B. LES ACQUIS DE LA RADIOMETRIE
HYPERFREQUENCE SPATIALE
Résumé — Dans ce court chapitre sont évoquées les réalisations de la radiométrie hyperfréquence spatiale de ces trente dernières années, entre autres : ESMR, SMMR, NEMS, SCAMS, MSU, SSM. Grâce à ces appareils on a pu mesurer surtout des paramètres océaniques (température, vent, glace, ...) ou atmosphériques (température, contenu en eau, pluie). Les fréquences (entre 1 et 100 GHz) dépendent fortement des missions effectuées.
1. GENERALITES ET BREF HISTORIQUE
Les applications de la radiométrie hyperfréquence sont très variées. En ce qui concerne l'observation de la Terre et de son atmosphère, on distingue les radiomètres "imageurs" de surface et les radiomètres sondeurs. Les premiers font la cartographie de la surface de la Terre : l'information obtenue est alors "à deux dimensions". Les sondeurs cherchent à obtenir un profil de distribution d'une grandeur dans l'atmosphère et cela généralement au-dessus de plusieurs points de la surface : on s'intéresse donc aux trois dimensions.
Il est bien évident que l'on choisit la fréquence de travail d'un imageur dans une fenêtre (atmosphère transparente), alors qu'un sondeur tire ses informations de l'opacité partielle de l'atmosphère.
Un système spatial d'observation de la Terre est conçu suivant des contraintes techniques diverses et souvent antagoniques. Celles-ci sont pour l'essentiel :
– La résolution spatiale (horizontale),
– La résolution verticale (pour les sondeurs),
– La zone à couvrir,
– Les précisions absolues et relatives des mesures, en particulier la résolution radiométrique,
– La période minimale de répétition des mesures,
– La vitesse du satellite (s'il est en orbite basse), les contraintes à son bord, etc.
Ainsi un radiomètre monté sur un satellite à orbite basse donne des cartes précises sur toutes les régions du globe, mais avec une période de renouvellement des mesures qui est bien plus longue que pour un radiomètre géostationnaire, qui voit grossièrement un tiers du globe.
Un système de balayage permet de construire l'image de la scène vue par le satellite 1.
Les principaux domaines d'activité de la radiométrie spatiale sont l'océanographie, l'hydrologie et la météorologie.
La radiométrie hyperfréquence spatiale pour l'observation de la Terre est née avec le satellite soviétique Cosmos 243 lancé en 1968. Les années 70 ont vu les Américains envoyer de nombreux radiomètres pour couvrir le domaine 3-60 GHz. Ce n'est qu'en 1987 qu'on s'est approché des 100 GHz avec le projet militaire SSM/I (Special Sensor Microwave Imager). Jusqu'à présent aucun radiomètre micro-onde n'a été installé sur un satellite géostationnaire. Le tableau A, adapté des tables 1.1 et 17.1 de Ulaby et al. [1981 et 1986], indique, pour les radiomètres embarqués, la date de lancement, l'altitude de l'orbite, les fréquences d'observation et le type des données recueillies.
(Note de bas de
page)
1 : Si ce balayage se fait de façon continue, Skou [1988 et 1989], par des considérations relatives au spectre spatial du signal mesuré et au diagramme de rayonnement de l'antenne, a montré que la période idéale d'échantillonnage des mesures — et donc le temps d'intégration — est voisine de 0,7 fois le temps de déplacement de la tache au sol élémentaire ("à 3 dB").
2. QUE PEUT-ON MESURER DEPUIS L'ESPACE ?
Les radiomètres embarqués ont été conçus essentiellement pour la détermination des paramètres océaniques de surface, du profil de température de l'atmosphère et de son contenu en eau. Un article de Njoku [1982] expose en détail toutes les applications de l'observation micro-onde de la Terre. Pour l'océanographie spatiale, voir aussi le numéro d'Oceanus de l'automne 1981 [MacLeish].
La distinction entre radiomètre sondeur et imageur n'est pas absolue. Les variables atmosphériques interfèrent avec les paramètres de surface et l'on ne peut prétendre mesurer ces derniers sans connaître un peu le rôle de l'atmosphère ou bien sonder celle-ci en négligeant l'influence de la surface. Des mesures à plusieurs fréquences sont nécessaires. Ainsi les sondeurs atmosphériques comportent-ils un ou deux canaux fenêtres permettant d'estimer la contribution du sol.
Les fréquences d'observation appartiennent aux bandes allouées et protégées (tableau B [Ulaby et al., 1981]). D'autre part, ces fréquences sont choisies suivant la sensibilité de la température d'antenne TAP par rapport au paramètre à inférer. La figure 1 (tirée de Ulaby et al. [1986] d'après Wilheit et al. [1980]) montre le cas du radiomètre SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer). Ces courbes sont fondées sur des modèles physiques d'émission micro-onde de l'océan et de l'atmosphère [Wilheit, 1978].
Tableau A : historique de la radiométrie spatiale en micro-ondes.
Tableau B : bandes de fréquences allouées aux détecteurs passifs.
Figure 1 : sensibilité de la température d'antenne à divers paramètres.
Par des sondages autour de la raie d'absorption de la vapeur d'eau à 22 GHz et avec éventuellement un canal fenêtre vers 37 GHz, on arrive à connaître le contenu intégré en vapeur d'eau et en eau liquide d'une colonne atmosphérique [Millet, 1984 ; Staelin et al., 1976].
Les radiomètres ESMR (Electrically Scanning Microwave Radiometer) ont été utilisés pour la mesure de la pluie sur les océans et pour la reconnaissance de la glace. Le sondeur SSM/I a repris ces objectifs en montant en fréquence. SMMR et SSM/I permettent aussi d'estimer la vitesse des vents sur la mer [Wentz et al., 1986 ; Goodberlet et al., 1989].
Le sondage en température de l'atmosphère est réalisé avec des radiomètres à plusieurs canaux fonctionnant autour des fréquences d'absorption de l'oxygène entre 50 et 60 GHz. NEMS (Nimbus-E Microwave Spectrometer) a été le premier instrument de ce type, suivi par SCAMS (Scanning Microwave Spectrometer), SSM/T (Special Sensor Microwave Temperature Sounder) du DMSP (Defense Meteorological Satellite Program), et enfin par MSU (Microwave Sounding Unit). Le principe de ce sondage est vu en détail au chapitre suivant.
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