Utilisation de la très haute résolution spectrale pour la mesure en environnement extérieur de l'émissivité de surface dans la bande infrarouge 3-13 Mum : Méthodes et validation expérimentale

par Keyvan Kanani

Thèse de doctorat en Électronique, électrotechnique, automatique.Télédétection

Sous la direction de Marc-Philippe Stoll.

Soutenue en 2005

à Strasbourg 1 .


  • Résumé

    La thèse se consacre à la détermination de l'émissivité de surfaces situées en extérieur à partir de mesures spectroradiométriques au niveau du sol. Le domaine spectral d'étude s'étend de 750 à 3500 cm-1 (3 à 13 µm) et la résolution spectrale est de l'ordre du cm-1, inscrivant ainsi ce travail dans le giron de la radiométrie à très haute résolution spectrale (ou hyperspectrale) infrarouge. L'émissivité est une propriété thermo-optique caractérisant la capacité d'un corps à émettre un rayonnement propre. L'intérêt qu'on lui porte est étroitement lié à celui porté à la mesure par télédétection de la température de surface, paramètre clef des bilans énergétiques de surface. La connaissance de l'émissivité permet de plus d'aider à la caractérisation de la surface observée par télédétection (type et état de surface). L'étude conduite dans cette thèse a pour principal objectif de définir et de qualifier une méthodologie de mesure au sol de l'émissivité spectrale. L'étude se base sur deux techniques de séparation émissivité-température : les méthodes Spectral Smoothness (SpSm) et multi températures (MTM), en élargit le domaine spectral d'application, généralement restreint à l'infrarouge thermique (750 à 1250 cm-1), leur associe une méthode d'estimation du rayonnement incident, et propose une nouvelle technique, baptisée SmaC (Smoothness and Continuity), qui prend en compte le comportement directionnel de la surface observée pour améliorer la restitution de l'émissivité. Une campagne de mesure est mise en oeuvre afin de valider la méthodologie et d'en établir un bilan d'erreur étayé, tiré de l'expérimentation. De l'analyse des résultats de la campagne, il ressort que SpSm restitue correctement l'émissivité en infrarouge thermique (erreur < 0. 02), alors que ses résultats sont moins bons en infrarouge médian (2000 à 3000 cm-1), où des discontinuités sont observées sur les spectres d'émissivité retrouvés. La méthode SmaC corrige ces discontinuités et améliore très significativement la restitution de l'émissivité en infrarouge médian (erreur < 0. 03). Finalement, une évaluation numérique permet de consolider le bilan d'erreur obtenu expérimentalement, de valider l'impact des effets directionnels de la surface observée et donc le fondement de la méthode SmaC, puis d'identifier les limitations et proposer des améliorations associées au protocole expérimental.

  • Titre traduit

    Use of very higt spectral resolution for surface emissivity assessment in the 3-13 Mum domain in outdoors conditions : Methods and experimental validation


  • Résumé

    Emissivity is an optical property of materials, related to their ability to emit electromagnetic radiation. This PhD is devoted to retrieving emissivities of outdoor surfaces from high spectral resolution (4cm-1) spectroradiometric measurements at ground level, in the 750 cm-1 to 3500 cm-1 (3-13µm) spectral range. The main objective of this work, which combines theoretical and experimental approaches, is to define and assess a methodology. Two emissivity-temperature separation techniques are addressed, the Spectral Smoothness Method (SpSm) and the Multi-Temperatures Method (MTM), with particular attention paid to extending their usual domain of application on the short wavelength side beyond 1250cm-1. Sources of errors are identified and an experimental approach to mitigate errors on the determination of the irradiance of the surface is proposed. A new method, named Smoothness and Continuity (SmaC), is introduced, which takes into account the directional behaviour of the observed surface, to improve emissivity retrieval in the mid-infrared band (MWIR from 2000 to 3000 cm-1)To quantitatively assess the retrieval methods and validate the measurement protocol, a field campaign, that took place in June 2004, aimed at providing an error budget of the methods by measuring emissivities of several samples at different times of day. SpSm, applied to the campaign measurements, provides very good results in the LWIR band (from 750 to 1300 cm-1). In the MWIR band, systematic spectral discontinuities and deviations to laboratory measurements are observed in the retrieved spectra. This is interpreted as a manifestation of angular dependence of emissivity: the new SmaC method, through the introduction of a surface form factor, leads to significantly improved results. The standard deviation of the retrieved emissivity spectra over all measurements and samples is less than 0. 01 in LWIR and less than 0. 03 in MWIR. MTM results are less satisfactory than SpSm ones, due to ill-conditioned system of equations. Finally, a numerical analysis is carried out to confirm and validate SmaC hypothesis and findings.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (165 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 163-165

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2005;4946
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