Cartographie de l'environnement électromagnétique : techniques, outils et applications

La cartographie de l'environnement électromagnétique transforme des mesures dispersées en cartes exploitables de l'énergie radioélectrique. Des essaims de drones au krigeage, voici comment ces cartes sont construites et à quoi elles servent réellement.

Qu'est-ce que la cartographie de l'environnement électromagnétique ?

La cartographie de l'environnement électromagnétique (EEM) consiste à décrire de façon quantitative cet environnement à travers plusieurs variables : le temps, la fréquence, l'espace et l'intensité du champ. En clair, dresser une telle carte revient à produire une représentation visuelle de la répartition de l'énergie électromagnétique sur un territoire donné. Cette représentation a d'abord une vocation de surveillance et de prévention de la pollution électromagnétique, puisqu'elle permet de repérer les zones où l'exposition dépasse les seuils réglementaires.

Dans le domaine militaire, la cartographie de l'environnement électromagnétique (EEM) joue un rôle stratégique direct dans la guerre du spectre : pour planifier une opération, il faut en effet savoir comment se répartissent les émissions, qu'elles soient amies ou adverses. C'est précisément ce qui explique le foisonnement des travaux de recherche consacrés à la construction de ces cartes. La littérature emploie d'ailleurs toute une série d'appellations équivalentes : carte de l'environnement radio (REM), carte d'exposition aux champs électromagnétiques, carte de pollution électromagnétique, carte de rayonnement électromagnétique, carte de rayonnement non ionisant (NIR), carte d'intensité de champ électrique, ou encore cartographie électromagnétique souterraine.

Le spectre balayé s'étend des extrêmement basses fréquences (ELF) jusqu'aux radiofréquences et aux micro-ondes. C'est précisément cette étendue qui impose une telle diversité d'instruments et de méthodes : on ne travaille pas de la même façon selon qu'il s'agit de vérifier la conformité réglementaire, de planifier un réseau, de prospecter le sous-sol ou de répondre à des besoins de renseignement militaire.

Comment fonctionne la cartographie de l'environnement électromagnétique ?

La toute première étape, c'est donc de recueillir de l'information électromagnétique sur une zone bien délimitée. Le problème, c'est qu'on ne peut évidemment pas instrumenter chaque mètre carré : les mesures restent forcément éparses. Du coup, les méthodes classiques croisent ces relevés ponctuels avec une interpolation statistique — le krigeage en tête — afin d'estimer les effets de propagation sur des domaines en deux ou trois dimensions.

Ces dernières années, on voit de plus en plus de travaux qui misent sur l'apprentissage automatique, et surtout sur l'apprentissage profond, pour reconstruire des cartes à haute résolution à partir d'un nombre limité d'échantillons. L'enjeu est double : d'un côté, il s'agit de réduire le coût des mesures sur le terrain ; de l'autre, d'améliorer la fidélité de la carte que l'on obtient au final.

Plusieurs architectures coexistent. L'autoencodeur convolutif, ou CAE, compresse les données spatiales en une représentation de faible dimension. Le réseau antagoniste génératif (GAN), lui, entraîne en opposition un générateur et un discriminateur afin de reconstruire la carte. Quant au U-Net, un encodeur-décodeur convolutif doté de connexions résiduelles, il permet une localisation précise lors de la génération de REM. Enfin, l'apprentissage par renforcement (RL) sert à élaborer des stratégies adaptatives de surveillance du spectre.

Essaims de drones et capture de mouvement pour la collecte de données EEM

Le relief complique souvent le travail de terrain, et c'est bien là que les drones prennent tout leur sens : ils sont très utiles sur le plan opérationnel et offrent un bon rapport coût-efficacité. Face à un drone seul, un groupe de drones se montre plus rapide dans l'exécution des tâches, affiche un meilleur taux de réussite et collecte des données avec davantage de précision. L'essaim s'impose donc comme la plateforme de collecte à privilégier.

À l'Université de sciences et technologies électroniques de Chine (UESTC), des travaux de recherche illustrent bien cette approche. La thèse de Li Tong, soutenue en 2022, portait sur une méthode de construction de carte de l'environnement électromagnétique reposant sur un essaim de drones. Pour ce faire, l'équipe a eu recours à un système optique de capture de mouvement 3D NOKOV, équipé de 24 caméras Mars 4H.

Côté caractéristiques techniques, le système affiche une résolution de 4 mégapixels, un taux de rafraîchissement de 180 Hz, une latence de 5,2 ms, un champ de vision de 52 degrés et une précision de l'ordre du submillimétrique. Le volume de capture, lui, s'étendait sur 6 m x 4 m — le tout déployé pour un client de l'École d'ingénierie de l'automatisation de l'UESTC.

