Les méthodes classiques d'imagerie SAR (Synthetic Aperture Radar) font l'hypothèse d'isotropie (les points imagés se comportent de la même manière selon l'angle sous lequel ils sont vus) et de blancheur (les points imagés ont le même comportement dans la bande fréquentielle émise) des réflecteurs imagés. Néanmoins, ces hypothèses ne sont plus valables avec l'émergence de nouvelles capacités d'imagerie (large bande fréquentielle, grandes excursions angulaires, ...).<br /><br />L'objectif du travail de thèse a consisté à développer une méthode d'analyse temps-fréquence basée sur l'utilisation d'ondelettes continues permettant de mettre en lumière les phénomènes d'anisotropie et de coloration des points imagés.<br /> <br />Une grande partie du travail a consisté à exploiter le caractère coloré et anisotrope des réflecteurs pour discriminer une cible dans une image SAR.<br /> <br />Enfin l'analyse par ondelettes continues a été étendue à la polarimétrie pour améliorer la classification des cibles aléatoires et cibles déterministes puis à l'interférométrie afin obtenir une meilleure estimation de la hauteur des cibles.

Ce travail de thèse propose une méthode générale d'estimation de déplacement de la surface des glaciers à partir d'images RSO polarimétriques à Haute Résolution spatiale. Les caractéristiques nouvelles de ces images offrent un niveau de détail propice au développement de nouvelles méthodes de suivi de texture complémentaires aux méthodes classiques d'interférométrie RADAR difficiles à mettre en oeuvre dans ce contexte. La méthode proposée est basée sur la vraisemblance du rapport d'images RSO multivariées. L'utilisation du rapport d'images RSO et des lois statistiques correspondantes offrent une souplesse adaptée aux caractéristiques des images RSO notamment au caractère multiplicatif du chatoiement. La texture extraite du jeu polarimétrique offre une bonne robustesse aux variations surfaciques de la neige. La question du modèle statistique sous-jacent des images HR est abordé et l'utilisation des lois de Fisher est justifié. Des protocoles de test permettent de souligner la sensibilité de ce type de méthode. Le schéma méthodologique est complété par un ensemble de traitements avancés tels que la segmentation hiérarchique et l'utilisation d'un modèle d'écoulement. Deux sites d'études dans les Alpes françaises et en Antarctique ont permis d'éprouver cette méthode sur l'estimation de déplacement des glaciers d'Argentière et de l'Astrolabe. Une étude préliminaire sur la généralisation multi-capteurs de cette chaîne de traitement est finalement introduite.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l'étude et la réalisation d'un système d'imagerie SAR (synthetic aperture radar) exploitant deux techniques provenant des communications numériques: la configuration MIMO et les signaux OFDM. Dans la première partie de cette étude, différentes méthodes de focalisation des signaux reçus pour la configuration MIMO sont proposées afin de mesurer l'impact de la configuration MIMO sur la robustesse du système d'imagerie SAR par rapport aux bruits. Par ailleurs, on mesure aussi l'impact de la configuration MIMO sur la résolution en azimut. Finalement, un système expérimental est développé au sein du laboratoire afin de confirmer les résultats obtenus par simulation. Dans la deuxième partie de cette étude, une méthode de réduction de l'ambiguïté en distance est proposée et validée par simulation. Cependant, l'utilisation de signaux classiques de type \textit{chirps} montre ses limites pour la réduction de l'ambiguïté en distance. Ainsi, une méthode de conception de signaux OFDM est développée afin de résoudre ce problème. Une dernière étude sur les signaux OFDM est mené dans le cadre de son utilisation dans la configuration MIMO pour l'imagerie SAR. L'impact des signaux OFDM sur la résolution azimutale ainsi que sur les différents paramètres de qualité images est étudié.

