Le véhicule de l’information sur les objets en télédétection: le rayonnement électromagnétique-bref rappel Les ondes électromagnétiques - Longueurs d’ondes et fréquences, le spectre ÉM, la polarisation… Les photons

Qu’est-ce que le rayonnement électromagnétique (RÉM)? Le RÉM est une forme d'énergie (énergie rayonnante) qui émane d’une source et se propage aussi bien dans le vide qu'à travers un milieu matériel à une vitesse voisine à 3 x 108 m/sec (vitesse de la lumière dans le vide). L’existence du RÉM n’est comprise que par ses effets d’interaction avec la matière. La lumière du jour ou d’une ampoule électrique en sont des exemples des formes du RÉM les plus familières.

Qu’est-ce que le rayonnement électromagnétique (RÉM)? Deux modèles mathématiques sont utilisés pour expliquer les phénomènes de production, de propagation et d’interaction avec la matière du RÉM: le modèle ondulatoire et le modèle corpusculaire.

Modèle ondulatoire Toute perturbation d’un champ électrique (ou d’un champ magnétique) génère du RÉM qui se propage sous forme d’ondes ÉM

Les ondes électromagnétiques Selon le modèle ondulatoire, une onde électromagnétique est représentée par deux vecteurs perpendiculaires indissociables dont la magnitude varie périodiquement avec le temps: le champ électrique E et le champ magnétique B. La direction de propagation du RÉM est perpendiculaire au plan défini par ces deux vecteurs (ondes transversales)

Les paramètres d’une onde ÉM Une onde ÉM est décrite pleinement si l’on connaît une série de paramètres. Nous les définirons en considérant le champ électrique pour deux raisons: Si l’on connaît l’un des champs nous connaissons automatiquement l’autre vu leur relation intime; Les phénomènes d’interaction du RÉM avec la matière étudiés en télédétection sont principalement dus au champ électrique.

Les paramètres d’une onde ÉM La longueur d’onde ou la fréquence L’amplitude La phase La polarisation La direction de propagation

La longueur d’onde Les ondes se caractérisent par leur longueur d’onde λ ou la distance nécessaire pour que l’onde atteint la même intensité en allant à la vitesse de la lumière après deux passages consécutifs par l’état d’équilibre.

La période et la fréquence Les ondes se caractérisent par leur période (T) ou le temps nécessaire pour que l’onde complète un cycle Le fréquence est l’inverse de la période (cycles par seconde ou Hz). Longueur d’onde période et fréquence sont reliées par la relation suivante: où c est la vitesse de propagation de l’onde (égale à 3x108 m/sec dans le vide).

Le spectre ÉM 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 (ou de la fréquence) : le spectre ÉM. Le spectre est subdivisé à des zones. Dans chaque zone la nature des sources ainsi les phénomènes d’interaction avec la matière ont beaucoup de similitudes

Spectre et sources Une source naturelle , ex. le soleil, est en règle générale une source polychromatique (elle émet dans plusieurs longueurs d’onde) Une source artificielle, ex. un laser, est en règle générale une source pratiquement monochromatique (elle émet à une seule longueur d’onde)

Longueurs d’ondes kilométriques à métriques: ondes radio

Longueurs d’ondes métriques à millimétriques: micro-ondes La nomenclature des bandes K, X, S, L, P provient d’un code secret pendant la IIe guerre mondiale, et l’ordre ‘K-X-S-L-P’ était parfois mémorisé par la phrase ‘King Xerxes Seduced Lovely Princesses’

Longueurs d’ondes micrométriques à sub-micrométriques: infrarouge au visible

Longueurs d’ondes sub-micrométriques à picométriques : Longueurs d’ondes sub-micrométriques à picométriques : UV , rayons-X, rayons-gamma

