SYNOPSIS: PHYSIQUE de la télédétection Le rayonnement ÉM et ses paramètres d’intérêt pour la télédétection Phénomènes physiques d’intérêt Le domaine optique: capteurs Le domaine des microondes (hyperfréquences): capteurs SYNOPSIS: PHYSIQUE de la télédétection

Le rayonnement électromagnétique Bref rappel

Le support d'information utilisé en télédétection est le rayonnement électromagnétique. De façon schématique, le rayonnement électromagnétique c'est de l’énergie qui se propage sous forme d'ondes et qui exhibe aussi un comportement propre aux particules. LA NATURE DU RÉM

Les quatre équations de Maxwell, qui décrivent le phénomène de propagation des ondes électromagnétiques, font appel à deux paramètres principaux la permittivité, e, et la perméabilité magnétique, m. La solution des équations de Maxwell, pour des conditions limites particulières, donne les intensités des champs électrique et magnétique à tous les points de l’espace. Les valeurs numériques de e et de m dans le vide sont respectivement: ε o ≈ 8.854 x 10−12 [F/m] (Farad /m) (ou constante électrique) μ o =4π x 10 −7 H m −1 (Henri/ m) (ou constante magnétique) Dans le vide, la vitesse de propagation des ondes est la vitesse de la lumière: c= 1 ε 0 μ 0 = 3 x 108 m/s Le MODÈLE ONDULATOIRE

Pour définir les paramètres d’importance on utilisera une forme d’onde simple: une onde plane Une onde ÉM plane est représentée par deux vecteurs: le vecteur électrique (E) et le vecteur magnétique (H) oscillant en phase et perpendiculairement à la direction de propagation (ondes transversales). En télédétection les propriétés des ondes sont définies en termes du champ électrique PARAMÈTRES DES ONDES

Ondes ÉM Le vecteur électrique varie dans le temps et l’espace L‘échelle de la variation dans le temps est décrite par la période T ou son inverse, la fréquence (mesurée en Hz= 1/sec) L’échelle de la variation dans l’espace est décrite par la longueur d’onde λ Variations dans le temps et dans l’espace sont décrites par l’équation d’onde (ici sa forme la plus simple): amplitude Fréquence angulaire Entre [ ]= phase Ondes ÉM vitesse

Longueur d’onde vs. Fréquence Longueur d’onde: l Période : T 𝝀=𝒄∗𝑻=𝒄 𝟏 𝝂   𝝀=𝝊∗𝑻=𝝊 𝟏 𝝂 𝝊= 𝟏 𝜺𝝁 Dans le vide; la fréquence (Hz) 𝝂 Dans un milieu matériel; la fréquence reste la même; la vitesse (𝝊) change donc la longueur d’onde change The sensitivity to range errors is given approximately by the eqn below. This eqn shows how small a disturbance leads to detectable phase effects as a function of wavelength. Longueur d’onde vs. Fréquence

Paramètres angulaires Souvent un mouvement périodique est représenté selon un cercle où 360 degrés (1 cycle) correspond à T Phase: Nombre d’onde I (en phase) Q (quadrature de phase) Paramètres angulaires

Paramètres angulaires En connaissant les termes I et Q il est possible d’obtenir l’amplitude et la phase: Les deux mesures de base d’un radar à ouverture de synthèse: I et Q Paramètres angulaires

Exemple: RADAR À SYNTHÈSE D’OUVERTURE En PHASE EN QUADRATURE DE PHASE AMPLITUDE Exemple: RADAR À SYNTHÈSE D’OUVERTURE

La polarisation La polarisation définie l’orientation du vecteur électrique à un instant donné Le vecteur E est la somme des deux vecteurs orthogonaux: vertical (Ey) et horizontal (Ex)

Polarisation: le cas général

Polarisation: le cas général

Qu’est-ce qu’un capteur mesure? Un capteur mesure la “quantité” d’énergie ÉM provenant des objets. Cette quantité est proportionnelle au carré de l’amplitude de l’onde S av = 1 2 ε μ E 0 2

PROPAGATION DES ONDES: Les ondes sphériques Les ondes provenant d’une source lointaine, assimilée à un point dans l’espace, se propagent en ayant des surfaces de phase constante, des sphères La densité d’énergie dans une direction donnée diminue en raison du rayon au carré de cette sphère PROPAGATION DES ONDES: Les ondes sphériques