Pendant ces dix dernières années, les lancements successifs de satellites pour l'observation de la Terre dotés de capteurs SAR (Synthetic Aperture Radar) ont permis de montrer son fort potentiel, car ces systèmes sont capables de couvrir de vastes régions avec une résolution élevée, ce qui représente un avantage pour le suivi terrain. Cette thèse propose d'élargir les applications conventionnelles, en s'occupant d'investiguer le potentiel et les limites de l'interférométrie SAR pour la mesure de la déformation du terrain dans la région amazonienne, qui n'a pas encore été étudiée dans ce cadre spécifique. L'application consiste à estimer le déplacement de la surface de la Terre sur la zone urbaine de Manaus, la plus grande ville de l'État d'Amazonas au Brésil, qui représente un site important pour l'exploration pétrolière et gazière et pour le transport. Ce site est entouré par des écosystèmes fragiles, qui le rendent très sensible à la présence de l'industrie pétrolière. Dans ce contexte, une compréhension de la dynamique temporelle et de la distribution spatiale des phénomènes de néotectonique est fondamentale pour la définition de bonnes pratiques de gestion de l'environnement. Au niveau méthodologique, afin de lever les principales difficultés rencontrées pour l'application de l'interférométrie différentielle sur une pile de données Radarsat-1, une stratégie multi-échelles et "model free", basée sur l'information de déformation non-linéaire au cours du temps est adoptée avec succès. La caractéristique essentielle de cette procédure est la séparation du signal de phase en différentes échelles spatiales pour simplifier la séparation des trois composantes de phase (topographie, atmosphère et déplacement). Cela conduit à une plus grande robustesse et permet l'inversion de composantes de phase pour les petites piles d'images. Au niveau géophysique, l'application de l'interférométrie à l'étude du déplacement du terrain est réalisée pour la première fois sur le milieu de l'Amazonie, en complétant les études de géologie structurale antérieures basées sur les mesures issues de la corrélation des images optiques et les mesures de terrain. En complément des connaissances antérieures, la présente étude apporte une information précise sur l'hypothèse de mouvements de la croûte récents liés aux activités néotectoniques du bassin de l'Amazonie. Les résultats indiquent une zone de mouvement de la croûte adjacente à une structure de drainage circulaire dans la ville de Manaus. Les images Radarsat-1 et 2 acquises sur cette région apportent une meilleure compréhension des activités géologiques et du mouvement de la croûte dans le bassin de l'Amazonie.

L’imagerie RSO circulaire aéroportée permet d’obtenir de nombreuses informations sur les zones imagées et sur les cibles mobiles. Les objets peuvent être observés sous plusieurs angles, et l’illumination continue d’une même scène permet de générer plusieurs images successives de la même zone. L’objectif de cette thèse est de développer une méthode de reconstruction de trajectoire de cibles mobiles en imagerie RSO circulaire monovoie, et d’étudier les performances de la méthode proposée. Nous avons tout d’abord mesuré les coordonnées apparentes des cibles mobiles sur les images RSO et leur paramètre de défocalisation. Ceci permet d’obtenir des informations de mouvement des cibles, notamment de vitesse et d’accélération. Nous avons ensuite utilisé ces mesures pour définir un système d’équations non-linéaires permettant de faire le lien entre les trajectoires réelles des cibles mobiles et leurs trajectoires apparentes. Par une analyse mathématique et numérique de la stabilité de ce système, nous avons montré que seul un modèle de cible mobile avec une vitesse constante permet de reconstruire précisément les trajectoires des cibles mobiles, sous réserve d’une excursion angulaire suffisante. Par la suite, nous avons étudié l’influence de la résolution des images sur les performances de reconstruction des trajectoires, en calculant théoriquement les précisions de mesure et les précisions de reconstruction qui en découlent. Nous avons mis en évidence l’existence théorique d’une résolution azimutale optimale, dépendant de la radiométrie des cibles et de la validité des modèles étudiés. Finalement nous avons validé la méthode développée sur deux jeux de données réelles. / Circular SAR imagery brings a lot of information concerning the illuminated scenes and the moving targets. Objects may be seen from any angle, and the continuity of the illumination allows generating a lot of successive images from the same scene. In the scope of this thesis, we develop a moving target trajectory reconstruction methodology using circular SAR imagery, and we study the performances of this methodology. We have first measured the apparent coordinates of the moving targets on SAR images, and also the defocusing parameter of the targets. This enables us to obtain information concerning target movement, especially the velocity and the acceleration. We then used these measurements to develop a non-linear system that makes the link between the apparent trajectories of the moving targets and the real ones. We have shown, by a mathematical and numerical analysis of the robustness, that only a model of moving target with constant velocity enables us to obtain accurate trajectory reconstructions from a sufficient angular span. Then, we have studied the azimuth resolution influence on the reconstruction accuracy. In order to achieve this, we have theoretically estimated the measurement accuracy and the corresponding reconstruction accuracy. We have highlighted the existence of an optimal azimuth resolution, depending on the target radiometry and on the validity of the two target models. Finally, we have validated the method on two real data sets on X-Band acquired by SETHI and RAMSES NG, the ONERA radar systems, and confirmed the theoretical analyses of its performances.

