Brevet FR2725792A1 — publié le 19960419

La présente invention concerne le domaine de l'imagerie par satellite d'observation, et plus précisément de l'imagerie par radar spatial. L'imagerie par radar spatial est différente de l'imagerie optique, bien connue, et dont les principes physiques sont proches de ceux de la vision humaine. L'image obtenue par un radar spatial diffère tout d'abord par son contenu de celle obtenue au moyen d'une optique traditionnelle puisque le paysage est observé par le radar spatial avec une longueur d'onde décimétrique (de 3 à 25 cm), bien supérieure à celle, micrométrique, exploitée dans l'optique traditionnelle. L'image est également différente dans son principe d'obtention puisque le radar spatial est un instrument actif qui comporte sa propre source d'éclairement du paysage, ce qui permet d'observer de jour comme de nuit et, par un choix approprié de la longueur d'onde utilisée, d'être insensible aux nébulosités. Il s'agit donc d'une imagerie 'tous temps", dont les avantages opérationnels sont nombreux. En revanche, comme il est difficile de déployer dans l'espace des antennes de plus dix mètres, la résolution angulaire naturelle des radars spatiaux est très mauvaise, de l'ordre du demi-degré (alors que l'oeil humain fait dix fois mieux). L'imagerie par radar ne fait donc pas appel à la résolution naturelle de l'instrument. La résolution, dans le sens perpendiculaire à la direction de vol, est obtenue par l'analyse à bord du satellite du temps de retour des échos (ce qui est le principe de tous les radars) et, dans le sens parallèle à la direction de vol, par un processus numérique dit de "synthèse d'ouverture", réalisé au sol et conduisant à un calcul assez volumineux. Chacune des lignes d'une "image" radar correspond à une impulsion émise par le radar, transformée en une suite d'échantillons classés selon leur temps de retour comme les indices de colonne de l'image. Ces échantillons sont des nombres complexes représentatifs de l'amplitude et de la phase de l'onde réfléchie. Le processus numérique de synthèse d'ouverture précité conserve la nature complexe des signaux traités, de sorte qu'en plus de sa principale qualité opérationnelle, qui est d'être insensible aux nébulosités et de pouvoir opérer de nuit, un radar spatial installé sur un satellite permet la mesure de petits déplacements par la technique d'interférométrie. La phase de l'onde réfléchie contient en effet des informations sur la position, la répartition et la nature radioélectrique des éléments constitutifs du paysage illuminé par le radar, encore appelés cibles (telles que cailloux, branches, etc...). Par comparaison d'images radar prises à des dates différentes dans des conditions presque identiques, l'information de position peut être isolée des autres en construisant un interférogramme. L'interférométrie par radar a été proposée et testée depuis près de vingt ans déjà, et l'on se reportera utilement à la publication L. C. Graham dans Proceedings IEEE vol. 62 N 6, Juin 1974, intitulée 'Synthetic interferometer radar for topographic mapping". L'information de phase est influencée par trois facteurs dont les deux premiers sont inconnus: - le déphasage causé par la réflexion de l'onde radar sur les cibles, et lié aux propriétés électromagnétiques de celles- ci; - le déphasage lié à la position relative des cibles à l'intérieur d'un même élément d'image ou pixel. La phase résultante d'un pixel est le fruit d'une combinaison complexe des contributions des différentes cibles présentes à l'intérieur du pixel, pondérées par leurs amplitudes respectives; - le déphasage éventuel lié à un déplacement des cibles ou à une variation des conditions d'observation. On suppose, lors de la mise en oeuvre des techniques d'inter- férométrie par radar, que les deux premiers facteurs, à défaut d'être connus, sont stables dans le temps. Cette hypothèse sous-entend, pour le premier facteur, une stabilité physique des cibles et pour le second facteur, une stabilité géométrique qui restreint la variation possible de l'angle d'incidence du radar entre deux passages du satellite. Ainsi, l'état de surface du sol ne doit pas trop changer entre deux prises de vue (ce qui exclut la surface des mers par exemple), et le satellite doit repasser très près (quelques centaines de mètres au plus) de sa trajectoire précédente. Si l'hypothèse précédente est vérifiée, l'évolution de la phase due au troisième facteur entre deux images radar peut être obtenue en construisant un interférogramme