France – Mercredi 19/01/2017 – energiesdelamer.eu. Le projet CFOSat (China France Oceanography Satellite) fournira en temps réel, une cartographie du vent et des vagues en 2018. Un de ses instruments fait l’objet de la thèse d’Eva Le Merle dirigée par Danièle Hauser de Paris Saclay.
CFOSat a reçu le Prix de l’Innovation dans la catégorie R&D remis le 8/12/2016. Parmi les aspects ayant amené le jury à se prononcer en faveur du projet pour la catégorie R&D, il est préciser que le projet constitue une innovation technologique majeure puisque les deux instruments sont basés sur des concepts n’ayant encore jamais été mis en orbite et emportant des technologies nouvelles ou encore que l’instrument SWIM (Surface Waves Investigation and Monitoring) fourni par le CNES, sera le premier diffusiomètre dédié à la mesure des vagues. Il fournira des données sur leur direction, leur hauteur et leur longueur d’onde avec une couverture globale des océans.
Etudier les caractéristiques du vent et les vagues à la surface des océans sera la mission du satellite CFOSAT
Développé conjointement par le CNES et l’agence spatiale chinoise CNSA (China National Space Administration), le satellite embarquera deux instruments radar : SWIM (SWIM: Surface Waves Investigation and Monitoring), développé par la France, et SCAT (wind SCAT terometer), sous responsabilité chinoise. Grâce à ses 6 faisceaux rotatifs, SWIM permettra de mesurer les propriétés des vagues (direction, longueur d’ondes…), tandis que SCAT aura pour mission de mesurer l’intensité des vents et leur direction. Les données seront ensuite transmises à des stations de réception chinoises et françaises.
Le but de ces mesures est de réaliser des prévisions en météorologie marine plus précises, avec la possibilité d’anticiper des évènements extrêmes comme les fortes tempêtes et les cyclones. CFOSAT permettra également aux climatologues d’en savoir plus sur les échanges entre l’océan et l’atmosphère, qui jouent un rôle crucial dans le climat.
Proposé par le LATMOS (Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales, à Paris et Guyancourt), l’instrument SWIM est développé par Thales Alenia Space sous la responsabilité du CNES, qui en assure également le financement.
D’autres partenaires sont également présents comme l’IFREMER (Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer), Météo-France ou encore le SHOM (Service Hydrographique et Océanographique de la Marine).
La thèse d’Eva Le Merle en Océan, atmosphère, climat et observations spatiales se tient sous la direction de Danièle Hauser à Paris Saclay, dans le cadre de l’Université de Versailles-Saint_Quentin en Yvelines a débuté depuis le 03/10/2016 à l’Ecole doctorale des sciences de l’environnement d’Ile-de-France (Paris).
Résumé
L’observation par radar de la surface océanique, utilisée dans de nombreuses missions spatiales a permis depuis un vingtaine d’années des avancées importantes dans le domaine de l’océanographie physique (dynamique des océans, physique des vagues, interactions atmosphère-océan). Cependant, l’amélioration des concepts instrumentaux et l’élargissement des objectifs scientifiques nécessitent de poursuivre des travaux de recherche en physique de la mesure par télédétection radar de la surface océanique.
C’est en particulier un besoin pour la préparation de la mission spatiale CFOSAT, mission spatiale franco-chinoise qui sera lancée en 2018 avec à son bord deux radars en bande Ku (fréquence de 13.5 GHz), l’un SWIM dédié à la mesure du spectre directionnel des vagues et développé sous la responsabilité du CNES, l’autre SCAT- dédié à la mesure du vent de surface et développé sous responsabilité de la CNSA (Chine).
Le concept de mesure utilisé par le radar SWIM pour la mesure du spectre directionnel des vagues est une première pour une mesure depuis l’espace. A partir d’un radar visant à faible incidence (0-10°) et balayant de manière conique sur 360°, le principe est d’analyser les fluctuations de la section efficace de rétrodiffusion radar liée aux variations de pente locale de la surface créées par les vagues longues. SCAT constitue également une première puisqu’il adopte le concept « fan beam » (antenne à large ouverture tournante) qui n’a jamais été employé sur une mission spatiale. La visée se fait à grande incidence (autour de 40°) et les fluctuations de la section efficace radar renseigne, dans ce cas, sur le vecteur vent.
Pour préparer la mission CFOSAT, un radar aéroporté a été développé par le CNRS-LATMOS avec le soutien du CNES nommé KuROS.
Il utilise pour la mesure du spectre directionnel des vagues, un principe de mesure et une géométrie comparables à ceux relatifs au radar SWIM de CFOSAT.
KuROS comporte également un mode de mesure comparable au radar SCAT chinois et de plus fournit, une mesure de la cinématique de surface par analyse de l’information Doppler.
Dans ce contexte, le sujet de thèse proposé porte sur des travaux en physique de la mesure et traitement de l’information en préparation à la mission CFOSAT, à partir d’observations du radar aéroporté KuROS recueillies de 2012 à 2014 dans des conditions variées de vent et de vagues.
Les points qu’on se propose d’étudier pendant cette thèse doivent permettre d’améliorer l’estimation du spectre des vagues à partir des données radar, qu’il s’agisse de mesures aéroportées ou à partir de satellite (CFOSAT, mission Sentinel1 de l’ESA) et de contribuer à développer de nouveaux concepts pour accéder à de nouveaux paramètres tels que ceux lés à la cinématique de surface (intérêt pour la mission d’altimétrie interférométrique SWOT en cours de préparation).
Il s’agit d’étudier les points suivants à partir des mesures du radar KuROS :
– caractérisation du bruit de speckle qui affecte les modulations de signal mesurées et donc le spectre de vagues,
– caractérisation de la fonction de transfert de modulation (reliant fluctuations mesurées du signal radar aux pentes locales des vagues) et consolidation de la fonction de transfert qui devra être utilisée pour l’analyse des données SWIM,
– méthodes de levée de l’ambigüité sur la direction de propagation des vagues, – étude de la complémentarité d’information entre observations dans les géométries SWIM et SCAT,
– étude de la cinématique de surface à partir de l’information Doppler à faible et moyenne incidence. Les outils et données qui seront exploités pour ce sujet sont : les données d’une vingtaine de vols du radar KuRos (15 jeux de données existants seront complétés), les chaînes de traitement standard du radar KuROS, des outils numériques de simulations d’observations.
Abstract
Observation of the marine surface by airborne radar: estimation of wind and waves and of surface kinematic
The radar observation of ocean surface has enables major break-troughs in oceanography (ocean dynamics, physics of ocean waves, ocean-atmosphere interaction) since more than twenty years through several space scientific missions.
Yet, the improvement of the sensors and the broadening of scientific objectives require keeping on researches on radar remote sensing physics. In particular, the CFOSAT (China France Oceanography SATellite) mission which will be launched in 2018, will embark two radar scatterometers.
One, SWIM, provided by France, is dedicated to the directional wave spectrum measurement; the other, SCAT, provided by China, is dedicated to the wind vector measurement. In order to prepare the mission, an airborne radar has been manufactured by CNRS-LATMOS with CNES funding. This radar, named KuROS, uses the same principles as SWIM for the wave spectrum measurement and the same principles as SCAT for the wind measurements.
In addition, it also provides phase information which enables Doppler analysis, and thus kinematic information retrieval. In this context, this PhD work is focused on measure physics and signal processing to prepare the CFOSAT mission with the KuROS data gathered from 2012 to 2014 with a large variety of wind and sea state conditions.
This work should improve the inversion of wave spectrum from airborne or spaceborne (e.g. CFOSAT, Sentinel-1) radar data and it should contribute to 2 develop new radar concepts such as the ones link to surface kinematic retrieval. This subject is of particular interest for the SWOT mission.
More specifically, the PhD will address the following subjects from the KuROS data processing:
– speckle noise estimation in wave spectrum,
– modulation transfer function estimation (this functions links the radar signal fluctuations due to local slopes of the waves to the wave spectrum),
– removal of the propagation direction ambiguity, – complementarity between wind and wave measurements at the same time (synergy between SWIM and SCAT),
– surface kinematic from Doppler signal. The data and the processing tools which will be used for this subject are the existing data of around 15 flights of the KuROS radar, the standard processing chains for the KuROS data and some numerical simulation tools.
Sources : CNES et Paris Saclay
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