L'objectif de cette thèse est d'extraire la composante du courant de surface océanique dans l'axe de visée radar (ou direction radiale) à partir des informations enregistrées par un radar à synthèse d'ouverture (SAR) embarqué sur satellite. Nous analysons le décalage Doppler du signal reçu par le SAR à bord d'ENVISAT. Ce travail vise principalement à séparer, sur le décalage Doppler, la contribution des vagues et celle du courant ainsi qu'à étendre cette analyse à de larges scènes observées sous de multiples angles d'incidence. Cette étude se limite à la polarisation verticale et à la bande de fréquence C. La recherche de la signature de courant s'appuie sur l'hypothèse que le décalage Doppler ne résulte que des mouvements des vagues et du courant. De plus, nous supposons, dans une première étape, que le courant sur la surface d'estimation du décalage Doppler est uniforme. Suivant ces hypothèses, la contribution du courant peut être déduite du décalage Doppler au moyen d'une soustraction à partir de la contribution des vagues. Ces dernières ont des longueurs d'onde relativement courtes typiques de la mer du vent. L'utilisation pratique de l'information de vent à 10~m de la surface pour estimer la contribution des vagues est évaluée. La méthode d'extraction de la composante radiale du courant est mise au point et testée, dans un premier temps, pour un angle d'incidence constant de 23° à partir d'imagettes ponctuelles réparties sur l'ensemble des océans. La comparaison des moyennes mensuelles de la composante du courant extraite des données SAR avec les climatologies mensuelles issues des mesures de courant in-situ indique une erreur RMS de 0,35 m/s. Dans un second temps, la même méthodologie est appliquée à des images de grande taille (400 km par 400 km au minimum) pour lesquelles l'angle d'incidence local varie de 16 à 42°. Cette nouvelle configuration nécessite une analyse préalable de l'effet de l'angle d'incidence sur le décalage Doppler. Nous montrons que la contribution relative du courant au décalage Doppler augmente avec l'angle d'incidence et varie également en fonction de la direction du vent par rapport à la direction radiale. Les vitesses extraites des données SAR présentent un accord quantitatif avec les mesures de courant de capteurs in-situ. Ce résultat est encourageant pour le développement d'une application opérationnelle de cette méthode. Enfin, la dernière partie de ce travail est consacrée à un cas plus complexe pour lequel l'existence de courant côtier fortement variable ne permet plus de faire l'hypothèse de courant uniforme sur la surface d'estimation du décalage Doppler. Nous analysons dans ce cas des cartes de décalage Doppler à une résolution de l'ordre du kilomètre. Malgré la complexité de la situation, là encore, la confrontation des vitesses déduites du décalage Doppler avec des cartes de courant de marée indique le large potentiel des images SAR pour restituer une information de courant de surface à haute résolution.

