Présentation de SAR

Disponible avec une licence Image Analyst.

Le radar à synthèse d’ouverture (SAR) est un type de capteur radar. Le capteur SAR est monté sur un avion ou un satellite et balaie latéralement et non vers le bas (nadir). Il s’agit d’un capteur actif qui émet des ondes électromagnétiques à la surface du globe et reçoit le signal réfléchi. L’onde électromagnétique reçue par le capteur est appelée rétrodiffusion mesurée. Une image SAR est un rendu 2D de la rétrodiffusion mesurée.

Une image SAR est communément livrée sous forme de deux types de produit : Ground Range Detected (GRD) et Single Look Complex (SLC). Les produits GRD ont été moyennés pour produire une image à traitement multi-visée projetée sur la distance au sol selon un modèle ellipsoïdal terrestre. Une image GRD est stockée sous forme de matrice de valeurs réelles dans laquelle la valeur de chaque pixel représente l’amplitude du signal de rétrodiffusion réfléchi. Les produits SLC sont des images dans le plan de l’image des données acquises, connu sous le nom de plan de visée oblique. Une image SLC est stockée sous forme de matrice de valeurs complexes dans laquelle la valeur complexe unique de chaque pixel représente l’amplitude et la phase du signal de rétrodiffusion réfléchi.

Une valeur numérique élevée pour l’amplitude d’un pixel d’image SAR représente une forte rétrodiffusion tandis qu’une faible valeur numérique indique une faible rétrodiffusion. La force de l’amplitude de la rétrodiffusion mesurée permet de distinguer les entités au sol. Le délai entre l’impulsion électromagnétique transmise et l’impulsion électromagnétique reçue détermine la position de l’entité.

Détection active

Un capteur peut être classé comme étant passif ou actif. Un capteur passif, équipé de systèmes optiques, enregistre les ondes électromagnétiques émises par le soleil et qui sont réfléchies par la surface du sol. Un capteur actif, utilisé par les systèmes SAR, fait office de source et de récepteur. En d’autres termes, le capteur transmet les ondes électromagnétiques et enregistre également les ondes réfléchies. Contrairement au capteur optique, un capteur SAR peut fonctionner de jour comme de nuit, indépendamment de la présence du soleil, puisqu’il transmet son propre signal.

Un capteur optique (à gauche) ne fonctionne que si le ciel est clair et ensoleillé. Un capteur SAR (à droite) fonctionne jour et nuit, même si le ciel est nuageux.

Longueur d’onde micro-ondes

Grâce à la détection active, un capteur SAR peut collecter les images en utilisant des longueurs d’onde plus longues que celles d’un capteur optique. Alors qu’un capteur optique utilise des longueurs d’onde allant des bandes visibles (4x10^-7 mètres) aux bandes infrarouges thermiques (15x10^-6 mètres), un capteur SAR utilise des longueurs d’onde micro-ondes allant des bandes K (7,5x10^-3 mètres) aux bandes P (1 mètre).

Les longueurs d’onde micro-ondes font du SAR un système d’imagerie opérant par tous les temps pour la plupart des bandes. Les longueurs d’onde plus grandes des bandes C, S, L et P permettent aux ondes du capteur SAR de traverser les nuages, le brouillard, les poussières, le smog et la fumée, ce qui en fait un outil adapté pour surveiller les zones tropicales humides et les latitudes élevées. Les précipitations et les nuages réduisent la puissance du signal dans la bande K tandis que seules les précipitations réduisent le signal dans la bande X. Les foyers pluvieux et hydrométéores liés à des orages violents peuvent réduire la puissance des signaux dans les bandes K, X et C. Une image SAR pour ces bandes présente une rétrodiffusion affaiblie pour les pixels où le signal a fait face à ces éléments violents. Les foyers pluvieux se forment lors de fortes précipitations (au-dessus de 125 mm/h) tandis que les hydrométéores sont des nuages de gouttes de pluie en phase liquide ou solide en train de fondre.

Les longueurs d’onde micro-ondes caractérisant les systèmes SAR fournissent également des informations distinctes sur les propriétés physiques de la surface du globe, telles que la rugosité, la densité et la teneur en humidité. La rétrodiffusion des longueurs d’onde micro-ondes est généralement différente selon l’entité réfléchissante. La longueur d’onde utilisée impacte fortement les entités capturées dans l’image SAR. Si la longueur d’onde est plus longue que l’entité d’intérêt, l’entité sera indétectable par l’onde électromagnétique. Par exemple, la bande L est idéale pour cartographier des inondations dans les forêts tropicales dans lesquelles la canopée masque la vue du sol au capteur optique. Les feuilles du couvert forestier ne sont pas détectées par les plus grandes longueurs d’onde en bande L comprises entre 15 et 30 centimètres, ce qui permet à l’onde de pénétrer dans le couvert et de capturer l’image du sol inondé au-dessous. Dans le scénario étudié, des données en bande X, avec des longueurs d’onde de 2,4 à 3,75 centimètres, seraient réfléchies directement par la canopée et généreraient une image SAR mettant en évidence la canopée plutôt que le sol inondé.

