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Notions fondamentales de télédétection

3.8 La polarimétrie radar

Introduction à la polarisation

La polarisation du rayonnement représente une propriété essentielle de la propagation et de la diffusion des hyperfréquences. La polarisation d'une onde électromagnétique représente la position du vecteur champ électrique dans un plan perpendiculaire à la direction de la propagation. Tant que la longueur du vecteur représente l'amplitude et que la vitesse de rotation du vecteur correspond à la fréquence de l'onde, la polarisation est donnée par l'orientation et la forme du motif tracé par la pointe du vecteur.

La forme d'onde de la tension d'un champ électrique d'une onde électromagnétique peut être prédictive (l'onde est polarisée) ou aléatoire (l'onde est non polarisée), ou une combinaison des deux. Dans le dernier cas, le degré de polarisation exprime le rapport entre la puissance polarisée et la puissance totale de l'onde. Par exemple, une onde sinusoïdale monochromatique ayant une fréquence constante et une amplitude stable représente une onde entièrement polarisée

Exemples de polarisations horizontales (noir) et verticales (rouge) d'une onde électromagnétique.

De nombreux radars sont conçus de manière à transmettre le rayonnement des hyperfréquences en polarisation horizontale (H) ou verticale (V). Cette onde transmise, qu'elle soit en polarisation H ou V, peut générer une onde rétrodiffusée avec différentes polarisations. On appelle polarimétrie radar la technique d'analyse de la combinaison de ces polarisations.

On peut combiner les polarisations des ondes transmises et reçues en utilisant les paramètres H et V dont l'interrelation est bien définie. C'est pourquoi les systèmes qui transmettent et reçoivent ces deux polarisations linéaires sont couramment utilisés. Avec ce type de radar, il existe quatre combinaisons de polarisations de transmission-réception :

• HH - transmission et réception horizontales
• VV - transmission et réception verticales
• HV - transmission horizontale et réception verticale, et
• VH - transmission verticale et réception horizontale.

Pour les deux premières combinaisons de polarisation, on parle de « polarisation parallèle » puisque les polarisations de transmission-réception sont les mêmes. En revanche, on parle de « polarisation croisée » pour les deux dernières combinaisons, car les polarisations de transmission-réception sont orthogonales l'une par rapport à l'autre.

Les systèmes radars peuvent comprendre une, deux et même quatre combinaisons de polarisations de transmission-réception. Voici des exemples de systèmes radars :

On peut utiliser les termes « polarisation en quadrature » et « polarimétrie intégrale » comme synonymes de « polarimétrique ». La mesure de la phase relative entre les canaux constitue un paramètre très important pour un radar polarimétrique, alors qu'elle n'est pas obligatoirement mesurée pour les autres types de radar. On trouve sur le satellite ENVISAT un mode de polarisation alternée, pour lequel la phase relative est mesurée. Cependant, la phase principale HH-VV n'y a aucune signification en raison du délai entre les mesures.

Ces images en bande C des terres agricoles démontrent la corrélation entre la réponse radar et la polarisation. Les deux images supérieures ont été acquises en polarisation parallèle (HH celle de gauche, VV celle de droite), alors que l'image inférieure gauche a été acquise en polarisation croisée (HV). L'image inférieure droite est le résultat visuel d'un composé couleur de ces trois images (HH : rouge, VV : vert, HV : bleu).

Autant la longueur d'onde que la polarisation modifient la façon qu'un système radar « voit » les éléments d'une scène. Par conséquent, les images radar saisies à partir de diverses combinaisons de polarisation et de longueur d'onde peuvent fournir une information différente et complémentaire. De plus, la combinaison de trois polarisations dans un composé couleur permettra d'extraire de l'information supplémentaire sur les caractéristiques de surface.

   

   

Exemple d'accentuation de différents éléments d'une zone agricole à l'aide de diverses polarisations (HH, VV, HV et composé couleur).

Information polarimétrique

La matrice de diffusion décrit principalement comment les cibles radars ou les éléments à la surface diffusent l'énergie électromagnétique. On peut toutefois y dériver d'autres formes d'information polarimétrique, telles que les images synthétisées ou les signatures de polarisation.

Synthèse de polarisation

On peut utiliser deux polarisations orthogonales, généralement de transmission-réception linéaires H et V, d'un radar polarimétrique pour déterminer la réponse d'une cible ou la matrice de diffusion. Si l'on connaît la matrice de diffusion, on peut calculer la réponse de la cible pour toutes les combinaisons de polarisations de transmission-réception. Ce calcul qui illustre la puissance et la souplesse du radar à polarimétrie intégrale s'appelle synthèse de polarisation.

À l'aide de la synthèse de polarisation, on peut créer une image pour améliorer la détectabilité des éléments sélectionnés, par exemple la détection de navires dans l'océan. Pour trouver la meilleure combinaison de polarisations de transmission-réception, on calcule les signatures de polarisation d'un bateau et de l'océan pour diverses polarisations. Par la suite, on établit le rapport de rétrodiffusion entre le bateau et l'océan pour chaque polarisation. La combinaison de polarisations de transmission-réception qui maximise le rapport de puissance de rétrodiffusion est par la suite utilisée pour perfectionner la détectabilité des bateaux. On appelle cette procédure « accentuation du contraste polarimétrique » ou l'utilisation d'un « filtre polarimétrique adapté ».

Signatures de polarisation

En raison des multiples polarisations des ondes incidentes et diffusées et des quatre nombres complexes de la matrice de diffusion, il vaut mieux simplifier l'interprétation du comportement de diffusion en utilisant un diagramme tridimensionnel qu'on appelle « signature de polarisation » ou « diagramme de réponse de polarisation ». Ce diagramme représente une façon pratique de visualiser les propriétés de diffusion d'une cible.

Les axes des x et des y de la signature de polarisation représentent les valeurs d'ellipticité (-45º à +45º) et d'orientation (0 à 180º) du champ électrique de l'onde électromagnétique incidente, alors que l'axe des z exprime la valeur de la puissance de la rétrodiffusion. Cette dernière peut être calculée, pour chaque polarisation incidente possible, à partir d'une même polarisation de transmission-réception (signature de polarisation parallèle) et de polarisations orthogonales de transmission-réception (signature de polarisation croisée).

Signature de copolarisation	Signature à polarisation croisée

Signatures de polarisation d'une grande sphère de conduction.
P = Puissance, O = Orientation (degrées), E = Ellipticité (degrées)

Cette figure montre les signatures de polarisation de deux cibles élémentaires, une grande sphère de conduction et un réflecteur en coin trièdre. Pour ces cibles, la polarisation de l'onde rétrodiffusée demeure la même que celle transmise, mais avec un changement de signe de l'ellipticité pour chaque réflexion (ou dans le cas d'une polarisation linéaire, un changement de l'angle de phase de 180º entre E_h et E_v). Par conséquent, la sphère et le réflecteur trièdre se comportent en réflecteur « impair », puisqu'ils produisent une et trois réflexions respectivement.

Pour les cibles plus complexes, la signature de polarisation se présente sous différentes formes. Le réflecteur en coin dièdre et la diffusion de Bragg à la surface de l'océan en représentent deux exemples intéressants. Dans le cas du réflecteur dièdre, la signature de polarisation parallèle montre deux pics qui caractérisent les réflecteurs « pairs ». Au contraire, la réponse de la diffusion de Bragg est similaire à la réflexion simple d'une sphère, à l'exception d'une valeur de rétrodiffusion de la polarisation verticale supérieure à celle de la polarisation horizontale.

Étalonnage des données

Pour les systèmes radars polarimétriques, il est essentiel d'effectuer un étalonnage des données, car l'information utilisée s'appuie sur les rapports d'amplitude et les différences dans les angles de phase des quatre combinaisons de polarisation de transmission-réception. Ainsi, un étalonnage imprécis entraînerait une mauvaise interprétation des mécanismes de diffusion, il n'y aurait donc aucun avantage à utiliser la polarisation.

L'étalonnage est effectué par la combinaison des paramètres du système radar et de l'analyse des données. Par exemple, on obtient une réponse modèle d'un réflecteur en coin trièdre seulement si les quatre canaux du système radar montrent le même gain, s'il n'existe aucune différence de phase dépendant du système entre les canaux et s'il n'y aucune perte d'énergie d'un canal à l'autre.

Pour les paramètres du système radar, les gains et les phases des canaux devraient correspondre le plus possible. Dans le cas de la concordance des phases, le trajet du signal devrait ainsi être le même pour tous les canaux. Ces signaux d'étalonnage sont généralement pris en compte lors de la conception du système afin d'aider à la vérification de la concordance des canaux.

Quant à l'analyse des données de réception, elle permet de mesurer et de corriger les effets de la concordance des canaux, de l'intermodulation et du bruit. En plus de l'analyse des signaux d'étalonnage internes, on utilise des signaux de cibles connues, telles les réflecteurs en coin, les transpondeurs actifs ou le fouillis uniforme, pour étalonner certains de ces paramètres.

Applications polarimétriques

Pour l'instant, les données polarimétriques de radars à synthèse d'ouverture se limitent à quelques survols de systèmes RSO aéroportés expérimentaux et à la mission de la navette SIR-C. Les scientifiques ont tout de même utilisé ces données pour de nombreuses applications. En outre, ils ont démontré une meilleure interprétation de nombreux éléments d'une scène lorsque le radar fonctionne en mode polarimétrique. Le lancement de RADARSAT-2 rendra les données polarimétriques accessibles sur une base opérationnelle, ainsi l'utilisation de telles données se perfectionnera et deviendra pratique courante.

Voici une liste d'applications pour lesquelles le RSO polarimétrique s'avère déjà utile:

• Agriculture : pour l'identification des types de récolte, la surveillance de l'état des cultures, les mesures d'humidité du sol, l'identification du travail du sol et des résidus de culture.
• Foresterie : pour la cartographie des zones de coupe à blanc et des éléments linéaires, l'estimation de la biomasse, l'identification des espèces forestières, la cartographie des cicatrices de feu.
• Géologie : pour la cartographie géologique.
• Hydrologie : pour la surveillance des zones humides et de la couverture de la neige.
• Océanographie : pour l'identification de la glace de mer, la mesure des vents d'afflux et de reflux, la mesure de l'inclinaison de la houle.
• Transport maritime : pour la détection et la classification des navires.
• Zone côtière : pour la détection du littoral, la cartographie du substrat, la détection des nappes d'hydrocarbures et la cartographie de la végétation.