes de calcul. Grâce au GP-GPU, nous souhaitons obtenir des performances en temps de calcul compatibles des exigences des applications métiers que nous visons à travers ce projet, en particulier le GNSS et les télécommunications mobiles par satellite. A ce titre, l’association GUIDE, qui fédère les acteurs majeurs du domaine, est directement impliquée dans AMPERE en tant qu’end user.
Des résultats ont par ailleurs été obtenus dans le domaine du lancer de rayon distribué Monte Carlo par l’IRIT dans le domaine optique visible. Nous proposons d’étendre ces résultats à l’électromagnétisme. Un verrou important en simulation électromagnétique est la modélisation du fouillis (ou clutter). Il s’agit des matières complexes, fortement inhomogènes et qui ne peuvent être modélisées par de simples surfaces. On peut prendre l’exemple de la végétation. Le fouillis de végétation est classiquement traité en électromagnétisme de façon un peu rudimentaire. Pour autant, ces clutters donnent lieu à des phénomènes importants de diffusion et de diffraction qui perturbent le champ électromagnétique. De plus, les données du clutter sont souvent de simples données statistiques qui n’ont qu’un rapport lointain avec la modélisation 3D de la scène. L’approche AMPERE consiste à utiliser le lancer de rayons Monte Carlo pour résoudre les équations de l’électromagnétisme dans un milieu local complexe de clutter afin d’en calculer la réponse. Par exemple, pour une forêt, le calcul par lancer de rayon Monte Carlo permet de caractériser la réponse électromagnétique du clutter en tenant compte de sa modélisation géométrique 3D spécifique.
Dans ce cas, AMPERE, grâce à une heuristique basée sur un modèle physique électromagnétique, simulera les lois de réflexion/diffraction locales, basées sur la physique, via une sommation cohérente des ondes.