Reconstruction de trajectoires de cibles mobiles en imagerie RSO aéroportée

Le RADAR (RAdio Detection And Ranging) a rapidement conquis le monde scientifique et industriel grâce aux réalisations concrètes qu’il permet. Le capteur RADAR est un capteur actif, qui contrairement à un capteur optique, permet d’opérer indépendamment des conditions météorologiques, et de réaliser des mesures ou de prendre des images de jour comme de nuit. Les premières applications ont été orientées vers la détection pour ensuite se tourner vers l’imagerie. Le principe de l’imagerie RADAR à Synthèse d’Ouverture (RSO, ou SAR en anglais) aéroportée ou spatiale s’appuie sur deux grands concepts. Le premier de ces concepts est le traitement du signal, qui permet, par analyse du signal rétrodiffusé, de conclure quant à la présence éventuelle de cibles sources d’échos. Ce principe pose les bases de la séparation temporelle des échos, et donc leur séparation spatiale. Le second concept sur lequel le RSO s’appuie est le traitement d’antenne, basé sur les principes fondamentaux de l’émission et de la propagation d’ondes électromagnétiques.

L’association de ces deux principes permet de passer à la synthèse d’ouverture, et ainsi d’obtenir des images très haute résolution tout en s’affranchissant des problèmes technologiques de dimensionnement d’antenne. Les capteurs aéroportés tels que le capteur RAMSES NG développé à l’ONERA permettent de générer des images très haute résolution des scènes observées, et peuvent aussi permettre de répondre à la problématique générale de détection, de reconnaissance et de suivi de cibles mobiles, plus particulièrement en milieu urbain.

Raney [1] a été le premier à faire le lien entre le mouvement des cibles mobiles et les effets résultants sur les images RSO. Ses calculs ont notamment mis en évidence que, contrairement au cas d’une cible fixe, le signal issu d’une cible mobile subit de la distorsion. Cette distorsion se caractérise notamment par une délocalisation azimutale par rapport à la position véritable de la cible. Il s’ensuit une superposition de la réponse de la cible avec des éléments de clutter (éléments fixes du sol) dont la position réelle est différente de celle de la cible mobile. Une défocalisation, c’est-à dire un étalement de la réponse de la cible mobile en azimut, peut également survenir. Cet étalement est un marqueur d’une migration différentielle par rapport aux échos fixes, qui eux seront représentés sur les images RSO par des points brillants bien focalisés. Par conséquent, sur l’image RSO, les réponses des cibles mobiles vont apparaitre étalées et à côté de leur position réelle.

Dans la littérature, il existe deux grandes familles de techniques de détection et de suivi de cibles mobiles en radar. On distingue tout d’abord les techniques d’imagerie radar multivoies, c’est-à-dire les techniques d’acquisition à partir de plusieurs antennes. Parmi les techniques les plus couramment utilisées, nous citerons le traitement spatio-temporel adaptatif (STAP [2]) ou encore l’interférométrie along-track [3]. Si ces techniques permettent de supprimer les cibles fixes des scènes imagées, leur principal inconvénient est de nécessiter plusieurs voies de réception ou plusieurs antennes. Il faut au moins deux antennes pour détecter les cibles mobiles et au moins trois antennes pour estimer leur vitesse et leur direction.

Viennent ensuite les techniques d’imagerie RSO monovoies, autrement dit les techniques qui sont basées sur l’utilisation d’une seule antenne. Les images générées à partir d’acquisitions dans cette configuration permettent de focaliser et d’estimer une composante de vitesse des cibles mobiles en tirant profit des effets résultants du mouvement des cibles mobiles sur les images RSO. A partir d’une seule image, ces méthodes sont insuffisantes pour géolocaliser les cibles, c’est-à dire connaître leurs coordonnées terrain au cours du temps. En effet, ces méthodessont limitées par la présence de clutter sur les zones imagées, par le comportement anisotrope des cibles mobiles et par l’ambiguïté entre position et vitesse radiale des cibles mobiles. On a donc besoin de plusieurs images successives, mais en mode de surveillance de zone, on a peu d’images disponibles lorsque le capteur suit une trajectoire rectiligne. On se place donc ici dans le cas du RSO circulaire, ce qui permet d’augmenter le nombre de vues disponibles et d’obtenir de nombreuses informations supplémentaires sur les zones imagées et sur les cibles mobiles (images de différents points de vue, illumination continue d’une même scène…).

Le RADAR (RAdio Detection And Ranging) a très rapidement conquis le monde scientifique et industriel, grâce aux réalisations concrètes qu’il permet. Les premiers radars, apparus avant la seconde guerre mondiale, étaient dédiés aux applications militaires et avaient un objectif de surveillance, et de ce fait un objectif de détection. Peu à peu, les systèmes radar ont été dotés de capacités de reconnaissance, ce qui a donné naissance à l’imagerie radar. L’imagerie satellitaire est notamment dédiée à l’observation de la Terre (on peut citer, par exemple, la famille de satellites d’observation terrestre ERS ou le satellite de télédétection océanographique SEASAT, ainsi que les derniers satellites haute résolution comme TerrasarX ou CosmoSkymed). Parallèlement, l’imagerie radar aéroportée s’est développée, permettant d’obtenir des images à des résolutions décimétriques pour la surveillance de zones d’intérêt.

Le principe de l’imagerie RADAR à synthèse d’ouverture (RSO) s’appuie sur deux grands concepts :

– Le traitement du signal, qui permet, par analyse du signal rétrodiffusé, de conclure quant à la présence éventuelle de cibles sources d’échos. Ce principe pose les bases de la séparation temporelle des échos, et donc leur discrimination spatiale.

– Le traitement d’antenne, basé sur les principes fondamentaux de l’émission et de la propagation d’ondes électromagnétiques. Ce principe ouvre théoriquement la voie à des pouvoirs de résolution très élevés, limités par la longueur d’onde.

L’association de ces deux principes permet de passer à la synthèse d’ouverture, afin d’obtenir des images très haute résolution tout en s’affranchissant des problèmes technologiques de dimensionnement d’antenne. Les capteurs aéroportés tels que les capteurs SETHI (Système Expérimental de Télédétection Hyperfréquence Imageur) [4] ou RAMSES NG (Radar Aéroporté MultiSpectral d’Etude de Signatures Nouvelle Génération) [5] développés à l’ONERA permettent de générer des images de très haute résolution des scènes observées, ce qui peut répondre à la problématique de reconnaissance de cible. Jusqu’à présent, l’acquisition de ces images par capteur radar aéroporté se faisait uniquement à partir de trajectoires rectilignes des capteurs, ce qui entrainait un certain nombre d’inconvénients, comme par exemple la présence de zones d’ombres caractéristiques de la géométrie radar, ou encore l’impossibilité d’imager une cible ou une zone d’intérêt au-delà d’un angle limite, et donc au-delà d’un temps limite.

L’utilisation d’une trajectoire circulaire du capteur tend à résoudre ces problèmes, car elle permet d’observer les cibles sous n’importe quel angle, et idéalement, de les suivre sur un tour complet du capteur. De plus, les concepts de l’imagerie RSO rectiligne aéroportée peuvent être transposés à ce type de trajectoire, moyennant quelques traitements préalables comme la compensation de mouvement.