L'imagerie radar à synthèse d'ouverture (SAR) est une source importante d'information pour le suivi d'objets géophysiques terrestres par télédétection.<br />Nous présentons une première partie méthodologique dédiée au filtrage du speckle des données POL/In/POL-InSAR multivariées et son impact sur l'estimation de paramètres.<br /><br />L'objectif du filtrage de speckle est de restaurer l'information spatiale et radiométrique de la scène.<br />Trois directions principales sont étudiées pour gagner en stationnarité/ergodicité : des voisinages adaptatifs vis-à-vis du signal, un estimateur adaptatif ou non (moyenne complexe multi-vue, LLMMSE) et la compensation de la composante déterministe du signal de phase interférométrique.<br />Une nouvelle stratégie pour filtrer des images SAR multivariées est proposée: l'utilisation de voisinages adaptatifs obtenus par une technique de croissance de région multivariée.<br />Cette méthode appelée IDAN combine toutes les informations d'intensité disponibles dans un processus de croissance de région pour assurer la validité des hypothèses de stationnarité/ergodicité.<br />Conjointement à IDAN, une nouvelle méthode est proposée pour estimer les fréquences locales dans des interférogrammes SAR.<br />Ces méthodes ont été testées à la fois sur des images satellitaires basse résolution provenant d'acquisitions tandem ERS et sur plusieurs jeux de données aéroportées haute résolution dans différentes bandes de fréquences et configurations polarimétriques.<br /><br />La seconde partie est dédiée à l'observation des glaciers alpins par télédétection SAR.<br />Cette partie aborde le problème du traitement des données SAR multivariées sur le site test « Chamonix Mont-Blanc ».<br />L'analyse de plusieurs interférogrammes ERS tandem acquis entre juillet 1995 et avril 1996 a permis d'obtenir les premiers champs de vitesse D-InSAR sur des glaciers des Alpes françaises et de montrer qu'il est possible de mesurer leur vitesse de surface entre octobre et avril avec un échantillonnage spatial de l'ordre de 20 m dans des interférogrammes à 1 jour en bande C.<br />La seconde application présente une analyse POL/POL-InSAR des données SAR multi-bandes haute résolution acquises par le système aéroporté E-SAR en octobre 2006, sur les glaciers d'Argentière, du Tacul et de la Mer-de-glace.<br />Ces premiers résultats illustrent plusieurs applications possibles de la télédétection radar polarimétrique/interférométrique pour l'observation des glaciers, telle que l'analyse des bandes de Forbes.

Les techniques d'interférométrie sur réflecteurs persistants, ou points stables (PSI), sont des outils particulièrement efficaces pour le suivi des déformations du sol et offrent les avantages typiques des systèmes de télédétection radar à synthèse d'ouverture (RSO) : une large couverture spatiale combinée à une résolution relativement élevée. Ces techniques sont basées sur l'analyse d'un jeu d'images RSO acquises sur une zone donnée. Elles permettent de régler le problème de décorrélation grâce à l'identification d'éléments particuliers (au sein de la cellule de résolution) dont la rétrodiffusion radar est de haute qualité et stable sur toute une série d'interférogrammes. Ces techniques sont fort efficaces (utiles ?) pour l'analyse de zones urbaines où les constructions constituent de bons réflecteurs avec une réflexion supérieure à celle du sol ; il en va de même pour des zones de campagne où la densité d'infrastructures est plus limitée. La technique PSI requiert un modèle temporel approximatif a priori pour la détection des déformations, bien que la caractérisation de l'évolution temporelle de la déformation soit communément l'un des objectifs des études. Le travail réalisé porte sur une technique PSI particulière, appelée Stable Point Network (SPN), Réseau de Points Stables, qui a été totalement développée par Altamira Information en 2003. Le travail présente de manière concise les caractéristiques de la technique et décrit les principaux produits générés : carte moyenne de déformation, séries temporelles de déformation des points mesurés, et les cartes de résidu d'erreur topographique utilisées pour géocoder de façon précise les produits PSI. Le principal objectif de cette thèse est l'identification et l'analyse des points faibles de la chaîne de traitement SPN et le développement de nouveaux outils et méthodologies pour résoudre les problèmes identifiés. Dans un premier temps, les performances de la technique SPN sont examinées et illustrées sur des cas pratiques (basés sur des sites test réels et à partir de données provenant de différents capteurs) et à l'aide de simulations. Les principaux points faibles de la technique sont identifiés et commentés, notamment le manque de paramètres automatiques de contrôle qualité, l'évaluation de la qualité