Introduction à l imagerie radar Physique de la mesure

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1 Introduction à l imagerie radar Physique de la mesure Raquel Rodriguez Suquet, CNES UPS / SIA (18/10/2016)

2 Principe de la télédétection (1/4) Ensemble de techniques utilisées pour déterminer les propriétés des objets à partir de leur comportement en diffusion Objet diffusion capteur Réception Courtesy Christophe Valorge, CNES, SI/QI

3 Principes Physiques Rayons g Visible Selon leurs longueurs d onde ( leurs fréquences), les ondes électromagnétiques portent des noms différents : Fenêtre de visibilité pour le couvert nuageux : images insensibles aux conditions météorologiques Rayons cosmiques Rayons X UV Infrarouge Microondes Ondes courtes PO GO Longueur d onde mm OPTIQUE Radar Ondes radio 0,35 µm : violet 0,45 µm : bleu 0,50 µm : vert 0,55 µm : jaune 0,60 µm : orange 0,65 µm : rouge Bande K : GHz (1 cm) Bande X : 8-10 GHz (3 cm) Bande C : 5,2-5,3 GHz (5 cm) Bande S : 2-3 GHz (10 cm) Bande L : 1,2-1,4 GHz (25 cm) Bande P : 0,3-1 GHz ( 50 cm ) (f=c/l)

4 Rapport entre les longueurs d onde : Principes Physiques Noms courants des bandes spectrales optiques : Spectre visible : [0.4, 0.7 ] µm : Le monde tel qu on le voit B0~ µm Bleu B1~ µm Vert B2~ µm Rouge Proche infra-rouge : [0.7, 3] µm : vegetation, humidité de surface... (PIR ou NIR ~1.3-3 µm ) B3~ µm MIR (Moyen Infrarouge) ou SWIR (Short Wave Infrared) ~ µm Infra-rouge [3, 50 ] µm : signatures dépendante de la température (IRT) Micro-ondes [3 cm cm] : rugosité, humidité, biomasse, océanographie, objets métalliques, mouvements, radar Noms des bandes Radar : lettres (K, X, C, S, L, P)

5 opacité zénithale (db) Propriétés d absorption du spectre électromagnétique Transparence e.m. (bandes radar) Optique

6 Principes Physiques : Fréquences Radar Frequency (GHz) Effets P Ionosphère L S C ALOS ALMAZ RADARSAT ERS ENVISAT X TERRASAR SAR-LUPE COSMO Ku ALTI. SCAT. K Ka Pertes Atmosphériques Wavelength (cm) + - Pénétration au sol ou dans la végétation Sensibilité à la rugosité de surface + Sensibilité à l humidité du sol Pertes Atmosphériques (à cause de la détection de la pluie) Résolution spatiale (largeur de bande allouée)

7 Onde radar peu de sensibilité aux conditions meteo Landsat TM * optique ERS (radar C band, 23, VV)* radar

8 Principes physiques Raies d absorption de l atmosphère Atmosphère : les limites de la transparence électromagnétique 23.8 GHz Transparence : signal de Terre GHz Signal atmosphérique dominant Courtesy : Estelle Obligis (CLS)

9 Principes physiques Diversité spectrale «faible» (rapport 10) Visible µm Vapeur d eau µm Infrarouge : µm

10 Principes physiques Diversité spectrale «faible» (SPOT) B1 ~vert B0 ~bleu B2 ~rouge Composition colorée : Bleu = B0 Vert = B1 Rouge = B2

11 Principes physiques Diversité spectrale «forte» : optique radar (rapport ) OPTIQUE CNES, CST PELICAN (IGN-ONERA) 20 cm 2005

12 Principes physiques Diversité spectrale «forte» : optique radar (rapport ) RADAR ONERA CNES, Centre de Toulouse, ONERA-RAMSES,2004

13 Principes physiques Diversité des échelles d observation Grande variété des échelles d observation : pixel ~ 1 à 100 km : bilan radiatif, météorologie, atmosphère échelle globale ou continentale pixel ~ 100 à 1000 m : agriculture, forêt, océanographie, environnement échelle régionale ou continentale pixel ~ 10 à 100 m : agriculture, cartographie, géologie, gestion des risques échelle régionale ou locale pixel ~ 1 à 10 m : cartographie de précision, urbanisme, forêts échelle locale pixel ~ qq cm : renseignement militaire cibles Courtesy Christophe Valorge, CNES, SI/QI

14 Principes Physiques : Capteurs actifs Capteurs passifs RADAR : ACTIVE OPTIQUE : PASSIVE (émission d impulsions, réception d échos) (observation sans source d illumination propre au capteur) Océanographie, glaciologie Études continentales, cartographie Pluie, planétologie Météorologie, astronomie Océanographie, études atmosphériques copyright 14CNES

15 Principes Physiques : Illumination cohérente, illumination incohérente

16 Tourner autour de la Terre, les orbites d observation.

17 Généralités sur les orbites : Principe physique Equilibre des forces : P sat = fonction (H, M) (Poids) v H F centri = fonction (v, M); (Force centrifuge) Principe fondamental de la dynamique : forces 0 accélérati on 0

18 Généralités sur les orbites : Principe physique Si H P sat v H F centri V Le satellite tourne d autant moins vite que son altitude est élevée

19 Généralités sur les orbites : Les orbites képlériennes : géométrie Terre sphérique et homogène, orbite satellite : Plane Conique de foyer le centre attracteur (centre Terre)

20 Généralités sur les orbites : Les orbites képlériennes : lois horaires (1/2) périgée apogée a -Aires parcourues égales pour temps égaux (le satellite accélère au périgée)

21 Généralités sur les orbites : Les orbites képlériennes : lois horaires (2/2) a T a m : constante de gravitation terrestre : m = km 3 /s 2 m 2 const T : période et a : demi grand axe de l orbite

22 Généralités sur les orbites Les orbites képlériennes : lois horaires (2/2) a = R eq + H Période R eq = 6378 km (rayon Terre) H : altitude satellite T 2 a 3 const Demi grand axe Si : a, T

23 Période orbitale en min. Généralités sur les orbites Les orbites képlériennes : lois horaires (2/2) Orbites utilisées pour l observation de la Terre : circulaires (ou faiblement elliptiques) => altitude h et vitesse inertielle constantes (T) altitude en km (a) En orbite basse (h~800 km) : Période T ~ 1 h 40 Vitesse orbitale ~ 7 km /s

24 Généralités sur les orbites : type d orbites Orbite LEO ~ Km Vitesse satellite moyenne = 7.5 Km/s Applications : climatologie, océanographie, cartographie Orbite MESO ~ Km Vitesse satellite moyenne = 4 Km/s Applications : constellation GPS Orbite GEO ~ Km Vitesse satellite moyenne = 3 Km/s Applications : TV, méteo, télécommunications