Applications aux océans

On peut utiliser les images RSO pour détecter et surveiller différents processus physiques, naturels ou anthropiques, qui perturbent la surface de l'océan. Les vents de surface sont la principale cause de l'irrégularité de la surface de la mer. La rétrodiffusion sur des surfaces irrégulières est généralement plus intense que sur des surfaces lisses. L'irrégularité de la surface de la mer est causée par certains phénomènes atmosphériques - cellules de convection, fronts, foyers pluvieux (figure 9-49) et ondes de gravité - et de phénomènes océaniques liés aux courants - tourbillons marins, ondes internes, limites entre les masses d'eau et ondes de gravité de surface. Un autre phénomène marin est la présence de pellicules d'origine biologique ou humaine qui amortissent les petites ondes de surface et qui est détectable par la rétrodiffusion moins intense que pour les régions avoisinantes.

Figure 9-49. Schéma du courant descendant associé à un foyer pluvieux s'étendant sur la mer et en perturbant la surface , b) Foyers pluvieux révélés par ERS-1. On y voit des fronts de rafale ainsi que des zones où les ondes de Bragg sont atténuées (faible rétrodiffusion) par la couche turbulente à la surface, produite par une forte pluie. (Source : http://www.ifm.uni-hamburg.de/en/search.html?q=ERS%2FSAR)

Dans ce qui suit, on trouvera des exemples de l'utilisation, dans le contexte marin, de données RSO polarimétriques ou multipolarisées et leur analyse.

• L'étude des vents marins
• La détection de nappes de pétroles
• La détection des navires

L'étude des vents marins

Les images RSO de la surface océanique révèlent la présence de phénomènes atmosphériques par l'interaction du champ de vent près de la surface et l'irrégularité résultante de la surface de l'océan. En général, plus élevée est la vitesse du vent de surface, plus irrégulière sera la surface de l'océan, ce qui accroîtra la rétrodiffusion radar et produira des plages plus brillantes dans l'image. Cette relation permet de dériver des informations sur les vents à partir des données RSO.

TLa signature dans les micro-ondes, où les irrégularités de la surface de l'océan sont du même ordre de grandeur que la longueur d'onde du radar, est dominée par la diffusion de Bragg. Étant donnée la plus grande sensibilité de la diffusion sur les ondes capillaires de surface, on préfère la polarisation VV, plutôt que la polarisation HH, pour estimer la vitesse du vent. Toutefois, les images dans la polarisation HH sont plus adéquates pour le suivi de d'autres phénomènes océaniques, comme les ondes internes et les courants, et pour la bathymétrie (figure 9-50).

Figure 9-50. Illustration, tirées de données réelles de diffusion avec un radar à ouverture synthétique, à 13,3 GHz de la sensibilité de la polarisation à des phénomènes atmosphériques et océaniques. a) Cette image dans la polarisation VV est dominée par les signatures atmosphériques, notamment la variabilité de la vitesse du vent et les cellules de convection. b) Tandis que cette deuxième image, observée simultanément dans la polarisation HH, montre des phénomène océaniques, notamment des ondes internes (Tiré de ).

Habituellement, le signal contenu dans les images dans les polarisations croisées est trop faible pour qu'on puisse en tirer des informations sur les vents et les vagues. L'intensité du signal est trop proche ou inférieure ou du seuil de bruit des systèmes RSO orbitaux. Ainsi, les signaux de polarisation croisée ne sont pas très utiles pour l'observation des phénomènes marins. Toutefois, on a démontré le potentiel de l'utilisation synergique des images HH et VV tirées des données collectées par l'appareil RSO-C à bord du Convair 580 (figure 9-51) pour l'estimation du vent et des vagues, tout comme l'utilisation du rapport des signaux copolarisés , dans la bande C (figure 9 52). Les différences de structures du spectre en nombres d'onde des canaux VV et HH, particulièrement le long de l'axe de la portée en nombre d'onde, montre les possibilités d'améliorer nos estimations de l'état de l'océan grâce aux images acquises dans les deux polarisations. Ces études montrent que les fonctions de modélisations des polarisations VV et HH dans la bande C sont en bon accord avec la portée en angle d'incidence de RADARSAT 2, et que les rapports de copolarisation dans la bande C calculés avec une diffusion de Kirchhoff sont en bon accord avec les observations. Donc, le mode d'observation à double canal, comme le mode de polarisation de RADARSAT 2, pourrait se montrer intéressant pour les observations de la surface des océans.