des données d'entrée, la sélection de bons points pour la mesure ainsi que l'utilisation d'un modèle fonctionnel pour le déroulement de phase (franges interferometriques) basé sur une tendance linéaire de la déformation dans le temps. Différentes solutions sont ensuite envisagées. Nous nous intéressons tout particulièrement au contrôle qualité automatique dans la procédure de coregistration, en utilisant l'analyse du positionnement inter-pixel de certains points naturels, comme par exemple des pixels identifiés dans les images. L'amélioration de la sélection finale des points de mesure (carte PSI) s'obtient grâce à l'analyse de la signature du signal radar des cibles les plus puissantes présentes au sein de l'image, afin de sélectionner uniquement le centre du lobe principal du point de mesure. D'autres développements apportent plus de robustesse dans des étapes clefs, ainsi l'analyse du rotationel des estimations en lien étroit avec un réseau de mesures relatives, ou l'implémentation d'une méthodologie différente pour l'intégration qui peut être lancée en parallèle afin d'être comparée avec l'intégration classique. Enfin le principal inconvénient de la technique, c'est-à-dire l'utilisation d'un modèle linéaire de détection des déformations du sol fait l'objet d'un développement d'une nouvelle méthode d'ajustement qui permet des changements de tendance durant la période de temps considérée(...) / Persistent Scatterer Interferometric techniques are very powerful geodetic tools for land deformation monitoring that offer the typical advantages of the satellite remote sensing SAR (Synthetic Aperture Radar) systems : a wide coverage at a relatively high resolution. Those techniques are based on the analysis of a set of SAR images acquired over a given area. They overcome the decorrelation problem by identifying elements (in resolution cells) with a high quality returned SAR signal which remains stable in a series of interferograms. These techniques have been useful for the analysis of urban areas, where man-made objects produce good reflections that dominate over the background scattering, as well as in field areas where the density of infrastructures is more limited. Typically, PSI technique requires an approximate a priori temporal model for the detection of the deformation, even though characterizing the temporal evolution of a deformation is commonly one of the objectives of any study.This work is focused on a particular PSI technique, which is named Stable Point Network (SPN) and that it has been completely developed by Altamira Information in 2003. The work concisely outlines the main characteristics of this technique, and describes its main products: average deformation maps, deformation time series of the measured points, and the so-called maps of the residual topographic error, which are used to precisely geocode the PSI products. The main objectives of this PhD are the identification and analysis of the drawbacks of this processing chain, and the development of new tools and methodologies in order to overcome them. First, the performances of the SPN technique are examined and illustrated by means of practical cases (based on real test sites made with data coming from different sensors) and simulated scenarios.Thus, the main drawbacks of the technique are identified and discussed, such as the lack of automatic quality control parameters, the evaluation of the input data quality, the selection of good points for the measurements and the use of a functional model to unwrap the phases based on a linear deformation trend in time. Then, different enhancements are proposed. In particular, the automatic quality control of the coregistration procedure has been introduced through the analysis of the inter-pixel position of some natural point targets-like pixels identified within the images. The enhancements in the selection of the final points of measurements (the final PSI map) come by means of the analysis of the SAR signal signature of the strong targets presented within the image, in order to select only the center of the main lobe as point of measurement. The introduction of robustness within some critical steps of the technique is done by means of the analysis of the rotational of the estimates in close loops within a network of relative measurements, and by means of the implementation of a different integration methodology, which can be ran in parallel in order to compare it with the classical one. Finally, the main drawback of the technique, the use of a linear model for the detection of ground deformations, is addressed with the development of a new fitting methodology which allows possible change of trends within the analyzed time span. All those enhancements are evaluated with the use of real examples of applications and with simulated data. In particular, the new methodology for detecting non-linear ground deformations has been tested in the city of Paris, where a large stacking of ERS1/2 and ENVISAT SAR images are available. Those images are covering a very large time period of analysis at where some known non-linear ground deformations where occurring

