Imagerie Radar de la Surface Océanique : de l'Estimation de l'Etat de Mer à la Caractérisation de Pollution Marine

Radar Imagery of the Ocean Surface : from Sea State Estimation to Characterization of Marine Pollution

• Auteur / Autrice : Sebastien Angelliaume
• Direction : Charles-Antoine Guérin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Toulon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mer et Sciences (Toulon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut méditerranéen d'océanologie (Marseille ; Toulon ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Melika Baklouti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Souyris, Éric Pottier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Roueff, Danièle Hauser

Mots clés

Mots clés contrôlés

Océanographie

Polarimétrie radar

Radar en océanographie

Satellites artificiels en télédétection

Mer -- Pollution

Mots clés libres

Imagerie

Télédétection

Radar

Surface Océanique

Fouillis de mer

Expérimental

Rétrodiffusion

Pollution

Imagery

Remote Sensing

Radar

Ocean Surface

Clutter

Experimental

Backscattering

Pollution

Résumé

L’imagerie radar est utilisée depuis plus de 40 ans pour l’observation de la Terre. Elle permet l’acquisition de données à haute résolution spatiale, sur l’ensemble du globe, de jour comme de nuit et quasi indépendamment des conditions atmosphériques et météorologiques. Même si la réponse radar des surfaces océaniques est en général bien caractérisée dans la littérature, il demeure à ce jour un certain nombre de verrous scientifiques. Les travaux de recherche exposés dans ce manuscrit ont pour vocation à faire progresser la caractérisation de la surface océanique dans la bande des micro-ondes : deux volets ont été explorés, l’extension des modèles de rétrodiffusion et la télédétection des pollutions marines. Une originalité importante des résultats présentés est qu’ils s’appuient simultanément sur des travaux expérimentaux et sur des développements théoriques.Une meilleure compréhension de l’interaction entre l’onde EM et la surface de mer nous a permis d’étendre le domaine d’emploi des modèles analytiques de rétrodiffusion. Une distribution adaptée des pentes des vagues permet de restituer qualitativement les asymétries directionnelles observées expérimentalement. L’utilisation d’un modèle de Bragg composite corrigé du rapport de polarisation permet quant à lui de restituer la distribution de fouillis de mer en polarisation directe.Traditionnellement restreinte à la détection des nappes d’hydrocarbures en mer, nous avons exploré l’usage de l’imagerie radar pour le suivi des pollutions par produits chimiques. Au-delà de la détection, nous avons également démontré la pertinence des données SAR pour la caractérisation et la quantification des pollutions marines, à condition de disposer d’un instrument dont le niveau de bruit est suffisamment faible.

Radar imagery has been used for more than 40 years for Earth observation. It enables the acquisition of high spatial resolution data, over the entire globe, day and night and in almost all weather conditions. Even though the radar response backscattered from the ocean surfaces is generally well characterized in the literature, there remain a number of scientific issues. The aim of this dissertation is to report on progresses in the characterization of the ocean surface in the microwave regime: two aspects have been investigated, namely the extension of ocean backscattering models and the remote sensing of marine pollution. An important originality of these works is the combined utilization of both experimental data and theoretical developments.A better understanding of the interaction of EM waves at the sea surface has allowed to extend the validity domain of analytical backscattering models. An appropriate distribution of wave slopes makes the predictions of directional asymmetries in qualitative agreement with the experimental observations. The use of a composite Bragg model corrected for the polarization ratio makes it possible to model accurately the statistical distribution of sea clutter intensity in both co-polarizations.Traditionally restricted to the detection of mineral oil slicks at sea, we have explored the use of radar imagery to monitor hazardous and noxious substances over the ocean surface. Beyond detection, we have also demonstrated its relevance for the characterization and quantification of marine pollution, provided data were collected by an instrument with a sufficiently low noise floor.