qui traduit la différence des phases des deux images. Cette différence peut s'analyser comme étant le fruit de quatre contributions: - le rapprochement ou l'éloignement orbital des trajectoires du satellite entre les prises d'images. Comme cela a été dit plus haut, les orbites doivent être proches mais ne sont jamais identiques ni même parallèles dans la pratique, - un effet stéréoscopique produit par la topographie, observée selon deux points de vue légèrement différents, le mouvement d'ensemble des cibles qui a eu lieu entre les prises d'images, - l'évolution de la longueur de la propagation atmosphérique et les variations de phase d'origine ionosphérique. Ces dernières sont encore qualifiées 'd'effets non-euclidiens", car les variations de phase subies par les différentes longueurs d'ondes ne peuvent s'expliquer par une augmentation ou une diminution commune du chemin optique. Il est difficile, dans la pratique, d'évaluer séparément la contribution de chaque facteur influençant la phase. On peut néanmoins s'aider des considérations suivantes: - un effet de mouvement du sol doit se trouver sur tous les interférogrammes englobant un intervalle de temps donné, quels que soient les écarts orbitaux des prises d'images. Par exemple, si un mouvement du sol apparaît dans un interférogramme construit à partir d'images prises en Avril et en Mai, il doit être présent dans un interférogramme construit à partir d'images prises en Mars et en Juin; - un effet de propagation atmosphérique doit se retrouver sur tous les interférogrammes auxquels participe une image qui a été affectée par cet effet de propagation. Les effets non-euclidiens peuvent être évalués par déduction, après avoir quantifié les autres facteurs affectant la phase. Cette quantification est toutefois rendue complexe par le fait que la mesure de la distance est ambiguë, n'étant donnée que modulo la longueur d'onde X du radar. En d'autres termes, si la longueur d'onde est de 5 cm, un déplacement de 2 cm est vu de la même façon qu'un déplacement de 7 cm. La mesure complète peut être restituée en "déroulant" la phase sur l'image, d'un point à un autre, pour faire apparaître les nombres entiers de longueur d'onde absents de la mesure. On se reportera utilement à l'article "Satellite radar interferometry-: Two-dimensional phase unwrapping" de Goldstein et al. paru dans Radio Science, vol. 23, N 4, Pages 713 à 720, Juillet-Août 1988. L'opération de déroulement de la phase est cependant difficilement automatisable, et il n'existe pas, à la connaissance de la Demanderesse, de procédé permettant d'évaluer aisément et précisément les effets non- euclidiens. La présente invention a ainsi pour objet de proposer un procédé d'imagerie permettant d'évaluer les effets non-euclidiens, notamment sans qu'il soit nécessaire de "dérouler" la phase pour ce faire. Le procédé selon l'invention se caractérise par le fait qu'il comprend les étapes consistant à: - former un premier et un deuxième interférogrammes à partir de couples d'images radar obtenus en utilisant respectivement deux radars spatiaux travaillant à des longueurs d'ondes respectives X1 et X2 vérifiant la relation m X1 = n X2, o m et n sont des entiers, lesdits radars étant placés sur un même satellite, - effectuer la combinaison linéaire n *1 - m 2 des phases respectives *1 et +2 des premier et deuxième interférogrammes, la partie fractionnaire de cette combinaison linéaire étant représentative des effets non- euclidiens affectant les images desdits radars spatiaux ayant servi à la réalisation desdits interférogrammes. Très préférentiellement, m = 2 ou m = 3 et n = 1. L'invention a également pour objet un satellite pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé en ce qu'il est équipé de deux radars aptes à travailler respectivement aux longueurs d'ondes Xl et X2. L'invention a encore pour objet une représentation des effets non- euclidiens obtenue par la mise en oeuvre du procédé précité. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, et à l'examen du dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique d'une plate-forme de satellite d'observation équipée de deux radars spatiaux conformément à l'invention, - la figure 2 illustre très schématiquement le traitement des images provenant de chacun des radars équipant le satellite. On a représenté sur la figure 1, très schématiquement, deux radars spatiaux 1, 2 à synthèse d'ouverture, connus en eux-mêmes et non décrits en détail, montés sur une plate-forme commune 3 d'un satellite d'observation de la terre. Les deux radars 1, 2 sont destinés à travailler à des longueurs d'onde respectives X1 et X2 vérifiant la relation m kl = n X2 o m et n sont des entiers. Chaque radar est utilisé pour former un couple d'images radar référencées la et lb pour le premier radar et 2a et 2b pour le deuxième radar, à partir desquels sont construits de façon connue en soi deux inter- férogrammes respectifs lc et 2c. Les images la, 2a sont obtenues simultanément. Il en est de même des images lb, 2b. Pour une même différence de marche géométrique D sur les interférogrammes lc et 2c, on a les relations D + E(X1) = kl X1 + X1 1 ( 1) D + E(X2) = k2 X2 + X2 +2 (2) m X1 = n X2 (3) o kl et k2 sont des entiers, 91 et +2 sont les phases respectivement mesurées sur les interférogrammes lc et 2c, et E(X1), E(X2) traduisent les effets non- euclidiens affectant la propagation des ondes radar de longueurs d'ondes X1 et k2, que l'on cherche à évaluer. Les équations (1) et (2) peuvent encore s'écrire D = kl X. + X1 [91 E(X1) / X1] (4) D= k2 X2 + X2 [2 - E(2) / X2] (5) En formant (4) - (5) on a k2 X2 - k1 X1 = x1 [91- E(X1) / l1] - X2 [.2 - E(X2) / k2] (6) Compte tenu de (3) et de (6), on a [m k2 - n kl] XI = n X1 [91 - E(Xl) / Xj] - m X1 [2 - E(k2) / X2] (7) En prenant la partie fractionnaire de (7) on a frac (n 91 - m +2) = frac (m E(k2) / X2 - n E(X1) / X1) Connaissant *j et *2 par lecture des interférogrammes lc et 2c, on peut cartographier les effets non-euclidiens selon la valeur de la partie fractionnaire de m E(X2) / X2 - n E(x1) / X1 Les valeurs de m et n sont de préférence limitées à 2 ou 3 au plus, en raison de l'augmentation de la contribution du bruit dans les interférogrammes multipliés et combinés, qui croit comme (m2 + n2)1/2. Finalement, l'invention, en utilisant deux radars montés sur la même plate-forme d'un satellite et travaillant avec des longueurs d'ondes dans un rapport entier ou fractionnaire simple, permet de séparer d'une façon aisée les effets non-euclidiens des autres effets affectant la phase, la multiplication d'une phase par un nombre entier étant facile à effectuer pour un homme du métier. On peut ainsi, par des combinaisons linéaires d'interférogrammes et sans qu'il soit nécessaire de "dérouler" la phase: - cartographier les effets de propagation d'origine ionosphérique, - produire des interférogrammes débarrassés de tels effets. L'invention trouve alors application pour les mesures de petits déplacements du sol, notamment pour: - la mesure des déplacements cosismiques, la recherche de déplacements pré- ou post-sismiques, - la détection du gonflement des volcans avant éruption, - la mesure des glissements de terrain, - la mesure de la vitesse d'avancement des glaciers, - la surveillance de l'enfoncement des plates-formes off-shore, - la surveillance de la subsidence du sol lors d'exploitations minières, de gaz ou de pétrole, ou encore lors d'essais nucléaires souterrains, - la classification des cultures par la mesure directe de la vitesse de croissance des végétaux. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour évaluer les effets non-euclidiens affectant une image obtenue avec un radar spatial (1; 2), notamment le déphasage lié à la propagation de l'onde émise par ce radar au travers de l'ionosphère, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: - former un premier (lc) et un deuxième (2c) interférogrammes à partir de couples d'images radar (la, lb; 2a, 2b) obtenus en utilisant respectivement deux radars spatiaux (1, 2) travaillant à des longueurs d'ondes respectives XI et X2 vérifiant la relation m X1 = n X2, o m et n sont des entiers, lesdits radars étant placés sur un même satellite, - effectuer la combinaison linéaire n *1 - m 2 des phases respectives $1 et,2 des premier et deuxième interférogrammes, la partie fractionnaire de cette combinaison linéaire étant représentative des effets non-euclidiens affectant les images desdits radars spatiaux ayant servi à la réalisation des interférogrammes. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que m est choisi dans l'ensemble [2; 3] et n = 1. 3/ Satellite pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est équipé de deux radars spatiaux (1, 2) aptes à travailler respectivement aux longueurs d'ondes Xl et )A2. 4/ Satellite selon la revendication 3, caractérisé en ce que les radars spatiaux sont des radars à synthèse d'ouverture. 5/ Représentation des effets non-euclidiens obtenue par la mise en oeuvre du proceédé selon l'une des revendications 1 et 2.