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l'étude et la réalisation d'un système d'imagerie SAR (synthetic aperture radar) exploitant deux techniques provenant des communications numériques: la configuration MIMO et les signaux OFDM. Dans la première partie de cette étude, différentes méthodes de focalisation des signaux reçus pour la configuration MIMO sont proposées afin de mesurer l'impact de la configuration MIMO sur la robustesse du système d'imagerie SAR par rapport aux bruits. Par ailleurs, on mesure aussi l'impact de la configuration MIMO sur la résolution en azimut. Finalement, un système expérimental est développé au sein du laboratoire afin de confirmer les résultats obtenus par simulation. Dans la deuxième partie de cette étude, une méthode de réduction de l'ambiguïté en distance est proposée et validée par simulation. Cependant, l'utilisation de signaux classiques de type \textit{chirps} montre ses limites pour la réduction de l'ambiguïté en distance. Ainsi, une méthode de conception de signaux OFDM est développée afin de résoudre ce problème. Une dernière étude sur les signaux OFDM est mené dans le cadre de son utilisation dans la configuration MIMO pour l'imagerie SAR. L'impact des signaux OFDM sur la résolution azimutale ainsi que sur les différents paramètres de qualité images est étudié. / The work presented in this thesis focuses on the design and implementation of a SAR system operating with two Digital Communications technology: MIMO configuration and OFDM signals. In the first part of this study, various methods for focusing received signals for MIMO configuration are proposed in order to measure the impact of the MIMO configuration on the robustness. In addition, the impact of the MIMO configuration on the azimuth resolution is measured. Finally, an experimental system is developed in order to validate the results obtained by simulation. In the second part of this study, a range ambiguity suppression method is proposed and validated by simulation. However, the use of conventional chirp signals showed the limits of its use for the range ambiguity suppression. Thus, a design method of OFDM signals is developed in order to solve this problem. The last study on the OFDM signals is carried out in the context of its use with the MIMO configuration. The impact of the OFDM signals on the azimuth resolution and the imaging quality parameters are studied.

L'information polarimétrique des ondes électromagnétiques est fondamentalement semblable pour les micros ondes (radar), l'infrarouge et le visible (optique). Cependant, les échelles et les moyens de mesures impliqués varient très fortement ce qui explique que les divers outils développés (étalonnage, configuration géométrique, filtrage du bruit) divergent entre les différentes communautés. Ces divergences s'illustrent notamment sur les points suivants : - La géométrie d'acquisition, classiquement bistatique en optique et majoritairement monostatique en radar. - La nature de la mesure, cohérente pour le radar (intensité et phase) et en énergie pour l'optique ; quand l'optique mesure directement des grandeurs quadratiques du champ électrique, en radar il faut effectuer des estimations statistiques pour obtenir ces mêmes grandeurs. - Les traitements : en radar ce sont les décompositions polarimétriques en sommes matricielles qui sont les plus populaires, en optique les traitements sont le plus souvent multiplicatifs. Cette thèse exploite l'utilisation transverse des outils appartenant à ces deux mondes afin d'améliorer notre compréhension globale de la polarimétrie et son exploitation. Le travail présenté suit l'organisation logique d'un protocole de la mesure à l'exploitation. Nous avons d'abord adapté une méthode de calibration inspirée de l'optique au cas du radar bistatique. Ensuite nous avons analysé l'impact des géométries bistatiques et des choix de référence, pour proposer le choix du plan de diffusion dans l'analyse des images radar. Puis nous nous sommes penchés sur l'estimation de la matrice de covariance polarimétrique dans le cadre du radar. Ceci a permis de proposer une méthode originale de segmentation des images SAR ainsi que de nouveaux types de détecteurs. Enfin, nous présentons les différents "traitements polarimétriques" à proprement parler, et diverses applications auxquels ces traitements peuvent servir : caractérisation de milieux dépolarisants en optique (tissus) ou radar (forêt), détection de cibles déterministes, aide à la restitution 3D.