Les longueurs d’onde micro-ondes peuvent également traverser des matériaux comme la terre, la neige et la glace. Plus la longueur d’onde est grande, plus la pénétration est profonde. Toutefois, lorsque la teneur en humidité d’un matériau est élevée, la pénétration est diminuée. Cette caractéristique permet de distinguer les sols gelés des sols qui ne le sont pas.

Pour la plupart des longueurs d’onde micro-ondes, les entités horizontales et lisses comme les routes, les pistes d’aéroport, les lits de lacs asséchés, les sols plats, l’eau calme et le sable réfléchissent les ondes électromagnétiques dans une direction opposée au capteur et présentent des pixels de faible rétrodiffusion (DN bas). De même, pour la plupart des longueurs d’onde micro-ondes, les objets de fabrication humaine sont caractérisés par des matériaux réfléchissants et des géométries précises comme les bâtiments et les navires, qui réfléchissent les ondes électromagnétiques vers le capteur et présentent des pixels de forte rétrodiffusion (DN élevé).

Le tableau suivant récapitule les diverses fonctionnalités et applications possibles pour les bandes individuelles et leurs longueurs d’onde associées :

Application	Bande K	Bande X	Bande C	Bande S	bande L	Bande P
Longueur d’onde (cm)	0,75 à 2,4	2,4 à 3,75	3,75 à 7,5	7,5 à 15	15 à 30	30 à 100
Pénétration
Pénétration faible à modérée des couverts végétaux
Pénétration importante des couverts végétaux
Pénétration des foyers pluvieux et hydrométéores
Pénétration des précipitations
Pénétration des nuages, du brouillard, des poussières, du smog ou des fumées
Pénétration des alluvions sèches
Pénétration de la glace ou de la neige sèche
Pénétration des sols humides
Cartographie
Cartographie de la canopée
Cartographie d’herbe inondée
Cartographie des roselières et des broussailles inondées
Cartographie de couvert végétal inondé
Surveillance de la banquise
Cartographie de marée noire
Cartographie de la surface terrestre
Cartographie des inondations
Cartographie d’humidité des sols

Remarque :

Ce tableau répertorie les applications possibles selon la longueur d’onde ; toutefois, celles-ci ne sont pas garanties selon l’emplacement et le jeu de données du radar.

Polarisation

Outre la détection des longueurs d’onde plus longues, la télédétection active offre également la possibilité de contrôler la polarisation des ondes électromagnétiques transmises. En laissant le capteur SAR définir à la fois la polarisation transmise et la polarisation reçue, l’image SAR obtenue met en évidence différentes entités à la surface du globe en se basant sur la rétrodiffusion. La polarisation des données SAR est représentée par deux lettres, la première correspond à la polarisation transmise, la deuxième à la polarisation reçue.

Les images SAR à polarisation double présentent des données polarisées VV, VH ou HH, HV. Pour les produits VV, VH, le capteur transmet des ondes polarisées à la verticale et reçoit des ondes polarisées à la verticale (VV) ou des ondes polarisées à l’horizontale (VH). De même, pour les produits HH, HV, le capteur transmet des ondes polarisées à l’horizontale et reçoit des ondes polarisées à l’horizontale (HH) ou des ondes polarisées à la verticale (HV). Si les ondes transmises et reçues partagent la même polarisation, les données sont co-polarisées (polarisation parallèle). Si les ondes transmises et reçues partagent la même polarisation, les données sont à polarisation croisée (ou polarisation orthogonale). Comme pour la longueur d’onde, la polarisation transmise et reçue utilisée impacte fortement les entités capturées dans l’image SAR et doit être prise en compte.

Résolution spatiale

La détection active permet à un capteur SAR d’augmenter de manière synthétique sa résolution spatiale. Un capteur SAR émet des ondes électromagnétiques avec un signal chirp de fréquence variable qui sert de marqueur pour les ondes retournées. Comme un satellite décrit une orbite ou qu’un avion suit une trajectoire, le capteur SAR collecte des images d’un point à la surface du globe à plusieurs reprises. Le marqueur chirp permet d’identifier la localisation des ondes reçues. Cette caractéristique, combinée à des techniques de traitement du signal, permet à un capteur SAR doté d’une antenne courte d’allonger synthétiquement son antenne, ce qui améliore sa résolution spatiale. Pour identifier la localisation de l’onde reçue sur le sol, le capteur SAR doit pointer latéralement. Si un capteur SAR est dirigé tout droit vers le bas (au nadir), il ne peut pas utiliser le temps de trajet pour distinguer des entités à égale distance du capteur, placées de part et d’autre.

Une plus grande ouverture de la caméra pour un capteur donné permet l’entrée de plus de lumière, ce qui augmente la résolution des images.

Les caractéristiques d’un capteur SAR fournissent un rendu unique des entités terrestres, mais peuvent également introduire des complexités de traitement particulières. Parmi les plus fréquentes figurent la suppression du bruit thermique, l’application du calibrage pour extraire une valeur de rétrodiffusion caractéristique, le filtrage de la granularité, ainsi que la suppression des distorsions radiométriques et géométriques.

Alors que le satellite tourne en orbite autour de la Terre, le capteur prend des images du sol à plusieurs reprises. Ces images, combinées à des techniques de traitement du signal, permettent à un capteur SAR (doté d’une antenne courte) d’allonger synthétiquement son antenne pour une plus grande ouverture.