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Notions fondamentales de télédétection

3.1 Introduction

La détection par hyperfréquences (micro-ondes) comprend la forme active et la forme passive de la télédétection. Comme nous l'avons décrit dans le chapitre 2, la portion du spectre des hyperfréquences couvre une longueur d'onde d'une étendue variant de 1 centimètre à 1 mètre. Ces longueurs d'onde sont grandes par rapport aux ondes visibles et infrarouges, les hyperfréquences ont donc des propriétés particulières en télédétection. Les ondes les plus longues passent au travers de la couche nuageuse, la bruine, la poussière et la pluie fine puisqu'elles ne sont pas sensibles à la diffusion atmosphérique qui affecte les ondes plus courtes. Cette propriété permet la détection dans presque toutes les conditions atmosphériques, et donc l'acquisition de données en tout temps.

La télédétection passive par hyperfréquences est semblable à la télédétection thermique. Tout objet émet une certaine quantité d'énergie dans les hyperfréquences, mais la magnitude en est généralement très faible. Un capteur passif détecte l'énergie dans les hyperfréquences émises naturellement dans son champ de vision. Cette énergie est fonction de la température et de l'humidité de l'objet sur la surface émettrice. Les capteurs passifs sont habituellement des radiomètres ou des balayeurs et fonctionnent de la même manière que les systèmes dont il a été question précédemment. Toutefois, la détection de l'énergie dans les hyperfréquences requiert une antenne.

L'énergie enregistrée dans la partie du spectre des hyperfréquences par un capteur passif peut être émise par l'atmosphère (1), réfléchie du sol (2), émise par le sol (3) ou transmise du sous-sol (4). Parce que la longueur des ondes est aussi grande, l'énergie disponible est très petite par rapport aux longueurs d'onde visibles. Ainsi, le champ de vision doit être grand afin de détecter assez d'énergie pour enregistrer un signal. La plupart des capteurs à hyperfréquences sont donc caractérisés par une résolution spatiale faible.

Voici brièvement comment la télédétection dans les hyperfréquences intéresse plusieurs applications dont la météorologie, l'hydrologie et l'océanographie. En regardant "vers" ou "à travers" l'atmosphère, les météorologues peuvent utiliser les hyperfréquences pour mesurer des profils atmosphériques et pour déterminer la quantité d'eau ou d'ozone dans l'atmosphère. Puisque l'émission d'hyperfréquences est influencée par le taux d'humidité d'une cible, les hydrologues utilisent les hyperfréquences passives pour mesurer l'humidité du sol. Les applications océanographiques, quant à elles, comprennent la cartographie, les glaces de mer, les courants et les vents de surface, ainsi que la détection des polluants tels que les nappes d'hydrocarbures.

Les capteurs actifs à hyperfréquences fournissent leur propre source de rayonnement pour illuminer la cible. Ils sont généralement divisés en deux catégories distinctes : les capteurs imageurs et les capteurs non-imageurs. Le plus répandu des systèmes actifs à hyperfréquences est le radar. De l'anglais (RAdio Detection And Ranging) radar veut dire détection et télémétrie par ondes radio. Les radars transmettent vers la cible un signal radio dans les hyperfréquences et détectent la partie rétrodiffusée du signal. L'intensité du signal rétrodiffusé est mesurée pour discerner les différentes cibles, et le délai entre la transmission et la réception du signal sert à déterminer la distance (ou la portée) de la cible.

Les capteurs à hyperfréquences non-imageurs incluent les altimètres et les diffusomètres. Dans la plupart des cas, ces instruments tracent le profil de la cible visée dans une seule dimension, contrairement aux capteurs imageurs qui sont bidimensionnels. Les altimètres radars transmettent de courtes impulsions d'hyperfréquences et mesurent le temps aller-retour jusqu'aux cibles pour déterminer la distance. Généralement, les altimètres pointent directement au nadir (sous la plate-forme) et peuvent ainsi mesurer la hauteur ou l'élévation de la cible (si l'altitude de la plate-forme est connue précisément). L'altimétrie radar est utilisée dans les avions pour déterminer l'altitude, et aussi à bord d'avions et de satellites pour la cartographie topographique et l'estimation de la hauteur de la surface de la mer. Les diffusomètres sont des capteurs qui ne fournissent pas d'images. Ils sont utilisés pour prendre des mesures précises de la quantité d'énergie rétrodiffusée par les cibles. La quantité d'énergie diffusée dépend des propriétés de la surface (telle que la rugosité) et de l'angle de contact des ondes avec la cible. Les mesures de diffusion au-dessus des océans peuvent aussi être utilisées pour estimer les vents en se basant sur la rugosité de la surface de la mer. Les diffusomètres au sol sont utilisés pour mesurer précisément la diffusion provenant des différentes cibles afin de caractériser différents matériaux et types de surfaces. Ce concept est semblable au concept de signature de réflectance spectrale dans le visible.

