Principes de base des radars

Comme nous l'avons mentionné dans la section précédente, un radar est essentiellement un instrument mesurant des distances. Il consiste en un émetteur, un récepteur, une antenne et un système électronique pour traiter et enregistrer les données. L'émetteur génère de courtes impulsions d'hyperfréquences (A) à intervalle régulier qui sont concentrées en un faisceau (B) par l'antenne. Le faisceau radar illumine latéralement la surface à angle droit par rapport au déplacement de la plate-forme. L'antenne reçoit une partie de l'énergie réfléchie (rétrodiffusée) par différents objets illuminés par le faisceau (C). En mesurant le délai entre la transmission et la réception de l'impulsion rétrodiffusée par les différentes cibles que les radars illuminent, on peut déterminer leur distance au radar, donc leur position. À mesure que le capteur se déplace, l'enregistrement et le traitement du signal rétrodiffusé construisent une image en deux dimensions de la surface illuminée par les hyperfréquences.

Bien que nous ayons caractérisé le rayonnement électromagnétique dans les parties visible et infrarouge du spectre électromagnétique principalement en fonction de leurs longueurs d'onde, le rayonnement des hyperfréquences est, quant à lui, caractérisé par les fréquences et les longueurs d'onde. Le domaine des hyperfréquences est beaucoup plus large que le domaine du visible et de l'infrarouge. Les bandes d'hyperfréquences les plus utilisées sont toujours identifiées par des lettres qui leur ont été attribuées lors de la Deuxième Guerre Mondiale. En voici un aperçu :

• Bandes Ka, K et Ku : très petites longueurs d'onde, utilisées dans les premiers radars aéroportés, très peu utilisées de nos jours.
• Bande X : très utilisée dans les systèmes radars aéroportés pour la reconnaissance militaire et la cartographie.
• Bande C : répandue dans plusieurs systèmes de recherche aéroportés (le Convair-580 du CCT, le AirSAR de la NASA) et spatioportés (ERS-1 et 2 ainsi que RADARSAT).
• Bande S : utilisée par le satellite russe ALMAZ.
• Bande L : utilisée par le satellite américain SEASAT et le satellite japonais JERS-1, ainsi que dans le système aéroporté de la NASA.
• Bande P : la plus grande longueur d'onde radar, utilisée pour le système aéroporté expérimental de la NASA.

Voici deux images radars du même champ mais ayant été acquises avec une fréquence radar différente. L'image du haut a été acquise par un radar en bande C et celle du bas par un radar en bande L. On peut y observer des différences importantes dans l'apparence des différents champs et récoltes dans chacune des images. Ces différences sont dues aux différentes façons qu'a l'énergie radar d'interagir avec la végétation en fonction de la longueur d'onde. Nous aurons l'occasion d'approfondir ce sujet dans les prochaines sections.

La polarisation du rayonnement est un autre aspect important dans l'utilisation des hyperfréquences. La polarisation représente l'orientation du champ électromagnétique (ce dernier a été défini au chapitre 1). La plupart des radars ont été dessinés de façon à transmettre des hyperfréquences avec une polarisation horizontale (H) ou verticale (V). De même, l'antenne reçoit de l'énergie rétrodiffusée avec polarisation horizontale ou verticale, mais certains radars peuvent recevoir les deux. Il peut donc y avoir quatre combinaisons de polarisations de transmission et réception :

• HH polarisation horizontale pour la transmission et la réception
• VV polarisation verticale pour la transmission et la réception
• HV polarisation horizontale pour la transmission et verticale pour la réception
• VH polarisation verticale pour la transmission et horizontale pour la réception.

Les deux premières combinaisons sont appelées polarisations parallèles et les deux dernières polarisations croisées. Ces images de surfaces agricoles prises en bande C montrent la variation des résultats radars suite à des changements de polarisation. Les deux images du haut sont en polarisations parallèles, alors que celles du bas sont en polarisations croisées. L'image du coin gauche supérieur montre les trois types de polarisations, chacun étant représenté par une couleur primaire (rouge, vert et bleu). Tout comme pour les variations de longueurs d'onde, le type de polarisation à la transmission comme à la réception vont affecter l'interaction du rayonnement rétrodiffusé par la surface. Ainsi, une image radar acquise en utilisant diverses combinaisons de polarisation et de longueurs d'onde, peut procurer de l'information complémentaire sur les cibles.

Le saviez-vous?

« Mais que peuvent bien représenter ces nombres? »

Les produits de télédétection typiques (une image RADARSAT, par exemple) sont constitués de données en format de 8 ou 16 bits. Pour obtenir toutes les caractéristiques physiques originales des valeurs de rétrodiffusion (σ^o sigma zéro ou β^o beta zéro) des produits radars calibrés, on doit inverser les étapes finales de la chaîne de traitement du RSO. Pour l'imagerie RADARSAT, on doit d'abord mettre les valeurs numériques au carré et appliquer une table de rehaussement radiométrique (dont la valeur varie en fonction de la portée). Comme vous pouvez le constater, les relations entre les valeurs numériques de l'image ne sont pas simples!

Question éclair

Comment pouvons-nous utiliser les images radars avec différentes longueurs d'onde et différentes polarisations pour extraire le plus d'information possible d'une scène ? Rappelez-vous le chapitre 1 : les caractéristiques générales des images de télédétection, et le chapitre 2 : l'interprétation des données provenant des capteurs optiques.
La réponse est...

Expliquez comment des données provenant d'un diffusomètre qui ne produit pas d'image, peuvent être utilisées pour extraire plus précisément de l'information d'une image radar.
La réponse est...

Question éclair - réponse

1. Tout comme les capteurs optiques avec différentes bandes ou canaux de données, les images radars provenant de plusieurs longueurs d'ondes peuvent amener de l'information complémentaire. Les données radars acquises à des longueurs d'ondes différentes sont comme les données provenant de la télédétection dans le visible. De même, les différentes polarisations peuvent être considérées comme des bandes d'information différentes. L'interaction avec les éléments de la surface se fera d'une façon différente selon longueur d'onde et la polarisation. Comme pour les données de bandes multiples en optique, nous pouvons combiner ces différents canaux de données pour produire des images en couleurs qui peuvent mettre en évidence certaines variations subtiles dans les structures en fonction de la longueur d'onde ou de la polarisation.

2. Un diffusomètre est utilisé pour mesurer précisément l'intensité rétrodiffusée d'un objet ou d'une surface. En caractérisant précisément (c.-à-d. en mesurant) l'intensité de l'énergie réfléchie à partir des objets et des surfaces de toutes sortes, ces mesures peuvent être utilisées pour générer des signatures de rétrodiffusion typiques, semblables au concept de signature spectrale en optique. Ces mesures peuvent être utilisées comme références pour l'étalonnage des images à partir de capteurs radars, de manière à pouvoir faire des comparaisons plus précises de la réponse des différents éléments.