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Traitement des signaux polarimétriques optiques et radar

Nous vous rappelons que, afin de garantir l'accès de tous les inscrits aux salles de réunion, l'inscription aux réunions est gratuite mais obligatoire.

Inscriptions closes à cette réunion.

Inscriptions

32 personnes membres du GdR ISIS, et 17 personnes non membres du GdR, sont inscrits à cette réunion.
Capacité de la salle : 80 personnes.

Instructions pour une demande de mission par le GdR ISIS

Le GdR ISIS prend en charge les déplacements des organisateurs des réunions et des orateurs. Le GdR prend aussi en charge les déplacements des participants aux réunions membres d'un laboratoire adhérent du GdR dans la limite d'un doctorant et d'un permanent par laboratoire académique et par réunion, ou d'une personne par adhérent du club des partenaires et par réunion.

La plus grande partie du budget du GdR ISIS est consacrée à la prise en charge de ces missions. Pour que le GdR puisse financer le plus grand nombre de réunions, les participants à ces réunions sont vivement incités à choisir les billets les moins chers. Seuls les billets de train ou d'avion en deuxième classe, non échangeables et non remboursables sont pris en charge. Le GdR se réserve le droit de refuser une demande de billet dont le prix excède la moyenne des prix couramment pratiqués pour le trajet de la mission.

Pour le transport et pour l'hébergement, vous êtes priés d'utiliser le portail SIMBAD du CNRS si vous en avez la possibilité. Cela est en particulier obligatoire si vous êtes membre d'une unité CNRS (UPR, UMR, UMI, URA, FRE). Les réservations d'hôtel sont possibles si la réunion dure plus d'une journée ou si le lieu d'habitation le justifie. Dans le cas où le laboratoire n'est pas une unité CNRS, merci d'envoyer votre demande de prise en charge de la mission à l'adresse DR01.SoutienUnites@cnrs.fr en précisant que la mission relève du GdR ISIS. Si vous utilisez votre véhicule personnel pour une distance supérieure à 300 kilomètres (aller+retour), le GdR ISIS ne rembourse pas vos frais de transport.

Les demandes de mission et les réservations sur le site SIMBAD doivent impérativement être effectuées au moins deux semaines avant la date de la mission.

Aucun remboursement de frais de transport ou d'hôtel avancés par l'agent ne peut plus être effectué au retour de la mission.

Annonce

De nombreuses techniques d'’imageries exploitent la nature polarimétrique des signaux, aussi bien dans le domaine des ondes optiques (par exemple pour la microscopie, l’'imagerie médicale, la caractérisation de surfaces, le décamouflage, l’'astronomie) que du radar (notamment en télédétection par imagerie SAR pour améliorer la détection, la classification ou la caractérisation dans de nombreux domaines d’'observation terrestre, en métérologie, etc.).

Si entre les domaines de l’'optique et du radar, les méthodes de traitement des signaux et des images polarimétriques présentent des similitudes, elles ne sont pas identiques, tant du point de vue des techniques employées que des grandeurs mesurées (acquises de manière incohérente en optique, cohérente pour les ondes radar) et des difficultés rencontrées. L'’objectif de cette journée est de favoriser les échanges et de développer les synergies entre les deux communautés confrontées à ces problématiques.

Cette journée est susceptible d’'intéresser de nombreux industriels et partenaires de la défense en tant qu’'auditeurs ou orateurs.

Orateurs invités

Appel à participation

Si vous souhaitez effectuer un exposé ou présenter un poster lors de cette journée, merci d'envoyer un résumé de votre contribution (une page maximum) avant le 4 septembre 2016 à Elise Koeniguer (elise.koeniguer@onera.fr) ou à Frédéric Galland (frederic.galland@fresnel.fr).

Partenaires

Cette journée est organisée avec le soutien du GdR ISIS et du GdR Ondes.

Organisateurs

Elise Colin-Koeniguer (ONERA - DTIM), Frédéric Galland (Institut Fresnel, Marseille).

Programme

9:15 - 9h45 : Accueil

9:45 - 10h00 : Présentation introductive

10h00 - 10h45 : Présentation invitée : Joseph Zyss

Molécules et Meta-Molécules pour la nano-photonique non-linéaire : Physique, Forme et Symétrie

Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, Institut d'Alembert - Ecole Normale Supérieure de Cachan, Université Paris-Saclay (UPS)

10h45 - 11h05 : Présentation 1

La « Brisure d'Orthogonalité », une technique hyper-fréquence pour l'imagerie polarimétrique optique : quels liens avec les approches RADAR ?

