CHAPITRE 4

4.   GROUPES CAPTEURS

Un capteur est un appareil qui détecte les rayonnements électromagnétiques émis ou réfléchis et les convertit en une valeur physique qui peut-être enregistrée et traitée. Les capteurs peuvent être divisés en deux grandes catégories:

 (i)   systèmes d'acquisition globale, par exemple, les appareils photographiques ou caméras de télévision, qui enregistrent une scène entière instantanément;

(ii)   systèmes d'acquisition séquentielle par exemple, radiomètres, radars, lidars et sonars, qui donnent des renseignements ligne par ligne sur la scène. Cette dernière catégorie est généralement divisée en:

(a)   capteurs passifs, qui enregistrent le REM réfléchi ou émis à partir de sources naturelles;

(b)   capteurs actifs, qui illuminent un objet avec leur propre source de rayonnement et enregistrent “l'écho”.

4.1   Systèmes d'acquisition globale

Les capteurs d'acquisition globale utilisés généralement pour les études océanographiques sont des appareils aériens, vidicon et sous-marins. Les appareils sous-marins ne sont pas traités dans ce manuel.

4.1.1   Appareils de photographie aérienne

Ce sont les septièmes d'imagerie les plus simples pour les études halieutiques et océanographiques (voir figure 4.1). Le détecteur est une émulsion photographique (film) sensible aux parties visibles ou proche-infra-rouges du spectre électromagnétique. Les caméras, les films et les photo-interprétations sont traités de façon plus détaillée dans un autre manuel de formation “Cartographie des ressources marines : manuel d'initiation”. (technique de la FAO, 274).

On emploie depuis longtemps les appareils photographiques et, au fil des ans, on a acquis une grande somme de connaissances sur les techniques d'enregistrement et d'interprétation d'images ainsi que sur l'extraction des données. Ces appareils sont moins chers et moins encombrants que les autres capteurs et les matériaux photographiques sont partout disponibles. De plus, la photographie donne toujours une résolution supérieure à celle des capteurs électroniques.

L'un des inconvénients majeurs des appareils photographiques aériens est qu'il est difficile de les utiliser par mauvais temps. De plus, la photographie n'opère que dans une bande étroite du REM (0, 38 à 1, 3 micromètres).

La qualité d'une photographie dépend de plusieurs facteurs étroitement reliés entre eux : la distance focale, l'angle de visée, l'échelle, le contraste, la résolution et la vitesse du film.

4.1.1 Distance focale (f): La distance entre le centre de l'objetif et le foyer s'appelle la distance focale, et détermine la taille de la caméra et l'échelle de la photographie. Le foyer d'une lentille convexe est le point par lequel passent tous les rayons réfractés. L'image d'un objet lointain est formée au foyer; le film doit être placé à cet endroit, appelé plan focal.

4.1.1.2 Angle de visée (d): l'angle de visée d'une lentille est l'angle entre les rayons qui se dirigent vers les extrémités opposées du film. On l'appelle aussi angle de vue et angle de champ. L'objetif recueille les rayons de lumière d'un angle de champ qui varie de 45° à 60° (la variation normale d'un angle de champ) et les projette sur le film à l'intérieur du même angle.

Figure 4.1 Principaux éléments d'un appareil photographique à un seul objetif. (D'apprès T.M. Lillisand et R.W. Kiefer, 1979)

4.1.1.3 Echelle (s): L'échelle d'une photographie ou d'une carte aérienne est le rapport de la distance entre deux points, mesurée sur la photographie, et la distance réelle entre les deux points correspondants au sol. Vu, toutefois, qu'il est difficile de mesurer avec précision les distances sur une photographie, l'échelle d'une photographie aérienne s'entend du rapport entre la distance focale et l'altitude à laquelle le cliché a été pris. L'échelle (s) est égale à la distance focale (f) divisées par la hauteur de l'appareil photographique au-dessus du sol. Pour calculer celle-ci, on soustrait la hauteur du terrain au-dessus du niveau de la mer (h) de l'altitude de l'avion (caméra) au-dessus du niveau de la mer (H).

