Soutenance de thèse - PhD defence - Nicolas Oudart
Channel: Thesis Nicolas Oudart
Date: 2021-09-21

21/09/2021 - Guyancourt - LATMOS - FRANCE
Thèse encadrée par Valérie Ciarletti et Alice Le Gall
Financée par l'UVSQ et le CNES

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FR:

A partir de l’été 2023, le rover Rosalind Franklin de la mission ExoMars 2022 (ESA / ROSCOSMOS) recherchera à l’aide d’une foreuse de potentielles traces de vie, passées ou présentes, dans les 2 premiers mètres du sous-sol martien, là où les échantillons collectés pourraient avoir été protégés des conditions inhospitalières de la surface. Dans le but d’offrir un aperçu de la structure et de la composition de la proche sous-surface avant toute opération de forage et d’aider à reconstituer le contexte géologique du site d’atterrissage du rover, le radar à pénétration de sol WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars) sondera les premiers mètres du sous-sol martien avec une résolution verticale centimétrique. Cette thèse a été dédiée à la mise en place d’une chaine de traitement et d’interprétation des données de WISDOM destinée à optimiser la qualité de ses futures observations sur Mars.


Les données de WISDOM se présentent sous forme de « radargrammes » qui donnent l’amplitude des signaux reçus (après réflexion/diffusion sur des structures enfouies) en fonction de leur temps d’arrivée. A été développée une chaîne automatique de détection / caractérisation des courbes de diffraction dans les radargrammes, dont la forme donne la vitesse de propagation des signaux, garantissant ainsi la possibilité d’exprimer les radargrammes WISDOM en fonction de la distance.


Cette thèse s’est aussi attachée à améliorer la résolution verticale (en distance / profondeur) des radargrammes de WISDOM. Une technique de super-résolution, fondée sur l’« Extrapolation de largeur de bande » (BWE), a été implémentée dans la chaîne de traitement des données WISDOM, permettant une amélioration de la résolution par un facteur 3. De potentielles améliorations de la BWE, basées sur des modèles de signal plus sophistiqués ont aussi été explorées.

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EN:

From summer 2023, the Rosalind Franklin rover of the ExoMars 2022 mission (ESA/ROSCOSMOS) will seek out past or present traces of life down to 2 m in the Martian subsurface with a drill, where collected samples could have been shielded from the harsh conditions of the surface. In order to give an insight into the structure and composition of the shallow subsurface prior to any drilling operations, and to provide clues on the geological context of the rover landing site, one of the 9 instruments onboard Rosalind Franklin is a Ground Penetrating Radar (GPR): WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars). WISDOM will sound the first meters of the Martian shallow subsurface with a vertical resolution of a few cm. This thesis was dedicated to the assessment and implementation of new and sophisticated tools in the processing and interpretation chain of the WISDOM data, enhancing the quality and readability of future Martian observations.

Data acquired by WISDOM consist in “radargrams”, displaying the amplitude of received signals (after reflection/scattering on subsurface structures) as a function of their time delays. Converting these time delays into distances requires the knowledge of the propagation speed of electromagnetic waves in the subsurface, which is linked to the dielectric permittivity of this subsurface. In the case of WISDOM, this property can be estimated from the surface echo intensity or from the shape of diffraction curves from scatter points buried in the subsurface. Since, unlike most GPR, WISDOM antennas are not directly on the ground, the latter method must account for the refraction of radar signals at the surface, which impacts the shape of the curves and thus the permittivity estimation. During this thesis, an automated tool of detection and characterization of diffraction curves was developed and validated, guarantying the display of radargrams as a function of distance.

This thesis also focused on the enhancement of the vertical resolution (in range/depth) of WISDOM radargrams. The instrument operating on a large frequency bandwidth, a resolution of a few cm in the subsurface is already assured. A super-resolution technique based on the “Bandwidth Extrapolation” (BWE) was tested and implemented to the WISDOM data processing chain. This resulted in an improvement of the range resolution by a factor of 3. Such improvement has numerous positive implications on the interpretation of future WISDOM radargrams; echoes before impossible to separate can be now discriminated. Potential improvements of the BWE, exploiting for instance the polarimetric capabilities of WISDOM were also explored.