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Impulsions et formes d'onde

Le radar altimètre émet une impulsion vers la surface terrestre. Le temps entre la transmission de l'impulsion et la réception de son écho réfléchi par la surface terrestre est proportionnel à l'altitude du satellite. L'amplitude et la forme des échos (ou formes d'onde) contiennent également des informations sur les caractéristiques de cette surface-cible.

Réflexion des impulsions

Sur les surfaces océaniques, les formes d'onde ont une forme caractéristique qui peut-être décrite mathématiquement (modèle de Brown). Les surfaces hétérogènes comprenant des discontinuités topographiques ou de texture, telles que les glaces, les rivières, ou les terres émergées, rendent une interprétation plus difficile.

Le radar altimètre reçoit l'onde réfléchie (écho), lequel varie en intensité au cours du temps. Lorsque la surface de la mer est plate (à gauche), l'amplitude de l'onde réfléchie augmente fortement dès le moment où le front de montée du signal radar atteint la surface. Toutefois, par temps de houle (à droite), l'onde atteint d'abord la crête d'une des vagues et par la suite,
les autres séries de crêtes. Cette configuration a pour effet d'augmenter progressivement l'amplitude de l'écho. La hauteur des vagues peut être déduite de cette onde réfléchie, puisque la pente de la courbe représentant cette amplitude en fonction du temps est proportionnelle à la hauteur des vagues. Crédits Cnes.

Caractéristiques de la forme d'onde

Plusieurs paramètres peuvent être décrits sur une forme d'onde basique :

  • le milieu du front de montée : celui-ci donne le retard attendu de l'écho en retour (estimé par l'algorithme de bord, "tracker") et ainsi le temps mis par l'impulsion pour les distances satellite-surface (le "range") et surface-satellite.
  • P: l'amplitude du signal. Cette amplitude est fonction de l'amplitude d'émission donnée par le coefficient de rétrodiffusion, sigma0.
  • Po: bruit thermique.
  • pente du front de montée : celui-ci peut être relié à la hauteur significative des vagues (SWH).
  • skewness: courbe du front de montée.
  • pente du flanc: liée au dépointage de l'antenne (c'est-à-dire à l'écart par rapport au nadir).

Exemples de formes d'onde réelles de l'altimètre Topex : forme d'onde sur l'océan (à gauche), sur une rivière (au milieu) et sur terre (à droite).

La forme d'onde océanique est tout à fait typique de sa catégorie, alors que les deux autres exemples proposés ne peuvent pas être représentatifs de la très grande diversité des configurations des surfaces réfléchissantes qu'il est possible de rencontrer en milieu continental. Cette grande diversité est difficile à traiter. Cependant, l'analyse de formes d'onde sur les surfaces hétérogènes permet d'utiliser plusieurs paramètres et d'en déduire d'autres caractéristiques importantes.

Ainsi, le coefficient de rétrodiffusion (sigma0) est utile à la caractérisation des surfaces : une faible valeur caractérise plutôt une surface montagneuse alors qu'une valeur importante caractérisera plutôt une surface plate ou une zone humide. Le coefficient de rétrodiffusion peut aussi être relié à la date où une surface est complètement gelée, à la date de début du dégel, à la durée de gel (voir l'Image du Mois, Mai 2006, Les glaces du lac Baïkal).

La largeur du front de montée est fonction de la pénétration de l'onde dans le milieu et à la rugosité de surface. Ses valeurs sont importantes dans les déserts à cause de la forte pénétration de l'onde. De faibles valeurs, liées à une faible pénétration, correspondent à des zones denses de végétation telles que les forêts tropicales ou boréales, aux rivières larges ou aux zones inondées.

Retracking sur les surfaces hétérogènes

Sur les zones continentales, la tache au sol de l'altimètre est fréquemment contaminée par la présence de terres émergées. Cette contamination, qui se traduit par une hétérogénéité de la surface réfléchissante, a des conséquences notables sur la complexité de la forme d'onde (par exemple, des échos dont le flanc présente des pics multiples) et la précision des mesures.

Ainsi, toutes les données altimétriques provenant de surfaces hétérogènes doivent être retraitées pour produire une mesure de l'élévation de la surface suffisamment précise. Ce retraitement est appelé "retracking" et est nécessaire à cause de la déviation du front de montée.

Mesures altimétriques acquises par Topex/Poséidon sur le fleuve Amazone près de la ville de Manaus : seules les 13 mesures représentées en rouge ont été validées par le traitement de type océanique et sont présentes dans les GDR. Un traitement mieux adapté - le"retracking" - permet de conserver l'ensemble des 31 mesures (en rouge et jaune) acquises lors de la traversée du fleuve. Crédits CLS.

 

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