Étude d’une métasurface et optimisation par apprentissage pour améliorer la pénétration des ondes radar dans le sol

Emmah est une Unité Mixte de Recherche (UMR) regroupant Avignon Université (AU) et l’INRAe. Une large partie du département de physique d’Avignon Université fait partie de cette unité et travaille notamment sur des problèmes de modélisations directe et inverse. L’unité dispose de calculateurs puissants que pourra utiliser le stagiaire et de logiciels tels que MATLAB ou COMSOL multiphysics.

Contexte : L'imagerie par géoradar (Ground Penetrating Radar, GPR) est une technique centrale du contrôle non destructif des sols. Elle sert en agriculture, en génie civil, en glaciologie, en archéologie et dans de nombreuses études environnementales. Ses performances restent toutefois limitées par le faible couplage électromagnétique entre les antennes radar et le sol. Une part importante de l'énergie incidente est réfléchie à l'interface air-sol, ce qui réduit l'énergie transmise dans le milieu et dégrade le rapport signal sur bruit.
Le projet ANR JCJC METINVERSE (https://anr.fr/Projet-ANR-25-CE51-5561) est porté par l'UMR EMMAH en collaboration avec le LEAT (Université Côte d'Azur). Il vise à maximiser la transmission des ondes électromagnétiques dans le sol en plaçant une métasurface passive entre les antennes du GPR et le milieu étudié. Cette métasurface est une structure périodique de faible épaisseur devant ses dimensions latérales, faite de cellules élémentaires répétées. Pour chaque cellule, on peut ajuster différents paramètres géométriques et électromagnétiques afin de modifier la réponse de la métasurface. L'objectif est de trouver des configurations qui améliorent le signal transmis dans le sol et limitent ainsi les réflexions à l'interface.
Une doctorante recrutée sur le projet développe le modèle électromagnétique direct de la métasurface, par éléments finis sous COMSOL Multiphysics. Le stage complète directement ce travail. Il se situe à l'interface entre la modélisation électromagnétique, la simulation numérique, l'optimisation et l'apprentissage automatique.

Travail demandé : Le ou la stagiaire aura pour missions principales :

1) Prendre en main le modèle direct par éléments finis développé sous COMSOL Multiphysics dans le cadre de la thèse associée au projet. Explorer l'espace des paramètres géométriques et électromagnétiques des cellules élémentaires de la métasurface.

2) Constituer une base de données numérique qui relie les paramètres des métasurfaces simulées à des indicateurs de la transmission de l'onde dans le sol. Ces indicateurs restent à définir. Cette étape demandera une réflexion physique sur le choix des variables et des critères à optimiser.

3) Mettre en place une approche d'apprentissage automatique par réseaux de neurones. Le réseau servira d'abord de modèle de substitution (métamodèle) rapide du calcul par éléments finis. Il servira ensuite à proposer automatiquement des configurations de métasurface qui améliorent l'adaptation d'impédance entre le GPR et le sol.
Une attention particulière sera portée à l'échantillonnage efficace de l'espace des paramètres (plans d'expériences, échantillonnage adaptatif…), afin de limiter le nombre de simulations nécessaires.

Ces travaux pourront évoluer en fonction du profil et de l'avancée des travaux au cours du stage. 

Lieu, encadrement et moyens : Le stage se déroulera au sein de l'UMR EMMAH (Avignon Université / INRAE), sur le campus Agroparc, à Avignon. C'est une ville universitaire du sud de la France, réputée pour son patrimoine historique et culturel (festival d'Avignon). D'une durée de six mois (février – juillet 2027), le stage donnera lieu à la gratification légale. Le/la stagiaire disposera d'un bureau et de moyens de calcul performants. Il ou elle bénéficiera d'un environnement scientifique dynamique, avec trois doctorants et d'autres stagiaires de M2, et pourra participer aux animations scientifiques de l'unité. Le travail sera mené en interaction étroite avec la doctorante chargée du modèle électromagnétique direct. L'encadrement sera assuré principalement par Simon Marcellin et Slimane Arhab, maîtres de conférences à Avignon Université. Gilles Micolau, professeur des universités et directeur du LSBB (Laboratoire Souterrain à Bas Bruit), assurera la supervision.

Le/la candidat·e devra être inscrit·e en Master 2 ou en dernière année d'école d'ingénieurs, idéalement en physique, mathématiques appliquées, modélisation numérique ou informatique.

Une bonne maîtrise de la programmation scientifique est attendue, en particulier des méthodes d'optimisation sous Python ou MATLAB (SciPy Optimize, Optimization Toolbox ou équivalents).

Une première expérience en apprentissage automatique (PyTorch, TensorFlow, scikit-learn…) sera un atout.

Un intérêt pour la physique numérique, l'électromagnétisme et l'IA est recherché, ainsi qu'un bon niveau en mathématiques.

La maîtrise de COMSOL n'est pas indispensable, mais une expérience des méthodes numériques ou des éléments finis sera appréciée.

Des productions scientifiques ou logicielles accessibles en ligne (GitHub, etc.) pourront être valorisées.

Curiosité, autonomie et goût pour la recherche seront des atouts majeurs.