exemple: distance focale (f)=15cm, altitude (H-h)=1 500 m,

4.1.1.4 Contraste: il s'agit d'une mesure entre les niveaux d'intensité les plus bas et les plus hauts (Emin et Emax respectivement) de la photographie. Le contraste d'une image photographique peut être décrit qualitativement, comme “fort” ou “faible”, ou exprime en termes de rapport de contraste (Emax/Emin). Les images faiblement contrastées sont dites “délavées” et présentent des tons de gris monotones et uniformes. Ceci peut tenir aux raisons suivantes:

 (i) l'objet et son arrière-plan ont une réponse électromagnétique presque uniforme;

(ii) le REM est diffusé par l'atmosphère. Cet effet est plus prononcé dans les longueurs d'ondes courtes (violet) de la lumière visible;

(iii) la caméra ou le film n'ont pas une sensibilité suffisante pour enregistrer le contraste du sujet.

4.1.1.5 Résolution: la qualité d'une photographie aérienne est en partie définie par sa résolution ou son pouvoir de résolution. Il s'agit en l'occurrence de la capacité qu'a un système optique ou photographique à reproduire des détails fins, exprimée en termes du plus grand nombre de lignes ou cycles par mm qui peuvent être séparés visuellement sur une image ou enregistrés sur du matériau photographique. Le pouvoir de résolution ou la résolution d'une photo dépend de plusieurs facteurs:

 (i)  résolution de l'objetif (qualité optique): capacité de l'objetif de séparer visuellement le plus grand nombre de lignes ou cycles par mm;

(ii)  résolution du film: capacité du film à séparer visuellement le plus grand nombre de lignes ou cycles par mm;

(iii)  planéité de film: le degré de planéité du film maintenu au plan focal de l'objetif;

(iv)  mouvement de rotation de la plate-forme: lacet, tangage et roulis de la plate-forme (autrement dit, plus la plate-forme est stable, plus la résolution est élevée)

(v)   qualité optique des filtres: parallélisme de la surface du filtre, propreté du filtre.

En général, on mesure le pouvoir de résolution en prenant l'image d'une cible standard et en déterminant la fréquence spatiale en lignes par longueur d'unité à laquelle l'image ne peut plus être distinguée.

4.1.1.6 Vitesse du film: Elle est directement liée à la sensibilité du film à la lumière. Elle peut être définie comme étant inversement proportionnelle à l'exposition requise pour produire telle ou telle réponse souhaitée. Les valeurs de vitesse sont exprimées en termes d'unités photométriques ou radiométriques. Quelques unes des normes utilisées pour mesurer les valeurs de vitesse sont “American Standards Association” (ASA); “Deutsche Industrie Norm”(DIN); “British Standars Institute” (BSI).

4.1.2  Caméra VRF (Vidicon à retour de faisceau)

En tant que capteur de télédétection, la caméra VRF vient immédiatement après la caméra aérienne qui sert de modèle de comparaison pour tous les systèmes d'acquisition globale. La caméra VRF est capable de produire des images synoptiques (c'est-à-dire que toutes les parties de la surface explorée sont vues par le détecteur au même moment) comme une caméra aérienne. Fondamentalement, son fonctionnement est analogue à celui d'une caméra de télévision: l'utilisation d'une lentille convergente permet la mise au point d'un objet lointain sur un photo-conducteur. L'image produite sur ce dernier est maintenue électriquement jusqu'à ce qu'un faisceau électronique explore l'image “figée” pour pouvoir lire les éléments ligne par ligne. Ayant exploré l'image, le photo-conducteur est dégagé afin de recevoir une nouvelle image.

C'est de ce type de capteur qu'étaient munis les premiers satellites LANDSAT. Il enregistrait une image de 185 km² toutes les 25 secondes en utilisant trois caméras sur LANDSAT-1 et 2- et une image de 90 km² en utilisant deux caméras sur LANDSAT-3.