Le reste de ce chapitre, sera consacré à l'imagerie radar. Les radars actifs possèdent l'immense avantage de pouvoir pénétrer la couche nuageuse dans la plupart des conditions météorologiques. Puisque le radar est un capteur actif, il peut aussi être utilisé pour représenter la surface à n'importe quel moment du jour ou de la nuit. Ce sont là les deux principaux avantages du radar : imagerie sous toutes conditions et de jour comme de nuit. Fait important à comprendre, la différence fondamentale de fonctionnement qui existe entre le radar actif et les capteurs passifs (décrits au chapitre 2), font qu'une image radar est très différente et possède des propriétés distinctes des images obtenues dans la partie visible et infrarouge du spectre électromagnétique. Ces différences font que, les données radars et les données obtenues dans le visible peuvent être complémentaires puisqu'elles offrent différentes perspectives de la surface de la Terre et apportent donc des informations différentes. Nous allons examiner plus en détail quelques-unes de ces propriétés et différences fondamentales des radars dans les prochaines sections.

Avant d'entrer dans les détails spécifiques aux radars, regardons brièvement l'origine et l'histoire de l'imagerie radar, et particulièrement les expériences canadiennes en télédétection radar. La première expérience réussie d'une transmission d'hyperfréquences et de réflexion par différents objets fut réalisée par Hertz, en 1886. Au début du 20e siècle, on a développé les premiers radars rudimentaires pour la détection de navires. Dans les années 1920 à 1930, des radars au sol à impulsions expérimentaux ont été développés pour la détection d'objets éloignés. Les premiers radars utilisés pendant la Deuxième Guerre Mondiale avaient un étalage rotatif et étaient utilisés pour la détection et le positionnement des avions et des navires. Après la guerre, le radar aéroporté à antenne latérale (RAAL) a été développé par les militaires pour la reconnaissance et la surveillance des terrains. On utilisait alors un radar aéroporté qui imageait une bande de terrain parallèle au vol de l'avion. Au cours des années 50, les militaires ont amélioré les RAAL et ont développé le radar à synthétique d'ouverture (RSO) à grande résolution. Dans les années 60, ces radars ont été rendus disponibles pour les applications civiles et ont commencé à être utilisés pour des applications de cartographie civile. Depuis, le développement de plusieurs systèmes de radars aéroportés et spatioportés pour des applications de cartographie et de surveillance s'est poursuivi.

Le Canada a commencé à s'intéresser à la télédétection par radar au milieu des années 70. On a alors commencé à percevoir le potentiel que pouvaient représenter les radars pour la surveillance des vastes étendues nordiques souvent couvertes de nuages et cachées sous les ténèbres durant l'hiver arctique, ainsi que pour la surveillance et la cartographie des ressources naturelles. Le Canada a participé au projet SURSAT (Surveillance Satellite) de 1977 à 1979, qui a tracé la voie à sa participation au programme du satellite radar américain SEASAT, le premier satellite radar civil. Suite au programme SURSAT, le programme de radar aéroporté Convair-580 du Centre canadien de télédétection en collaboration avec les programmes de recherche d'autres agences telles que la NASA et l'Agence Spatiale Européenne (ASE), a conclu en la faisabilité de la télédétection à partir de satellites. En 1987, le gouvernement canadien a instauré le programme de développement de données radar (PDDR) avec pour objectif de rendre accessibles aux Canadiens l'utilisation des données radars. Durant les années 80 et au début des années 90, plusieurs systèmes radar aéroportés de recherche et commerciaux ont acquis de vastes quantités d'images tout autour du globe. Ces expériences ont démontré l'utilité des données radar pour une vaste gamme d'applications. Avec le lancement du satellite ERS-1 de l'ASE en 1991, les recherches dans le domaine des radars spatioportés se sont intensifiées. Elles ont été suivies en 1992 par le lancement du satellite japonais J-ERS et en 1995 par les lancements du satellite ERS-2 et du satellite canadien RADARSAT.