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Ecole supérieure de la défense aérienne du territoire (ESDAT) L2 (CDA/RT) Matière: Rayonnement Electromagnétique ‐ REM 2023/2024 Chapitre 1 : Nature & Propagation du Rayonnement Electromagnétique I. INTRODUCTION Le rayonnement électromagnétique correspond à l'ensemble des radiations émises par une source qui peut être soit le soleil, soit la surface terrestre ou océanique ou l'atmosphère, ou bien encore le capteur satellitaire lui‐même, sous forme d’ondes électromagnétiques ou de particules. II. ONDES ELECTROMAGNETIQUES Une onde électromagnétique comporte à la fois un champ électrique et un champ magnétique oscillant à la même fréquence. Ces deux champs, perpendiculaires l’un par rapport à l’autre se propagent dans un milieu selon une direction orthogonale (figure 1). La propagation de ces ondes s’effectue à une vitesse qui dépend du milieu considéré. Dans le vide, la vitesse de propagation est égale à 3.108 m/s (vitesse de la lumière). Figure 1. Nature et propagation d’une onde électromagnétique.  Une onde électromagnétique est caractérisée par plusieurs grandeurs physiques :  La longueur d’onde (λ) : elle exprime le caractère oscillatoire périodique de l’onde dans l’espace. C’est la longueur d’un cycle d’une onde, la distance séparant deux crêtes successives. Elle est mesurée en mètre ou en l'un de ses sous‐multiples, les ondes électromagnétiques utilisées en télédétection spatiale ayant des longueurs d’onde relativement courtes: le nanomètre (1 nm = 10‐9 m) ; le micromètre (1 μm = 10‐6 m) ; le centimètre (1 cm = 10‐2 m).  La période (T) : elle représente le temps nécessaire pour que l’onde effectue un cycle. L’unité est la seconde.  La fréquence ( f ) : inverse de la période, elle traduit le nombre de cycles par unité de temps. Elle s’exprime en Hertz (Hz) ‐ un Hz équivaut à une oscillation par seconde ‐ ou en multiples du Hertz, les ondes électromagnétiques utilisées en télédétection spatiale 1 Ecole supérieure de la défense aérienne du territoire (ESDAT) L2 (CDA/RT) Matière: Rayonnement Electromagnétique ‐ REM 2023/2024 ayant des fréquences très élevées : le kilohertz (1 kHz = 103 Hz) ; le megahertz (1 MHz = 106 Hz) ; le gigahertz (1 GHz = 109 Hz). Longueur d’onde et fréquence sont inversement proportionnelles et unies par la relation 𝒄 suivante : 𝝀.Où : λ : longueur d’onde de l’onde électromagnétique ; c : vitesse de la 𝒇 8 lumière (3.10 m/s) ; f : la fréquence de l’onde. Par conséquent, plus la longueur d'onde est petite, plus la fréquence est élevée, et réciproquement. III. RAYONNEMENT ET ENERGIE Les échanges d'énergie portée par le rayonnement électromagnétique qui ont lieu entre le soleil et le système terre‐océan‐atmosphère ne se font pas de manière continue, mais de façon discrète, sous forme de paquets d'énergie, véhiculés par des corpuscules élémentaires immatériels, les photons. Chaque photon transporte ainsi un quantum d'énergie proportionnel à la fréquence de l'onde électromagnétique considérée ; cette énergie est d'autant plus grande que la fréquence est élevée. La relation suivante exprime la quantité d'énergie associée à un photon en fonction de la fréquence de l'onde : E = h. f Où : E : l’énergie de l’onde électromagnétique ; f : la fréquence de l’onde ; h : la constante de Planck (6,625.10‐34 J.s). Ainsi, les rayonnements électromagnétiques de courte longueur d'onde ou de fréquence élevée véhiculent davantage d'énergie que les rayonnements de grande longueur d'onde (basse fréquence). IV. SPECTRE ELECTROMAGNETIQUE Le spectre électromagnétique représente la répartition des ondes électromagnétiques en fonction de leur longueur d'onde, de leur fréquence ou bien encore de leur énergie (figure 2). Nom Longueur d'onde Fréquence Rayon gamma < 1 pm > 300 EHz Rayon X 1 pm ‐ 10 nm 30 PHz ‐ 300 EHz (1 ExaHz= 1018Hz) Ultraviolet 10 nm ‐ 380 nm 789 THz ‐ 30 PHz (1 PetaHz= 1015Hz) Visible 380 nm ‐ 750 nm 400 THz ‐ 789 THz (1 TeraHz= 1012Hz) Infrarouge 750 nm ‐ 1 mm 300 GHz ‐ 400 THz Micro‐ondes 1 mm ‐ 1 m 300 MHz ‐ 300 GHz (1 GigaHz = 109 Hz) Ondes radio 1 m ‐ 100 000 km 3 Hz ‐ 300 MHz (1 MegaHz = 106 Hz) Figure 2. Domaines du spectre électromagnétique. 