Julien Fade1, François Parnet1, Noé Ortega-Quijano1, Muriel Roche2, Mehdi Alouini1

(1) Institut de Physique de Rennes, Université de Rennes 1, CNRS

(2) Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel

11h05 - 11h25 : Pause café

11h25 - 11h45 : Présentation 2

Traitements de données SAR polarimétriques multidimensionelles utilisant des modes de diversité cohérents

Laurent Ferro-Famil

Institut d'Electronique et des Télécommunications de Rennes, Université de Rennes 1

11h45 - 12h05 : Présentation 3

Contrast optimization with broadband polarimetric imaging systems

Lijo Thomas1, Haofeng Hu2, Matthieu Boffety1, François Goudail1

(1) Laboratoire Charles Fabry, UMR 8501, Institut d'Optique, CNRS, Univ Paris Sud 11

(2) College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, China

12h05 - 14h15 : Déjeuner

14h15 - 15h00 : Présentation invitée : Eric Pottier

L'ellipsométrie au service de la polarimétrie radar

IETR UMR CNRS 6164, Université de Rennes 1

15h00 - 15h20 : Présentation 4
Symétries vibrationnelles par imagerie Raman cohérente

Carsten Cleff, Hervé Rigneault, Sophie Brasselet, Julien Duboisset

Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel

15h20 - 15h40 : Présentation 5

Matrices de Mueller différentielles pour la caractérisation de l'évolution spatiale des propriétés polarimétriques dans les milieux turbides

Vincent Devlaminck

Université de Lille, CRIStAL, UMR 9189

15h40 - 16h00 : Pause Café
16h00 - 16h20 : Présentation 6

Polarization effects on 3D imaging from scattering measurements

Christelle Eyraud, Jean-Michel Geffrin, Amélie Litman, Hervé Tortel

Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel

16h20 - 16h40 : Présentation 7

La décomposition des matrices de Mueller comme un outil de compréhension physique : théorie et expérience

Razvigor Ossikovski

Laboratoire des Physique des Interfaces et Couches Minces, Ecole Polytechnique, CNRS

16h40 - 17h00 : Présentation 8
Analyse temps-fréquence des signaux bivariés

Julien Flamant1, Nicolas Le Bihan2, Pierre Chainais1

(1) Univ. Lille, CNRS, Centrale Lille, UMR 9189 - CRIStAL - Centre de Recherche en Informatique Signal et Automatique de Lille

(2) CNRS, GIPSA-Lab

17h00 - 17h20 : Présentation 9

Indices de pureté polarimétrique : application aux images radar

Elise Koeniguer (1), I. San José (2), J. J. Gil (3)

(1) Onera Palaiseau

(2) Instituto Aragonés de Estadistica, Zaragoza, Spain

(3) ICE Universidad de Zaragoza, Zaragoza, Spain

17h20 - 17h40 Conclusion de la journée


Résumés des contributions

Molécules et Meta-Molécules pour la nano-photonique non-linéaire: Physique, Forme et Symétrie

Clément LAFARGUE, Radoslaw KOLKOWSKI, Joseph ZYSS(*)
Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, Institut d'Alembert Ecole Normale Supérieure de Cachan, Université Paris-Saclay (UPS)
(*) zyss@ens-cachan.fr

Mots-clés : Optique non-linéaire, Nano-photonique, Plasmons, Meta-Matériaux, Chiralité, Polarisations

L'ingénierie moléculaire pour l'optique non-linéaire a produit depuis les années 90 jusqu'à ce jour une deuxième génération de molécules et matériaux, venus enrichir et dépasser le modèle plus restrictif des molécules dipolaires de type donneur-accepteur d'électrons. Les interactions matière-champs sont maintenant considérées dans un cadre tensoriel plus large, dont les molécules octupolaires sont des représentants bien adaptés aux effets quadratiques tels que la génération de second-harmonique et l'effet électro-optique [1,2], réalisant un compromis idéal entre les exigences contradictoires de brisure de symétrie d'une part et d'isotropie maximale d'autre part.

Bénéficiant de l'essor des nanotechnologies et en particulier de la nano-photonique, le domaine de la nano-plasmonique et des méta-structures associées sont apparues comme des prolongements naturels aux recherches antérieures sur les molécules, permettant de faire un pas de plus dans l'optimisation des effets non-linéaires, à une échelle supérieure (de l'ordre de dizaines à des centaines de nanomètres) avec des modes d'organisation bi- et tridimensionnels au débouché de processus nano-technologiques directifs à caractère « top-down » [3]. C'est ainsi que le concept de « méta-molécules » a émergé par association de nano-cavités métalliques ou de nanoparticules d'une taille d'ensemble de l'ordre de 200 nm ou moins. Ce troisième rebond a été guidé, par des considérations conjointes de théorie des groupes appliquées aux tenseurs de susceptibilité, avec le défi supplémentaire d'un cadre physique nouveau associé au changement d'échelles et à la non-localité des interactions lumière-matière en milieu métallique.

Les interactions entre plasmons localisés et propagatifs (plasmons-polaritons) a ainsi permis de concevoir des associations entre nanoparticules [4] and nano-cavités [5] conduisant à la formation de méta-molécules [6,7] et de méta-réseaux plasmoniques [8] optimisés pour les effets quadratiques. De plus, la prise en compte plus récente de la chiralité a permis d'enrichir le spectre fonctionnel de telles entités, avec la démonstration d'une imagerie non-linéaire chirale ouvrant des perspectives très larges allant de la biophotonique à des méthodes nouvelles de codage de l'information [9].

Au travers de cette recherche, un outil particulièrement précieux aura été la microscopie confocale non-linéaire résolue en polarisations, dans deux modalités principales de type generation d'harmoniques d'une part, et effet Pockels électro-optique d'autre part, ces deux voies ayant permis des caractérisations complémentaires des effets non-linéaires jusqu'aux échelles de nanoparticules uniques [10,11].
Nous passerons en revue les différentes étapes de ces recherches, dans leur composante théorique, expérimentales et technologiques, jusqu'aux travaux en cours dans notre laboratoire.

[1] J. Zyss, Nonlinear Optics: from Dipolar to Octupolar Molecules and Materials, J. Chem. Phys. 98, 6583 (1993)[2] C. Dhenaut, I. Ledoux, I. D. W. Samuel, J. Zyss, M. Bourgault, H. Le Bozec, Chiral Metal Complexes with Large Octupolar Optical Nonlinearities. Nature, 374, 339-342 (1995).
[3] M. I. Stockman, K. Li, S. Brasselet, J. Zyss, Octupolar metal nanoparticles as optically driven, coherently controlled nanorotors. Chem. Phys. Lett. 433, 130-135 (2006). [4] R.Hou, V.Shynkar, C.Lafargue, J.Zyss, Lagugné Labarthet Second harmonic generation from gold meta-molecules with threefold symmetry, Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, DOI: 10.1039/C6CP00154H
[5] A. Salomon, M. Zielinski, R. Kolkowski, J. Zyss, Y. Prior, Size and Shape Resonances in Second Harmonic Generation from Silver Nanocavities. J. Phys. Chem. C 117, 22377-22382 (2013).
[6] A. Salomon, Y. Prior, M. Fedoruk, J. Feldmann, R. Kolkowski, J. Zyss, Plasmonic coupling between metallic nanocavities, J. Opt. 16, 114012 (2014).
[7] R. Kolkowski, J. Szeszko, B. Dwir, E. Kapon, J. Zyss, Effects of surface plasmon polariton-mediated interactions on second harmonic generation from assemblies of pyramidal metallic nano-cavities, Opt. Express 22, 30592-30606 (2014). [8] R.Kolkowski, J.Szesko, B.Dwir, E.Kapon, J.Zyss, Non-centrosymmetric plasmonic crystals for second-harmonic generation with controlled anisotropy enhancement, Laser Photonics Review, to appear (2016)
[9] R. Kolkowski, L. Petti, M. Rippa, C. Lafargue, J. Zyss, Octupolar plasmonic meta-molecules for nonlinear chiral watermarking at subwavelentgh scale, ACS Photonics 2, 899-906 (2015)
[10] S. Brasselet, V. Le Floc'h, F. Treussart, J. F. Roch, A. Ibanez , J. Zyss, In-situ diagnostics of the crystalline nature of single organic nanocrystals by nonlinear microscopy, Phys. Rev. Lett. 92(20), 207401 (2004)
[11] Electro-optical interferometric microscopy of periodic and aperiodic ferroelectric structures, D. T. Trinh et al., Laser Photonics Rev. 9 (2), 214-223 (2015)

La « Brisure d'Orthogonalité », une technique hyper-fréquence pour l'imagerie polarimétrique optique : quels liens avec les approches RADAR ?

Julien Fade1, François Parnet1, Noé Ortega-Quijano1, Muriel Roche2, Mehdi Alouini1
(1) Institut de Physique de Rennes, Université de Rennes 1, CNRS, 263 av. Général Leclerc, 35042 Rennes, France
(2) Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel, UMR 7249, 13013 Marseille, France julien.fade@univ-rennes1.fr

Initialement développée pour répondre au défi actuel de l'endoscopie polarimétrique, l'imagerie polarimétrique par brisure d'orthogonalité (acronyme DSOB) est une technique de polarimétrie optique récente reposant sur un principe de mesure différant fondamentalement des approches standards de la polarimétrie optique. Cette technique de polarimétrie active cohérente repose sur la génération d'un faisceau d'illumination bi-fréquence bi-polarisation (constitué de deux états de polarisation orthogonaux et décalés en fréquence) destiné à éclairer une scène ou un échantillon [1]. Les propriétés polarimétriques de l'échantillon accessibles grâce à la méthode DSOB (dépolarisation, mais surtout dichroïsme linéaire/circulaire, en fonction de la configuration expérimentale adoptée) sont déterminées par la mesure de l'amplitude et de la phase d'un battement de « brisure d'orthogonalité » apparaissant typiquement dans le domaine radio-fréquence, à la différence de fréquence entre les deux ondes optiques émises. Par construction, cette technique est insensible à la biréfringence, l'interaction du faisceau avec un élément biréfringent n'altérant par l'orthogonalité des états de polarisation émis. Cette approche a été validée en configuration mono-point en déportant le faisceau lumineux à travers une fibre optique monomode à 1,5 µm [1], puis en configuration d'imagerie en espace libre pour des applications en microscopie [2,3]. Cette technique de polarimétrie optique présente un certain nombre de similarités avec les approches utilisées dans le domaine RADAR : tout d'abord en termes de gamme de fréquence (le battement hétérodyne pouvant se situer typiquement dans la gamme RF ou micro-onde) et de composants (électronique RF de détection/démodulation). Mais surtout par le fait qu'elle fournit de façon détournée une « observable » du champ électromagnétique (optique), notamment via la mesure de la phase RF du battement, exploitable pour la détermination des propriétés polarimétriques de la scène observée. Enfin, les figures de contraste polarimétriques obtenues grâce à cette technique [4], et l'étude des bruits physiques qui entachent ces mesures et de leur modélisation statistique peuvent montrer également des similitudes avec le traitement du signal polarimétrique RADAR.
RÉFÉRENCES
[1] J. Fade and M. Alouini, Depolarization remote sensing by orthogonality breaking, Phys. Rev. Let. 109, 043901, 2012.
[2] E. Schaub, J. Fade, N. Ortega-Quijano, C. Hamel and M. Alouini, Polarimetric contrast microscopy by orthogonality breaking, J. Opt. 16, 122001, 2014.
[3] N. Ortega-Quijano, J. Fade, E. Schaub, F. Parnet, and M. Alouini, Full characterization of dichroic samples from a single measurement by circular polarization orthogonality breaking, Opt. Lett. 40, 1270-1273, 2015.
[4] N. Ortega-Quijano, J. Fade, M. Roche, F. Parnet, and M. Alouini, Orthogonality-breaking sensing model based on the instantaneous Stokes vector and the Mueller calculus, JOSA A. 33, 434-446, 2016.

Traitements de données SAR polarimétriques multidimensionnelles utilisant des modes de diversité cohérents

