Thèse soutenue

Évaluation d’outils de traitement et d’interprétation en prévision des opérations Martiennes du Radar à Pénétration de Sol WISDOM/ExoMars
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Auteur / Autrice : Nicolas Oudart
Direction : Valérie CiarlettiAlice Le Gall
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
Date : Soutenance le 21/09/2021
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
Jury : Président / Présidente : Sylvain Bouley
Examinateurs / Examinatrices : David Stillman, Alain Reineix, Lorenzo Bruzzone, Christelle Eyraud, Marco Mastroguiseppe
Rapporteurs / Rapporteuses : David Stillman, Alain Reineix

Résumé

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A partir de l’été 2023, le rover Rosalind Franklin de la mission ExoMars 2022 (ESA/ROSCOSMOS) recherchera à l’aide d’une foreuse de potentielles traces de vie, passées ou présentes, dans les 2 premiers mètres du sous-sol martien, là où les échantillons collectés pourraient avoir été protégés des conditions inhospitalières de la surface. Dans le but d’offrir un aperçu de la structure et de la composition de la proche sous-surface avant toute opération de forage et d’aider à reconstituer le contexte géologique du site d’atterrissage du rover, l’un des 9 instruments à bord de Rosalind Franklin est un radar à pénétration de sol (ou GPR pour Ground Penetrating Radar) : WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars). WISDOM sondera les premiers mètres du sous-sol martien avec une résolution verticale centimétrique. Cette thèse a été dédiée à la mise en place d’une chaine de traitement et d’interprétation des données de WISDOM destinée à optimiser la qualité et lisibilité de ses futures observations sur Mars.Les données de WISDOM se présentent sous forme de « radargrammes » qui donnent l’amplitude des signaux reçus (après réflexion/diffusion sur des structures enfouies) en fonction de leur temps d’arrivée. La conversion de ces temps d’arrivée en distances requiert la connaissance de la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le sous-sol, qui elle-même est liée à la permittivité diélectrique du sol. Dans le cas de WISDOM, cette dernière peut être estimée à partir de l’intensité de l’écho de surface ou de la forme des courbes de diffraction provenant de réflecteurs ponctuels enfouis. Les antennes de WISDOM n’étant pas plaquées au sol (contrairement à celles de la majorité des GPR), cette seconde méthode d’estimation doit tenir compte de la réfraction des signaux du radar à la surface, qui a un impact sur la forme des courbes et donc l’estimation de la permittivité. Durant cette thèse, une chaîne automatique de détection et de caractérisation des courbes de diffraction tenant compte de la réfraction à la surface, a été développée et validée, garantissant la possibilité d’exprimer les radargrammes WISDOM en fonction de la distance.Cette thèse s’est aussi attachée à améliorer la résolution verticale (en distance/profondeur) des radargrammes de WISDOM. L’instrument opère sur une large bande de fréquences, ce qui lui assure déjà une résolution en distance de quelques cm dans le sous-sol. Une technique dite de super-résolution, fondée sur l’« Extrapolation de largeur de bande » (BWE), a été testée et implémentée dans la chaîne de traitement des données WISDOM. Il a été montré que cette technique permet d’améliorer la résolution en distance d’un facteur 3. Une telle amélioration de la résolution revêt un intérêt évident pour l’interprétation des futurs radargrammes WISDOM ; des échos avant impossible à séparer le sont à présent. De potentielles améliorations de la BWE, tirant par exemple partie des capacité polarimétriques de WISDOM, ont aussi été explorées.Les outils mis en place pendant cette thèse ont été systématique validés sur des données aussi bien synthétiques (analytiques ou numériques) qu’expérimentales acquises sur Terre avec des répliques de l’instrument (en laboratoire ou sur site naturel). Deux campagnes de mesures ont d’ailleurs été organisées durant cette thèse (dans le désert d’Atacama au Chili et à l’Université Technique de Dresden (TUD)), fournissant des observations sur lesquelles tester les chaînes de traitement et d’interprétation WISDOM pour préparer au mieux les futures opérations martiennes.