Remote sensing of Earth surface by a synthetic aperture imaging radiometer: principles of measurement, processing of interferometric data and regularized reconstruction methods

Télédétection de la surface terrestre par un radiomètre imageur à synthèse d'ouverture : principes de mesure, traitement des données interférométriques et méthodes de reconstruction régularisées

Bruno Picard (1)

1 CERFACS - Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique

he European Space Agency is currently developing the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission as the first attempt to obtain global measurements of soil moisture and ocean salinity. This mission is based on a promising technology, a synthetic aperture imaging radiometer (SAIR), initially developed in radio-astronomy. The main subject of this thesis consists on a study of regularized reconstruction methods allowing to establish brightness temperature maps from the interferometric data provided by the instrument. The principle of measurement is quite different from those commonly used in Earth remote sensing. A first part is thus dedicate to introduce the fundamental mechanisms of passive interferometry, through the study of the measurement line, a recall of Young's "double slit" experiment and of the properties of the 2D Fourier transform. The processing of the interferometric data needs a strict geometrical and algebraic frame as describe in a second part. the inferred oscillations appearing in reconstructed maps. The apodization windows are characterized for two possible configurations of the antenna array. As the estimation of the geophysical parameters need the processing of brightness temperature maps defined on regular grids with isotropic spatial resolution, we have introduce resampling techniques and a strip-adaptive processing. The inverse problem to be solved is ill-posed and the existence and the uniqueness of the solution have therefore to be guaranteed. This is the main goal of the regularized reconstruction methods, which are defined and compared in a third part. Then, these methods are used to characterize several problems related to the image reconstruction for SAIR. Thus, the systematic error interfering even when any modelling or measurements errors are considered is explained and quantified for two regularized reconstruction methods and several types of observed scenes. The propagation of radiometric noise on data is singled out in a specific work, just like the impact of modeling errors ensuing from an auto-characterization technique, allowing in-flight calibration of instrumental parameters. The impact of the pollution of the interferometric data by the sun radiation on the remote sensing of the ocean salinity is then studied. At last, the feasibility and the robustness of full-polarization image reconstruction with regularized methods are proved.

Dans le but d'obtenir les premières mesures globales d'humidité des sols et de salinité des océans, l'Agence Spatiale Européenne, à travers son programme «Exploration de la Terre» finance la mission spatiale SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity). Elle repose, pour la première fois dans le cadre de l'observation de la Terre, sur l'utilisation d'un radiomètre imageur à synthèse d'ouverture, technologie initialement développée en radioastronomie. Cette thèse est axée sur l'étude des méthodes de reconstruction régularisée permettant, à partir des données interférométriques fournies par l'instrument, d'obtenir des cartes de températures de brillance. Le principe de mesure diffère de celui des instruments habituellement utilisés pour l'observation de la surface terrestre. Une première partie est donc consacrée à une introduction des mécanismes fondamentaux de l'interférométrie passive, à travers une étude de la chaîne de mesure, d'un rappel de l'expérience des trous d'Young et des propriétés de la transformée de Fourier à deux dimensions. Le traitement des données interférométriques demande un cadre géométrique et algébrique rigoureux, décrit dans une seconde partie. De plus, les radiomètres à synthèse d'ouverture étant des instruments à bande passante limitée, il est nécessaire de faire appel à l'apodisation pour réduire les oscillations apparaissant dans les cartes reconstruites. Les fenêtres d'apodisation sont donc caractérisées pour deux configurations possibles du réseau d'antennes. L'estimation des paramètres géophysiques demandant le traitement de cartes de températures de brillance définies sur des grilles régulières et à résolution spatiale constante, nous avons introduit dans ce but des techniques de rééchantillonnage et la possibilité d'utiliser le multi-fenêtrage. Le problème inverse à résoudre étant mal posé, il est important de s'assurer de l'existence d'une solution unique. C'est là l'objet de l'utilisation de méthodes de reconstruction régularisées. Elles sont définies et comparées dans une troisième partie. Elles sont ensuite utilisées pour caractériser plusieurs problèmes intervenant dans la reconstruction d'image pour les radiomètres imageurs à synthèse d'ouverture. Ainsi, l'erreur systématique, qui intervient alors même qu'aucune erreur sur les données ou sur la modélisation de l'instrument n'est introduite, est expliquée et quantifiée pour deux méthodes de reconstruction régularisées et pour différentes scènes observées. La propagation du bruit radiométrique sur les données fait l'objet d'un travail spécifique, ainsi que l'impact des erreurs de modélisation subsistant suite à une auto-caractérisation, méthode présentée ici et permettant une calibration en vol des paramètres instrumentaux. L'impact de la pollution des données interférométriques par le rayonnement solaire sur la télédétection des océans est ensuite étudié. Enfin, la faisabilité et la robustesse de la reconstruction en mode de polarisation totale à l'aide des méthodes de reconstruction régularisées sont démontrées.

Mots clés: interferometry; aperture synthesis; inverse problem; regularization.

Mots clés: interférométrie; synthèse d'ouverture; problèmes inverses; régularisation.; régularisation

Domaines: Traitement du signal et de l'image [eess.SP]; Physique [physics]

Bruno Picard. Télédétection de la surface terrestre par un radiomètre imageur à synthèse d'ouverture : principes de mesure, traitement des données interférométriques et méthodes de reconstruction régularisées. Traitement du signal et de l'image [eess.SP]. Migration - université en cours d'affectation, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00009029v2⟩