Laurent Ferro-Famil
Université Rennes 1, IETR

La caractéristiques polarimétriques d'une réponse radar peuvent être utilisées pour estimer certains des paramètres géophysiques d'objets ou environnements. Cependant, en raison de la sensibilité de l'information polarimétrique à un grand nombre de facteurs physiques, ce processus d'estimation peut, dans le cas de mécanismes de diffusion complexes, se révéler fortement ambigu. On a alors recours à une combinaison de modes de diversité (spectrale, spatiale, temporelle) qui permet de mieux isoler le paramètre recherché. On s'intéresse ici à des modes de diversité cohérents, i.e. pour lesquels le niveau de cohérence entre plusieurs réponses polarimétriques peut être utilisé pour caractériser un mécanisme de diffusion. On montre ici que l'optimisation conjointes de plusieurs réponses et la recherche des invariants de corrélation polarimétrique [1], [2], dont on donne des procédures d'estimation efficaces, jouent un rôle clé dans un nombre important de traitements de complexité et d'application diverses, allant de la détection de cibles noyées dans un fouillis complexe [3] par diversité spectrale mono-image, à la séparation des constituants d'un volume forestier par tomographie SAR polarimétrique [4], en passant par la mesure de déformation par Pol-DinSAR PS [5] ou d'estimation PolinSAR robuste [2] des paramètres d'un volume.
REFERENCES:
[1] Neumann, M.; Ferro-Famil, L. & Reigber, A. Multibaseline Polarimetric SAR Interferometry Coherence Optimization, Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE, 2008, 5, 93-97
[2] Ferro-Famil, L.; Neumann, M. & Huang, Y. Multi-baseline POL-inSAR statistical techniques for the characterization of distributed media Proc. IGARSS, 2009
[3] Hu, C.; Ferro-Famil, L. & Kuang, G. Ship Discrimination Using Polarimetric SAR Data and Coherent Time-Frequency Analysis Remote Sensing, MDPI, 2013, 5, 6899-6920
[4] Ferro-Famil, L. & Tebaldini, S. ML tomography based on the MB RVoG model: optimal estimation of a covariance matrix structured as a sum of two Kronecker products POLinSAR 2013 Workshop, 2013
[5] Navarro-Sanchez, V. D.; Lopez-Sanchez, J. M. & Ferro-Famil, L. Polarimetric Approaches for Persistent Scatterers Interferometry, Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on,,2014, 52, 1667-1676

Contrast optimization with broadband polarimetric imaging systems

Lijo Thomas1, Haofeng Hu2, Matthieu Boffety1, François Goudail1
(1) Laboratoire Charles Fabry, UMR 8501, Institut d'Optique, CNRS, Univ Paris Sud 11, 91127 Palaiseau, France
(2) College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China

Polarimetric imaging is known to allow one to retrieve information that do not appear in standard intensity images and is a useful tool in such domain as target detection and remote sensing. Since the polarization state of the light is defined only for a specific wavelength, most polarimetric systems work at one given wavelength for the sake of polarimetric accuracy. Therefore, for systems that use broad-spectrum source and chromatic components such as liquid crystals, one has to include narrowband filters. However, these filters significantly decrease the light intensity entering the system and thus reduce the signal to noise ratio. For applications where the performance is dictated by the discriminability between two regions of the images (target/background) rather than by the accuracy of the polarimetric measurements, spectral filtering might not be the best option.
In this work we investigate the impact of spectral broadening on the discriminability performance of passive and active polarimetric systems. Through simulations, we show that broadening the bandwidth of the illumination can increase the contrast between two regions, as the increase of light flux compensates for the loss of polarimetric precision. Moreover, we show that taking into account the chromatic characteristics of the components of the imaging system can further enhance the contrast. We validate these findings through experiments in passive and active configurations, and demonstrate that the illumination bandwidth can be seen as an additional parameter to optimize polarimetric imaging set-ups. These results can have interesting applications for high-speed imaging and microscopy.

Symétries vibrationnelles par imagerie Raman cohérente

Carsten Cleff, Hervé Rigneault, Sophie Brasselet, Julien Duboisset
Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel UMR 7249, 13013 Marseille julien.duboisset@fresnel.fr

RÉSUMÉ : Cet article détaille une méthode polarimétrique qui permet d'imager la symétrie des vibrations moléculaires dans le volume focal. Nous montrons qu'il est possible ainsi de déterminer l'organisation des molécules dans des échantillons biologiques ou cristallins, quel que soit leurs orientations et en une seule mesure.
MOTS-CLEFS : CARS, Raman, spectroscopie, imagerie

1. CONTEXTE
Les processus vibrationnels non linéaires tels que le CARS (Coherent Anti Stokes Raman Scattering) sont des outils puissants permettant une imagerie 3D des propriétés chimiques, sans préparation de l'échantillon. Le processus CARS est un processus Raman stimulé basé sur l'interaction de 2 photons, nommés pompe à la fréquence wp, et Stokes à la fréquence ws. Lorsque la différence de fréquence correspond à une résonance vibrationnelle (WR = wp-ws), un photon anti-Stokes est généré à la fréquence was = 2wp-ws. Dans ce cas, l'intensité mesurée révèle spécifiquement la présence des liaisons chimiques, de manière beaucoup plus efficace que le Raman spontanée, permettant ainsi une imagerie rapide.

