Soutenance mémoire
L’imagerie SAR (Synthetic Aperture Radar) ou RSO (Radar à Synthèse d’Ouverture) est une technique de télédétection établie depuis le lancement du satellite SEASAT en 1978 et permettant l’observation de la Terre. Comme son nom l’indique, le SAR, grâce au déplacement de la plateforme, synthétise une antenne de longueur importante. Les images de la surface de la Terre ainsi acquises sont de taille considérable pouvant atteindre des centaines de kilomètres et pour lesquelles la résolution spatiale varie de plusieurs dizaines de mètres à plusieurs dizaines de centimètres. L’imagerie radar est fondée sur l’émission d’ondes électromagnétiques et sur la mesure de l’écho renvoyé par la zone éclairée afin de générer une carte de réflectivité. La technique SAR constitue une extension de l’imagerie radar donnant des images de la surface de la Terre avec une résolution élevée. Les systèmes SAR sont des systèmes radar actifs, i.e. fournissant eux mêmes leur propre source d’illumination, opérant dans les micro-ondes. Par conséquent, leur capacité d’acquisition de jour comme de nuit, et par tous types de temps notamment en basse fréquence est un avantage considérable par rapport aux systèmes d’imagerie optique. Ces systèmes utilisent une large gamme de fréquences permettant de caractériser tous types de rétrodiffuseurs selon le besoin. Ainsi, un système opérant en bande P (i.e. 0,3 à 1,0 GHz) et donc émettant de grandes longueurs d’onde pénètre la canopée des forêts. De ce fait, des contributions de rétrodiffusion du sol, des troncs des arbres et du couvert végétal sont reçues par le radar. De nombreuses applications basées sur l’imagerie SAR ont vu le jour grâce aux techniques de polarimétrie et d’interférométrie.
Concepts fondamentaux
Imagerie SAR
Les concepts fondamentaux d’un système SAR sont exposés dans cette section. Le SAR est un système actif d’émission/réception d’ondes électromagnétiques opérant de jour comme de nuit. Cette technique est largement employée pour l’observation de la Terre car elle n’est pas soumise aux conditions météorologiques. En effet, les grandes longueurs d’onde utilisées varient de 1cm à 1m, ce qui leur permet de traverser la couche nuageuse, la pluie, les aérosols sans être perturbées, contrairement aux longueurs d’onde du visible et de l’infrarouge qui sont plus courtes. On peut donc souligner l’intérêt du radar qui est d’opérer en haute latitude ou au niveau de la ceinture tropicale, zones souvent couvertes par des nuages. Dans cette section, la configuration géométrique d’un tel système est présentée, ainsi que sa résolution spatiale.
Configuration géométrique du SAR
Le porteur, aéroporté ou satellitaire, se déplace le long d’une trajectoire appelée direction de vol. Le radar émet des impulsions électromagnétiques vers le sol et la surface illuminée diffuse ces ondes de manière omnidirectionnelle. Une partie sera alors reçue par le système pour être enregistrée, il s’agit de la partie dite « rétrodiffusée ». Du fait du déplacement du porteur, les empreintes au sol se chevauchent et un même point . est illuminé plusieurs fois. La résultante de tous les échos provoqués par tous les points éclairés est un signal qui, par traitement de synthèse d’ouverture, forme une image de la zone observée telle que celle enregistrée par une large antenne. La synthèse d’ouverture permet donc de reproduire une antenne de très grande taille avec une antenne physique relativement petite, en déplaçant l’antenne du capteur le long de la direction de vol [Curlander 91].
La direction de vol que suit la plateforme se déplaçant à une altitude H est aussi appelée azimut et est perpendiculaire à la direction de visée du radar, appelée distance ou range en anglais. La surface éclairée au sol à chaque impulsion est appelée empreinte et l’ensemble de ces empreintes formées lors du déplacement du capteur est appelé fauchée radar.
Résolution d’un SAR
La résolution spatiale est un élément clé de la qualité d’un système SAR. Il s’agit de la capacité du radar à séparer deux points proches au sol. Afin d’obtenir une résolution en distance élevée, des impulsions très courtes sont nécessaires. Cependant, l’énergie de ces impulsions doit être considérable afin de minimiser les effets de bruit et permettre la détection des signaux réfléchis. Or, le matériel requis pour transmettre à la fois des impulsions très courtes et d’énergie élevée est trop complexe. C’est pourquoi cette énergie est générée sur toute la durée d’une impulsion plus longue. Par la suite, la technique de compression d’impulsions est utilisée afin de retrouver la résolution en distance souhaitée. Cette technique consiste en l’émission d’impulsions modulées linéairement en fréquence sur une durée τ. Le signal balaie une bande de fréquence B centrée sur une fréquence porteuse f0. Un tel signal est appelé « chirp » à rampe de fréquence linéaire. Le signal reçu est alors traité par filtrage adapté afin d’obtenir la même résolution effective qu’un signal émis de longueur 1/B.
