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RÉSUMÉ
La focalisation d'ondes électromagnétiques par synthèse d'ouverture est une technique d'imagerie qui permet d'améliorer considérablement la résolution d'une mesure. Elle procède par combinaison cohérente d'acquisitions réalisées depuis des positions différentes. Cet article décrit successivement les principes généraux de l'imagerie radar en distance, le concept d'ouverture en azimut et la diversité spectrale associée, et pour finir, l'essentiel à retenir sur les techniques de focalisation par synthèse d'ouverture.
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Laurent FERRO-FAMIL : Professeur à l'université de Rennes 1 et à l'IETR, UMR CNRS 6164
INTRODUCTION
Les Radars à synthèse d'ouverture sont des dispositifs électroniques qui permettent d'imager avec une haute précision spatiale la réflectivité électromagnétique d'objets ou d'environnements.
Un radar classique émet des ondes depuis une position fixe et acquiert la réponse d'une scène aux signaux émis. La mesure du délai mis par la réponse d'un objet pour se propager jusqu'au radar permet de mesurer avec précision la distance radar-objet, alors que l'amplitude du signal reçu permet de détecter des obstacles d'intérêt et d'en évaluer la réflectivité. Ce type de radar, appelé radar à ouverture réelle, ne peut discriminer des objets situés à une distance radiale identique, même si leurs positions sont très éloignées (de plusieurs kilomètres dans le cas de mesures satellitaires) dans la direction transverse.
Afin de remédier à cette limitation, on met en œuvre le principe de synthèse d'ouverture qui repose sur l'analyse de la variation de phase du signal réfléchi par un objet, lorsque l'on change de position de mesure. Des techniques de traitement du signal permettent de focaliser la réponse d'un objet dans un plan bidimensionnel avec une résolution accrue dont l'ordre de grandeur a d'abord été décamétrique, puis métrique et décimétrique à ce jour. Les Radars à synthèse d'ouverture sont généralement embarqués sur des plate-formes aéroportées ou satellitaires, et sont très utilisés en télédétection d'environnements naturels, pour la surveillance et la cartographie de territoires et d'activités. De par la gamme de fréquence de porteuse des signaux utilisés, les mesures Radars à synthèse d'ouverture sont complémentaires de mesures optiques qui sont généralement dépendantes des conditions d'éclairement et de nébulosité au sens large.
La première partie est une introduction à l'imagerie par Radar à synthèse d'ouverture qui décrit les principes d'une mesure radar et propose une modélisation simple de la réponse d'objets et d'environnements à un signal radar. Les objectifs de l'imagerie par synthèse d'ouverture ainsi que des notions de résolution, ambiguïté et rapport signal à bruit, largement utilisées en imagerie, sont présentés.
Une deuxième partie, consacrée à l'imagerie en distance, introduit le concept de focalisation de signaux par filtrage adapté et décrit les performances associées. L'architecture d'un radar ainsi que les caractéristiques des signaux focalisés en distance sont proposées pour différentes formes d'onde impulsionnelles ou continues.
La dernière partie traite de l'imagerie bidimensionnelle par synthèse d'ouverture. On met tout d'abord en évidence la diversité spectrale en azimut liée à la mesure cohérente d'échos radars le long d'une ouverture et l'on montre comment cette caractéristique peut être exploitée pour améliorer la résolution par filtrage adapté. Les techniques les plus couramment utilisées pour focaliser des signaux radars sont alors déduites en utilisant le principe de filtrage adapté en azimut. On propose :
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des expressions complètes ;
des synoptiques des solutions exactes du filtre adapté dans le domaine temporel et spectral ;
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une approche mettant en œuvre des approximations et très utilisée en pratique.
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Introduction à l'imagerie RSO
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4. Synthèse
Les trois techniques de focalisation 2-D de signaux Radar par synthèse d'ouverture, présentées ici couvrent les principaux types de traitements sur lesquels sont basés les algorithmes utilisés en pratique, c'est-à-dire de manière opérationnelle.
Il existe un très grand nombre de variantes dont l'objectif est de mettre à profit certains des avantages spécifiques à une méthode, de les combiner, ou bien d'adapter les algorithmes à des configurations de mesure matérielles, ou géométriques, particulières.
Les méthodes de focalisation par rétro-projection ou rétro-propagation sont considérées comme exactes, car elles n'utilisent pas d'approximation explicite. Cependant, la qualité des résultats obtenus est conditionnée par la précision des procédures d'interpolation qu'elles nécessitent.
De par sa formulation générique, l'algorithme de rétro-projection peut être adapté à toute configuration de mesure en conservant son caractère optimal, notamment dans le cas de trajectoires de mesure non idéales. Cette technique, qui requiert l'interpolation du signal pour toutes positions de focalisation et pour chaque impulsion reçue, nécessite un très grand nombre d'opérations, et donc, un temps de calcul élevé.
La rétro-propagation dans le domaine spectral permet de réduire de façon significative cette complexité numérique grâce à un nombre réduit d'interpolations. Cependant, la technique ω – k présentée ici nécessite des configurations de mesure, et notamment de trajectoire, idéales.
Le « chirp scaling » offre un compromis entre ces deux techniques avec une adaptation à des trajectoires quelconques n'utilisant pas d'interpolation.
Les approximations liées à cette approche peuvent cependant mener à des erreurs importantes dans le cas d'images à forte résolution, ou pour des configurations particulières.
Un récapitulatif des propriétés de ces trois méthodes est présenté dans le tableau 1. Comme dans le cas de la focalisation en distance, la formation d'images SAR 2-D peut être exprimée comme un problème d'estimation spectrale, et traitée avec des techniques améliorant fortement la résolution.
Des exemples illustrant l'influence de la résolution au sein des images SAR sont donnés sur la figure ...
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BIBLIOGRAPHIE
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