2 Ecole supérieure de la défense aérienne du territoire (ESDAT) L2 (CDA/RT) Matière: Rayonnement Electromagnétique ‐ REM 2023/2024  En partant des ondes les plus énergétiques, on distingue successivement :  Les rayons gamma () : ils sont dus aux radiations émises par les éléments radioactifs. Très énergétiques, ils traversent facilement la matière et sont très dangereux pour les cellules vivantes.  Les rayons X : rayonnements très énergétiques traversant plus ou moins facilement les corps matériels et un peu moins nocifs que les rayons gamma, ils sont utilisés notamment en médecine pour les radiographies, dans l'industrie (contrôle des bagages dans le transport aérien), et dans la recherche pour l'étude de la matière (rayonnement synchrotron).  Les ultraviolets (UV) : rayonnements qui restent assez énergétiques, ils sont nocifs pour la peau. Heureusement pour nous, une grande part des ultraviolets est stoppée par l'ozone atmosphérique qui sert de bouclier protecteur des cellules.  Le domaine visible : correspond à la partie très étroite du spectre électromagnétique perceptible par notre œil. C’est dans le domaine visible que le rayonnement solaire atteint son maximum (555 nm) et c'est également dans cette portion du spectre que l'on peut distinguer l'ensemble des couleurs de l'arc en ciel. Il s’étend de 400 nm (VioletBleu) à 800 nm (Rouge). La lumière blanche émise par le soleil, lorsqu'elle passe à travers un prisme, est décomposée en une multitude de couleurs constituantes (figure 3). Figure 3. Lumière visible (frange très étroite du spectre électromagnétique)  L’infrarouge (IR) : est un rayonnement émis par tous les corps dont la température est supérieure au zéro absolu (‐273°C). Le domaine de l'IR est relativement étendu. Dans cette fourchette de longueurs d'onde, on distingue généralement quatre types d'infrarouges qui vont du proche infrarouge à l'infrarouge lointain, en passant par l'infrarouge moyen et le thermique. 3 Ecole supérieure de la défense aérienne du territoire (ESDAT) L2 (CDA/RT) Matière: Rayonnement Electromagnétique ‐ REM 2023/2024 Figure 3. Domaine des infrarouges.  Le proche infrarouge : (0,75 μm à 1,6 μm) est la partie du spectre électromagnétique qui vient juste après le visible (couleur rouge). Comme pour le visible, ce que le radiomètre mesure dans le proche infrarouge, c'est une luminance correspondant au rayonnement solaire réfléchi par la surface terrestre.  L'infrarouge moyen : s’étend entre 1,6 μm et 4 μm.  L'infrarouge thermique : (4 μm à 15 μm) permet de mesurer la température des objets.  L'infrarouge lointain : ce domaine est compris entre 15 μm et 1 mm.  Les hyperfréquences (micro‐ondes) : La largeur du domaine des hyperfréquences est grande par rapport aux domaines visibles et IR. Les micro‐ondes permettent d'observer la surface de la Terre par tous les temps, de jour comme de nuit. L'atmosphère est en effet quasiment transparente à ces longueurs d'onde qui traversent donc sans problème les couches nuageuses.  Les ondes radio : Ce domaine de longueurs d'onde est le plus vaste du spectre électromagnétique et concerne les ondes qui ont les plus basses fréquences. Il s'étend des longueurs d'onde de quelques cm à plusieurs km. Relativement faciles à émettre et à recevoir, les ondes radio sont utilisées pour la transmission de l'information (radio, télévision et téléphone). La bande FM (Frequency Modulation) des postes de radio correspond à des longueurs d’onde de l’ordre du mètre. Contrairement à l'œil humain qui n’est capable de capter le rayonnement que dans une fenêtre très étroite du spectre électromagnétique, celle correspondant au domaine du visible, les capteurs satellitaires utilisent une fraction beaucoup plus étendue du spectre.  