Transcript Unité 1_Introduction

Le rayonnement électromagnétique et
ses caractéristiques: bref rappel
• Les ondes électromagnétiques
- Longueurs d’ondes et fréquences, le spectre ÉM, la
polarisation…
• Les photons
Qu’est-ce que le rayonnement
électromagnétique (RÉM)?
• Le RÉM est une forme d'énergie (énergie rayonnante) qui émane
d’une source et se propage aussi bien dans le vide qu'à travers un
milieu matériel. Dans le vide sa vitesse est de 3 x 108 m/sec
(vitesse de la lumière).
• Le RÉM nous est familier sous ses différentes formes: lumière du
jour ou d’une ampoule électrique, chaleur rayonnée par un radiateur,
ondes radio, rayons X ou UV…
• Deux modèles mathématiques sont utilisées pour expliquer les
phénomènes de production, de propagation et d’interaction avec la
matière du RÉM: le modèle ondulatoire (le rayonnement se
transmet sous forme d’ondes électromagnétiques) le modèle
corpusculaire (le rayonnement est composé des photons qui
transportent la même quantité d’énergie, des corpuscules sans
masse qui ont à la fois les propriétés des ondes et des particules
élémentaires).
Les ondes électromagnétiques
• Selon le modèle ondulatoire, une
onde électromagnétique est
représentée par deux vecteurs
perpendiculaires indissociables
dont la magnitude varie
périodiquement avec le temps: le
champ électrique E et le champ
magnétique B.
• La direction de propagation du
RÉM est perpendiculaire au plan
défini par ces deux vecteurs
(ondes transversales)
Les paramètres d’une onde ÉM
Une onde ÉM est décrite pleinement si l’on
connaît une série de paramètres. Nous les
définirons en considérant le champ électrique
pour deux raisons:
1. Si l’on connaît l’un des champs nous connaissons
automatiquement l’autre vu leur relation intime;
2. Les phénomènes d’interaction du RÉM avec la
matière étudiés en télédétection sont
principalement dus au champ électrique.
Les paramètres d’une onde ÉM
• La longueur d’onde ou la fréquence
• L’amplitude
• La phase
• La polarisation
• La direction de propagation
La longueur d’onde
• Les ondes se caractérisent par leur longueur
d’onde λ ou la distance nécessaire pour que
l’onde atteint la même intensité en allant à la
vitesse de la lumière après deux passages
consécutifs par l’état d’équilibre.
La période et la fréquence
• Les ondes se caractérisent par leur période (T)
ou le temps nécessaire pour que l’onde complète
un cycle
• Le fréquence est l’inverse de la période (cycles
par seconde ou Hz).
• Longueur d’onde période et fréquence sont
reliées par la relation suivante:
  cT 
c
E

où c est la vitesse de
propagation de l’onde (égale à
3x108 m/sec dans le vide).
E0
z

