Partie I_1: Bases de physique

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1 Partie I_1: Bases de physique

2 La télédétection: un domaine scientifique et technique dont le but est l’acquisition d’informations à distance sur l’environnement terrestre (et planétaire)

3 À distance ! Quel est le véhicule de l’information?

4 Différents « champs physiques » qui peuvent servir comme véhicules d’information
Les champs statiques: > le champ magnétique/ le champ gravitationnel Les champs ondulatoires de nature mécanique: > le champ acoustique Les champs ondulatoires de nature électromagnétique : > le champ électromagnétique

5 Le champ magnétique: détection des anomalies magnétiques

6 Le champ gravitationnel: détection des anomalies gravitationnelles
Anomalie gravitationnelle en Antarctique (mascon)                                            Cette image illustre une variation gravitationnelle de forme circulaire détectée par des chercheurs de l'Ohio State University dans l'est de l'Antarctique. La zone a d'abord été détectée à l'aide des deux satellites GRACE de la NASA puis analysée à l'aide d'images radar aériennes. La partie centrale où la densité du manteau terrestre est plus élevée est entourée d’une crête de plus de 480 km de diamètre. D'après les scientifiques, ce mascon aurait été formé il y a 250 millions d'années soit par l'impact d'une météorite soit par une activité volcanique. Si l'origine météoritique se confirme, ce cratère serait deux fois plus large que le cratère mexicain du Chicxulub associé, par certain, à l'extinction des dinosaures.

7 Champ acoustique Source: Jensen 2007

8 Plan Le rayonnement ÉM comme véhicule de l’information en télédétection Les théories sur la nature du RÉM Les paramètres qui le caractérisent Le spectre EM et son usage en télédétection Certains phénomènes de base Qu’est-ce qu’on mesure en télédétection? Les quantités énergétiques de base Interactions RÉM et matière terrestre

9 Les théories sur la nature du RÉM
Énergie dynamique générée par une source Transportée par de microparticules: les photons ou quanta d’énergie Se propageant à la vitesse de la lumière (3 x 108 m/sec dans le vide) Les photons possèdent à la fois les propriétés des particules élémentaires et des ondes Pour nous la théorie ondulatoire suffisante pour expliquer les choses (RÉM utilisé +échelle macroscopique)

10 Les ondes électromagnétiques
Selon la théorie classique de l’électromagnétisme, le RÉM est une perturbation du champ électrique ou magnétique dans une source s’auto-propageant dans l’espace libre sous forme d’onde. Une onde ÉM 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 Une analogie mécanique

11 Le rayonnement ÉM

12 LE MODÈLE ONDULATOIRE 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 ≈ 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

13 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): Entre [ ]= phase amplitude Fréquence angulaire vitesse

14 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 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. Dans un milieu matériel; la fréquence reste la même; la vitesse (𝝊) change donc la longueur d’onde change

15 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

16 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

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

18 La polarization 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)

19 Polarisation: le cas général
Si composante verticale et composante horizontale pas en phase  polarisation elliptique

20 Polarisation: le cas général

21 Certains phénomènes d’intérêt
Effet Doppler, Diffraction, interférence, Réflexion, réfraction, diffusion, absorption, émission…..

22 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

23 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

24 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).

25 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.

26 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.

27 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 θ = k *λ/D (D=ouverture du système optique ou de l’antenne) Disques d’Airy

28 La mesure du rayonnement ÉM en télédétection

29 Les sources du RÉM et leur spectre
Les objets matériels émettent du RÉM (radioactivité, agitation thermique) Les objets matériels interagissent avec le RÉM qui provient d’une source externe (naturelle ou artificielle) et deviennent une source indirecte de RÉM (réflexion, diffusion, fluorescence) Chaque source (directe ou indirecte) est caractérisée par son spectre d’émission de longueurs d’ondes 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)

30 Longueurs d’ondes kilométriques à métriques: ondes radio

31 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’

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

33 Longueurs d’ondes sub-micrométriques à picométriques :
Longueurs d’ondes sub-micrométriques à picométriques : UV , rayons-X, rayons-gamma Rayons-X Rayons-gamma (de l’extérieur de l’atmosphère Rayons-X (de l’extérieur de l’atmosphère Visible (à travers l’ atmosphère)

34 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)

35 Les zones spectrales d’intérêt pour la télédétection de la surface terrestre
Le visible (0,4-0,7 m) Le PIR (0,7-1,1 m) L’IROC (1,1-3 m) Le MIR (3-5 m) L’IRT (8-14 m) Les micro-ondes (3cm –30 cm) Partie optique Partie électrique

36 Les sources du RÉM

37 Spectre et sources Une source naturelle , ex. le soleil, est en règle générale une source polychromatique Une source artificielle, ex. un laser, est en règle générale une source pratiquement monochromatique Une source naturelle est caractérisée par un rayonnement incohérent; une source artificielle est une source cohérente.

38 Qu’est-ce qu’on mesure en télédétection?
Une onde ÉM est caractérisée par 5 paramètres: Sa direction de propagation Son amplitude Sa longueur d’onde (ou sa fréquence) Sa polarisation Sa phase

39 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 = ε μ E 0 2

40 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 un autre nous normalisons la quantité d’énergie par le temps de résidence. Nous parlons ainsi du flux du RÉM (mesure en Watts).

41 Qu’est-ce qu’un capteur mesure?
Cependant la mesure du flux seule ne véhicule qu’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

42 Qu’est-ce qu’on mesure en télédétection

43 Sources et mesures en fonction de la longueur d’onde
Si la source est naturelle mesure dans des bandes spectrales plus ou moins larges; Si la source est artificielle, mesure dans une longueur d’onde Dans le premier cas --- capteurs multi-bandes Dans le second cas --- capteurs multi-fréquences

44 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).

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

46 Les 5 propriétés : Direction de propagation
La direction de propagation est utilisée par des capteurs passifs pour localiser un objet particulier au sol La position peut être connue avec une certaine incertitude : le phénomène de diffraction

47 Les autres paramètres: la direction de propagation
On commence à l’utiliser avec les sources incohérentes; On l’utilise déjà avec les sources artificielles