PROPAGATION DES ONDES: Le Principe de superposition Ce principe établit que l’onde produite dans une région où deux ondes indépendantes se rencontrent, a une amplitude égale à la somme des amplitudes des ondes indépendantes. Ce principe est exploité dans les analyses par séries de Fourier. PROPAGATION DES ONDES: Le Principe de superposition

Qu’est-ce qu’un capteur mesure? Pour fournir une mesure valable une quantité minimale d’énergie ÉM est nécessaire. Pour ce faire, le capteur il faut qu’il l’observe l’objet pendant un court laps de temps (ou temps de résidence). Pour s’affranchir du temps de résidence utilisé par un instrument ou l’autre nous normalisons la quantité d’énergie par le temps de résidence. Nous parlons ainsi du flux du RÉM (mesuré en Watts).

Qu’est-ce qu’un capteur mesure? Cependant la mesure du flux seule véhicule une information très partielle sur les objets La plupart des capteurs sont dotés de mécanismes permettant de mesurer le flux en fonction d’une ou plusieurs autres paramètres du RÉM

Les autres paramètres: la longueur d’onde Si l’on tient compte de l’ensemble des sources du RÉM (naturelles et artificielles) nous construisons un diagramme en fonction de la longueur d’onde: le spectre ÉM. Les ondes peuvent aller des ondes infiniment courtes (picomètre) à des très grandes (kilomètre)

Pour la télédétection de la surface terrestre toutes les parties du spectre ne sont pas entièrement disponibles (absorption atmosphérique) ou elles ne portent pas une information valable (ondes radio> 1m). Pour la télédétection de l’atmosphère on cherche les longueurs d’onde où il y a absorption par l’atmosphère Les fenêtres atmosphériques

Les zones spectrales d’intérêt L’UV (0,25-0,4m) Le visible (0,4-0,7 m) Le PIR (0,7-1,1 m) L’IROC (1,1-3 m) L’IROM ( 3-5 m) L’IROL (5-15 m) Les hyperfréquences ou micro-ondes (1mm –100 cm) Partie optique Partie électrique Les zones spectrales d’intérêt

Les sources

Sources et mesures en fonction de la longueur d’onde Si le RÉM est incohérent le flux mesuré par un capteur à des positions différentes d’un objet étendue est pratiquement le même et il est égal à la somme des carrés de l’amplitude des ondes recueillies durant le temps de résidence Si le rayonnement est cohérent le flux peut varier continuellement d’une position à l’autre; il peut être plus fort ou plus faible de la somme des carrés des amplitudes des ondes recueillies pendant le temps de résidence (le phénomène de chatoiement ou speckle). Sources et mesures en fonction de la longueur d’onde

Les autres paramètres: Polarisation, phase Sources incohérentes: polarisation aléatoire --- mesures selon la polarisation intéressantes dans des cas limités Source cohérente: Mesures de base polarisation et phase Les autres paramètres: Polarisation, phase

Les autres paramètres: Direction de propagation La direction de propagation est la base pour localiser les objets par des capteurs utilisant le rayonnement naturel (capteurs passifs) Il est utilisé aussi (capteurs actifs ou passifs en modifiant l’angle de visée du capteur) pour mieux reconnaître des objets ou de leurs propriétés ou pour faire du 3-D Les autres paramètres: Direction de propagation

PHÉNOMÈNES d’Intérêt: L’effet doppler Décalage de la fréquence d’une onde ÉM à cause du mouvement relatif de la source du RÉM par rapport à un observateur Dans le cas des ondes ÉM (source se déplaçant vers l’observateur) : 𝜈 ′ = 𝑐+𝑢 𝑐−𝑢 𝜈 n’= fréquence apparente n = fréquence des ondes émises c = vitesse du rayonnement ÉM u = vitesse relative entre la source et l’observateur PHÉNOMÈNES d’Intérêt: L’effet doppler

PHÉNOMÈNES d’Intérêt: L’effet doppler Plusieurs applications en télédétection Formation des images d’un radar à ouverture de synthèse Détection des objets en mouvement et calcul de leur vitesse: champs de vents (sondeurs hyperfréquences, lasers), interférométrie radar en azimut PHÉNOMÈNES d’Intérêt: L’effet doppler