E
E0
t

Le spectre ÉM
• Si l’on tient compte de
l’ensemble des sources du RÉM
(naturelles et artificielles) nous
construisons un diagramme en
fonction de la longueur d’onde
(ou de la fréquence) : le spectre
ÉM.
• Le spectre est subdivisé à des
zones. Dans chaque zone la
nature des sources ainsi les
phénomènes d’interaction avec
la matière ont beaucoup de
similitudes
Cependant …pour la télédétection de la surface terrestre
toutes les parties du spectre ne sont pas entièrement
disponibles (absorption atmosphérique) ou elles ne portent pas
une information valable pour la télédétection (ondes radio)
Le spectre ÉM
Les fenêtres atmosphériques: les parties du spectre où
l’absorption atmosphérique n’est pas un obstacle
UV
VIS
PIR
Transmission
Atmosphérique (%)
100
IROC
H20
03
IROM
IRL
IROL
Micro-ondes
C02
H20
03
H20
H20
02
C02
02 , 03
H20
0
0,2 m
0,5
1,0
5
10
20
100 m
0,1 cm 1,0 cm 1,0 m
Longueur d'onde (pas à l'échelle)
UV  ultraviolet (fenêtre: entre environ 0,3 et 0,4 m)
VIS  visible (fenêtre: l’ensemble 0,4 à 0,7 m)
PIR  proche infrarouge (fenêtre: l’ensemble 0,7 à 1,1 m)
IROC  infrarouge à ondes courtes (deux fenêtres: une centrée à 1,5 et l’autre à 2,5)
IROM  infrarouge à ondes moyennes (fenêtre: entre 0,3 et 0,5 m)
IROL  infrarouge à ondes longues, communément appelé infrarouge thermique
(fenêtre: l’ensemble 0,8 à 14 m)
IRL  infrarouge lointain (pas utilisé en télédétection)
Micro-ondes (l’ensemble: télédétection radar  fréquences allouées entre 1 cm et 1 m)
L’amplitude
• La valeur maximale (ou minimale) de l’intensité du champs
électrique
• L’énergie transportée par l’onde ÉM est fonction du carré de
l’amplitude de l’onde (mesure en Joules (J))
• L’énergie est transportée par un nombre de photons. Chaque
photon transporte une quantité égale d’énergie, fonction de
la fréquence de l’onde: 𝑞 = ℎ 𝜈
où h est une constante
(constante de Planck environ 6.626 x 10-34 J sec)
E
E0

z
Les paramètres d’une onde ÉM:
la phase
• Il est commode de décrire le
mouvement périodique en
utilisant un cercle de rayon
égal à l’amplitude et où à
3600 on fait corresponde la
période T. On définit alors la
fréquence angulaire ou
pulsation comme suit:
T/4
E0
p
E
T/2
3T/4
• À chaque instant la
projection du rayon sur l’axe
d’oscillation nous donne
l’intensité de l’onde et l’angle
de projection est appelé: la
phase de l’onde
2