2. RESULTATS
Dans ce contexte, nous proposons un formalisme qui permet de filtrer les différents éléments de symétrie du tenseur de susceptibilité non linéaire [1]. Combiné à un microscope, il est ainsi possible d'imager directement les éléments de symétrie présent dans l'échantillon. Nous montrons qu'il est possible d'imager la distribution isotropique (ordre 0) ainsi que la symétrie d'ordre 2 et 4 en utilisant différentes combinaisons de polarisation circulaire. Nous illustrons expérimentalement cette nouvelle technique d'imagerie sur des cristaux de zéolite ainsi que sur des échantillons moléculaires et biologiques [2].

RÉFÉRENCES
[1] J. Duboisset, H. Rigneault and S. Brasselet. Filtering of matter symmetry properties by circularly polarized nonlinear optics. Phys. Rev. A, 90, 063827 (2014)
[2] C. Cleff, A. Gasecka, P. Ferrand, H. Rigneault, S. Brasselet and J. Duboisset. Direct imaging of molecular symmetry by Coherent anti-Stokes Raman scattering. Nature Communications, 7, 11562 (2016)

Matrices de Mueller différentielles pour la caractérisation de l'évolution spatiale des propriétés polarimétriques dans les milieux turbides

Vincent Devlaminck
Université de Lille, CRIStAL, UMR 9189, 59650 Villeneuve d'Ascq, France

Ce travail s'intéresse à l'évolution de la dépolarisation de la lumière dans le cadre des milieux turbides homogènes. Nous montrons l'existence de différents régimes d'évolution spatiale de cette dépolarisation en fonction de l'épaisseur z du milieu parcouru. Ces milieux sont caractérisés au moyen de leur matrice de Mueller différentielle qui est diagonale (dépolarisante pure). Des résultats expérimentaux publiés précédemment établissaient l'existence d'un premier régime (dans le cadre d'une approximation z petit) où la dépolarisation suit une loi parabolique en fonction de l'épaisseur du milieu. De nouvelles expériences confirment l'existence d'un second régime où la dépolarisation suit une loi linéaire pour des z grands. Ils confirment également l'existence de lois d'évolution plus complexes même dans le cadre de l'approximation à petite échelle. Une approche stochastique est proposée pour modéliser le phénomène. Elle décrit parfaitement tous ces différents résultats expérimentaux et permet d'analyser le comportement de la dépolarisation dans le cas des milieux de diffusion solides ou liquides.

Polarization effects on 3D imaging from scattering measurements

C. Eyraud, J.-M. Geffrin, A. Litman, and H. Tortel
Aix-Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel UMR 7249, 13013 Marseille, France
christelle.eyraud@fresnel.fr

Abstract : This paper deals with the polarization aspect in microwave imaging for 3D targets. The vectorial information contained in the scattering matrix is often under-exploited in inverse scattering problems. In this work, a study on the influence of the polarization state on the reconstructed maps by inverse procedures will be presented. Reconstructions performed from measurements in different polarization cases will be compared and discussed.

Electromagnetic wave probing is an interesting tool to reach the physical features of unknown targets. The inverse scattering problem deals with the estimation of the physical features (permittivity map or a quantity linked to the permittivity map) of an unknown object from its scattered field and thus to obtain its position, shape, size, complex permittivity. Dealing with 3D targets generally increase the number of the characteristics that must be retrieve by the inverse procedure. In practice, when dealing with measurements, difficulties grow in particular due to the fact that we are almost every time faced with truncated data. Indeed, the complex amplitude scattering matrix can usually not be measured on an entire surface enclosing the target. It is thus important to exploit as much as possible all the available information.
The polarization of the electromagnetic wave contains useful information as studies in radar polarimetry [1] or light scattering communities [2] point it out. In inversion procedures, the different polarizations are generally considered to contain the same amount of information and the treatment of each polarization state are often performed in a similar way. The reconstruction results seem however to be greatly influenced by the polarizations state, as shown by the results obtained in [3]. In this work, we will present a study investigating the influence of the polarization state on the reconstructed maps. Reconstructions from scattered fields measured in an anechoic chamber in the microwave domain with different polarization cases will be shown and be discussed.
REFERENCES :
1. Cloude, S., Pottier, E., A review of target decomposition theorems in radar polarimetry, EEE Trans. Geosci. Remote Sens., Vol. 34, 498-518, 1996.
2. Mishchenko, M., Travis, L., Lacis, A., Scattering, Absorption, and Emission of Light by Small Particles, Cambridge University, 2002.
3. Eyraud, C., Vaillon, R., Litman, A. Geffrin, J;-M., Merchiers, O., Polarization effects in 3D vectorial-induced current reconstructions, JOSA A, Vol. 30, No. 10, 1967-1974, 2013.

