Modélisation et mesure de l’interaction d’une onde électromagnétique avec une surface océanique. Application à la détection et à la caractérisation radar de films d’hydrocarbures - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Electromagnetic Wave Scattering Modeling and Measurement from Ocean Surfaces. De- tection and Characterization of an Oil Film.

Modélisation et mesure de l’interaction d’une onde électromagnétique avec une surface océanique. Application à la détection et à la caractérisation radar de films d’hydrocarbures

Résumé

Spaceborne and airborne remote sensing systems are commonly dedicated to maritime monitoring by either the governments or companies. Specifically, this activity is focused on the detection of hydrocarbons at sea to manage environmental incidents but also on the prospection of new oil resources. Currently, synthetic aperture radar is the main mean to achieve this mission since it provides a 24/7 service and it is not impacted by the weather conditions. However, the detection process remains timekeeping and, oftenly, false alarms occur. Furthermore, depending on the origin of the film (either mineral or biogenic), the action taken will be drastically different. Classically, this identification is achieved thanks to hyperspectral imaging but it remains unsuitable in an operating environment. Then, the characterization of oil-films thanks to radar signals would be a great improvement. This study is about the detection of oil-covered ocean surfaces and the identification of the detected oil film through the radar signals. This work is divided in three axes : the ocean surface modelling, the electromagnetism modelling and the experiment. A generator of oil-covered (or not) ocean surfaces has been implemented to perform realizations of large sea surfaces with very thin sampling interval. The electromagnetic part is dedicated to asymptotic models for electromagnetic wave scattering from random rough surfaces. These models are well-adapted to the context : the complexity of the scene and the efficiency of the processing. From this implementation, a study about backscattered electromagnetic field has been achieved to access the valuable information provided by radar signals. The modelling is supported by an experimental database which is composed of radar measurements and surface elevation estimations from multiple oil-covered sea water surfaces. This experiment has been realized in a controlled environment : a sea water pool, known oils, fan-generated wind waves and controlled oil spill. The developed methods about detection and characterization are tested on these real data. This study has shown that the characterization of oil film on the ocean surface is possible thanks to multi-frequency radar signals. Moreover, the cumulative distribution function of the amplitude of the radar backscattered field is relevant to detect an oil-covered ocean surface and the optimal measurement conditions for film detection and characterization –such as the incidence angle, the radar frequency, the polarization and the sensor sensitivity– have been detailed. At last, the implemented simulator can compute signals from real aperture radars by considering large sea surfaces with a very thin sampling on a common computer.
Les systèmes de télédétection satellitaires et aéroportés sont classiquement utilisés pour la surveillance maritime par les gouvernements et les entreprises. Cette surveillance est en particulier dédiée à la détection d’hydrocarbures en mer afin de prévenir les déballastages illégaux et de gérer les accidents environnementaux. Elle trouve également une pertinence dans le domaine de la prospection offshore afin d’identifier des réserves naturelles d’hydrocarbures. Le radar à synthèse d’ouverture représente actuellement le moyen principal de détection de films surfaciques puisqu’il opère quels que soient l’horaire et les conditions météorologiques. Le processus de détection demeure néanmoins perfectible car nécessitant un temps de traitement conséquent et induisant encore régulièrement des fausses alarmes. De plus, la détection n’est pas suffisante car la diversité des films surfaciques rencontrés implique une gestion propre à chacun. En effet, selon leur origine (naturelle ou anthropogénique) et leur nature (hydrocarbure, phytoplancton ou encore huile de poisson par exemple), l’ampleur de l’intervention engagée peut drastiquement évoluer, allant d’une vaste opération de nettoyage à une simple surveillance. Cette identification est classiquement réalisée à l’aide d’images optiques hyperspectrales mais cette méthode reste peu adaptée dans un contexte opérationnel. Caractériser la nature des films surfaciques détectés à l’aide des signaux radar représenterait donc une grande avancée dans le domaine de la supervision océanique. Cette étude consiste à distinguer une surface océanique contaminée par un film surfacique d’une surface océanique propre et de détailler la nature du film détecté à travers les signaux radars. L’étude se divise en trois domaines principaux, à savoir la modélisation de la surface océanique, la modélisation électromagnétique et l’expérimentation. La simulation de la surface océanique doit considérer l’existence ou non d’un film surfacique. En outre, elle doit permettre de générer numériquement une surface de vaste superficie –correspondant aux dimensions d’une image d’un radar à synthèse d’ouverture– tout en conservant une résolution restituant la complexité de la géométrie. Un simulateur de surfaces océaniques contaminées ou non a donc été développé. La partie électromagnétique est basée sur l’utilisation de modèles asymptotiques de diffusion des ondes électromagnétiques par une interface rugueuse. Ces modèles sont particulièrement adaptés au contexte de l’étude, alliant complexité de la scène et efficacité du traitement, mais nécessitent des hypothèses pour être appliqué. L’intégration d’un tel modèle a permis l’étude du champ électromagnétique diffusé par la surface océanique afin d’accéder aux informations contenues au sein des signaux radars. La modélisation est complétée par des données expérimentales associant mesures radars et mesures d’élévations d’une surface d’eau de mer tantôt propre tantôt contaminée par différents produits. Cette expérimentation a été réalisée dans un environnement maîtrisé : bassin fermé, produits connus, vagues générées à l’aide d’un souffleur caractérisé et déversements contrôlés. Ces données permettent de valider la modélisation et de tester les méthodologies de détection et de caractérisation des films surfaciques développées. Ces travaux ont permis de montrer que la nature d’un film surfacique est identifiable à l’aide de signaux radars multifréquences et que ces films surfaciques sont détectables à l’aide de la fonction de répartition du champ électromagnétique diffusé par la surface. En outre, les conditions de mesures optimales (angles d’incidence, fréquences radar, polarisation, sensibilité du capteur) de détection et de caractérisation d’un film surfacique ont été détaillées. Enfin, le simulateur développé permet de générer des signaux de radars à ouverture réelle en considérant de larges surfaces océaniques ayant une résolution très fine sur une machine conventionnelle.
Fichier principal
Vignette du fichier
DEMR18118.1542791633.pdf (23.7 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Loading...

Dates et versions

tel-02023517 , version 1 (18-02-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02023517 , version 1

Citer

Aymeric Mainvis. Modélisation et mesure de l’interaction d’une onde électromagnétique avec une surface océanique. Application à la détection et à la caractérisation radar de films d’hydrocarbures. Electromagnétisme. UNIVERSITE DE TOULOUSE, 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02023517⟩

Collections

ONERA
589 Consultations
83 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More