Microwave backscattering from the sea surface at large incidence angles : a joint theoretical and experimental approach

Un nombre croissant de données satellitaires et aéroportées acquises dans le domaine micro-ondes sur la surface demer est aujourd’hui disponible. L’interprétation correcte de ces observations dépend d’une part de la précision desmodèles de diffusion électromagnétiques, et d’une autre part de la maîtrise des propriétés hydrodynamiques etstatistiques de la surface. Ces dernières années ont connu une amélioration considérable des modèlesélectromagnétiques et spectraux. Cependant, certains phénomènes sont encore mal compris et non pris en comptepar ces modèles. En particulier, la variation angulaire de la surface de mer est à ce jour non totalement caractériséeet modélisée. Ce travail de thèse concerne l’étude de cette variation azimutale et des asymétries directionnelles de lasurface de mer. Une première étape consiste à effectuer une analyse expérimentale en se basant sur les données dela littérature mais également sur d’autres jeux de données acquises par l’ONERA et le DSTO. Cette analysepermettra de caractériser les asymétries directionnelles en fonction de la géométrie d’observation, l’état de mer et lafréquence électromagnétique. Une seconde étape consiste à proposer des mécanismes physiques pouvant être àl’origine des asymétries directionnelles. L’asymétrie upwind-crosswind étant essentiellement liée à la fonctiond’étalement du spectre directionnel, notre étude théorique a principalement porté sur la caractérisation del’asymétrie upwind-downwind. Nous étudions l’influence de la prise en compte des formes déferlantes, initialementà travers des formes simples de vagues fortement asymétriques, et ensuite à travers une distribution de pentesexpérimentale prenant en compte ces formes de vagues. Les asymétries obtenues par un modèle deux-échellesprenant en compte ces formes de vagues sont en accord qualitatif avec les asymétries observées pour les bandes defréquences X et L. Une étape supplémentaire consiste ensuite à calculer les asymétries obtenues par un code dediffusion rigoureux sur des profils numérisés d’une expérience en soufflerie et permet la validation des résultatsobtenus avec un modèle deux-échelles.An increasing number of airborne and spaceborne data acquired in the microwave regime on the sea surface is nowavailable. The appropriate interpretation of these observations depends on the precision of the electromagneticscattering models as well as the knowledge of hydrodynamic and statistical properties of the sea surface. Aconsiderable improvement has been realized in electromagnetic and spectral models in the recent years. However,some phenomena are still poorly understood and not correctly taken into account in these models. In particular, theangular variation of the sea surface is still not totally characterized and modeled. This PhD work concerns the studyof this azimuthal variation and the related directional asymmetries. A first step consists in carrying out anexperimental analysis based on data of the literature and other datasets acquired by ONERA and DSTO. Thisanalysis enables the characterization of the directional asymmetries with respect to acquisition geometry, sea stateand electromagnetic frequency. A second step consists in suggesting and testing physical mechanisms that may beat the origin of these directional asymmetries. As the upwind-crosswind asymmetry is essentially related to thespreading function of the directional spectrum, our theoretical study focused on the study of the upwind-downwindasymmetry. We investigate the influence of the presence breaking waves, initially through simple forms of stronglyasymmetric waves, and then through an experimental slope distribution including these wave forms. Theasymmetries obtained by a two-scale model taking into account these wave forms are in qualitative agreement withthe asymmetries observed at X and L bands. A further step consists in calculating the asymmetries using a rigorousmodel on digitized wind tank experiment profiles and allows the validation of the results previously obtained usinga two-scale model