L'imagerie radar

01/09/2017
Publication REE REE 2006-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-2:19754
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L'imagerie radar

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Repères 2 LE RADAR : DU CENTENAIRE AUX EVOLUTIONS LES PLUS RECENTES y m m L L'imagerie radar Jean-Marc BOUTRY ONERA, Département Electro-Magnétisme et Radar rk irr. rn " Radar, Imagerie, Radarà synthèse d'ouverture, Polarimétrie, Interférométrie, RadarBistatique, Résolution. 1. Introduction Explorer des nouveaux concepts de détection, locali- sation et reconnaissance, c'est l'un des défis que l'ONERA a identifié dans son plan stratégique de 2002. Parmi ces concepts, l'imagerie radar, et en particulier le radar à syn- thèse d'ouverture \ tiennent une place importante. Si les principes de base du SAR ont été établis il y a plusieurs décennies', ils ont tardé à être exploités, faute de disposer des capacités de calcul nécessaires. L'imagerie radar reste donc un champ d'investigation très vaste, avec de nomb- reux paramètres en jeu : choix de la longueur d'onde, de la polarisation, de l'angle d'incidence, utilisation de la phase. Il s'agit même d'un domaine de rupture technolo- gique si l'on considère l'utilisation cohérente de plusieurs capteurs, voire la possibilité de distribuer un seul capteur sur un ensemble de plates-formes aéroportées ou spatiales. L'axe "imagerie radar" du DEMRJ est issu d'une activité d'étude des signatures radar que l'ONERA a conduite à partir du milieu des années soixante-dix. Dans ce cadre ont été en particulier développées et exploitées les sta- tions BRAHMS (mesures de signatures d'aéronefs en vol) et SAW (mesures aéroportées de signatures millimé- triques de cibles et de fouillis terrestres). De cette dernière, installée à bord d'un Transall du Centre d'Essais en Vol, est issue la station multispectrale RAMSES, décrite plus bas et qui a produit la plupart des données illustrant cet article. Outre les moyens expérimentaux, l'activité d'étude des signatures a conduit à développer des méthodes d'analyse adaptées aux mesures in situ ou en chambre, parmi lesquelles on peut citer l'holographie radar, l'analyse polarimétrique ou encore l'analyse en ondelettes. 2. Le radar à synthèse d'ouverture L'imagerie au moyen d'un radar consiste à émettre un signal selon une loi de modulation adaptée et à exploiter, par différentes techniques, le signal reçu en retour, pour fomier une image de la zone qui a été illuminée. On profite ainsi des propriétés des ondes radar pour obtenir des images de jour comme de nuit et quelles que soient les conditions météorologiques. On se heurte en revanche au manque de directivité propre aux ouvertures fonctionnant dans les longueurs d'ondes radar, ce qui impose d'avoir recours à d'autres procédés pour résoudre les éléments de la scène : séparation par la distance et la fréquence dop- pler, laquelle est issue directement du mouvement relatif de l'objet observé par rapport au radar. Ce dernier point est à l'origine de la technique du SAR, la plus générale- ment associée à l'imagerie radar. D'une façon très résumée, on dit que le mouvement de la plate-forme emportant le ESSENTIEL SYNOPSIS L'imagerie radarsuscite un intérêt croissant,en associantles qua- lités intrinsèquesdu radar(portée,caractèretout temps, localisa- tion...) àdescapacitésde classification(notammentgrâceauxgains en résolution).Lestravauxde l'ONERAdansce domainesont issus d'une activité d'étude des signatures radar conduite à partir du milieu des annéessoixante-dix.Pourmenerses recherches,en par- ticulier celles relatives au radarà synthèse d'ouverture (SAR),le Département Électromagnétismeet Radar(DEMR)s'appuiesur la station expérimentale aéroportée RAMSES,qui dispose d'une panoplie de capteurs reconfigurableset performants, et sur un ensemble d'outils logicielsadaptés.L'articleaborde les principaux thèmes étudiés : haute résolution, polarimétrie,interférométrie, SARen bandebasse,SARbistatique,avecdes illustrationsissues de données RAMSES Radar imagery offers a much promising combination of well- knownassetsof radar(longrangedetection, all weather capability, localization...)andincreasingperformancesfor targets recognitlon, thanks to improved resolution. ONERA bas been conducted researchin this areafor manyyears,starting with studiesaimedat understandingradarsignatureof variousobjects.Tosupportthese works, the Electromagneticsand RadarDepartmentdevelopsand operates the RAMSESsystem. This airborne facility provides a large number of experimental configurations, especially in SAR (SyntheticApertureRadar)mode.This article givesan overviewon the main studytopics connectedto radarimagery: high resolution, interferometry, ! ow-frequencySAR, bistatic SAR, and presents results derivedfrom RAMSES data. REE ? 