Application de la réflectométrie pour l’altimétrie et l’état de mer : utilisation d’une seule antenne

Les littoraux concentrent la majorité des activités économiques et urbaines de la planète. En 1997, 37 % de la population mondiale vivait à moins de 100 km d’une côte (Cohen et al., 1997). Cette proportion est actuellement de 50 % et les projections démographiques prévoient que plus de 75 % de la population globale y vivra d’ici 2035 (Haslett, 2009). Bien qu’ils soient parmi les plus productifs du monde, les écosystèmes côtiers sont également très menacés (Duraiap- pah et al., 2005). Un certain nombre de facteurs récents, depuis l’activité humaine jusqu’aux changements du climat mondial, causent des dommages structurels majeurs en menaçant la biodiversité végétale et animale qui soutiennent les régions côtières depuis des siècles. La surveillance et le suivi de l’évolution de ces milieux est donc plus que jamais une néces- sité. De nombreux outils basées sur des techniques d’observation ont été développés dans ce sens. Les premières observations précises de la surface océanique commencèrent avec des mesures in situ grâce à des marégraphes puis des bouées GPS. Ces techniques d’acquisition, bien que performantes, présentent l’inconvénient majeur d’être ponctuelles ou limitées à la zone de dérive de la bouée. Durant les vingt dernières années, de nouveaux instruments de télédétection ont permis d’améliorer ces systèmes de mesures, avec notamment l’apparition de diffusiomètres, de radars à synthèse d’ouverture, ou d’altimètres radar embarqués. L’alti- métrie satellitaire, aujourd’hui au centre de l’activité d’océanographie spatiale, est une tech- nique spatiale permettant de mesurer la topographie dynamique des océans (Ablain et al., 2009) et d’étudier les principaux courants océaniques (Le Traon et Morrow, 2001). Si cette technique est très performante en océan hauturier, son utilisation reste très limitée en do- maine côtier. En effet les résolutions spatiales et temporelles sont inadaptées pour observer les variations complexes et rapides de la dynamique de l’océan dans ces milieux (Bouffard et al., 2011). On retiendra par exemple l’inter-trace de 315 km au niveau de l’équateur et une répétivité de l’orbite d’un peu moins de 10 jours pour le satellite Jason-2 et de respectivement 85 km et 35 jours pour le satellite SARAL AltikaLa réflectométrie GNSS apparaît donc comme une excellente alternative, ou un complément à l’altimétrie spatiale classique en domaine côtier, puisqu’elle présente une meilleure résolu- tion à l’échelle locale, directement liée à la hauteur du réflectomètre au-dessus de la surface océanique (voir figure 4.6 page 82). Il est possible de faire des mesures GNSS-R de deux ma- nières différentes : soit en utilisant deux antennes distinctes pour distinguer le signal direct du signal réfléchi, soit en utilisant une unique antenne géodésique classique (cf. chapitre 3 page 39). De nombreuses études relatives à la technique à double antennes ont déjà été me- nées et les variations spatiales et/ou temporelles du niveau de la mer ont été mesurées avec une précision atteignant quelques centimètres en utilisant des systèmes sols ou embarqués à bord d’avions (Lowe et al., 2002b; Ruffini et al., 2004; Löfgren et al., 2011; Semmling et al., 2011; Rius et al., 2012). En ce qui concerne le système à antenne unique, et plus particuliè- rement la méthode SNR (voir section 3.4.2, page 60), les études démontrent que la précision obtenue est légèrement inférieure, de l’ordre du décimètre (Löfgren, 2014), et que la tech- nique n’est utilisable que lorsque la vitesse de variation du niveau de la mer est suffisam-ment faible pour être négligeable. Si cette dernière technique apparait donc moins adaptée que le système double antennes pour des mesures altimétriques, elle présente cependant un avantage considérable : la mise en place de l’instrument est très rapide et peu coûteuse. De plus, la chaîne de traitement en aval est beaucoup plus simple. Par ailleurs, un grand nombre de stations des réseaux GNSS permanents sont installées sur le littoral en Europe et dans le monde, et utiliser celles en bord de mer pour faire des mesures altimétriques par GNSS-R serait tout à fait envisageable : voir figure 5.1. Tout un réseau serait donc déjà en place, et seul l’algorithme de traitement reste à développer. Ceci est particulièrement important à l’heure où il est question de co-localiser des stations GNSS avec des marégraphes.

Suppression de la contribution du signal direct

Comme expliqué dans la section 3.4.2.2 page 60, le signal direct domine le signal réfléchi, et correspond à la basse fréquence principale de SN R(t ), alors que le signal réfléchi provoque des perturbation de basse amplitude mais haute fréquence. Pour isoler ces hautes fréquences. Pour cela, Bilich (2006) propose une modélisa- tion théorique du signal direct et de soustraire les valeurs modélisées à la série temporelle SN R(t ). Cette méthode nécessite la connaissance précise des diagrammes de gain de l’émet- teur et de l’antenne réceptrice, et ces informations étant compliquées à obtenir, d’autres mé- thodes de correction ont été proposées. Larson et al. (2008) proposent tout simplement de soustraire un polynôme de bas degré ajusté à la série temporelle du SNR. Cette méthode donne de meilleurs résultats que la méthode de modélisation, et elle est plus simple à mettre en œuvre (Bilich, 2006). C’est actuellement la méthode utilisée dans la plupart des études sur le sujet. Pour ces raisons, j’ai décidé moi aussi d’utiliser cette stratégie et d’enlever un poly- nôme du deuxième degré aux séries temporelles du SNR. La figure 5.3 présente un exemple de cette étape de traitement.fixes pour chaque fenêtre (voir section 5.3.2), il n’est pas nécessaire de considérer le spectre complet de fréquences lors du calcul du LSP pour déterminer le pic du spectre qui correspond à la période principale dans la fenêtre. L’annexe D page 222 est une analyse théorique de la période des oscillations observées dans la série temporelle du SNR. Cette étude permet l’optimisation de la durée d’une session et de la fréquence d’acquisition du SNR pour des applications altimétriques.