Interspectre de l'image HH entre deux impulsions	Interspectre de l'image VV entre deux impulsions
Figure 9-51. . Exemple d'un spectre de l'image RSO du même champ de vague de l'océan observé dans les polarisations HH et VV. Il montre la possibilité d'améliorer l'extraction du spectre des vagues à partir des données dans les deux polarisations. (Graphique tiré de la communication du CDT à l'atelier sur la polarimétrie du congrès IGARSS 2002.)

Convair 580,L3P3, 16 h 31, 27 juin 2000, lac Supérieur, rapport de polarisation, AziLines 2049:4096.

A : axe de pointage = 20 B : bord éloigné de la fauchée nominale C : axe de pointage du Convair 580.
Figure 9-52. Graphique du rapport de copolarisation dans la bande C, tiré des données dans la bande C, collectées en juin 2000, avec le RSO C, à bord du Convair 580, au dessus d'une bouée de la NOAA sur le lac Supérieur et rapport de copolarisation dans la bande C, calculé à partir de la diffusion de Kirchhoff. (Image communiquée par le CCT).

La détection de nappes de pétroles

Les échos RSO varient en fonction de l'irrégularité de la surface de l'océan, laquelle dépend de la vitesse et de la direction du vent. Les images dans la polarisation VV sont celles qui sont les plus sensibles à la variabilité du vent. L'élimination des ondes capillaires par une nappe d'huile, d'origine humaine ou naturelle, atténue l'irrégularité de la surface, ce qui diminue la rétrodiffusion radar et produit des images plus sombres. Les meilleures conditions pour la détection des nappes sont des vents modérés entre 3 et 10 m/s. Des images dans les polarisations HH et VV d'un déversement de pétrole sont visibles aux figures 9-53 et 9-54.

Bien que des images dans les polarisations VV et HH peuvent servir à détecter les déversements, on choisit habituellement le canal VV puisqu'il offre habituellement un meilleur rapport signal-confusion que les autres polarisations (HH, VH et HV). Le tableau 9-3 résume la situation : bien que les données VV permettent de mieux détecter les nappes que les données HH, il pourrait ne pas exister davantage à utiliser les signatures copolarisées ou orthopolarisées, puisque le contraste entre les surfaces couvertes ou non d'hydrocarbures est analogue dans ces deux cas (figure 9-55). La détermination de l'épaisseur de la nappe et l'incapacité de distinguer un déversement de phénomènes comme des zones peu venteuses, de la bouillie de glace ou des surfactants biologiques constituent encore des problèmes.

polarisation	eau	eau couverte de pétrole	bruit de fond des RSO	contraste
VV	-20 dB	-28 dB	-30 dB	8 dB
HH	-24 dB	-32 dB	-30 dB	6 dB
HV	-30 dB	-38 dB	-30 dB	0 dB

Table 9-3. Valeurs hypothétiques de la rétrodiffusion d'un signal radar sur de l'eau et de l'eau recouverte de pétrole, ainsi que le bruit de fond d'un système RSO. On constate que la détection de nappes de pétrole serait facilitée dans la polarisation VV, à cause du meilleur contraste. (Atelier du CCT sur la polarimétrie au congrès IGARSS 2002.)

