Acquisition de données 3D par radar

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1 Séminaire 3D 24 avril 2015

2 Acquisition, archivage, diffusion Acquisition de données 3D par radar Raphaël Rouveure IRSTEA Groupement de Clermont-Ferrand Unité de Recherche TSCF Equipe Radar

3 Acquisition, archivage, diffusion Différentes techniques permettent d appréhender l information 3D par radar Interférométrie SAR (InSAR) altimétrie radar Télédétection travaux IRSTEA

4 Acquisition, archivage, diffusion Interférométrie SAR Principe des mesures radar en télédétection - radar positionné sur une plateforme aérienne ou satellite - visée latérale (perpendiculaire à l avancement du porteur) antenne Résolution radiale déterminée par la résolution en distance du radar Résolution en azimut déterminée par la taille de l empreinte au sol dans l axe azimutal empreinte radar el az résolution radiale

5 Acquisition, archivage, diffusion Interférométrie SAR Principe des mesures radar en télédétection Amélioration de la résolution en azimut faisceau d antenne étroit en azimut (empreinte étroite en azimut) Les Radars à Visée Latérale (RVL) fonctionnent sur ce principe Side Looking Airborne Radar (SLAR) Problème : l ouverture du faisceau d antenne ( taille empreinte) est inversement proportionnelle à la taille de l antenne Objectif des radar SAR : améliorer la résolution en azimut sans utiliser d antenne de grande dimension résolution radiale

6 Principe du SAR Acquisition, archivage, diffusion Interférométrie SAR (SAR : Synthetic Aperture Radar ROS : Radar à Ouverture de Synthèse) antenne synthétisée antenne réelle Avec un radar SAR : - Utilise une antenne de petite dimension (faisceau d antenne large) - La combinaison des images acquises lors du déplacement de l antenne permet de synthétiser une antenne de grande dimension (faisceau d antenne étroit) Mais une image SAR est une image 2D

7 Acquisition, archivage, diffusion Interférométrie SAR Principe de l interférométrie Déterminer l écart de phase Δ mesuré pour le même point C à partir de positions différentes P 1 et P r ( r = r 1 - r 2 ) h P 1 B P 2 r 1 A partir de l écart de phase Δ et de la configuration de mesure, on peut géométriquement déterminer l altitude Z du point C r 2 C Traitement pixel à pixel entre les images SAR Disposer d images SAR parfaitement juxtaposées Connaître et maîtriser la configuration de mesure La phase mesurée dépend de paramètres autres que la seule topographie : = topo + orb + atmosp + bruit Z

8 Acquisition, archivage, diffusion Interférométrie SAR Exemple de résultat : ONERA plateforme SETHI (SETHI : Système Expérimental de Télédétection Hyperfréquence Imageur)

9 Acquisition, archivage, diffusion Altimétrie radar Principe de l altimétrie radar - Radar pointe à la verticale vers le bas - Mesure du temps de vol de l impulsion radar - Si on connait parfaitement la trajectoire du porteur relevé topographique de l environnement survolé Approche beam-limited ouverture d antenne faible Si H est grand (ERS1 : altitude 785 km), il est nécessaire de déployer de très grandes antennes H empreinte radar

10 puissance Vue du dessus Vue latérale Acquisition, archivage, diffusion Altimétrie radar Principe de l altimétrie radar - Approche pulse-limited Utilisation d antenne à large ouverture (dimension réduite) et analyse temporelle du signal radar réfléchi L analyse temporelle du signal réfléchi permet - de déterminer la distance radar-surface - d estimer les irrégularités de surface (par exemple la hauteur significative des vagues) temps

11 Acquisition, archivage, diffusion Altimétrie radar Mission Jason 2 Altimètre Poséidon-3 Mesure des anomalies de hauteur à la surface des océans altitude 1335 km, GHz (bande Ku), ouverture antenne 1.28, diamètre empreinte 30 km Topographie de l Antarctique mesurée par l altimètre du satellite ERS1 altitude 785 km, 13,8 GHz (bande Ku), ouverture antenne 1.3, diamètre empreinte 18 km

