Telecommunications en milieu complexe

Retournement temporel et Télécommunications


La photo ci-contre présente un milieu désordonné particulièrement complexe : lorsqu’il est immergé, les ultrasons qui s’y propagent rencontrent de très nombreux obstacles et sont diffusés de nombreuses fois avant de pouvoir traverser l’échantillon (diffusion multiple). En régime impulsionnel, cela se traduit par un allongement considérable du signal transmis, qui prend l’allure d’un bruit aléatoire et s’étale de façon erratique sur plusieurs centaines de fois la durée de l’impulsion initiale. De tels phénomènes de diffusion multiple se rencontrent fréquemment dans la nature. Par exemple la lumière est multiplement diffusée dans le lait, ou plus généralement dans les suspensions colloïdales.

De même, les ondes sismiques peuvent être diffusées multiplement dans la croûte terrestre. Les ultrasons subissent la diffusion multiple dans les milieux très hétérogènes (milieux granulaires, suspensions, mousses, aciers… ) ou réverbérants, ce qui met en échec les techniques classiques d’imagerie ou de communication dans de tels milieux. La grande souplesse d’utilisation des émetteurs/récepteurs ultrasonores permet de tester expérimentalement la réversibilité de la propagation (« retournement temporel »). Le principe de base est le suivant : l’onde transmise à travers le milieu est enregistrée en un ou plusieurs points, retournée temporellement et réémise à travers le même milieu. On observe alors un phénomène étonnant : l’onde qui, à cause des multiples diffusions avait « éclaté » comme une vague en des milliers d’embruns, se reforme, vient se refocaliser précisément sur la source qui lui a donné naissance, et retrouve sa durée initiale.Spatialement, la précision de la focalisation est excellente et peut atteindre les limites physiques de la diffraction (une demi-longueur d’onde).

Ce résultat montre qu’on peut tirer parti du désordre, des réverbérations d’un milieu complexe pour « inverser » la complexité de la propagation et refocaliser une onde brève sur sa source. Il a de nombreuses applications, développées au LOA : focalisation adaptative à travers des milieux aberrants (crâne etc...), lithotritie, détection de cibles ou de défauts, télécommunications acoustiques et électromagnétiques dans les milieux désordonnés ou réverbérants (guide d’ondes sous-marin).

A travers un milieu aussi complexe que la forêt de tiges métalliques présentée ci-dessus, il est a priori impossible de transmettre directement un message cohérent. Pourtant, le retournement temporel permet de refocaliser temporellement et spatialement une brève impulsion ultrasonore, avec une résolution spatiale bien meilleure qu’en milieu homogène (ici, de l’eau). Dans l’expérience ci-dessus, on profite de cet effet pour communiquer simultanément 5 impulsions élémentaires à 5 utilisateurs différents sans que les messages se recouvrent, ce qui ne serait pas possible en milieu homogène. Cette expérience montre qu’on peut tirer parti de la complexité du milieu de propagation, pour véhiculer davantage d’information qu’en milieu homogène, ce qui semble paradoxal de prime abord. L’application de ce principe communications électromagnétiques à large bande est à l’étude au laboratoire (G. Lerosey et al, LOA)

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