Trois fenêtres spectrales sont principalement utilisées en télédétection :  Le domaine du visible.  Le domaine des infrarouges (proche IR, IR moyen et IR thermique).  Le domaine des micro‐ondes ou hyperfréquences. Certains capteurs, peu nombreux, permettent de mesurer l'énergie du rayonnement ultraviolet. Ils sont utilisés principalement en astronomie pour l’étude des atmosphères planétaires ou pour mesurer la quantité d'UV atteignant la surface terrestre. En télédétection aérienne, le rayonnement proche UV 250‐350 nm est utilisé pour des applications en océanographie, notamment pour l'identification et la cartographie des nappes d’hydrocarbures. o Le domaine du visible : Les capteurs utilisés en télédétection peuvent capter l'énergie provenant de différentes fenêtres spectrales à l'intérieur même du visible (par exemple, le satellite SPOT (1986‐2003) était sensible au rouge et au vert, le satellite américain 4 Ecole supérieure de la défense aérienne du territoire (ESDAT) L2 (CDA/RT) Matière: Rayonnement Electromagnétique ‐ REM 2023/2024 IKONOS (1999‐2015) disposait de trois bandes spectrales dans le visible, sensibles au rouge, au vert et au bleu). o L'infrarouge : En télédétection, on utilise certaines bandes spectrales de l'infrarouge pour mesurer la température des surfaces terrestres et océaniques, ainsi que celle des nuages.  Le proche infrarouge : Ce domaine du spectre électromagnétique est très utilisé en télédétection pour différencier les surfaces naturelles qui se caractérisent par de très importantes variations de la réflectance à cette longueur d'onde. Il permet également l'étude des surfaces continentales, et notamment de distinguer les surfaces végétalisées des surfaces minérales car les surfaces couvertes par la végétation se distinguent par une forte réflectance dans les longueurs d'onde du proche infrarouge, alors qu'elles réfléchissent peu le rayonnement dans le visible.  L'infrarouge moyen : L'infrarouge moyen permet de façon générale d'étudier les teneurs en eau des surfaces. Il est très utilisé en foresterie et en agriculture, notamment pour cartographier les couverts végétaux en état de stress hydrique. L'atmosphère est en grande partie opaque aux rayonnements du moyen infrarouge qui sont absorbés par la vapeur d'eau. Seules quelques fenêtres atmosphériques permettent la transmission du rayonnement. Elles sont centrées sur les longueurs d'onde 2,5μm, 3,5μm et 5μm.  L'infrarouge thermique : Dans ce domaine spectral, le rayonnement dépend des propriétés d'émissivité des surfaces et les capteurs mesurent la température apparente des objets. En effet une partie du rayonnement visible et proche infrarouge parvenant à la surface de la terre est absorbée par les objets, puis réémise sous forme de chaleur à une plus grande longueur d'onde.  L'infrarouge lointain : L'infrarouge lointain n'est utilisé ni pour l'observation de la terre, ni pour l'étude de l'atmosphère, mais pour étudier la formation des galaxies et des étoiles. Les détecteurs, appelés bolomètres utilisent cette gamme de longueurs d’onde pour mesurer l'intensité du rayonnement infrarouge émis par les corps célestes. Par exemple, Le capteur SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager) de MSG (Meteosat Second Generation) ne comporte pas de bandes spectrales dans ce domaine des infrarouges. o Les hyperfréquences : Ce domaine est celui des capteurs radars et des radiomètres à micro‐ondes passives, utilisés notamment en océanographie pour l'étude des glaces de mer et la détection des nappes d’hydrocarbures. V. Polarisation d’une onde électromagnétique La polarisation de l'onde est déterminée par la direction du vecteur champ électrique 𝐸⃗. La polarisation peut être linéaire ou circulaire, si la direction du vecteur 𝐸⃗ est fixe dans l'espace, ça donne une polarisation linéaire et si elle tourne autour du vecteur directionnel ça donne une polarisation circulaire. Il existe également une polarisation elliptique qui peut être construite comme une combinaison d'ondes linéaires polarisées à gauche et à droite. 