La décomposition des matrices de Mueller comme un outil de compréhension physique : théorie et expérience

Razvigor Ossikovski
LPICM, CNRS, Ecole Polytechnique, Université de Paris - Saclay, 91128 Palaiseau
razvigor.ossikovski@polytechnique.edu

Sur le plan formel, la matrice de Mueller représente la description phénoménologique la plus générale de l'interaction linéaire d'un milieu physique ou d'un système optique avec la lumière polarisée. Par ailleurs, la disponibilité d'équipements polarimétriques bon marché, rapides et faciles d'utilisation a rendu possible la caractérisation optique de routine d'une large gamme de matériaux et de structures complexes et, par la même, fournit de gros volumes de données, sous la forme de matrices de Mueller, aux expérimentateurs. Par conséquent, le problème de l'interprétation physique d'une matrice de Mueller obtenue expérimentalement devient de plus en plus important. Cependant, l'élaboration d'un modèle physique de type électromagnétique n'est pratiquement possible que pour un nombre limité de structures optiques à complexité faible ou moyenne (l'exemple classique étant l'empilement de couches minces généralement anisotropes). En absence de modèle physique décrivant la matrice de Mueller mesurée, celle-ci peut toujours être interprétée physiquement en la décomposant algébriquement à des composantes plus simples ayant un sens physique direct. Plus concrètement, la décomposition de la matrice de Mueller expérimentale à des matrices « élémentaires » représentant des composants optiques de base (polariseurs partiels, lames d'onde et dépolariseurs) procure souvent une meilleure compréhension de la physique sous-tendant la matrice d'origine. L'approche "décompositionnnelle" est purement phénoménologique; elle ne requiert aucun modèle optique ni simulation électromagnétique, mais se base sur des principes généraux (les conditions de réalisabilité physique, notamment). Des sujets types d'intérêt pratique considérable sont la détermination d'une composante non dépolarisante contenue dans une matrice de Mueller mesurée, le meilleur estimateur physique d'une matrice de Mueller mesurée "non physique", l'extraction de paramètres physiques pertinents (diattenuation, retardance, indices de dépolarisation), la réduction de matrices de Mueller dépolarisantes à des dépolariseurs canoniques permettant la comparaison standardisée de leurs propriétés, etc.

Analyse temps-fréquence des signaux bivariés

Julien Flamant (1), Nicolas Le Bihan (2), Pierre Chainais (1)
(1) Univ. Lille, CNRS, Centrale Lille, UMR 9189 - CRIStAL - Centre de Recherche en Informatique Signal et Automatique de Lille, 59000 Lille, France
(2) CNRS, GIPSA-Lab, 11 rue des mathématiques, 38402 St Martin d'Heres, France
julien.flamant@phd.ec-lille.fr

Les signaux bivariés apparaissent dans une grande variété d'applications, de l'océanographie au radar en passant par l'optique. Dans la plupart de ces domaines, ces signaux sont caractérisés par des paramètres fonction de la fréquence. Dans le cas non-stationnaire, les composantes fréquentielles sont dépendantes du temps : il est alors nécessaire d'introduire des représentations temps-fréquence décrivant l'évolution des paramètres du signal.
Les approches classiques ont pour point commun de reposer sur la transformée de Fourier complexe. Pour un signal bivarié, il est bien connu que sa transformée de Fourier complexe ne présente plus de symétrie hermitienne. L'analyse du contenu fréquentiel oblige alors un traitement simultané des fréquences positives et négatives [1]. Cette analyse mène à une décomposition du spectre en composantes rotatoires. De manière non triviale, les paramètres de polarisation du signal peuvent être déduits de cette décomposition.
Une définition alternative de la transformée de Fourier permet de proposer une nouvelle interprétation spectrale des signaux bivariés : la transformée de Fourier quaternionique. Elle restaure une symétrie hermitienne dans le domaine spectral, permettant ainsi de ne considérer que les fréquences positives. On définit ainsi un analogue bivarié au signal analytique, le plongement quaternionique d'un signal bivarié [2]. Pour des signaux simples cet objet identifie directement les propriétés instantanées de polarisation du signal.
Pour des signaux a plusieurs composantes (monochromatiques), nous introduisons les notions de spectrogramme de polarisation (Fig. 1) et scalogramme de polarisation. Ces nouveaux outils d'analyse temps-fréquence-polarisation des signaux bivariés sont validés à travers plusieurs exemples synthétiques et réels.
RÉFÉRENCES
[1] P. J. Schreier and L. L. Scharf, Statistical signal processing of complex-valued data : the theory of improper and noncircular signals. Cambridge University Press, 2010.
[2] J. Flamant, N. Le Bihan, and P. Chainais, "Time-frequency analysis of bivariate signals", In preparation, 2016.