T
Axe
T d'oscillation
Les paramètres d’une onde ÉM:
la phase
• En utilisant la phase comme axe de
représentation nous obtenons le schéma
suivant:
Les paramètres d’une onde ÉM:
la phase
• Deux ondes de la même fréquence qui
se rencontrent dans l’espace sont dites
en phase lorsque leurs cycles
correspondent parfaitement, sinon sont
dites déphasées.
La polarisation
•
La polarisation définit
l’orientation du vecteur
électrique à un instant donné
•
Le vecteur E peut être
décomposé en deux vecteurs
orthogonaux: vertical (Ey) et
horizontal (Ex)
•
Si ces deux composantes sont
en phase l’onde vibre le long
d’un plan: la polarisation est
dite plane
Si ces deux composantes sont
déphasées le plan de vibration
change d’un instant à l’autre.
Le vecteur décrit une ellipse
ou à la limite un cercle.
•
Comment le RÉM transmet les
informations sur les objets?
•
•
•
Un capteur mesure la “quantité” d’énergie ÉM
provenant des objets.
L’énergie générée par les objets peut provenir
des processus physiques internes (ex. agitation
thermique) ou après interaction avec le RÉM
provenant d’une source externe (p.ex. le soleil, un
flash photographique, un laser ou un radar)
Puisque les propriétés physico-chimiques des
objets varient la quantité de l’énergie générée et
captée à distance varie aussi. Il est donc possible
d’associer un niveau d’énergie mesurée à un objet
quelconque ou à ces caractéristiques.
Comment le RÉM transmet les
informations sur les objets?
Un exemple: la brillance
des objets sur une image
(ici photographie) est
fonction de la quantité
de l’énergie ÉM émanant
des objets (ici réflexion
du rayonnement solaire)
et captée à distance (ici
caméra-film
photographique)
Les quantités mesurées
•
•
Pour fournir une mesure valable une quantité minimale
d’énergie ÉM est nécessaire au capteur. Pour ce faire, il
faut qu’il observe l’objet pendant un court laps de temps
(ou temps de résidence).
Pour s’affranchir du temps de résidence utilisé par
différents capteurs nous normalisons la quantité d’énergie
par le temps de résidence. Nous parlons ainsi du flux du
RÉM (mesuré en Watts=Joules/sec (W)).
En photographie on parle du temps d’exposition pour signifier le temps de
résidence nécessaire pour obtenir une image claire du sujet sous des
conditions spécifiques de luminosité ambiante
Les quantités radiométriques
utilisées en télédétection
Les mesures en fonction des
paramètres de base des ondes: la
longueur d’onde
• La seule mesure du flux n’offre qu’un potentiel informatif limité
• Dans les fenêtres atmosphériques du VIS, PIR, IROC on utilise
surtout des capteurs passifs sensibles au rayonnement solaire
réfléchi.
• La majorité de ces capteurs sont dotés de mécanismes
permettant de mesurer le flux en simultanée en fonction d’une
bande de longueurs d’onde (bande spectrale).
• En combinant trois de ces bandes on obtient une image couleur. Si
les trois bandes sont celles dont notre œil est sensible (bleu, vert
et rouge) on obtient une image couleur dite normale. Sinon l’image
est dite fausse couleur. L’ajout de la couleur augmente de
beaucoup la capacité de reconnaître les objets à distance.
• En télédétection numérique cette notion de couleur est étendue à
plus que trois bandes spectrales (hyper-couleur).
Les mesures en fonction des
paramètres de base des ondes: la
longueur d’onde
• Un exemple: brillance vs. couleur
Les mesures en fonction des
paramètres de base des ondes: la
longueur d’onde
• Dans les fenêtres atmosphériques du IROM et IRT on utilise
des capteurs passifs sensibles au rayonnement émis par les
objets. Les images sont utilisées pour estimer la température
des objets. La mesure du flux dans une seule bande spectrale
ne nous rend pas la tâche aisée.
• Actuellement nous possédons la technologie pour disséquer le
rayonnement en bandes spectrales fines et faire la même
chose que dans le cas du rayonnement solaire réfléchi. Ici la
combinaison de trois bandes donne une image en couleurs
fausses.
Les mesures en fonction des
paramètres de base des ondes: la
longueur d’onde
• Un exemple: image fausses couleurs (capteur dans l’IROM)
Les mesures en fonction des
paramètres de base des ondes: la
longueur d’onde
• Dans la fenêtre atmosphérique des microondes on utilise
surtout des capteurs actifs (munis de leur propre source de
rayonnement). Ces capteurs opèrent à des fréquences
spécifiques.
• L’établissement des capteurs analogues aux capteurs à
plusieurs bandes spectrales est technologiquement difficile
particulièrement avec des satellites. La multifréquence est
plutôt rare. À partir des avions des radars opérant à deux
fréquences en simultané est de plus en plus rependu.
Les mesures en fonction des
paramètres de base des ondes: la
polarisation
• Le rayonnement naturel n’a pas une polarisation précise sauf pour
certaines types d’objet. La polarisation n’est pas souvent utilisé
comme paramètre de base pour différencier le flux du
rayonnement.
• Les radars modernes utilisent la polarisation comme on le verra
plus loin dans notre cours. Une science appelée la polarimétrie est
mise en application avec ces radars avec un potentiel intéressant
pour exploiter pleinement l’imagerie radar
Les mesures en fonction des
paramètres de base des ondes: la
phase
• Le rayonnement naturel n’offre pas la possibilité de mesurer
la phase des ondes.
• Les radars modernes mesurent la phase parce que le
rayonnement utilisé (monochromatique) parce s’y prête.
Cependant en tant que tel, la phase en soi n’offre pas une
information sur les objets. C’est en comparant la phase
mesurée selon les deux conditions différentes qu’une
information intéressante peut être extraite des données
radar
Les mesures en fonction des
paramètres de base des ondes: la
direction de propagation
• En modifiant l’angle avec lequel un capteur
observe un objet des informations
intéressantes peuvent être obtenues
(stéréoscopie, réflexion/diffusion variable
selon le type d’objet). Un exemple: