L’intérêt de la modélisation cohérente réside dans la préservation de l’information sur la phase de l’onde en plus de son amplitude. Elle permet donc d’effectuer de l’interférométrie contrairement à la modélisation incohérente et plus généralement de rendre compte de tous les phénomènes cohérents. Le champ total complexe diffusé s’obtient par sommation des champs élémentaires complexes de chaque diffuseur dans le cadre de l’approximation de Foldy. Cette modélisation nécessite donc une description déterministe de tous les paramètres décrivant la forêt (position, dimension, orientation des diffuseurs…) et pas simplement une description statistique : on traitera donc des réalisations de cette description statistique. On notera que cette approche est moins performante sur l'amplitude que la modélisation incohérente car elle est limitée à des diffusions simples. Le développement de l’interférométrie radar a donc suscité l’émergence de différents modèles cohérents comme ceux de (Sarabandi, 1997), (Floury, 1997), (Lin, 1997) et (Marliani et al., 2002). Ces modèles sont partis de la modélisation de forêt la plus simple avec des cas mono-espèces et ont été peu à peu complexifiés. Plus récemment, on peut citer les travaux de Christian Ruiz (Ruiz & Borderies, 2005), Jean-Baptiste Laforest (Laforest, 2004), et les plus aboutis ceux de Ludovic Villard (Villard, 2009). C’est ce type de modélisation que nous utiliserons pour la suite de cette thèse et que nous allons détailler. Nous allons à présent présenter la mise en application de la théorie dans le chapitre 2.
Chapitre 1 : Modélisation électromagnétique.
Chapitre 2 : Mise en œuvre d’un outil de simulation électromagnétique et d’outils
expérimentaux pour l’étude de la rétrodiffusion de zones non planes.
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Chapitre 2
Mise en œuvre d’un outil de simulation
électromagnétique et d’outils
expérimentaux pour l’étude de la
rétrodiffusion de zones végétalisées
non planes.
Nous nous sommes intéressés dans le chapitre précédent aux principes de base de la télédétection radar puis à la théorie sur la modélisation électromagnétique cohérente des zones végétalisées.
Nous allons maintenant présenter les outils de simulation et les outils expérimentaux que nous avons développés. Dans un premier temps, nous montrerons la mise en
application de la théorie dans le développement d’un code de simulation
électromagnétique cohérent prenant en compte les effets de topographie du sol. Nous expliquerons notre approche pour construire géométriquement la scène à modéliser et le calcul électromagnétique : le fait de décrire la forêt à partir d’un sol avec relief nous a amenés à décrire la surface à partir de triangles et le volume de façon originale en pentaèdres. Nous détaillerons les calculs géométriques qui tiennent compte des effets de pente dans le calcul du double rebond et du sol direct. Nous validerons ensuite ce code
sur des cas canoniques. Ensuite, nous réaliserons une étude paramétrique sur l’effet de
la pente du terrain et du relief sur le signal rétrodiffusé. Pour terminer, nous présenterons les outils expérimentaux, dont certains innovants, mis en œuvre dans cette thèse pour acquérir des données expérimentales et de vérité terrain pertinentes.
Chapitre 2 : Mise en œuvre d’un outil de simulation électromagnétique et d’outils
expérimentaux pour l’étude de la rétrodiffusion de zones non planes.