La caméra VRF donne des images à résolution spatiale très élevée par rapport à celles d'autres capteurs électroniques, et les données d'images peuvent être transmises à terre via signaux radio.

4.2   Systèmes d'acquisition séquentielle

4.2.1   Capteurs passifs

Les capteurs de cette catégorie s'appellent des radio-mètres. Ils reçoivent et enregistrent, ligne par ligne, le REM réfléchi ou émis par la terre et l'atmosphère (voir figure 4.2). Suivant le type de détecteur utilisé, ils peuvent enregistrer les différentes parties du REM dans des longueurs d'ondes allant de l'ultra-violet aux micro-ondes.

Les radiomètres suivants sont souvent utilisés pour les études halieutiques et océanographiques. Ils sont décrits au chapitre 5.

Figure 4.2  Eléments d'un signal micro-onde passif. (D'après T.M. Lillesand et R.W. Kiefer, 1979).

Plusieurs catégories de capteurs passifs comprennent:

 (i)   les radiomètres à balayage: ces capteurs rassemblent une seule ligne de données en utilisant un miroir rotatif pour “explorer” le champ perpendiculaire à la ligne de vol; exemple: capteur IR thermique et capteur MSS de LANDSAT. (voir figure 4.3 et 4.4). Le mouvement en avant du satellite ou de l'avion produit les lignes subséquentes de données.

(ii)   les radiomètres à barrettes de détecteurs: ce type de capteur, par exemple le HRV de SPOT, possède une ou plusieurs barrettes de détecteurs. Une ligne de saisie est aperçue instantanément sans aucun mouvement mécanique, ce qui est une nette amélioration par rapport aux radiomètres à balayage (voir figure 4.5).

4.2.1.1 Caractéristiques spatiales des capteurs passifs: Les capteurs passifs ont deux caractéristiques spatiales majeures:

 (i)   Champ de visée instantané (IFOV) (voir figure 4.6): on entend par là l'angle (en radians ou degrés) dans lequel le détecteur est sensible au rayonnement. Le capteur MSS de LANDSAT-2 a un IFOV de 0,086 milliradians. En sachant que l'altitude du satellite est de 920 km, on peut calculer que le pixel représente une aire de la surface terrestre dont les dimensions sont de 80m × 80m (champ instantané au sol) au nadir.

(ii)   Largeur de couloir exploré (voir fig. 4.6): il s'agit de la distance linéaire au sol, couverte en largeur de la trace. Pour un radiomètre à balayage, ceci dépend du champ de visée angulaire AFOV ou angle de balayage; par exemple l'angle de balayage du MSS de LANDSAT-2 est égal à 11, 52° et, à une altitude de 920 km, donne une largeur de couloir exploré de 185 km. Pour le radiomètre à barrettes de détecteurs, le champ d'observation est lié à la dimension des barrettes; par exemple les 6 000 détecteurs haute résolution visible (HRV) de SPOT couvrent un angle de 4,13° et, à une altitude de 832 km, donnent une largeur de couloir exploré de 60 km.

4.2.1.2 Caractéristiques spectrales et radiométriques des capteurs passifs: Par résolution spectrale d'un capteur on entend son aptitude à différencier les longueurs d'ondes du spectre électromagnétique, et par résolution radiométrique par sa capacité de distinguer les différents niveaux d'intensité du REM dans une bande spectrale donnée.

4.2.2   Capteurs actifs

Les capteurs actifs (radar, Sonar, etc.) peuvent illuminer un objet avec leur propre source de radiation. L'illumination peut soit induire un objet à émettre une radiation (fluorescence), soit lui faire réfléchir la radiation produite par le capteur. Les capteurs actifs sont souvent utilisés quand la radiation naturelle dans une bande particulière du spectre n'est pas suffisante pour illuminer convenablement la cible, c'est-à-dire quand quand elle est au-dessous du seuil signal-bruit.