5 Ecole supérieure de la défense aérienne du territoire (ESDAT) L2 (CDA/RT) Matière: Rayonnement Electromagnétique ‐ REM 2023/2024 1. Polarisation elliptique : On peut rencontrer quelques cas particuliers de polarisation lors d’études en optique comme celui de la polarisation elliptique. Dans ce cas la direction du champ électrique évolue en permanence au cours du temps. Pour autant, le comportement du champ électrique n’est pas quelconque. Si on fixe son origine, au point O du plan (O, x, y), on constate que son extrémité décrit une ellipse dans ce même plan figure (4). Figure 1: Etat de polarisation elliptique. 2. Polarisation circulaire : Si les amplitudes des composantes horizontale et verticale sont égales (Eov=Eoh) l'ellipse devient un cercle figure (5), décrivant les états de polarisations circulaires :  La polarisation circulaire gauche (LHC : Left Handed Circular, en anglais).  La polarisation circulaire droite (RHC : Right Handed Circular, en anglais). Figure 2: Propagation d’une onde circulaire. 3. Polarisation linéaire : La polarisation linéaire est la plus utilisée dans les systèmes radar. Lorsque les composantes sont en phase, la polarisation est linéaire et l'ellipse se transforme en une ligne droite. Le vecteur de champ électrique se propageant le long de l’axe z et forme une ligne droite. Si l'ellipticité est zéro et l'orientation égale à 0° ou 180°, la polarisation linéaire est horizontale (la composante verticale est nulle). En contrepartie, l’onde est polarisée linéairement dans l’axe vertical (sa composante horizontale est nulle). On utilise habituellement ces deux polarisations linéaires en imagerie radar figure (6). Figure 3: Polarisation linéaire. 6 Ecole supérieure de la défense aérienne du territoire (ESDAT) L2 (CDA/RT) Matière: Rayonnement Electromagnétique ‐ REM 2023/2024 VI. Mesure du rayonnement Le rayonnement électromagnétique réfléchi ou émis par la surface terrestre, les océans ou l'atmosphère, est mesuré par le capteur satellitaire lorsque celui‐ci lui parvient. Le flux énergétique enregistré au niveau du capteur satellitaire est ce qu'on appelle une luminance. La luminance qui s'exprime en W.m‐2.sr‐1.μm‐1 dépend de plusieurs paramètres :  La superficie de la source qui émet ou réfléchi le rayonnement (en m2).  Le champ de vision du capteur qui observe la source dans un angle solide (en stéradian sr).  La bande spectrale (fenêtre étroite de longueurs d'onde) du capteur (en μm). Les luminances permettent donc de différencier les surfaces sur une image. En revanche, si l'on veut étudier l'évolution d'une surface (couverture végétale par exemple) au cours du temps, on ne pourra pas comparer les luminances d'une image à une autre, car elles dépendent de l'éclairement reçu par la surface. Il faut donc convertir les luminances en une grandeur indépendante de l'éclairement incident, la réflectance. La réflectance est le rapport entre l'énergie réfléchie par une surface et l'énergie incidente reçue par cette même surface pour une longueur d'onde donnée. C'est une grandeur sans unité comprise entre 0 et 1 ou souvent exprimée en pourcentage. DÉFINITION DE QUELQUES GRANDEURS RADIOMÉTRIQUES ET LEURS UNITÉS Grandeur Définition Unité radiométrique Flux énergétique Energie reçue ou réfléchie par unité de temps W (watt) (ou puissance) Exitance (Emittance) Flux émis par unité de surface d'une source W/m2 énergétique Eclairement Flux énergétique reçu par unité de surface W/m2 Flux énergétique émis par unité d'angle solide et par Luminance W.m‐2.sr‐1 unité de surface d'une source dans une direction donnée Réflectance Rapport de l'exitance énergétique à l'éclairement Sans unité 7