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2.1 Introduction ... 37 2.2 Présentation du code de simulation électromagnétique : MIPERS NG ... 38 2.2.1 Rappel du contexte et des objectifs ... 38 2.2.2 Description géométrique des diffuseurs et de la scène ... 39 2.2.3 Lancer de rayon ... 42 2.2.4 Placement des diffuseurs : méthode du rejet ... 42 2.2.5 Convention FSA et BSA ... 44 2.2.6 Prise en compte de la pente dans le calcul du double rebond et du sol direct 45 2.2.7 Calcul des coefficients d’extinction pour chaque mélange ... 47
2.2.8 Calcul de la contribution du volume ... 48 2.2.9 Calcul du double rebond ... 50 2.2.10 Calcul de la rétrodiffusion du sol direct ... 52 2.2.11 Calcul du champ total ... 54 2.2.12 Traitement d’image ... 54
2.2.13 Conclusion ... 55 2.3 Validations théoriques de MIPERS NG ... 56 2.3.1 Étude des symétries sur un volume orienté aléatoirement (RVOG : Random Volume OverGround) ... 56 2.3.2 Polarimétrie : étude de la cohérence HH/VV sur RVOG ... 59 2.4 Étude des effets de relief sur le signal rétrodiffusé ... 60 2.4.1 Type de forêts étudiées ... 61 2.4.2 Étude sur sol plan incliné ... 62 2.4.3 Terrain vallonné ... 68 2.4.4 Sol vallonné incliné ... 72 2.4.5 Discussion ... 73 2.5 Présentation des protocoles et moyens expérimentaux utilisés durant la thèse ... 73 2.5.1 Introduction ... 73 2.5.2 Calibration d’une sonde d’humidité pour mesurer la permittivité des sols .... 74
2.5.3 Protocole de mesure de la taille et de l’humidité de la végétation ... 77
2.5.4 Radar de proximité sur un banc translatant ... 81 2.6 Conclusion ... 83
Chapitre 2 : Mise en œuvre d’un outil de simulation électromagnétique et d’outils
expérimentaux pour l’étude de la rétrodiffusion de zones non planes.
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2.1 Introduction
L’étude de la rétrodiffusion en général doit se faire en complémentarité entre la simulation et l’expérimentation. La partie expérimentale a pour but de valider les modèles
utilisés, mais sert également à fournir des données d’entrée pour notre code de simulation. Elle permet également de définir des plages de variation réalistes pour les différents
paramètres d’entrée de nos simulations pour différentes variables, comme les humidités du sol
et de la végétation par exemple. L’outil de simulation quant à lui permet de prédire et
d’interpréter les résultats des futures missions aéroportées ou spatiales. Dans ce chapitre, nous
allons présenter les moyens développés durant cette thèse pour répondre à ce double objectif de modélisation et de compréhension des phénomènes de rétrodiffusion, en particulier sur les forêts tropicales et sur la végétation basse en présence d’hydrocarbures.
En effet, jusqu’à présent, les différents logiciels permettant de calculer la diffraction de scènes végétalisées et en particulier les forêts reposant sur un sol plan. Or il est bien connu que les images radar sont influencées par les effets de pente et le relief (Albinet, 2014), (Villard, 2015). Notre approche a consisté à prioriser cet aspect et donc de partir d’un sol non plan par exemple défini par son modèle numérique de terrain (MNT). Pour numériser un tel sol la discrétisation en triangles est impérative, comme cela est fait dans les méthodes numériques (Rao, 1982). Dans le même esprit, nous avons choisi de discrétiser la partie volumique (voxels) en tétraèdres, ce qui est une originalité de cette approche, les éléments volumiques s’adaptant parfaitement aux éléments surfaciques.
Ainsi, nous allons commencer par exposer l’approche de que nous avons développée pour la simulation électromagnétique. Elle s’appuie sur les aspects théoriques exposés dans le chapitre 1 et prend en compte les effets de relief. Nous allons présenter nos choix pour la construction géométrique de la scène, le lancer de rayon et les calculs électromagnétiques. Nous détaillerons les calculs géométriques qui tiennent compte des effets de pente dans le calcul du double rebond et du sol direct. Ensuite, nous présenterons des validations du code sur un cas théorique de référence. Une fois la validation terminée, nous utiliserons notre code dans une étude des effets de la pente sur le signal rétrodiffusé. Nous pourrons ainsi quantifier
les variations sur la rétrodiffusion que l’on peut observer en présence de relief. Ces variations
seront à mettre en rapport avec les variations que l’on peut observer en présence de différents hydrocarbures comme nous le montrerons au chapitre 4. Pour terminer, nous présenterons les moyens expérimentaux innovants mis en œuvre durant cette thèse. Il s’agit en particulier de la
calibration d’une sonde d’humidité pour mesurer la permittivité du sol et de protocoles pour déterminer l’humidité de la végétation. Nous présenterons également un système radar de
proximité que nous avons mis en œuvre pour effectuer des acquisitions SAR afin d’étudier les effets des hydrocarbures sur la rétrodiffusion.
Chapitre 2 : Mise en œuvre d’un outil de simulation électromagnétique et d’outils
expérimentaux pour l’étude de la rétrodiffusion de zones non planes.
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