4.2.2.1 Echo-sondeurs et les sonars: Les écho-sondeurs et les sonars envoient des ondes acoustiques vers une cible et reçoivent l'écho réfléchi. L'écho-sondeur transmet un faisceau de son déterminé et vertical tandis que le faisceau sonar peut être orienté. Les principaux éléments d'un écho-sondeur sont un émetteur, un transducteur, un récepteur et une console de visualisation.

Figure 4.3  Système IR thermique à balayage. (D'après F.F. Sabbins, Jr., 1979)

Figure 4.4  Orientation de LANDSAT MSS

Figure 4.5  Caractéristiques générales d'un radiomètre à barrettes de détecteurs. (D'après T.E. Avery et G.L.. Berlin, 1985)

Figure 4.6   Concept de l'AFOV et de l'IFOV. (D'après T.E. Avery et G.L. Berlin, 1985)

L'émetteur a pour fonction de produire de l'énergie sous forme d'impulsions électriques. Le transducteur convertit cette énergie électrique en énergie sonore dans l'eau, les ondes sonores des échos renvoyés sont reconverties à leur tout en énergie électrique. Le récepteur amplifie les oscillations électriques faibles produites dans le transducteur par l'écho pour qu'elles puissent être enregistrées sur du papier ou, visualisées sur un tube cathodique (CRT) ou encore transmises comme un signal audible.

4.2.2.2 Radars: le radar est un capteur actif à micro-ondes qui utilise des ondes-radio pour détecter la présence d'objets et en déterminer la distance (position). Cette technique implique la transmission de courts signaux ou impulsions d'énergieà micro-ondes dans une direction déterminée et l'enregistrement de la puissance et de l'origine des “enchos” ou “réflexions” reçus des objets dans le champ de visée du système. Le pouvoir de résolution du radar (c'est-à-dire son aptitude à la différencier les cibles) est déterminé par la longueur d'onde qu'il transmet. La détection active à micro-ondes se fait dans plusieurs bandes d'ondes désignées par les lettres de l'alphabet, comme indiqué au tableau 4.1. La transparence de l'atmosphère aux micro-ondes ou hyperfréquences (voir chapitre 2) permet au radar d'acquérir les données, quelles que soient les conditions climatiques. Les micro-ondes pénètrent les nuages et ne sont diffusées ni par la brume ni par la pluie.

Les radars peuvent être imageurs ou non-imageurs:

 (i)   Radars imageurs: ils affichent les caractéristiques de rétro-diffusion de la surface terrestre sous forme carte en bandes ou d'image de la zone choisie. Un exemple de radar imageur est le SLAR, radar aéroporté à visée latérale. Ce capteur balaye une surface qui n'est pas directement au-dessous de l'avion mais à un certain angle par rapport à la verticale, d'où le terme “visée latérale” (voir figure 4.7a, b et c).

Pour obtenir une résolution spatiale utile sur une image du sol prise par satellite, il faudrait une antenne longue de plusieurs kilomètres. Le SAR (radar à synthèse d'ouverture) a été mis au point afin de parer à ce problème. Il prend les signaux successifs transmis et reçus par une petite antenne réelle et les utilise pour reconstruire (synthétiser) le signal qui aurait été reçu avec une antenne mesurant plusieurs kilomètres de long. (Voir figure 4.8). De plus, la reconstruction de l'image d'un objet en mouvement à partir des données d'un SAR implique la prise en considération de l'effet Doppler (voir glossaire).

Les détails fins d'une cible (c'est-à-dire une plus grande résolution) sont discernables sur une image produite avec microondes de longueurs d'ondes plus courtes. Ainsi, il se peut que la surface de la mer, apparemment étale avec détection en bande-L, ne le soit plus avec détection en bande-x. Comme pour les autres REM, les micro-ondes sont polarisées en composantes verticales et horizontales.

Figure 4.7a  Principe de fonctionnement d'un radar à visé latérale. (D'après J.A. Richards, 1986)

Figure 4.7b  Propagation d'une impulsion radar (indiquant l'emplacement de la vague de temps (1–17). (D'après T.M. Lillesand et R.W. Kiefer, 1979).