Réponse copolarisée	Réponse orthopolarisée
Réponse copolarisée	Réponse orthopolarisée
= normalisé     V = angle d'orientation     = ellipticité

Figure 9-55. Signatures copolarisée et orthopolarisée tirées des observations d'un déversement d'hydrocarbures au large du Japon, le 16 janvier 1994 par le SIR C. Tel que le suggèrent les analyses de la sensibilité de la polarisation, on constate le peu de différence entre la mer couverte de pétrole (en bas) ou non (en bas). [Cours de polarimétrie du CCT. (Atelier du CCT sur la polarimétrie au congrès IGARSS 2002.)

La détection des navires

On a démontré que l'on pouvait détecter les navires avec une fiabilité de 95 % à partir des données RADARSAT-1 collectées avec les faisceaux les plus appropriés à cette tâche et analysées avec un système automatique de détection de cibles. La détection des navires avec un radar à synthèse d'ouverture repose sur la détection directe du navire ou de son sillage. Pour la détection des navires, on privilégie l'imagerie dans la bande à la polarisation HH, puisque le contraste entre le navire et l'eau est habituellement plus élevé dans cette polarisation. En effet, à cause des ondes capillaires, la rétrodiffusion de la surface de l'océan est plus forte dans le canal VV, ce qui produit un fouillis de fond plus intense que dans la polarisation HH. En contrepartie, on choisit la polarisation VV pour détecter les sillages, puisque le sillage est rarement visible dans les images polarisées, conséquence de la baisse rapide de la rétrodiffusion déjà faible dans le canal HH avec l'augmentation l'angle d'incidence. La figure 9-56 donne deux exemples de détection à l'aide d'images RSO collectées par RADARSAT-1 et ERS-1.

Figure 9-56 a) et b). ). Image HH dans la bande C, collectée par RADARSAT-1 (a) et image VV, collectée par ERS-1 (b). On constater comment le choix des polarisations HH ou VV accentue respectivement le contraste des navires et celui des sillages. (Tiré de .

On prévoit que le recours aux données multi-polarimétriques ou complètement polarimétriques permettront d'exploiter différentes combinaisons de polarisation et optimiser la détection des navires. Par exemple, une combinaison de polarisation VV et VH serait optimale pour la surveillance des navires, puisque le canal VH fournit des informations sur les cibles ponctuelles sur un fond de fouillis très sombre. En parallèle, la polarisation VV, fournirait un signal rétrodiffusé adéquat permettant l'analyse des sillages. Puisque le mécanisme de diffusion entre le navire et la mer est une double réflexion, on prévoit que la polarisation DD, (polarisation circulaire droite à l'émission et la réception) permettrait d'accentuer la signature d'un navire.

On prévoit que l'utilisation de données polarimétriques améliorerait la détection des navires et, probablement, leur classification. Toutefois, à cause de la faible surface couverte par la fauchée, ces données ne conviendraient qu'au suivi, voire à la surveillance, de certaines régions limitées d'un grand intérêt stratégique ou commercial. La décomposition polarimétrique et la classification par mécanisme de diffusion est une utilisation intéressante des données polarimétrique pour la détection des navires. L'entropie de la polarisation est particulièrement prometteuse, particulièrement pour les angles d'incidence inférieurs à 60°, inclinaisons pour lesquelles les navires sont particulièrement difficiles à déceler dans les images HH. Cela est illustré de façon frappante à la figure 9-57, qui montre images polarisées HH et de l'entropie, cette dernière étant fortement contrastée. Puisque l'angle d'incidence du capteur de RADARSAT-2 sera inférieur à 60°, les images permettant la meilleure détection des navires seront : l'entropie, la polarisation circulaire DD, les polarisations croisées (HV et VH) et la polarisation HH. (figure 9-58).

Figure 9-57. a) image HH, dans la bande C et, b), image correspondante de l'entropie de la même zone au large de la Nouvelle-Écosse. On peut constater comment, dans cette dernière image, la détection des navires est facilitée. Les données ont été collectées par le RSO-C, à bord du Convair 580. (Tiré de : )

Figure 9-58. Contraste d'navire-mer en fonction d'angle d'incidence pour toute la polarisation linéaire, polarisation DD et entropie de la polarisation