Imagerie SAR du régolithe d'un astéroïde : simulation et traitement des données

SAR imaging of an asteroid's regolith : simulation and data processing

• Auteur / Autrice : Oriane Gassot
• Direction : Alain Hérique
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilues
• Date : Soutenance le 11/06/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (Isère, France ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Garambois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Hestroffer, Wlodek Kofman, Dirk Plettemeier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sampsa Pursiainen, Amélie Litman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astronomie -- Instruments

Astéroïdes

Radar en aéronautique

Mots clés libres

Uwb

Sar

Simulation

Traitement

Radar

Régolithe

Uwb

Sar

Simulation

Processing

Radar

Regolith

Résumé

Les radars pénétrant sont des instruments embarqués à bord de multiples missions spatiales depuis plusieurs années. En mettant à profit des observations obtenues depuis différentes orbites séparées spatialement, ils peuvent mener à l’utilisation de techniques de tomographie radar en 3D afin d’imager la structure interne de corps planétaires, notamment des astéroïdes, et améliorer les modèles de formations et d’évolution des astéroïdes. Cependant, même si les radars à synthèse d'ouverture (SAR) spatiaux sont classiques afin de détecter et reconstruire des structures planétaires, pour une telle étude effectuée à quelques kilomètres d’un astéroïde, la taille, la vitesse de rotation et au final la géométrie d’observation elle-même remets en question les hypothèses habituellement formulées pour l'observation de la Terre. De plus, afin d’atteindre la résolution métrique nécessaire afin d'observer des astéroïdes kilométriques, le radar doit être à très large bande (UWB) en range et en doppler, ce qui remets également en cause les modèles de synthèse SAR. Puisque les performances du radar, et donc le retour scientifique de la mission, dépendent de la géométrie d’observation et de la configuration du radar, des simulations du signal radar et de la synthèse SAR dans la géométrie d’un petit corps doivent être mis en place. Le but de ma thèse est d'étudier les performances du radar UWB HFR, développé afin d’étudier les petits corps avec des fréquences allant de 300 à 800 MHz, en étudiant les retours du radar.En créant dans un premier temps des modèles numériques de terrains réalistes d’astéroïdes, plusieurs modèles de diffusions ont été étudiés afin de sélectionner le modèle le plus apte à modéliser le champ réfléchi par la surface d’un astéroïde. L’approximation de Kirchhoff (KA) a été sélectionnée et appliquée sur les modèles de terrain créés, et a permis de construire des images SAR qui localisent correctement le terrain simulé, et qui différencient les zones rugueuses des terrains des zones plus planes. Ensuite, l’approximation de Born (BA) a été sélectionnée afin de modéliser le champ réfléchi par la sous-surface d’un astéroïde, permettant de construire des images SAR qui localisent correctement une inclusion enfouie sous la surface. Avec une géométrie d’observation multipass, des algorithmes de tomographie ont été appliqués à partir des résultats obtenus avec BA, afin d’améliorer leur résolution dans la troisième dimension de l’espace, ainsi que la précision de la localisation de la cible enfouie. Enfin, l’étude des performances de la diffusion UWB a permis d’évaluer que, contrairement à ce qui était pressenti, la diffusion UWB n’entraine qu’une dégradation limitée de la résolution en range, et en azimuth.

In recent years, surface-penetrating radars were part of several space missions dedicated to study the bodies of the solar system. These radars, associated with repeat-pass observations and processing, can lead to 3D radar tomography, which results in 3D imagery of the first tens of meters of the sub-surface of planetary bodies. This technique can be used to better understand and model the formation processes and post-accretion evolution of asteroids. However, even though spaceborne SAR is a classical technique used for the detection and reconstruction of planetary structures, the small body geometry of observation reconsiders the hypotheses usually formulated for Earth observation. Furthermore, in order to achieve the metric-resolution necessary to study kilometric-sized asteroids with sufficient precision, the radar has to be ultra-wideband in range and in Doppler, which also question the SAR synthesis models established for narrow band signals. As the radar geometry of study and configuration drives the instrument performance, and thus the mission science return, simulation of the radar signal and the SAR synthesis needs to be developed while taking into account the specificity of the small body geometry. Thus, my thesis aims at assessing the performances of the UWB SAR HFR, which is dedicated to the study of small bodies, with frequencies ranging from 300 to 800 MHz, by simulating the radar's return.By creating firsly realistic asteroid digital terrain models (DTM), several surface scattering models were studied in order to select the model most suited to simulate the field scattered by the surface of an asteroid. The Kirchhoff Approximation (KA) was selected and applied on the generated DTM, and was used to build SAR images which correctly locate the DTM studied, and which differenciate the terrain’s rough areas from the smooth ones. Then, the Born Approximation (BA) was selected to model the field reflected by the asteroid subsurface and was found out to correctly locate an inclusion below the surface of an asteroid. With a multipass geometry, tomography algortihms were applied to the BA results in order to improve the resolution of the results in the third dimension of space, as well as the precision of the localisation of the inclusion. Finally, the performances of UWB scattering were studied, and, unlike what was foreseen, UWB scattering generates only a small degradation of the resolution in range and in azimuth