Cependant …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) Les fenêtres atmosphériques: les parties du spectre où l’absorption atmosphérique n’est pas un obstacle UV  ultraviolet (fenêtre: entre environ 0,3 et 0,4 mm) VIS  visible (fenêtre: l’ensemble 0,4 à 0,7 mm) PIR  proche infrarouge (fenêtre: l’ensemble 0,7 à 1,1 mm) IROC  infrarouge à ondes courtes (deux fenêtres: une centrée à 1,5 et l’autre à 2,5) IROM  infrarouge à ondes moyennes (fenêtre: entre 0,3 et 0,5 mm) IROL  infrarouge à ondes longues, communément appelé infrarouge thermique (fenêtre: l’ensemble 0,8 à 14 mm) IRL  infrarouge lointain (pas utilisé en télédétection) Micro-ondes (l’ensemble: télédétection radar  fréquences allouées entre 1 cm et 1 m)

L’amplitude La valeur maximale (ou minimale) de l’intensité du champs électrique L’énergie transportée par l’onde ÉM est fonction du carré de l’amplitude de l’onde (mesure en Joules (J)) L’énergie est transportée par un nombre de photons. Chaque photon transporte une quantité égale d’énergie, fonction de la fréquence de l’onde: 𝑞=ℎ 𝜈 où h est une constante (constante de Planck environ 6.626 x 10-34 J sec)  théorie corpusculaire

Théorie corpusculaire Selon cette théorie le RÉM est composé des particules élémentaires, les photons ou quanta d’énergie. Chaque photon possède une énergie q et se déplace à la vitesse de la lumière. Cette théorie s’applique dans le cas où l'on étudie les échanges d'énergie ÉM en énergie localisée dans la matière (énergie cinétique ou énergie potentielle) et vice versa. En effet l’énergie est échangée de façon discontinue. La quantité d'énergie ÉM échangée à un instant donné dépend du nombre de photons qui arrivent à ce même instant sur une parcelle de la matière. Cela signifie que le RÉM ne peut céder à la matière que des quantités d'énergie égales à q, 2q, 3q, ... , nq, n étant un nombre entier et q l'énergie élémentaire du RÉM. Si le nombre de photons arrivant à la matière est grand, la moyenne dans le temps de l’énergie échangée avec la matière telle que prédit par la théorie ondulatoire de Maxwell sera exacte. Cependant, d’un instant à l’autre, cette énergie fluctuera à cause de la nature discontinue et statistique du RÉM.

Les paramètres d’une onde ÉM: la phase Il est commode de décrire le mouvement périodique en utilisant un cercle de rayon égal à l’amplitude et où à 3600 on fait corresponde la période T. On définit alors la fréquence angulaire ou pulsation comme suit: À chaque instant la projection du rayon sur l’axe d’oscillation nous donne l’intensité de l’onde et l’angle de projection est appelé: la phase de l’onde

Les paramètres d’une onde ÉM: la phase En utilisant la phase comme axe de représentation nous obtenons le schéma suivant:

Les paramètres d’une onde ÉM: la phase Deux ondes de la même fréquence qui se rencontrent dans l’espace sont dites en phase lorsque leurs cycles correspondent parfaitement, sinon sont dites déphasées.

La polarisation La polarisation définit l’orientation du vecteur électrique à un instant donné Le vecteur E peut être décomposé en deux vecteurs orthogonaux: vertical (Ey) et horizontal (Ex) Si ces deux composantes sont en phase l’onde vibre le long d’un plan: la polarisation est dite plane Si ces deux composantes sont déphasées le plan de vibration change d’un instant à l’autre. Le vecteur décrit une ellipse ou à la limite un cercle.

Comment le RÉM transmet les informations sur les objets? Un capteur mesure la “quantité” d’énergie ÉM provenant des objets. L’énergie générée par les objets peut provenir des processus physiques internes (ex. agitation thermique) ou après interaction avec le RÉM provenant d’une source externe (p.ex. le soleil, un flash photographique, un laser ou un radar) Puisque les propriétés physico-chimiques des objets varient la quantité de l’énergie générée et captée à distance varie aussi. Il est donc possible d’associer un niveau d’énergie mesurée à un objet quelconque ou à ces caractéristiques.

