vendredi 16 avril 2010

RADARSAT-2 : La détermination de la « réalité de terrain »

RADARSAT-2 : La détermination de la « réalité de terrain »
Renseignements généraux
Qu'est-ce que RADARSAT-2?

RADARSAT-2 est un satellite d'observation de la Terre qui évolue autour de notre planète sur une orbite polaire. Contrairement aux satellites qui captent le rayonnement naturel émis par la Terre, comme la lumière visible ou la lumière infrarouge, RADARSAT-2 illumine la surface de la planète à l'aide d'un faisceau d'ondes électromagnétiques hyperfréquences. RADARSAT-2 synthétise ensuite les images à partir des échos hyperfréquences reçus.

Les images produites par RADARSAT-2 reposent sur deux des caractéristiques des échos électromagnétiques, soit sur l'intensité de l'écho hyperfréquences et sur la polarisation de cet écho.

Pour bien comprendre comment cela fonctionne, nous allons examiner une forme commune de rayonnement électromagnétique, c'est-à-dire la lumière visible. Les hyperfréquences et la lumière visible sont toutes deux des formes de rayonnement électromagnétique. Ce sont des ondes transversales qui se déplacent à une vitesse de 300 000 km/s dans le vide et qui peuvent toutes deux être polarisées.

Il convient de préciser que la lumière blanche se compose d'un rayonnement électromagnétique de plusieurs différentes longueurs d'onde comprises entre 450 nm et 680 nm environ. Pour sa part, RADARSAT-2 utilise un faisceau d'hyperfréquences monochromatiques (longueur d'onde simple) situées dans la gamme d'ondes monochromatiques dont la longueur est 5,5 cm.

Ondes transversales

L'une des principales caractéristiques de tous les types d'ondes est qu'elles contribuent au transfert de l'énergie. Les ondes se classent dans l'une ou l'autre des trois grandes catégories suivantes : ondes transversales, ondes longitudinales et ondes torsionnelles. L'oscillation d'une onde transversale est perpendiculaire à la direction de propagation de cette onde. Les ondes électromagnétiques sont des ondes transversales.

Figure 1 : L'oscillation d'une onde transversale est perpendiculaire à la direction de propagation de cette onde. L'onde « Slinky » est polarisée dans le plan du papier.

Imaginez que l'onde est transmise le long d'un jouet Slinky. Lorsqu'on imprime à un serpentin un mouvement ondulatoire à angles droits par rapport à l'axe du serpentin, une onde transversale se propage sur la longueur du serpentin jusqu'à ce qu'une friction vienne épuiser l'énergie du mouvement ondulatoire. Les directions de l'oscillation (flèches noires dans la figure 1) définissent le plan de la polarisation. L'onde « Slinky » est polarisée dans le plan du papier sur lequel repose le jouet.

Les ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques sont produites chaque fois qu'une charge électrique est accélérée. Dans le cas des ondes radio et des hyperfréquences, on peut produire cette accélération en injectant un courant oscillatoire dans un conducteur électrique, notamment un mince fil de fer. Si le courant électrique qui passe dans le fil de fer oscille à une fréquence de 5,4 GHz, les électrons présents dans le fil sont accélérés dans un mouvement de va-et-vient à une fréquence de 5,4 GHz.

Par conséquent les électrons contenus dans le conducteur généreront des ondes électromagnétiques de même fréquence. Le mince fil de fer agit alors comme une antenne qui émet des hyperfréquences de 5,4 GHz.

Une variation dans l'amplitude du champ électrique d'une onde génère un champ magnétique perpendiculaire. Grâce au processus de l'auto-induction, les champs qui subissent la variation génèrent d'autres ondelettes électromagnétiques qui se propagent vers l'extérieur à la vitesse de la lumière.
Une onde électromagnétique simple se compose de deux éléments : un champ électrique E (vert) et un champ magnétique B (bleu). Lorsqu'une charge électrique se met à osciller (point vert) dans un conducteur (orange), cette charge émet une pulsation coaxiale d'ondes électromagnétiques. Le vecteur E de ces ondes aura une polarisation linéaire parallèle au conducteur.

(Légende : Conductor = Conducteur)

Figure 2 : Une onde électromagnétique simple se compose de deux éléments : un champ électrique E (vert) et un champ magnétique B (bleu). Lorsqu'une charge électrique se met à osciller (point vert) dans un conducteur (orange), cette charge émet une pulsation coaxiale d'ondes électromagnétiques. Le vecteur E de ces ondes aura une polarisation linéaire parallèle au conducteur.

Un faisceau d'ondes électromagnétiques produit par des charges électriques à oscillation aléatoire aura des vecteurs magnétiques (B) et électriques (E) orientés de façon aléatoire.

Figure 3 : Un faisceau d'ondes électromagnétiques produit par des charges électriques à oscillation aléatoire aura des vecteurs magnétiques (B) et électriques (E) orientés de façon aléatoire.

De façon générale, on ne tient compte que du champ électrique (E) d'une onde lorsqu'on décrit ses propriétés de polarisation puisqu'on comprend implicitement que le vecteur magnétique (B) se comporte de la même façon, et qu'il est orienté à 90° par rapport au vecteur du champ électrique correspondant.
Lorsqu'un faisceau électromagnétique a une polarisation linéaire, l'orientation du vecteur du champ électrique (E) par rapport à l'axe de transmission est la même pour toutes les ondes électromagnétiques qui composent le faisceau.

Figure 4 : Lorsqu'un faisceau électromagnétique a une polarisation linéaire, l'orientation du vecteur du champ électrique (E) par rapport à l'axe de transmission est la même pour toutes les ondes électromagnétiques qui composent le faisceau.

Comment polariser les ondes

Seules les ondes transversales peuvent être polarisées. Mais puisque le rayonnement électromagnétique peut aussi être polarisé, on peut déduire que le rayonnement électromagnétique doit être une onde transversale. D'un autre côté, les ondes acoustiques, par exemple, sont des ondes longitudinales qui ne peuvent être polarisées.

La lumière naturelle provenant d'une source incandescente, comme celle produite par une ampoule électrique ordinaire ou le Soleil, n'est pas polarisée. Les directions des oscillations du champ des ondes électromagnétiques sont complètement aléatoires par rapport à la direction du faisceau.

Une façon peu complexe de polariser un faisceau de lumière consiste à faire passer ce faisceau à travers un filtre polarisant ou à diriger le faisceau sur une surface lisse à un angle d'incidence élevé.

Les hyperfréquences (et les ondes radio) sont polarisées lorsqu'elles sont émises par des antennes, lesquelles ne sont en réalité que des fils de fer longs et droits. L'orientation du vecteur de polarisation E est parallèle au fil.

Polariseurs et analyseurs

On peut polariser la lumière non polarisée en la faisant traverser un filtre polarisant (désigné polariseur) qui ne laisse passer le rayonnement que dans une seule direction du vecteur électrique. On dit que la polarisation de la lumière qui traverse un tel filtre est linéaire puisqu'il ne reste qu'une seule direction du vecteur électrique (voir figure 5).

Lorsqu'on soumet le faisceau à un deuxième filtre polarisant (appelé analyseur), cet analyseur transmet toute l'énergie du faisceau, pourvu que les directions de polarisation tant du polariseur que de l'analyseur soient parallèles. Si la direction du polariseur et celle de l'analyseur sont à angle droit, la lumière ne sera pas transmise. Voir la figure 5.
La lumière naturelle provenant d'une source incandescente, comme la lumière produite par une ampoule électrique ordinaire ou la lumière du Soleil, n'est pas polarisée. Les directions des oscillations du champ des ondes électromagnétique sont complètement aléatoires par rapport à la direction du faisceau.

(Légende :
All directions = Toutes les directions
One direction = Une seule direction
Polarizer = Polariseur
Analyzer = Analyseur)
Figure 5 : La lumière naturelle provenant d'une source incandescente, comme la lumière produite par une ampoule électrique ordinaire ou la lumière du Soleil, n'est pas polarisée. Les directions des oscillations du champ des ondes électromagnétique sont complètement aléatoires par rapport à la direction du faisceau.

Dans le cas de RADARSAT-2, l'antenne émettrice envoie des hyperfréquences qui sont polarisées. L'antenne réceptrice agit en tant qu'analyseur et détermine les propriétés de polarisation de l'écho radar.

L'activité qui suit vous permettra d'explorer certaines des propriétés de la lumière blanche polarisée. L'une des principales différences entre la lumière blanche et les ondes radar de RADARSAT-2 est que la lumière n'est pas monochromatique tandis que les ondes radar le sont quasi parfaitement. Néanmoins, les propriétés de polarisation du rayonnement électromagnétique sont identiques.
Préparé par l’équipe scientifique YES I Can! à l'Université McMaster,
pour l'Agence spatiale canadienne

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