2 Fevrier2006 pères 2 LE RADAR : DU CENTENAIRE AUX EVOLUTIONS LES PLUS RECENTES radar permet de créer une séparation des échos imagés au sol selon leur distance au radar et leur vitesse de rappro- chement relatif. En visée latérale, on réalise de la sorte un découpage du sol selon deux axes quasi orthogonaux (voir figure 1). On voit apparaître ici l'importance de la plate-forme, dont le déplacement conditionne le procédé de formation des images. Sur ce principe simple se greffent de nombreuses tech- niques propres à améliorer les images formées (augmenta- tion de la bande transmise, affinage de la résolution), à enri- chir l'infon-natioii recueillie (emploi de plusieurs longueurs d'onde ou polarisations, accès à une troisième dimension par l'interférométrie), voire à accéder à d'autres infonlia- tions (mouvement propre d'un objet au sein d'une scène). 3. Les besoins 3.1. Applications de défense Les études menées par l'ONERA se rapportent en premier lieu aux missions de surveillance et de rensei- gnement. Dans ce contexte, la principale technique utilisée est l'imagerie SAR, souvent combinée avec la technique GMTF. L'ONERA y joue un rôle de premier plan depuis plus de dix ans et rien ne laisse présager un relâchement de l'effort en la matière. Pour plusieurs raisons : . des capacités opérationnelles essentielles restent à concevoir ou à mettre au point (surveillance aéro- portée de théâtre par exemple) ; . là où des capacités existent déjà, des progrès de performances sont encore attendus (exemple du pod de reconnaissance) ; . quand un partage de capacités avec des partenaires européens est envisagé, la France souhaite disposer d'une véritable expertise dans les technologies les plus critiques (exemple du satellite radar avec l'Allemagne) ; . des plates-formes nouvelles (drones MALE, HALE, UCAV...) justifient non seulement d'adapter les techniques existantes mais permettent aussi, du fait de leurs concepts d'emploi et de leurs caractéristiques propres, de travailler à des capteurs totalement nouveaux. En termes d'axes techniques, on notera : . l'amélioration de la résolution, l'emploi éventuel de IJFi_,9lngiIiIPrElO_.Itlt f ] P- j _Ilj 1-11-liÉlil-i 1-li-i t [t 1 ! - 1 - P ! [-i i Il t 1 liH4. il14 1-iei- Fi,aiii-e 1. Colii-bes iso-distances et iso-dopplei^. la polarimétrie, en relation notamment avec le problème crucial de l'ATR/AsTR (Automatic/Assisted Target Recognition) ; < le recours aux bandes basses, en vue notamment de la détection sous feuillage et de l'imagerie sub- surfacique ; . l'imagerie des mobiles terrestres ; . l'interférométrie et la détection de changements ; . les configurations multistatiques, qui permettent notamment l'observation discrète ; . l'application des techniques précédentes au cas des cibles et des environnements marins. Beaucoup des problèmes précédents se rapportent éga- lement à la conduite de tir air-sol et au guidage terminal, qu'il s'agisse des capteurs assurant l'acquisition et la dési- gnation des objectifs à frapper ou même de l'autodirecteur des armes elles-mêmes. Enfin, on soulignera que le progrès en matière de capteurs d'observation doit s'accompagner d'un effort corrélatif en matière d'évaluation de la vulnérabilité de nos propres forces ou installations, ainsi que sur les techniques de réduction, de signature ou de contre mesures actives. Là encore, des capacités expérimentales aéroportées ont tout leur rôle à jouer, avec la souplesse paramétrique (fréquence, polarisation,...) qu'impose l'absence de certi- tude quant à la menace. 3.2. Applications civiles Dans le domaine civil plus encore que dans le domaine militaire, les systèmes développés jusqu'à présent n'ont que partiellement exploité les capacités de l'imagerie SAR (à l'exemple des satellites radar européens ERS à 1 En anglais: SyntheticApertureRadar,SAR.On utiliseracet acronymedansla suitedel'article. ? Notamment parCarl Wiley, de la GoodyearAircraft Corporation,en 1951. 3 DépartementElectromagnétismeet Radar.Lestravauxen imagerieSAR concernantaussile DTIM, DépartementTraitementde information et Modélisacion. 4 Grouiid Moving Targetlndication. REE N'n 2 Fevrier2006 L'imagerie radar 1 1 1 - -- a 11 Â -.. iw-1 11.. - - z,- IW*, ! 2 : *,'el Figure 2. La station R.A MSES, installée à bord ditn Ti-ansall du Centre d'Essais en vol. résolution et qualité image assez moyennes). Il reste donc beaucoup à faire vis-à-vis de besoins identifiés depuis longtemps (aide à l'agriculture, recherche de ressources naturelles, cartographie et occupation du territoire... Par ailleurs, la conscience accrue des effets de l'acti- vité humaine sur l'environnement et l'augmentation des risques associés ont fait croître considérablement certains besoins. Il est facile de l'illustrer en collant à l'actualité récente : . la prévention des risques et la gestion des catastrophes (inondations, sécheresses,incendies, marées noires...) ; . la surveillance côtière, le routage des navires ; . la surveillance du trafic routier, à différentes échelles (locale, régionale, voire nationale). On notera que la réactivité et la fréquence d'observation souvent associées à ces thèmes amènent un emploi accru des ondes radar. Elles obligent aussi à considérer une plus gran- de diversité de plates-formes (spatiales ou aéroportées). En termes techniques, on retrouve une grande partie des axes cités dans le domaine défense, avec une diversité de situa- tions encore accrue (appréhension d'objets de toutes tailles, dans toutes sortes d'environnements, à toutes saisons...). 4. La station RAMSES La station RAMSES (Radar Aéroporté Multi-Spectral d'Etudes de Signatures) a été développée par l'ONERA avec le soutien de la DGA et embarquée à bord d'un avion TRANSALL mis en oeuvre par le Centre d'Essais en Vol d'Istres. Elle permet d'analyser l'effet de paramètres radar variés (polarisation, résolution, angle d'incidence...), de mettre à jour des modèles de rétrodiffusion, d'évaluer des algorithmes de détection et classification. Le système comprend des modules radar fonctionnant dans huit bandes de fréquence (de la bande P - 435 MHz - à la bande W - 94 GHz -), reliés à des modules communs pour la génération des formes d'onde, le pré-filtrage des données et l'enregistrement. Tous les équipements sont entièrement programmables, afin de faire varier la confi- guration géométrique et la forme d'onde selon l'applica- tion visée. Les images sont obtenues par un traitement des données en temps différé. 1 ,11., e1 / / 1 , 1 oe /, . l.',e 1 1 -4. 1 ee ee Figure 3- Systèiiie de pod soits Fal (,oii 20 eiivise7gé potii- le sysièiiie PAMSES de iiolivelle généi-ation. Le Transall portant la station RAMSES arrive en fin de vie en 2008. La question de l'évolution de ce moyen est posée. L'ONERA travaille à des solutions basées l'em- ploi de Falcon 20, avec emport de pods sous voilure pou- vant recevoir un ou plusieurs capteurs. 5. La haute résolution Le traitement SAR haute résolution est un thème de recherche récurrent pour l'ONERA. Il répond d'abord à la demande d'images RAMSES de mieux en mieux résolues. Dans ce cas, les critères sont : . la maîtrise de la qualité image produite (résolution à 3 dB, niveaux d'ambiguïté et de lobes secondaires, conformité géométrique...). On définit des critères de représentativité d'une image SAR expérimentale par rapport à un contexte d'application donné : il est possible, par exemple, de simuler une image SAR spatiale par une image aéroportée de même résolu- tion en conservant notamment la durée d'intégration (grâce à un rapport identique entre la vitesse de plate-forme et la distance de visée) ; w la compatibilité du traitement SAR avec des traite- ments ultérieurs, en particulier vis-à-vis de la maî- trise de la phase (polarimétrie, interférométrie) ; . la prise en compte des caractéristiques propres de la plate-forme RAMSES et des systèmes de trajecto- graphie associés (compensation de mouvements, méthodes autofocus) ; . une efficacité informatique "raisonnable " eu égard aux volumes de données à traiter (beaucoup plus qu'une seule image test à produire, mais pas à l'inverse un produit opérationnel "). Dans ce domaine, les progrès les plus récents ont permis d'aboutir à des images de résolution inférieure à 20 cm, dans les bandes radar centimétriques (X, Ku ou Ka). REE No 2 Fevrier2006 Repères 2 LE RADAR : DU CENTENAIREAUX EVOLUTIONS LES PLUS RECENTES 1Ir ( die, JO "W <-, - " "',,,,,,-: "'i,,', fIll1"I\ .;' !iIi'' M', ",,,a "" "' :""',. r \., ;r. ",...#If; , " ('eT',\>.... ;:. ·r'T 1 r ', a,'.. "..',.',,- --cO.,, " l',. " ",'\,\-, " " x , (f'" ,. p,..... , ",...' ".:: ",' !;,,',.',,/'."" " ",," " "',..' ,.,,,. " ",.'f.''.,_..'<>/'. A.',', "'l" A'ro.i f. 7 1*>.l. ..-; "" "'. ",r.',,'. " A" -',,'-,... - -'...'-c 't-..' "",. ".' " " t..../',..,,' ",...-:.. ".' .SiTi ' ,t. oY v . .rvf _ 9 f, G`.de. '.''.'-. "'.' -: .y j. KvV' S, - - - "". '.- "" " " - ? "-. ''-. - ' _N ;, "''< - -- Y/'jt. t," -' ".=-.'---'.'- - y rss ..' " !''-'/t''''/.,''-' "-.'''.-. "-.-''- t_,-.'.ttt!* *c''''' ,}'f0.Y' t...'.4 "'O.'0' ,*...-...---. ...., Figure 5. Iiiiage SAR à hatite iésoli (tion d'tili hélicoptèie ait parking (en hatit) et i-estitiition des éléiiients linéiqttes par analyse de points brillants. systèmeétudié(parexemplelescaractéristiquesd'orbite d'unsatelliteou l'ambiancevibratoiresurun drone) ; < laportabilité des traitements vers une application opérationnelle (en particulier la capacité de traite- ment de grands volumes de données ou même le temps réel pour certaines applications). En ce qui concerne l'hyper-résolution,les travaux de l'ONERA consistentà analyseret remettreen question,sur la basede travauxantérieursen holographieradaret en analyse temps-fréquence,les hypothèsesde stationnaritédes points brillants(parrapportautemps,à lafréquenceouàl'angledevue) sous-tendantla formationdesimagesSAR conventionnelles. Il peut en découler notamment : . des méthodes prenant en compte le comportement réeldespointsbrillants etaboutissantdoncàdesimages de meilleure qualité ; . des méthodes de construction d'images dites super- résolues (c'est-à-dire dépassantles limites liées à la bande transmise et à l'angle d'illumination) à partir d'un modèle de points brillants obtenuitérativement ; . au-delà des images, des informations robustes sus- ceptibles d'alimenter lesprocessusdereconnaissance automatique ou assistéede cibles. 6. La polarimétrie L'apport de la polarimétrie à l'analyse de la signature radar d'objets plus ou moins complexes a été largement prouvé, grâce notamment à des mesures acquises en chambreanéchoïque.Dans cecontexte,plusieursméthodes ont été mises au point, fondées sur le calcul de différents paramètresissus de la matrice complète de rétrodiffusion et sur des outils de visualisation adaptés'. 5 On citeraenparticulierlesrésultatsissusdeschambresdemesureBABIetCAMERA2situéesàl'ONERAPalaiseau,etle logiciel d'Analysedes SurfacesEquivalentesRadar"LASER3". 96 REE No 2 Fevrier2006 L'imagerie radar Sphèr,- 1 11 1 a 1 Z'- , Dièdr, BF , , 1 Dipôle r i \9 lbk 4 * - a m Fizlirc, 6. Analyse polarimétriqiie d'un Transall au soi montrant la présence d'effets dominants sur les points brillants principaux. Les questions posées sont celles de l'applicabilité de ces techniques aux radars aéroportés ou spatiaux et de leur inté- rêt face au surcroît de complexité qu'elles entraînent. La première tâche a consisté à établir et valider des techniques d'étalonnage applicables aux mesures in situ, par opposition avec les mesures en chambre où la géo- métrie de visée est parfaitement contrôlée. 6.1. Analyse des cibles ponctuelles On s'intéresse en général à des objets manufacturés, dont on attend des formes caractéristiques (présence d'arêtes, de trièdres, de dièdres, de faces planes..) un comporte- ment particulier en polarimétrie. Des résultats issus de campagnes RAMSES récentes démontrent la présence et la stabilité de tels effets (voir illustration en figure 6), la résolution étant suffisamment fine pour qu'une signature polarimétrique dominante apparaisse au niveau du pixel. Selon le niveau de complexité envisagé (radar monopo- larisation, double polarisation en émission ou en réception, matrice complète de polarisation avec et sans les termes de phase), chaque pixel de l'image est alors associé à un nom- bre variable de données (de une à huit). Dans certains cas, des paramètres directement représentatifs de la nature de l'interaction dominante peuvent être calculés (paramètres de Mueller par exemple). L'enjeu est alors d'évaluer l'apport de ces informations dans un processus de photo-interprétation ou vis-à-vis d'algorithmes d'ATR ou d'AsTR, ce qui implique aussi de construire des modèles permettant la constitution des bases de données adaptées. 6.2. Analyse des cibles étendues On s'intéresse ici à des surfaces assez homogènes, généralement naturelles. On observe alors, dans chaque cellule de résolution, la superposition incohérente d'un nombre indéterminé d'interactions élémentaires, aboutissant à des propriétés polarimétriques mises en évidence par des moyennes statistiques. On accède ainsi à différentes informations relatives aux mécanismes de rétrodiffusion présents (caractère volu- mique ou surfacique, aléatoire ou déterministe,...), particu- lièrement intéressantes pour l'analyse de la végétation (agri- culture, forêts) ou la cartographie d'utilisation des sols. 7. L'interférométrie L'interférométrie associée à la technique SAR consti- tue l'un des moyens de parvenir à une image en trois dimensions de la scène observée ", Les retombées d'une telle information sont nombreuses : . élaboration de modèles numériques d'élévation (MNE) ; . contribution à la détection ou la reconnaissance d'objets grâce à leur volume et non plus seulement par un contraste radiométrique ; . prise en compte de la hauteur de chaque pixel pour la mise en conformité géométrique des images ; . utilisation de cette information pour améliorer la synthèse SAR (grâce à des procédés itératifs) ; Comme dans le cas du SAR, il s'agit d'un principe relative- 6 011 citera aussila radargrammétrie.Ce procédé,qui se rapprochede la stéréoscopieen optique, exploite de façon incohérentedes couples d'imagesacquisesselondespoints devuedifférentset resteassociéà desrésolutionset précisionsmoyennes. REE No 2 Fevrier2006 Repères 2 LE RADAR : DU CENTENAIRE AUX EVOLUTIONS LES PLUS RECENTES 12 Fëtln.}Ie ,,,°° F. tyq ; ts. ?v "^4 filfin Y ,.e. v'n Frtl(IN " a i -t°.. s'·} Jlallt't ait le Il''E'I' "-' 1- f C M P. ^.V . srv'sp filllv _' .'.f''V'''--''''' %'' f'' :J J Forpt*"'.'.'.-<.'.A-'.-;?r :.-' t*'''....-..... ""'. ' !..''.''* , ; : .' ! -'- '-',--.'./'/ï''<.. ! .';.t'.'' _'''' !F) . "'.- pIOllle:, l" I\,lm 'i,u "te',", v,° r c,g..k f ck.1 fl,ul_SJc. ; H4 P PG,AY.tY' 1T rv 'i c1 F'iae Figure 7. Exemple de résultat de classification de sols agricoles (fériiie expériiiientale de LINPA Bressonvillier près du CEV de Brétigrry). ment simple, mais dont la mise en oeuvre peut s'avérer très délicate et qui ouvre un vaste champ d'applications. Dans sa forme la plus simple, il s'agit de créer deux ima- ges de la même scène selon des points de vue très légère- ment décalés. La différence de phase associée à chaque pixel correspond à une différence de marche, à partir de laquelle on peut calculer une hauteur. La qualité de la mesure est, toutes choses égales par ailleurs, proportionnelle à la ligne de base (écart entre les deux points de vue perpendi- culairement à la ligne de visée et à l'avancement du porteur) et inversement proportionnelle à la distance de visée. Les défis sont nombreux : . maîtrise de la phase dans les chaînes radar et tech- niques d'étalonnage ; . maîtrise de la phase dans les algorithmes de traite- ment SAR ; . compensation de mouvements spécifiques ; . recalage sub-pixellique des deux images ; . déroulement de la phase ; . pertinence de l'information mesurée pour des objets complexes, en fonction de la résolution des images ; 7.1. Interférométrie mono-passe Dans cette première catégorie, on crée la différence de point de vue en utilisant simultanément deux antennes. On garantit ainsi la cohérence temporelle des deux prises de vue, mais la ligne de base est limitée par les contraintes d'implantation de ces antennes. Cette technique, associée à un mode haute résolution, a été testée avec la station RAMSES, dans les bandes X et Ku, en montant les deux antennes en position verticale. Une procédure particulière de compensation des effets de roulis a été mise au point (en s'appuyant sur les données radar elles-mêmes). Il. 1 I "ra o'iil. 1 1 1 1 Figure 8. Exemple de résultat R.AMSES en mode interféro- métrique. Reconstitution 3-D de la presqu'île de Saint-Mandrier (l'intensité correspond au niveau mesuré de i-étrodiffitsion radar). t .#9 i,..., ,,i. °, yf y ssfe(fi.i...E¢ 7 , fi. R_ .... # ·. ryr. à°£E. u7f r i ` 3r s.. "! ..'d. '' g ` _` at,. ,' "' m Figure 9. Exemple d'une image de hauteurs sur des infrastructures industrielles. Pour aider à lever l'ambiguïté inhérente à cette technique (mesure d'une phase modulo 2 pi radians), qui tend à limiter la ligne de base, tout en garantissant la précision, qui pousse au contraire à l'augmenter, on peut combiner plusieurs lignes de base en utilisant, par exemple, trois antennes. On voit donc se poser un problème général d'implan- tation des antennes. Pour des visées à moyenne portée, cela peut conduire à des solutions originales (utilisation de la grande envergure d'un drone HALE par exemple), d'où des problèmes de déformation à contrôler. Au-delà, il fau- drait recourir à plusieurs plates-formes volant en forma- tion, ce qui paraît difficilement envisageable d'un point de vue opérationnel, au moins dans le cas aéroporté. C'est en revanche une piste explorée dans le cas spatial (concept de "roue interférométrique " par exemple). 7.2. Interférométrie multi-passes En attendant de disposer de mini-satellites volant en formation, des expériences d'interférométrie radar spatiale ont déjà été tentées grâce à l'interférométrie multi-passe' La maîtrise des configurations (orbites successives d'un même satellite ou utilisation de deux satellites en tandem) a été prouvée. En revanche, il reste parfois des difficultés liées d'une part à des phases parasites créées par la propagation atmosphérique et d'autre part à la perte de cohérence de la scène observée, du fait de l'écart de temps entre les deux mesures. 98 REE N 2 Fevrier2006 L'imagerie radar .. ... f, 1. 1 .'" .' " Figure 10. Exemple d'utilisation de l'inteiféroniétrie polariniétriqzte. Calcul de hauteur dans une polarisation quelconque (en haut) et dans la polarisation optimale (en bas). Observer la réponse bruitée de la piste au milieu de l'image du haut. 7.3. Autres techniques interférométriques L'écart temporel entre deux mesures peut, contraire- ment au cas précédent, devenir un atout pour plusieurs sortes d'observation : w détection et localisation d'objets en mouvement ; . mesures de courants marins ; . détection de changements ; On retrouve la notion de différence de phase calculée pour chaque pixel, mais produite cette fois par un dépla- cement local entre les deux prises de vue, à l'échelle de la longueur d'onde. Pour des évolutions à court terme, on utilisera plu- sieurs antennes de réception selon la direction d'avance- ment de la plate-forme ("along track interferometry " - ATI - contrairement au cas précédent "cross track interferometry " - XTI -). Pour des évolutions à plus long terme (déformations de terrain liées à un tremblement de terre, glissements de terrain, effets de frappes aériennes sur des infrastructures), on s'appuiera sur des passes plus ou moins décalées dans le temps, en minimisant la dif- férence spatiale de point de vue. 7.4. Interférométrie et polarimétrie Pour terminer ce parcours sur l'interférométrie, il faut signaler tout fintérêt qui existe à combiner cette tech- nique avec l'analyse polarimétrique (POLINSAR en anglais). Les objectifs peuvent être : . la multiplication des observables pour classifier des surfaces naturelles (combinaison d'attributs de hau- teur et d'intensité dans différents canaux de polari- sation) ; . la sélection, par l'analyse polarimétrique, de mécanismes particuliers destinés à isoler le sol ou le sur-sol dans des calculs de MNE ; . la sélection de la polarisation maximisant la cohé- rence entre deux voies interférométriques. 8. Le SAR en bande basse L'imagerie radar en bande basse (typiquement de la bande VHF - 30 à 300 MHz - à la bande L - 1 à 2 GHz) possède un potentiel d'applications important en raison notamment des propriétés de pénétration et d'antifurtivité des ondes électromagnétiques dans cette classe de lon- gueurs d'ondes. C'est pour cette raison que les deux derniers capteurs développés par l'ONERA et intégrés à la station RAMSES fonctionnent en bande L (vers 1,25 GHz) et en bande P (vers 435 MHz), ce dernier disposant d'une réso- lution intéressante (moins de 3 m) pour un capteur basse fréquence. En plus de la problématique des SAR classiques, de tels capteurs doivent prendre en compte les contraintes tech- niques liées aux bandes basses. Pour faire face, par exemple, à un environnement électromagnétique perturbateur, un effort important a été fait sur la linéarité du capteur RAM- SES en bande P. La loi d'éclairement de l'antenne privilé- gie la protection face aux émetteurs en visibilité du radar et des algorithmes de suppression des interférences ont été étudiés. Par ailleurs, la taille des étalons au sol ne per- mettant plus d'utiliser les hypothèses d'approximation de l'optique géométrique, les opérations de calibration nécessitent l'emploi de codes électromagnétiques spéci- fiques pour caractériser la réponse des réflecteurs cano- niques. Enfin, les temps d'intégration devenant, toutes choses égales par ailleurs, importants (classe de la dizaine de secondes pour une résolution métrique et quelques kilomètres de portée), des procédures d'imagerie spéci- fiques sont mises au point. Les thématiques étudiées grâce aux données recueillies lors de la campagne RAMSES PYLA 2001 illustrent la diversité des applications du SAR en bande basse : . détection d'objets sous couvert végétale On notera, dans ce contexte et pour les fréquences les plus basses (VHF), l'intérêt de la disparition de l'effet "speckle ", 7 Il fautciter aussiunexempletrèsnotabled'interférométriespatialemono-passe: la missionSRTM- ShuttleRadarTopographyMission- (NASA, DLR, ASï), destinéeà produireun MNT mondial.La deuxièmeantennedu radaremportépar la navettespatialeétait montéeà l'extrémitéd'un brasdéployablede 60 m. REE No 2 Fevrier 2006 Repères 2 LE RADAR : DU CENTENAIRE AUX EVOLUTIONS LES PLUS RECENTES qui favorise l'extraction des cibles par détection de changement. On signalera aussi l'importance parti culière que pourrait prendre l'analysepolarimétrique, compte tenu de la moindre résolution spatiale disponible d'unepart et de la réductionde l'écartentre la longueur d'onde et les grandeurscaractéristiques des objets observés d'autre part ; estimation de la biomasse et analyse de la végéta- tion, grâce à la rétrodiffusion en volume et non plus limitée aux couches supérieures ; analyse sub-surfacique. Les propriétés de pénétra tion en VHF-UHF dansle sol (de quelquesdécimètres à plusieurs dizaines de mètres suivant la longueur d'onde et le degré d'humidité) intéressentde nomb- reux domaines : géo-hydrologie (en particulier recherche de l'eau comme l'illustrent les radars d'exploration planétaire), détection d'infrastructures ou d'objets enfouis (mines, canalisations...), archéologie,... analyse de l'océan, en particulier, mesure de la salinité, bathymétrie (par effet induit du fond sur la surface de l'eau); Les enjeux communs à ces thèmes sont le choix des longueurs d'ondes optimales, l'obtention d'une résolution adaptéeet l'apport de la polarimétrie ou de l'interférométrie. " : ''f'. i. . t. : i-' "' !' '' "."" ""T'.-.''.' "k . = :':".''-.!'.!t''*' !'' t-''.?-,.'.---. "\! 't i'. -''.'. '....'' & ''. '.'' !,,.'J'.'.'.'''JS.'.:''-\'i'..'* "/iA - . .- ''.. "- ".-'\''J....''/T " '-' -' '-''. " IL.-... \ t.'1i 1 t . , i ...'.a. - e- 1 ; P x . ;":': . z w x y 4.r . 14s°,v .y.fy i m . y, ,< Figure ll. Exemple d'images SAR en bandeP sur unezone de forêt (en haut) et sur un site archéologique (en bas). 9. Le SAR bistatique Le bistatisme, c'est-à-dire la séparation des fonctions émission et réception sur des plates-formes distinctes élargit considérablement le champ d'investigation relatif à l'imagerie radar. Les raisons conduisant à examiner des procédés SAR bistatiques sont nombreuses.En terme de concept d'emploi, on citera en particulier : . l'observation discrète : plate-forme portant le récep- teur totalement passive, associéepar exemple à une plate-forme d'émissionopérantà distancede sécurité ; . la moindre sensibilité au brouillage, lequel ne peut pas être dirigé spécifiquement vers le récepteur ; . la géométrie distincte de l'émission et de la récep- tion (par exemple, émission en visée latérale et réception en visée frontale par un avion de combat) ; . la possibilité d'utiliser un seul émetteur combiné à plusieurs récepteurs. Dans certains cas, le bistatisme découle intrinsèque- ment du concept d'ensemble (exemple de la roue interfé- rométrique : satellite émetteur suivi d'une formation de trois satellites récepteurs). Le bistatisme est également le moyen d'accéder à de nouvelles observations, en fonction de la physique de la diffusion radar.Les imagesobtenuespeuvent être signifi- cativement différentes des images monostatiques, en par- ticulier vis-à-vis deseffets spéculaires.Dans le casd'angles de bistatisme importants, la SER d'objets complexes peut augmenter drastiquement, par addition cohérente des contributeurs (mais le procédé d'imagerie est lui aussi remis en cause). Envisager ce type de configuration conduit à poser des questions nouvelles, notamment: . Comment synchroniser les chaînes radars ? . Comment assurer la convergence des faisceaux émission et réception ? . Comment tenir compte de la géométrie distance- doppler différente du casmonostatique et former les images ? . Avec quelle précision faut-il contrôler et restituer la position relative des deux porteurs ? . Comment combiner SAR bistatique avec polarimé- trie et interférométrie ? Le DLR et l'ONERA ont conduit en février 2003 une première expérience d'imagerie radar bistatique impli- quant les radars E-SAR et RAMSES. Durant les deux vols au-dessusde la région de Nîmes, un grand nombre c8 FOPEN, Foliage PenetrationenAnglais. REE No 2 Fevrier2006 L'imagerie radar i Figure 12. Iliiage des différences entre plusieurs angles de bistatisme (lespoints clairs correspondent à une réponse très différente selon l'angle de biitatisiiie). r II . i,°ÿYG",J1 W * i (Fr oa. fy r!'i z wC. ,. .P,, x h9.. 1 , i de configurations innovantes a été testé. Un transpondeur actif conçu au DLR ainsi qu'un ensemble de cibles étalons (trièdres et dièdres) étaient déployés sur la zone observée à des fins de calibration et d'évaluation des per- formances. Deux dispositions ont été testées, avec les deux avions se suivant de près sur la même trajectoire ou avec les deux avions sur deux trajectoires parallèles séparées de 2 à 3 km. Il est possible de la sorte de comparer des images cor- respondant à différents angles de bistatisme (voir figure 12). Au-delà de la seule séparation émission-réception, d'autres combinaisons ont été testées, E-SAR comme RAMSES pouvant utiliser différentes polarisations et différentes combinaisons d'antennes en émission ou en réception (avec espacement horizontal ou vertical). Parmi toutes ces configurations, la plus innovante fut sans conteste le mode doublement interférométrique : dans ce mode, E-SA-R émet alternativement avec l'antenne avant et l'antenne. arrière, tandis que RAMSES enregistre simultanément sur deux antennes séparées verticalement. Les signaux illustrés par la figure 13, reçus par RAM- SES, correspondent aux quatre cheminements possibles entre les antennes. Les images obtenues montrent que l'interférogramme entre les signaux reçus par la même antenne présente de faibles franges induites par les mou- vements en lacet de E-SAR mais indique d'une façon claire sur l'image du haut les véhicules en mouvement. L'interférogramme entre les impulsions (paires ou. impaires) reçues simultanément sur les deux antennes de RAMSES, présente des franges marquées dues aux mouvements en roulis du porteur du radar RAMSES et au relief du terrain survolé (image du bas). Figure 13. Inteférogi-amines en configuration bistaliqtte ATI (en haut, les points blancs correspondent à des véhicules en déplacenaent,ceux-ci étant en réalité sur l'autoroute visible en obliqtte) et ? (en bas, noter les franges liées au relief et aux variations de roulis). 10. Conclusions Les thèmes de recherche présentés dans cet article sont loin d'être épuisés, tant pour mettre au point les architectures matérielles et les traitements radar nécessaires que pour évaluer les performances offertes en réponse aux besoins opérationnels. Des domaines d'applications entiers restent à décou- vrir ou à explorer, en s'appuyant en particulier sur des combinaisons de modes offerts par les capteurs SAR. Parmi elles, on notera en particulier toutes celles qui s'ap- puient sur la multiplication des voies spatiales, traitées de façon cohérente, rendues possibles par les nouvelles tech- nologies d'antenne et les architectures radar "tout numé- rique ". On retiendra également tout ce que pourrait apporter la combinaison d'un illuminateur hyperfréquence unique REE No 2 Fevrier2006 Repères 2 LE RADAR : DU CENTENAIRE AUX EVOLUTIONS LES PLUS RECENTES et d'une distribution de capteurs en réception, ces derniers pouvant bénéficier d'une architecture simplifiée et d'un coût réduit. L'intérêt de ces concepts dépasse la seule imagerie radar. Remerciements Les résultats présentés dans cet article doivent d'abord à l'ensemble des personnels en charge, au sein du Dépar- tement Electroiiiagnélisiiie et Radar de LONERA, du déve- loppement, de la mise en oeiivre et de l'exploitation de la station RAMSES (sous la responsabilité dO. du Plessis, et auparavant de D. Le Coz). L'auteur doit également des remerciements pour des illustrations plus spécifiques issues des travaux de C. Titin-Schnaider (polarimétrie), E. Colin (interféroiiiétrie-polarimétrique), X. Dtipuis (interférométrie), H. Cantalloube (traitement SAR à très haute résolution et SAR bistatiqiie), L. Vignaud (hyperré- solution). Il convient d'associer aussi à cet article P Dubois-Femandez, B. Vaizan et P Dreuillet, notam- ment pour leurs contributions aux thèmes bistatisme et SAR en bande basse. Les activités présentées sont principalementfinancées par la DGA au travers de différents Plans d'Etude Amont ou par l'intermédiaire de la subvention de recherche de l'ONERA. Certains thèmes reçoivent également un sou- tien du CNES. L'auteur Jean-Marc BOUTRY, diplômé de l'Ecole Polytechnique (promo- tion 1981) et de l'Ecole Nationale SupérieuredesTélécommuni- cations (en 1986), auditeur de la 38e " session nationale du CHEAr (Centre des Hautes Etudes de l'Armement) en 2001-2002. Entré à l'ONERA en 1986, Responsable de projets dans le domaine du guidage terminal par radar millimétrique, puis dans celui du radar à synthèse douverture. Adjoint, puis directeur (en 20051 du Département Electromagnétlsme et Radar (DEMR) de l'ONERA 102 REE No 2 Fevrier 2006