La nouvelle génération de satellite altimétrique interférométrique, tel que SWOT dont le lancement est prévu pour 2020, devrait pour la première fois permettre une couverture globale en quelques jours d'un radar altimétrique proche-nadir en utilisant la bande de fréquence Ka. Outre le suivi des surfaces océaniques, sa mission principale est l'estimation des ressources en eau continentale et leur variation dans le temps. Or, l'utilisation d'une telle bande de fréquence est encore mal documentée pour l'hydrologie continentale, le premier radar altimétrique fonctionnant en bande Ka (SARAL-AltiKa) ayant été lancé en février 2013. En particulier, le contraste du coefficient de rétrodiffusion sur les sols et sur les surfaces en eau pour des angles de visée nadir et proche nadir est une problématique majeure de la mission SWOT.
L'étude de la variation des coefficients de rétrodiffusion en provenance d'altimètres en bandes C et Ku et de diffusiomètres utilisant les mêmes bandes de fréquence sur l'Afrique de l'Ouest a montré qu'il existe un lien entre l'humidité du sol et le coefficient de rétrodiffusion. En région semi-aride ce lien se manifeste via une hausse des coefficients de rétrodiffusions durant la saison humide par rapport à la saison sèche. L'analyse avec des données annexes d'humidité du sol et de précipitations a pu également montrer que le radar nadir détecte plus précisément les changements d'humidité du sol par rapport à la diffusiométrie radar à visée latérale. Une seconde étude, restreinte à la seule région du Gourma au Mali, a permis de quantifier le lien entre le coefficient de rétrodiffusion d'ENVISAT RA-2 et l'humidité superficielle du sol mesurée in-situ. Ceci a permis d'estimer l'humidité du sol sur les zones sableuses du Gourma avec une corrélation moyenne de 0,71 en bande Ku, témoignant ainsi de la possibilité d'utiliser l'altimétrie pour le suivi de l'humidité du sol sur les zones semi-arides.
Dans le but de mieux comprendre la rétrodiffusion en bande Ka, deux campagnes de mesures radar ont été réalisées, l'une sur des surfaces en eau à rugosité contrôlée à la soufflerie de Luminy à Marseille, l'autre sur un terrain contrôlé en rugosité et humidité du sol à l'IRSTEA de Montpellier. Elles ont permis de montrer que les niveaux des coefficients de rétrodiffusion mesurés sur l'eau et sur des sols peuvent être comparables dans certaines conditions.
Un programme de simulation de la rétrodiffusion altimétrique, baptisé CALM (pour Continental ALtimetry Modeling) a été développé pour pouvoir analyser les effets d'un faible nombre de variables sur des sols réalistes, dans le but de simuler les variations du coefficient de rétrodiffusion. En comparant les formes d'ondes simulées avec des formes d'onde réelles issues de l'altimétrie spatiale, le fonctionnement du programme a été validé en bandes Ku et Ka.
Après un peu plus d'un an et demi de mesures, il a été possible de réaliser une étude de la rétrodiffusion de l'altimètre AltiKa sur différents sites représentatifs des régions bio-climatiques d'Afrique de l'Ouest, et de les comparer aux mesures réalisées en bandes S, C et Ku d'autres altimètres. Il en ressort que plus la fréquence est élevée, plus la rétrodiffusion moyenne diminue pour des surfaces similaires. Inversement, la dynamique entre saisons sèche et humide augmente au fur et à mesure que la fréquence augmente. Ceci induit une forte sensibilité de la bande Ka aux changements d'humidité du sol. En plus de ce contraste entre saisons sèche et humide, la variation des coefficients de rétrodiffusion en provenance d'AltiKa sur les sols et sur l'eau a montré que les deux réponses radar peuvent être similaires au nadir.
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The new generation of radar interferometry satellite, such as SWOT which is to be launched in 2020, will be able to provide a global coverage of a close-to-nadir radar altimeter in a few days using the Ka-band. Along with the monitoring of the ocean, its main purpose is to make the first global survey of Earth's surface water and its variation against time. Yet, the use of such a frequency band for continental hydrology is still poorly documented, since the first radar altimeter working at Ka-band (SARAL-AltiKa) has been launched in February 2013. In particular, the contrast of the backscattering coefficient over soils and over water bodies for nadir and close-to-nadir angles is a major issue for the SWOT mission.
The study of the backscattering coefficients from C- and Ku- band altimeters and scatterometers over West Africa has shown that there is a link between the surface soil moisture and the backscattering coefficient. In semi-arid regions, this link is seen through a rise of the backscattering coefficients during the rainy season compared to the dry season. The analysis with ancillary data such as the surface soil moisture and the precipitation estimations has also shown that nadir-looking radars detect more precisely the changes in surface soil moisture compared to side-looking radars. A second study, focusing on the Gourma region in Mali, has allowed quantifying the link between the backscattering coefficients from ENVISAT RA-2 altimeter and the surface soil moisture measured locally. This led to a direct estimation of the surface soil moisture in the sandy areas of the Gourma region, with a mean correlation of 0.71 at Ku-band.
Still with the purpose to better understand the Ka-band surface scattering, two measurement campaigns were led, on the one hand over water surfaces with controlled roughness at the wind-tunnel facility of Luminy in Marseille, on the other hand over bare soils with monitored roughness and surface soil moisture at the IRSTEA facility of Montpellier. The campaigns showed that the backscattering coefficient levels from water and bare soils can be similar under some conditions.
An altimetry backscattering simulation program, named CALM (for Continental Altimetry Modeling) has been developed to analyze the effect of a low number of variables on realistic grounds, with the aim of simulating the backscattering coefficient variations. Comparing the simulated waveforms with real waveforms from space altimetry, the program has been validated at Ku- and Ka- bands.
After more than a year of measurements, it has been made possible to study the backscattering coefficients from the AltiKa altimeter over different sites representing the bio-climatic areas of West Africa, and to compare them to measurements made at S-, C- and Ku bands. One of the main results is that the higher the frequency is, the lower is the mean backscattering coefficient value for similar surfaces. At the opposite, the dynamics between dry and rainy seasons increases with the frequency. This leads to a high sensitivity of the Ka-band to changes of the surface soil moisture. Along with this contrast between dry and wet seasons, the backscattering coefficient variations from AltiKa over grounds and over water bodies has shown that the nadir-looking radar responses can be similar.
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