Le tableau qui suit regroupe l'ensemble des paramètres du système de capture mobilisé pour valider la méthode.

Ces valeurs indiquent que la validation des algorithmes de cartographie en essaim s'appuie avant tout sur une métrologie de laboratoire d'une grande finesse, en amont de tout déploiement sur le terrain. À cela s'ajoute le logiciel NOKOV Seeker 1.6, qui vient compléter la chaîne d'acquisition.

Cartes de l'environnement radio (REM) : paramètres et cas d'usage

Une carte de l'environnement radio (REM) est une représentation géospatiale de paramètres radioélectriques tels que la puissance de signal reçue, les niveaux d'interférence ou l'occupation spectrale sur une région. Elle peut être résolue spatialement, et parfois spectralement. Les REM soutiennent le partage dynamique du spectre, les réseaux radio cognitifs, la planification des réseaux 5G et 6G, l'évaluation de l'exposition aux champs électromagnétiques, ainsi que les communications militaires et de sécurité publique.

La différence avec une simple carte de couverture tient à la richesse des variables représentées : une REM ne se limite pas à la puissance reçue, elle intègre l'interférence et l'occupation du spectre, ce qui permet de raisonner sur la coexistence entre systèmes.

Les méthodes de reconstruction issues de l'apprentissage profond, décrites plus haut, sont précisément ce qui rend ces cartes exploitables à grande échelle sans multiplier les campagnes de mesure. Pour un opérateur, l'enjeu est de disposer d'une image fiable du spectre sans immobiliser des équipes pendant des semaines.

Cartographie de l'exposition EMF pour les villes et la conformité réglementaire

La cartographie de l'exposition aux champs électromagnétiques (EMF) sert directement à la conformité réglementaire et à l'aménagement du territoire. Des travaux publiés par Kiouvrekis en 2024 ont utilisé cinq méthodes géospatiales pour produire une carte électromagnétique nationale, en identifiant les zones d'exposition les plus élevées afin d'aider à l'implantation des écoles et des hôpitaux.

Le jeu de données associé, publié en 2025, inclut des caractéristiques géospatiales et environnementales : distance aux antennes, densité de population, niveau d'urbanisation et données bâties. Cette combinaison permet de relier l'exposition mesurée à des facteurs explicatifs, plutôt que de se contenter d'une photographie ponctuelle.

Le cadre normatif mobilise plusieurs acteurs : ANSI, IEEE, FCC, OSHA, NEPA (loi de 1969), la recommandation ITU-T K.113 et l'Organisation mondiale de la santé. Les mesures de conformité sont souvent enregistrées à intervalles réguliers ; le jeu de données IEEE Dataport, par exemple, recense des mesures d'intensité EMF relevées toutes les demi-heures.

Sur le terrain, les instruments dédiés à cette mission sont nombreux. Wavecontrol propose la solution MapEM avec les sondes de champ WPF3, WPF6, WPF8, WPF18, WPF40, WPF60, WPF60s et WPF90, ainsi que SMP3, MonitEM et MonitEM-Lab. Exem commercialise de son côté EMF City Map et NETWORK City Map, cette dernière étant montée sur vélo électrique.

Toutes ces sondes mesurent le champ électrique E en large bande. Le choix dépend donc de la plage de fréquences visée et du type de source à caractériser.

FDEM et TDEM : les méthodes de cartographie électromagnétique souterraine

La cartographie électromagnétique souterraine repose sur un principe commun : exposer le sous-sol à un champ primaire variable induit un courant électrique, et le champ électromagnétique secondaire est mesuré depuis la surface. Les variations de conductivité du sous-sol induisent des quantités de courant différentes, créant des variations de champ magnétique cartographiables. Le récepteur répond aux champs primaire et secondaire, ce qui révèle des différences de phase, d'amplitude et de direction.

La méthode FDEM (domaine fréquentiel) utilise une bobine émettrice qui émet un champ primaire sur plusieurs fréquences ; les courants de Foucault produisent des champs secondaires, et les composantes en phase et en quadrature (déphasage de 90 degrés) sont inversées en susceptibilité magnétique et conductivité apparente. Elle convient particulièrement à la reconnaissance de terrains vierges et cartographie les cavités, les variations géologiques peu profondes et les panaches de contamination.