Comment le RÉM transmet les informations sur les objets? Un exemple: la brillance des objets sur une image (ici photographie) est fonction de la quantité de l’énergie ÉM émanant des objets (ici réflexion du rayonnement solaire) et captée à distance (ici caméra-film photographique)

Les quantités mesurées Pour fournir une mesure valable une quantité minimale d’énergie ÉM est nécessaire au capteur. Pour ce faire, il faut qu’il observe l’objet pendant un court laps de temps (ou temps de résidence). Pour s’affranchir du temps de résidence utilisé par différents capteurs nous normalisons la quantité d’énergie par le temps de résidence. Nous parlons ainsi du flux du RÉM (mesuré en Watts=Joules/sec (W)). En photographie on parle du temps d’exposition pour signifier le temps de résidence nécessaire pour obtenir une image claire du sujet sous des conditions spécifiques de luminosité ambiante

Les quantités radiométriques utilisées en télédétection

Les mesures en fonction des paramètres de base des ondes: la longueur d’onde La seule mesure du flux n’offre qu’un potentiel informatif limité Dans les fenêtres atmosphériques du VIS, PIR, IROC on utilise surtout des capteurs passifs sensibles au rayonnement solaire réfléchi. La majorité de ces capteurs sont dotés de mécanismes permettant de mesurer le flux en simultanée en fonction d’une bande de longueurs d’onde (bande spectrale). En combinant trois de ces bandes on obtient une image couleur. Si les trois bandes sont celles dont notre œil est sensible (bleu, vert et rouge) on obtient une image couleur dite normale. Sinon l’image est dite fausse couleur. L’ajout de la couleur augmente de beaucoup la capacité de reconnaître les objets à distance. En télédétection numérique cette notion de couleur est étendue à plus que trois bandes spectrales (hyper-couleur).

Les mesures en fonction des paramètres de base des ondes: la longueur d’onde Un exemple: brillance vs. couleur

Les mesures en fonction des paramètres de base des ondes: la longueur d’onde Dans les fenêtres atmosphériques du IROM et IRT on utilise des capteurs passifs sensibles au rayonnement émis par les objets. Les images sont utilisées pour estimer la température des objets. La mesure du flux dans une seule bande spectrale ne nous rend pas la tâche aisée. Actuellement nous possédons la technologie pour disséquer le rayonnement en bandes spectrales fines et faire la même chose que dans le cas du rayonnement solaire réfléchi. Ici la combinaison de trois bandes donne une image en couleurs fausses.

Les mesures en fonction des paramètres de base des ondes: la longueur d’onde Un exemple: image fausses couleurs (capteur dans l’IROM)

Les mesures en fonction des paramètres de base des ondes: la longueur d’onde Dans la fenêtre atmosphérique des microondes on utilise surtout des capteurs actifs (munis de leur propre source de rayonnement). Ces capteurs opèrent à des fréquences spécifiques. L’établissement des capteurs analogues aux capteurs à plusieurs bandes spectrales est technologiquement difficile particulièrement avec des satellites. La multifréquence est plutôt rare. À partir des avions des radars opérant à deux fréquences en simultané est de plus en plus rependu.

Les mesures en fonction des paramètres de base des ondes: la polarisation Le rayonnement naturel n’a pas une polarisation précise sauf pour certaines types d’objet. La polarisation n’est pas souvent utilisé comme paramètre de base pour différencier le flux du rayonnement. Les radars modernes utilisent la polarisation comme on le verra plus loin dans notre cours. Une science appelée la polarimétrie est mise en application avec ces radars avec un potentiel intéressant pour exploiter pleinement l’imagerie radar

Les mesures en fonction des paramètres de base des ondes: la phase Le rayonnement naturel n’offre pas la possibilité de mesurer la phase des ondes. Les radars modernes mesurent la phase parce que le rayonnement utilisé (monochromatique) parce s’y prête. Cependant en tant que tel, la phase en soi n’offre pas une information sur les objets. C’est en comparant la phase mesurée selon les deux conditions différentes qu’une information intéressante peut être extraite des données radar

Les mesures en fonction des paramètres de base des ondes: la direction de propagation En modifiant l’angle avec lequel un capteur observe un objet des informations intéressantes peuvent être obtenues (stéréoscopie, réflexion/diffusion variable selon le type d’objet). Un exemple: