Estimation régionale de l’évapotranspiration sur la
plaine de Kairouan (Tunisie)

Télédétection micro-ondes  RADAR

Principe physique

Le Radar, capteur actif pour l’observation de la terre, opère dans le domaine des fréquences micro-ondes du spectre électromagnétique (300 MHz à 30 GHz). Le principe du radar, pour l’observation des surfaces, consiste à émettre une onde électromagnétique dans une configuration choisie (fréquence, polarisation, angle de visée). Cette onde se propage dans l’espace jusqu’à la surface observée et une partie de l’énergie émise est renvoyée dans la direction d’observation. On dit que l’énergie est rétrodiffusée, elle est fonction à la fois des caractéristiques du système et de la nature de surface (propriétés électriques et état de surface). La mesure radar revient ainsi à comparer le signal reçu avec le signal émis, sur les   plans temporel et énergétique. La mesure du temps de parcours de l’onde permet d’accéder à la distance entre l’antenne et la surface, et par conséquent à la distance entre les cibles élémentaires constituant la surface. Du point de vue énergétique, les puissances émises et reçues sont reliées par l’équation du radar :    43 re 2 er GG R)4(  PP (Eq I.10) Avec Pe, Pr puissances émise et reçue ; λ : longueur d’onde du Radar ; R : distance entre le Radar et la cible ; Ge, Gr : le gain de l’antenne d’émission et de réception ; σ : section efficace du Radar. Les systèmes radar utilisent une gamme de longueurs d’onde qui s’étale de 1.33 m à 0.83 cm. Cette région du domaine spectral a été divisée en bandes, dont les noms proviennent des désignations militaires. Tableau I.1 : Bandes radar, plages de fréquences et de longueurs d’onde (Maître, 2001) Bandes Fréquences Longeurs d’onde . La polarisation est une propriété de l’onde électromagnétique qui décrit l’orientation du champs électrique E  dans la direction perpendiculaire à la direction de propagation (figure I.3). Pour les radars existants dans le domaine de l’observation de la Terre, il s’agit d’une polarisation linéaire suivant deux directions. Par exemple le radar ASAR d’ENVISAT peut émettre et recevoir dans les deux polarisations horizontale (H) ou verticale (V), et permet ainsi d’avoir 4 configurations d’émission-réception, non simultanées, suivant le mode de fonctionnement : en polarisation parallèle HH, VV, et en polarisation croisée VH, HV (figure I.8). Chapitre I : Caractérisation des états de surface par télédétection Figure I.8 : Schéma représentant la polarisation du champ électrique, à gauche polarisation perpendiculaire, à droite polarisation parallèle (Ishimaru, 1991). Avec : – Ei, Er et Et respectivement le champ électrique incident, réfléchi et transmis ; – Hi, Hr et Ht respectivement le champ magnétique incident, réfléchi et transmis ; – θi , θr et θt respectivement l’angle d’incidence, réfléchi et transmis ; – ε la constante diélectrique (ou permittivité diélectrique) du milieu et μ la perméabilité diélectrique du milieu. Angle d’incidence L’angle d’incidence est l’angle entre la direction de propagation incidente et la normale à la surface, dans le plan de propagation. La première génération de radar satellitaire possédait une visée fixe (ERS 1 θi centré à 23°). D’autres capteurs ont bénéficié d’antennes à visées variables pouvant acquérir des images avec des angles d’incidence allant de 20° à 50° pour RADARSART-1 et de 15° à 45° pour ASAR/ENVISAT. Le coefficient de rétrodiffusion En télédétection radar, la mesure la plus fréquemment utilisée porte sur le coefficient de rétrodiffusion radar, proportionnel au rapport entre la puissance reçue et la puissance émise au niveau de l’antenne où les pertes de propagation sont aussi prises en compte. Le coefficient de rétrodiffusion σ0 pq peut être aussi exprimé en fonction des champs électromagnétiques. On note Es  le champ électrique diffusé par la surface dans la direction d’observation

 Le coefficient de rétrodiffusion dans une direction est le rapport entre la puissance totale diffusée dans toutes les directions par un champ isotrope égal à Es  et la puissance incidente totale sur l’aire illuminée. Il dépend des polarisations de l’antenne d’émission et de réception. Lorsque l’onde incidente est polarisée suivant la direction p  et qu’on observe la direction q  , alors on a Avec : Es : le champ électrique diffusé par la surface dans la direction d’observation ; A : aire de la surface illuminée ; E0 : amplitude du champ incident ; r : distance entre le point d’observation et le centre de la surface observée ; < > Opérateur de moyenne. 

Micro-ondes passifs 

Les capteurs actifs possèdent leur propre source d’énergie pour illuminer une cible. Les capteurs passifs quant à eux, ne nécessitent pas de source émettrice et utilisent les capacités de réflexion dans le spectre d’émission micro-ondes des objets que l’on tente de caractériser. Pour les ondes millimétriques ou centimétriques, la transparence de l’atmosphère est très grande, même les nuages (sauf pendant les précipitations) n’atténuent que très faiblement le rayonnement. En revanche, à ces longueurs d’onde, l’intensité du rayonnement émis naturellement par les surfaces est très faible. Les radiomètres microonde (télédétection passive) ne peuvent mesurer le rayonnement qu’en visant des surfaces très vastes (plusieurs centaines de km2 ). L’utilisation des micro-ondes passives permet de réduire l’éffet de la rugosité ainsi que l’éffet de la végétation. Il existe déjà de nombreux capteurs passifs aux caractéristiques variées, dont on peut citer le SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer) fonctionnel à la fréquence de mesure 19 GHz, SSM/I (Special Sensor Microwave Imager), embarqués à bord de satellites américains du programme DMSP (Defense Meteorological Satellite Program) fonctionnel à la fréquence 37 GHz, AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer – Earth Observing System) lancé sur le satellite ADEOS agit à aux fréquences 6 -30 GHz. Tous ces capteurs permettent de fournir des données régulières pour l’ensemble du globe (température de brillance, humidité, …). Ces derniers utilisent des fréquences élévées, avec un angle unique de visée. À ces fréquences, le signal est encore sensible à la présence de la végétation, aux éffets atmosphériques et à la rugosité du sol. En revanche, il a été montré que l’utilisation des fréquences en bandes L permettraient d’éffectuer des mesures plus représentatives des condtions d’humidités (Schmugge and Jackson 1994 ; Jackson et al., 1995). La mission SMOS, lancée en Novembre 2009 pour des besoins en modélisation pour les prévisions météorologiques, est une mission dont les objectifs scientifiques visent à une meilleure estimation des bilans spatio-temporels du cycle de l’eau à l’échelle du globe et des interactions océan / atmosphère. Un aspect important de cette mission est qu’elle met en oeuvre une nouvelle technique de mesure en adoptant une approche complètement différente dans le domaine de la télédétection. Cette technique est utilisée sur un nouvel instrument capable d’enregistrer en micro-ondes passives à une fréquence de 1.4 GHz (bande L) en bipolarisation et à de multiples angles d’observation. Sur les terres émergées, il s’agit d’estimer l’humidité de surface afin de renseigner les modèles de circulation générale et décrire les conditions aux limites pour les modèles d’hydrologie à grande échelle. De nouvelles approches permettent de plus d’estimer le contenu en eau de la zone racinaire. L’utilisation des caractéristiques multi-angulaires et bi-polarisées de SMOS permettront de quantifier le contenu en eau de la végétation. Sur les surfaces océaniques, il s’agit d’estimer la salinité de l’eau qui est une variable importante pour la dynamique de la circulation océanique et le couplage océan/atmosphère. 

Suivi des états de surface du sol par télédétection radar 

Dans le cas d’une parcelle agricole nue (sans végétation), l’humidité et la rugosité sont les principaux paramètres du sol contrôlant respectivement, les propriétés diélectriques et  géométriques du sol. A un degré moindre, les propriétés diélectriques sont aussi fonction de la composition du sol (Hallikaïnen et al., 1985). Au cours des dernières décennies, différents modèles physiques ont été développés pour une meilleure compréhension de la relation entre les paramètres de la surface du sol (rugosité de surface, texture et humidité du sol) et les signaux micro-ondes. La réponse électromagnétique d’une surface est liée à ses propriétés diélectriques. La teneur en eau est déterminée à partir de la constante diélectrique ε, dénommée également permittivité diélectrique, en fonction de la composition du sol, de l’humidité et de la température. Nous présentons dans ce qui suit les paramètres du sol (humidité, texture et rugosité) ayant une influence sur la mesure radar. 

Effets de l’état hydrique et la texture à travers la constante diélectrique

Partant du principe que la quantité d’eau présente dans un sol affecte ses propriétés électriques et par conséquence le signal radar. La constante diélectrique micro-onde du sol est reliée au contenu en humidité du sol et dans une moindre mesure de la texture du sol (Ulaby et al. 1978). La constante diélectrique complexe d’un matériau se présente sous la forme :   « j’ (Eq. I.13) La partie réelle ε’ représente le pouvoir plus ou moins grand du matériau de stocker l’énergie électrique et la partie imaginaire ε’’ représente les pertes diélectriques, c’est-à-dire le pouvoir plus ou moins conducteur du matériau. Dans le cas particulier d’un sol humide, la contribution de la partie imaginaire, ε’’, est relativement petite, la plupart des études simplifiées considèrent seulement la permittivité ε’ (partie réelle) de la constante diélectrique. Etant donnée la petite valeur de la constante diélectrique de l’air (εair ∼ 1) et des particules solides du sol (εs ∼ 4) comparée à celle de l’eau (εeau ∼ 80), la constante diélectrique du sol humide dépend très fortement de la quantité d’eau dans le sol. C’est cette dépendance qui est utilisée pour estimer l’humidité du sol.