La méthode TDEM (domaine temporel) utilise une boucle émettrice qui émet une impulsion transitoire pendant la phase d'émission ; les récepteurs mesurent la décroissance du champ magnétique secondaire, exprimée en millivolts, pendant la phase d'arrêt. La force et le temps de réponse indiquent la teneur en matériaux ferreux et la profondeur. Elle convient aux sites déjà aménagés et cartographie les obstructions enterrées, les fondations, les munitions non explosées (UXO) et les cuves de stockage souterraines (UST).

Enfin, la localisation de réseaux enterrés par méthode électromagnétique applique un courant à la canalisation cible, qui rayonne alors un champ le long de son tracé ; un récepteur portable accordé sur cette fréquence localise la position horizontale et estime la profondeur. Cette technique ne détecte pas les matériaux non conducteurs comme le PVC, le béton ou la fibre optique, et doit être complétée par un radar à pénétration de sol (GPR).

Observation spatiale et modélisation 3D de la propagation

La cartographie ne se limite pas au sol. Un groupe international dirigé par Shoya Matsuda, professeur associé à l'Université de Kanazawa, a produit une image 3D de la propagation des ondes. Lauren Blum, du LASP de l'Université du Colorado Boulder, figure parmi les coauteurs, et les résultats ont été publiés dans Geophysical Research Letters.

Les points d'observation mobilisés sont variés : le satellite japonais Arase et la station au sol PWING, les satellites américains Van Allen Probes, et le réseau de magnétomètres au sol CARISMA au Canada. Cette combinaison de mesures spatiales et terrestres permet de reconstruire la propagation dans trois dimensions.

Le projet réunit l'Université de Kanazawa, l'Université de Nagoya, l'Université du Colorado Boulder, l'Université du Minnesota, l'Institut des sciences spatiales et astronautiques de la JAXA, l'Université de Tohoku, l'Université de Kyoto, l'Institut de technologie de Kyushu, le Laboratoire national de Los Alamos, l'Université du New Hampshire, l'Institut national des technologies de l'information et de la communication, l'Institut national de recherche polaire et l'Université de l'Alberta.

Ces travaux illustrent une tendance de fond : la cartographie électromagnétique devient tridimensionnelle et multi-échelle, du sous-sol urbain à la magnétosphère.

Tests militaires et infrastructures d'essai E3

Les applications militaires de l'EEM s'appuient sur des infrastructures d'essai spécialisées. L'Army E3 Test Facility dispose d'une chambre 1 de dimensions 35 x 14 x 14, d'un polygone électromagnétique de 2 500 miles carrés, du site de Wilcox Dry Lake couvrant 23 000 acres et d'un espace aérien réglementé de 964 miles carrés.

Ces installations permettent de tester la compatibilité électromagnétique et les effets des environnements radioélectriques sur les équipements, dans des conditions contrôlées puis en champ libre. La cartographie sert alors autant à qualifier le matériel qu'à préparer les opérations de spectre.

Pour un lecteur non militaire, l'enseignement utile est simple : la cartographie électromagnétique est une brique d'infrastructure. Elle demande des moyens de mesure calibrés, des zones d'essai dédiées et une méthodologie reproductible, que l'on parle de conformité civile ou de spectre de défense.

Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'une carte de l'environnement électromagnétique ?

C'est une description quantitative et visuelle de la distribution de l'énergie électromagnétique sur une zone, exprimée selon des variables comme le temps, la fréquence, l'espace et l'intensité de champ. Elle sert à surveiller et prévenir la pollution électromagnétique, et dans un cadre militaire elle soutient directement la guerre du spectre électromagnétique.

Comment fonctionne la cartographie de l'environnement électromagnétique ?

La première étape consiste à collecter de l'information électromagnétique sur une zone. Les mesures éparses sont combinées à une interpolation statistique comme le krigeage, ou reconstruites par des méthodes d'apprentissage automatique et profond, afin de prédire les effets de propagation en deux ou trois dimensions et de produire des cartes à haute résolution.

Qu'est-ce qu'une carte de l'environnement radio (REM) ?

Une REM est une représentation géospatiale de paramètres radioélectriques tels que la puissance du signal, l'interférence ou l'occupation du spectre sur une région. Elle sert au partage dynamique du spectre, aux réseaux radio cognitifs, à la planification 5G et 6G, à l'évaluation de l'exposition aux champs électromagnétiques et aux communications militaires et de sécurité publique.

Pourquoi utiliser des drones pour cartographier l'environnement électromagnétique ?

Le terrain physique est difficile à parcourir, ce qui rend les drones très utiles et économiques. Un groupe de drones atteint une vitesse d'exécution, un taux de réussite et une précision de collecte supérieurs à ceux d'un drone isolé, ce qui fait de l'essaim la plateforme de collecte privilégiée pour ce type de campagne.