12 Acquisition, archivage, diffusion Travaux préliminaires radar à IRSTEA Pourquoi utiliser un radar hyperfréquence? accès à des propriétés géométriques (distance, forme, rugosité, ) accès à des propriétés diélectriques (nature du matériau, humidité, ) mesure sans contact insensibilité aux conditions environnementales et aux variations de luminosité Développement de radars continus modulés en fréquence (FMCW) pour la cartographie et la localisation simultanées perception pour la robotique mobile autonome cartographie pour le suivi environnemental

13 véhicules terrestres Acquisition, archivage, diffusion Travaux préliminaires radar à IRSTEA 0 m Approche multiplateformes 500 m 0 m 600 m

14 embarcations fluviales Acquisition, archivage, diffusion Travaux préliminaires radar à IRSTEA Image infrarouge Image radar Approche multiplateformes Exemple de résultats obtenu sur la rivière Ardèche

15 Acquisition, archivage, diffusion Travaux préliminaires radar à IRSTEA Les radars développés utilisent des antennes fan-beam étroites dans le plan horizontal az (azimut) larges dans le plan vertical el (élévation) Une cible T est localisées avec ses coordonnées distance r angle rotation antenne L élévation (altitude) d une cible ne peut être déterminée Pas d information 3D : construction de carte 2D uniquement

16 Objectif Acquisition, archivage, diffusion Altimètre radar 3D à IRSTEA Génération de modèle numérique de surface (MNS) des zones survolées Principe utilisation d un faisceau radar de type crayon (étroit en azimut et élévation) balayage à l avant de la plateforme, perpendiculairement au déplacement couplage des mesures de distances fournies par le radar avec une localisation 6D (position & attitude) drone faisceau antenne empreinte radar Un seul degré de liberté afin de limiter la complexité du balayage de l antenne utilisation du déplacement du porteur comme second degré de liberté b

17 développement d un simulateur Acquisition, archivage, diffusion Altimètre radar 3D à IRSTEA valider le principes de mesure et définir les principaux paramètres de fonctionnement du radar

18 Altitude (m) Modélisation de l environnement Acquisition, archivage, diffusion Altimètre radar 3D à IRSTEA Deux types d éléments sont modélisés sol bâtiments (parallélépipèdes) chaque point est caractérisé par (1) sa position (x,y,z), (2) la normale n à la surface, et (3) un coefficient de rétrodiffusion s 0 Possibilité de créer des environnement plus réalistes en intégrant des modèles numériques de terrains (base de données géoréférencées type BD Alti IGN)

19 Altitude (m) Modélisation de la plateforme Acquisition, archivage, diffusion Altimètre radar 3D à IRSTEA simulation de trajectoires de vol réalistes en terme de positionnement et d attitude modélisation des données issues d une centrale de navigation : position (x,y,z) et angles d attitude (lacet, tangage,roulis) Possibilité d intégrer des données de trajectoires réelles (enregistreurs de vol) V V vitesse de déplacement

20 Altitude (m) Modélisation de l altimètre radar Acquisition, archivage, diffusion Altimètre radar 3D à IRSTEA Modélisation d un radar continu modulé en fréquence (FMCW) Modélisation de lobes d antenne 2D Modélisation du balayage d antenne V b a V vitesse de déplacement angle d incidence b angle de balayage a angle d ouverture en azimut a angle d ouverture en site s

21 Acquisition, archivage, diffusion Altitude (m) Modélisation Altitude (m) Altimètre radar 3D à IRSTEA Reconstruction 3D

22 Acquisition, archivage, diffusion Altimètre radar 3D à IRSTEA Evaluation l influence des paramètres du radar Modélisation Reconstruction 3D Ouverture antenne ±1 Ouverture Antenne Erreur min (m) Erreur max (m) Erreur mean (m) Erreur std (m) ±2 ±1-9,3 11,0 0,04 1,2 ±2-10,4 12,4 0,0 1,5 ±4-10,9 15,6 0,3 2,8 ±4