PHÉNOMÈNES d’Intérêt: L’effet doppler Voici un exemple de manifestation de l’effet Doppler dans le cas des images ROS tirant profit de cet effet pour améliorer la résolution spatiale du radar (voir plus loin). PHÉNOMÈNES d’Intérêt: L’effet doppler

PHÉNOMÈNES d’Intérêt: Interférence Manifestation physique de la nature ondulatoire du RÉM: cas des ondes cohérentes Les ondes sont dites cohérentes s’il y a une relation définie (non aléatoire) entre leurs phases Ceci signifie que les ondes ont la même fréquence. Cependant deux ondes peuvent avoir la même fréquence mais elles ne sont pas nécessairement cohérentes. PHÉNOMÈNES d’Intérêt: Interférence

PHÉNOMÈNES d’Intérêt: Interférence Lorsque deux ondes cohérentes se rencontrent après avoir parcouru des distances différentes il peut y avoir interférence constructive ou destructive. Dans l’air (ou le vacuum) il y a interférence constructive si la différence dans leur parcours équivaut à un nombre entier de longueurs d’onde  différence de parcours = m l m=0,1,2,… Dans ce cas les amplitudes s’additionnent (amplification) Il y a interférence destructive si la différence dans leur parcours équivaut à un nombre entier de moitiés de longueurs d’onde différence de parcours = (m + ½) l m=0,1,2,… Dans ce cas il y a annulation. PHÉNOMÈNES d’Intérêt: Interférence

PHÉNOMÈNES d’Intérêt: Interférence Exemple d’obtention de l’interférence PHÉNOMÈNES d’Intérêt: Interférence

PHÉNOMÈNES d’Intérêt: Diffraction Manifestation de la nature ondulatoire du RÉM La diffraction a lieu quant le RÉM frappe le bord d’un objet opaque Un exemple familier de ce phénomène se présente quand une onde plane passe à travers une fente pratiquée sur un écran opaque. On pourrait s'attendre à obtenir un faisceau rectangulaire ou circulaire à la sortie de l'orifice. Ce qui n'est pas le cas. Au contraire, la lumière se distribue sur une superficie qui augmente avec la distance de l'orifice. Sur un deuxième écran placé à une grande distance de l'orifice apparaissent alternativement des lignes (ou des cercles) claires et sombres. La diffraction limite le pouvoir résolvant angulaire des systèmes optiques et des antennes. Le critère de Rayleigh pose comme limite de ce pouvoir q = k *l/D (D=ouverture du système optique ou de l’antenne) Disques d’Airy PHÉNOMÈNES d’Intérêt: Diffraction

INTERACTIONS AVEC LA MATIÈRE: Fluorescence Quand un atome est excité d’un état d’énergie à un autre plus élevé par l’absorption d’un photon, il peut retourner à un niveau inférieur en une série de sauts, deux ou plus dépendant des niveaux intermédiaires. Les photons émis ont alors une énergie plus basse que celle du photon absorbé, c’est la fluorescence. INTERACTIONS AVEC LA MATIÈRE: Fluorescence

INTERACTIONS AVEC LA MATIÈRE: Fluorescence L’intérêt pour la fluorescence Laser: Des matériaux fluorescents particuliers peuvent être utilisés pour construire des lasers (le mot laser est une abréviation de "Light Amplification by Stimulated Emitted Radiation)." Deux conditions sont essentielles: 1. à la suite des collisions, l'atome ou la molécule doivent avoir une probabilité plus faible que la normale de perdre l‘énergie absorbée; 2. en l'absence d'un photon de l‘énergie appropriée, l‘émission d‘énergie d'un haut niveau à un autre plus bas doit être retardée plus longtemps que la normale a un niveau intermédiaire. Quand une substance avec ses caractéristiques est placée dans une cavité qui favorise la conservation d'un haut niveau d‘énergie, la fluorescence a lieu subitement. Les photons émis par chaque atome ou molécule ont la même longueur d'onde et la même phase: c'est pourquoi on dit que les lasers sont des sources de rayonnement cohérent. Détection du signal de fluorescence due au rayonnement solaire : activité chlorophyllienne  voir vidéo NASA INTERACTIONS AVEC LA MATIÈRE: Fluorescence