Polarimétrie SAR
La polarimétrie est l’étude de la réponse électromagnétique d’un objet ou milieu rétrodiffusant illuminé par un signal SAR polarisé. Les modifications du signal observées sont liées aux caractéristiques géométriques et aux propriétés physiques de la cible. Cette section présente les concepts primordiaux de la polarimétrie SAR en rappelant succinctement la propagation des ondes électromagnétiques, puis en définissant la polarisation d’une onde, et enfin en présentant la matrice de diffusion caractérisant les propriétés électromagnétiques de l’objet ou du milieu rétrodiffusant.
Propagation des ondes électromagnétiques
L’électromagnétisme décrit les interactions du champ électromagnétique avec les charges électriques. Le champ électromagnétique est une combinaison des champs électriques et magnétiques. Les interactions des ondes électromagnétiques avec un milieu sont décrites par les équations de Maxwell. En effet, celles-ci régissent tous les aspects de l’électromagnétisme tels que la génération d’onde, la propagation et l’interaction avec un milieu.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE 1 – Fondements
CHAPITRE 1 – Concepts fondamentaux
1.1. Imagerie SAR
1.1.1. Configuration géométrique du SAR
1.1.2. Résolution d’un SAR
1.2. Polarimétrie SAR
1.2.1. Propagation des ondes électromagnétiques
1.2.2. Polarisation d’une onde
1.2.2.1. Système cartésien
1.2.2.2. Ellipse de polarisation
1.2.2.3. Vecteur de Jones
1.2.2.4. Vecteur de Stokes
1.2.3. Matrice de diffusion pour la caractérisation de cibles simples
1.2.3.1. Matrice de diffusion
1.2.3.2. Vecteur de rétrodiffusion
1.2.3.3. Matrices de covariance et de cohérence
1.2.4. Propriétés de symétrie
1.2.4.1. Symétrie de réflexion
1.2.4.2. Symétrie de rotation
1.2.4.3. Symétrie azimutale
1.3. Interférométrie SAR
1.3.1. Géométrie et principes de base
1.3.1.1. Hauteur du réflecteur
1.3.1.2. Notion de phase interférométrique
1.3.2. Cohérence interférométrique
1.4. Interférométrie SAR polarimétrique
1.4.1. Vecteurs interférométriques
1.5. Conclusion
1.6. Références
CHAPITRE 2 – Polarimétrie compacte
2.1. Polarimétrie complète – Rappels
2.2. Contraintes du SAR polarimétrique satellitaire
2.2.1. Dimensionnement d’un système SAR
2.2.1.1. Largeur de la fauchée et PRF
2.2.1.2. Taux de données acquises
2.2.1.3. Ambiguïtés
2.2.2. Effets ionosphériques
2.3. Polarimétrie compacte
2.3.1. Mode π/4
2.3.2. Mode π/2
2.3.3. Mode hybride
2.3.4. Conclusion
2.4. Interférométrie SAR polarimétrique compacte
2.4.1. Vecteurs de rétrodiffusion interférométriques
2.4.2. Région de cohérence compact-PolInSAR
2.5. Algorithmes d’inversion de la hauteur des rétrodiffuseurs
2.5.1. Modèle Random Volume over Groung (RVoG)
2.5.2. Adaptation du modèle RVoG et effets ionosphériques en C-PolInSAR
2.5.3. Algorithme de reconstruction de la matrice F-PolInSAR
2.6. Conclusion
2.7. Références
PARTIE 2 – Rotation de Faraday
CHAPITRE 3 – Rotation de Faraday – Définition
3.1. Propagation des ondes à travers l’ionosphère
3.2. Algorithmes d’estimation de la rotation de Faraday
3.2.1. Contenu total en électrons (TEC)
3.2.2. Perturbations magnéto-ioniques en polarisations circulaires
3.2.3. Rotation de Faraday
3.2.3.1. Effets de la rotation de Faraday
3.2.3.2. Détection de la rotation de Faraday
3.2.3.3. Estimation et correction de la rotation de Faraday
3.2.3.4. Suppression de l’ambiguïté
3.2.3.5. Estimation de la rotation de Faraday sur données spatiales
3.2.3.6. Cas du mode de polarimétrie compacte
3.3. Conclusion
3.4. Références
CHAPITRE 4 – Coefficient de conformité
4.1. Classifications existantes
4.1.1. Classification de Cloude-Pottier ou H/α
4.1.2. Modèle de Freeman-Durden
4.1.3. Classification de Yamaguchi
4.1.4. Synthèse
4.2. Vecteur de rétrodiffusion compact
4.3. Coefficient de conformité
4.3.1. Définition
4.3.2. Détermination de seuils
CONCLUSION