Figure 4.7c  Signal de retour d'antenne. (D'après T.M. Lillesand et R.W. Kiefer, 1979)

(*) indique les longueurs d'ondes utilisées généralement avecles radars imageurs

Actuellement, les radars imageurs ont peu d'applications dans les études océanographiques, bien qu'on se soit livré à des recherches intensives pour mesurer la longueur et la direction des vagues.

(ii) Radars non-imageurs: contrairement aux radars imageurs, les radars non-imageurs enregistrent un paramètre physique spécifique. A citer, parmi ces appareils, le diffusomètre et le radar d'altimétrie. Ce dernier mesure la rugosité de la surface de la mer, les icebergs, etc…, dans un large couloir d'observation de part et d'autre du vaisseau spatial (voir figure 4.9). Les mesures restituent l'amplitude de courtes vagues de surface qui sont approximativement en équilibre avec le vent local et à partir desquelles on peut calculer la vitesse du vent en surface. Le radar d'altimétrie utilise une micro-ondes à faisceau de repérage qui mesure la distance verticale entre l'engin spatial et la terre. Les mesures révèlent la topographie et la rugosité de la surface de la mer à partir desquelles on peut établir le quadrillage de l'océan, les courants de surface et la hauteur moyenne des vagues.

4.2.2.3  Lidars (Radars-Lasers): un lidar est un capteur actif qui émet et reçoit la lumière dans les longueurs d'ondes visibles et proche-infra-rouge. Le laser sigle pour: amplificateur de lumière par émission stimulée de rayonnements monochromatiques très directifs) produit une lumière par émission de l'énergie emmagasinée dans un système moléculaire ou atomique, quand celui-ci est stimulé par un signal d'entrée. Le lidar utilise le laser pour générer de courtes impulsions de lumière à haute puissance. Quand l'impulsion traverse l'atmosphère, un système optique détecte la lumière rétro-diffusée et l'analyse électroniquement pour fournir une mesure d'intensité de la lumière rétro-diffusée par les composants de cible en fonction de la distance du capteur.

Figure 4.8  Système de SAR. (D'après T.E. Avery et G.L. Berlin, 1985)

Figure 4.9  Mesures d'un diffusomètre sur un iceberg, en fonction du temps pour les différents angles d'incidence. (D'après D. Harper, 1983)

Les limitations physiques de ces capteurs ne permettent pas, pour le moment, de les incorporer à la charge utile des satellites. On peut donc s'en servir qu'a bord d'avions. Deux types de lidars ont des applications intéressantes dans les études océanographiques, le lidar bathymétrique et le lidar à fluorescence:

 (i)   lidar bathymétrique: ce lidar, utilisé pour les études bathymétriques, produit simultanément un signal bleu-vert et un signal proche-infra-rouge. Le signal proche-infra-rouge ne pénètre pas l'eau; il est directement réfléchi par la surface de la mer et enregistré par le capteur. Le signal bleu-vert lui, au contraire, pénètre l'eau, est réfléchi par le fond et parvient plus tard au capteur. La différence de temps est une fonction directe de la profondeur de l'eau (voir figure 4.10);

(ii)   lidar à fluorescence: cet appareil enregistre la lumière fluorescente émise, induite par l'interaction avec la cible de la lumière bleu-vert transmise par le lidar. La fluorescence de la cible est souvent unique et fournit par conséquent, un moyen de reconnaissance. On emploie cet instrument pour identifier et quantifier la chlorophylle dans l'eau ainsi que pour identifier et mesurer l'épaisseur des nappes d'huile marines. (voir figure 4.11).

Figure 4.10  Principe de fonctionnement du lidar bathymétrique aéroporté. (D'après D. Harper, 1983).

Figure 4.11  Principe de fonctionnement du lidar à fluorescence aéroporté. (D'après D. Harper, 1983).