Méthodes de Traitement des Images RSO Polarimétriques, Monostatiques et Bistatiques

Methods for Monostatic and Bistatic Polarimetric SAR Image Analysis

• Auteur / Autrice : Ileana-Madalina Ciuca
• Direction : Michel Gay, Silviu Ciochină, Gabriel Vasile, Andrei Anghel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, image, paroles, télécoms
• Date : Soutenance le 21/06/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Universitatea politehnica (Bucarest)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : GIPSA - Signal Images Physique (GIPSA-SIGMAPHY)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Michel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Trouvé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Ovarlez, Antoine Roueff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images

Mots clés libres

Polarimétrie radar

RSO polarimétrique

Monostatique

Bistatique

Consimilarité

Variété Riemannienne

Décomposition polaire

Radar à synthèse d'ouverture

Polarimetric radar

PolSAR

Monostatic

Bistatic

Conjugate similarity

Polar decomposition

Riemannian manifold

Synthetic aperture radar

Image processing

Résumé

Les données polarimétriques radar à synthèse d’ouverture (RSO, ou SAR en anglais) enregistrent la diversité de retrodiffusion en mesurant la réponse électromagnétique dans deux bases orthogonales de polarisation. L’interaction des micro-ondes avec les milieux anthropiques et naturels peut modifier l’état polarimétrique incident. Les applications PolSAR exploitent cette dépendance des ondes incidentes et de retrodiffusion, qui s’est avérée être une ressource importante, en particulier pour la détection et la classification. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer à l’analyse des données SAR polarimétriques. Conformément aux développements technologiques attendus dans le domaine des instruments radar, le cas de la géométrie bistatique est aussi discuté. Pour la représentation et le traitement des données, le formalisme matriciel a été utilisé. Comme en PolSAR les matrices de diffusion ont des propriétés qui dépendent de la géométrie de diffusion, les méthodes proposées dans la thèse sont applicables au cas le plus général, c’est-à-dire avec des données non réciproques (monostatiques ou bistatiques). La thèse propose deux modèles pour la matrice de diffusion à partir de la Représentation Réelle et de la Décomposition Polaire. Les deux sections sont complémentaires, avec des modèles basés sur : un traitement algébrique vs. géométrique, une factorisation en utilisant la similarité conjuguée vs. la similarité ou un contexte cohérent vs. incohérent. La première contribution discute la similarité conjuguée en PolSAR. Cela oriente l’étude vers la représentation réelle, sa décomposition propre et l’extraction de paramètres non accessibles par les méthodes précédentes. La deuxième contribution est basée sur les propriétés de la décomposition polaire et de la géométrie Riemannienne des matrices semi-définies positives. Un algorithme de clustering géométrique, combinant les k-means et une distance géodésique Riemannienne est introduit. Des ensembles de données aéroportées, monostatiques, PolSAR en bande X et C, ainsi que des données polarimétriques monostatiques et bistatiques simulées sont utilisés pour tester les méthodes proposées dans cette thèse.

Polarimetric Synthetic Aperture Radar (PolSAR) data records the scattering diversity by measuring the electromagnetic response in two orthogonal polarization bases. The interaction of the microwaves with both anthropogenic and natural media can modify the incident polarimetric state. PolSAR applications exploit the incident-scattering polarization dependence, which was proven as an important asset, especially for detection and classification.The main aim of this thesis is to contribute to the analysis of full-polarimetric PolSAR data. In line with expected technological developments in the area of radar instruments, the case of bistatic geometry is discussed. Throughout the work, the matrix formalism has been assumed for data representation and processing. Because PolSAR scattering matrices have properties that depend on the scattering geometry, the methods proposed in the thesis are applicable to the most general case, i.e., with non-reciprocal data (monostatic or bistatic).The thesis proposes two frameworks for the scattering matrix based on the Real Representation and the Polar Decomposition. The two parts are complementary, with models based on an algebraic vs. geometric processing, on a conjugate similarity vs. similarity factorization or on a coherent vs. incoherent application context. The first contribution is oriented towards the study of the conjugate similarity in PolSAR through the use of the Real Representation. The second contribution is based on the properties of the polar decomposition and the Riemannian geometry of positive semidefinite matrices. A geometric clustering algorithm combining the k-means and a Riemannian geodesic distance is introduced.Airborne, monostatic, PolSAR datasets at X- and C-Band, alongside simulated monostatic and bistatic polarimetric data, are used for testing the proposed methods.