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Altimétrie SAR / à retard Doppler

L'altimétrie "SAR" ou "altimétrie à retard Doppler" est une technique récente de traitement des données altimétriques. Elle a été utilisée pour la première fois pour la mission CryoSat-2, lancée en 2010. En résumé, la technique utilise le même concept que les radar à synthèse d'ouverture imageurs en exploitant l'effet Doppler causé par le mouvement du satellite le long de sa trajectoire. La résolution spatiale est ainsi fortement améliorée dans cette direction, tandis que la résolution transversale reste la même qu'en altimétrie conventionnelle.

L'altimétrie SAR est en grande partie une question de traitement. Par rapport à l'altimétrie conventionnelle (ou "LRM" : Low Resolution Mode), les ondes radar (ou impulsions) sont émises à une fréquence plus élevée (~18 000 impulsions par seconde au lieu de 2000 environ). Ceci assure que la phase des signaux reste relativement constante tout le temps des impulsions consécutives, une caractéristique utile dans les traitements "non focalisés" (voir plus bas). Puisque le satellite est en mouvement, les réflecteurs au sol renvoient les signaux émis à des fréquences différentes selon leur emplacement le long de la trajectoire (c.-à-d. en avant du satellite, en dessous ou à l'arrière). C'est l'effet Doppler, sur lequel repose l'altimétrie SAR. Une transformée de Fourier rapide (FFT) appliquée à une salve ("burst") d'impulsions réfléchies consécutives détermine les bandes Doppler au sol. Dans la pratique, le traitement non ciblé de l'altimétrie SAR est généralement appliqué à des salves de 64 impulsions. L'empreinte au sol de l'onde radar est ainsi divisée en 64 bandes Doppler (ou cellules) d'environ 300 mètres le long de la trajectoire.

Empreinte au sol et résolution le long de la trace d'un altimètre conventionnel et d'un altimètre SAR (Crédits CLS).

 

Une même bande Doppler est visible dans l'empreinte radar pendant environ 2.5 secondes. Ainsi, elle peut être échantillonnée par le satellite alors qu'il sera sité à différents emplacements, en fonction de la fréquence des salves de l'altimètre. La combinaison (ou "stacking") de différents échantillonnages d'une même bande Doppler permet de réduire le bruit de speckel. Cette méthode s'appelle le traitement multi-aspect (multi-looking). Il améliore la précision des paramètres géophysiques estimés. Par exemple, le niveau de bruit à la surface de la mer estimé à partir de Sentinel-3A (altimétrie SAR) est de 25% inférieur à celui de Jason-3 (altimétrie conventionnelle).

De nombreuses améliorations potentielles sont possibles avec les altimètres à retard Doppler/SAR par rapport aux altimètres conventionnels pour les mesures sur les océans, les zones côtières, les surfaces glaciaires et les eaux intérieures en utilisant un traitement (retracking) adapté à la nature spécifique des échos Doppler/SAR des altimètres.

Les satellites concernés sont actuellement (mars 2019) Cryosat-2 et Sentinel-3 (A & B), et à l'avenir Sentinel-3 (C & D) et Jason-CS/Sentinel-6.

Altimétrie SAR entièrement focalisée

Les altimètres SAR actuels (Cryosat, Sentinel-3A & B) ont été conçus pour un traitement SAR non focalisé, où seules des salves d'impulsions radar sont traitées ensemble de manière cohérente, correspondant à un temps d'intégration relativement court (généralement 3 ms). Même si la spécification des altimètres actuels ne l'exige pas, la stabilité de phase des impulsions radar émises s'avère être maintenue entre les salves.

Le traitement SAR entièrement focalisé en profite pour augmenter le temps d'intégration du SAR (jusqu'à la durée totale d'illumination de la surface, environ 2.5 secondes), ce qui permet d'améliorer considérablement la résolution sur la trajectoire (jusqu'à 0.5 m contre 300 m pour un SAR non focalisé). La résolution transversale reste inchangée, car elle est déterminée par la largeur de bande radar (et non par le traitement).

Au fur et à mesure que le temps d'intégration augmente, les approximations sur lesquelles se fonde le traitement SAR non focalisé deviennent de moins en moins valides. Par conséquent, des algorithmes de focalisation plus sophistiqués et plus précis, hérités de l'imagerie SAR, doivent être utilisés pour obtenir une bonne précision. 

En ce qui concerne le traitement non focalisé, le principal atout du traitement entièrement focalisé est la taille réduite de l'empreinte. Il permet à la fois une meilleure capacité de réduction du bruit sur l'océan et une précision accrue sur les eaux continentales et les glaces de mer.

Voir l'image du mois, mars 2019: focalisation sur de petits plans d'eau

Altimétrie SAR entièrement focalisée : à gauche, ce qui se passe avec Cryosat et Sentinel-3 (l'altimètre émet 64 impulsions quatre fois, puis s'arrête, etc.) ; à droite Jason-CS/Sentinel-6 émet/reçoit alternativement en mode "interlacé", beaucoup plus continu. Cela permettra d'éviter une réplication des mesures (Crédits CLS)

 

Références :

 

 

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