Dépolarisation et indices de pureté: de l'optique au radar

Elise Koeniguer (1), I. San José (2), J. J. Gil (3)
(1) Onera Palaiseau, Chemin de la Hunière et des Joncherettes, 91123 Palaiseau,
(2) Instituto Aragonés de Estadistica, Camino de las Torres 53, 50071 Zaragoza, Spain,
(3) ICE Universidad de Zaragoza, c/ Pedro Cerbuna 12, 50009 Zaragoza, Spain
elise.koeniguer@onera.fr

RÉSUMÉ : La notion de dépolarisation en optique rejoint la notion d'entropie polarimétrique en radar. En radar, la notion d'entropie polarimétrique sert à caractériser les milieux naturels, notamment les forêts. Récemment, des travaux en optique ont mené à la proposition d'indices de pureté, capables de distinguer les phénomènes de dépolarisation suivant le nombre de mécanismes différents qu'ils impliquent. Ces indices sont appliqués ici à des images radar de forêt et montrent des contrastes intéressants en fonction des différents types de couvertures végétales.
MOTS-CLES : imagerie radar, dépolarisation, entropie polarimétrique

1. CONTEXTE
Parmi les travaux menés en polarimétrie optique pour définir les paramètres polarimétriques de second ordre, une formulation complète des indices de pureté des état de dépolarisation, basés sur les différences relatives entre valeurs propres de la matrice de cohérence, a été introduite par Gil, Correas, Melero and Ferreira [1].
Ces indices peuvent être vus comme des moyens d'affiner l'analyse des phénomènes de dépolarisation ou de pureté de la matrice de Mueller. En effet, les paramètres traditionnels de second ordre, tels que l'entropie polarimétrique, ou l'indice de pureté, ne prennent pas en compte les différentes relatives entre valeurs propres de la matrice de cohérence mais sont basés sur une seule combinaison globale des 4 valeurs propres.
Les indices de pureté sont une extension naturelle de l'indice de pureté initial. Ils vérifient
M=P1 M0 + (P2-P1) M1 + (P3-P2) M2 + (1-P3) M3,
où M3 est le dépolariseur idéal (en dimension 4), M0 une matrice de Mueller Jones, et M1 un dépolariseur idéal en dimension 2, et M2 un dépolariseur idéal en dimension 3.
Notre objectif est d'analyser l'intérêt de ces coefficients pour caractériser des images radar polarimétriques sur des milieux naturels. Aussi, nous nous sommes restreints à des images monostatiques, avec un degré de liberté en moins. Aussi, dans ce cas, nous avons P3=1 et l'équation précédente se restreint à :
M=P1 M0 + (P2-P1) M1 + (1-P2) M2
Ceci nous amène à pouvoir considérer dans cette décomposition, les trois poids relatifs suivants : P1, P2-P1et 1-P2

2. RESULTATS
Des résultats intéressants sont obtenus sur deux types d'images :
- une image de forêt en Suède
- une image de zone périurbaine autour de San Francisco, couvrant l'océan et contenant quelques zones de sols.
Elles permettent de montrer des contrastes que l'entropie seule ne permettrait pas d'obtenir. Les résultats seront analysés de manière statistique à travers des comparaisons à l'aide du paramètre d'indice de pureté, ou de «scattering diversity», déjà employé avec succès sur les images radar [2].

3. REFERENCES
[1] J. J. Gil, J. M. Correas, P. A. Melero, C. Ferreira, "Generalized polarization algebra" Monografias del Seminario Matematico Garcia de Galdeano 31 , 161-167 (2004). Available from http://www.unizar.es/galdeano/actas_pau/PDFVIII/pp161-167.pdf
[2] Praks, J., Koeniguer, E. C., & Hallikainen, M. T. (2009). Alternatives to target entropy and alpha angle in SAR polarimetry. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 47(7), 2262-2274.

Date : 2016-09-29

Lieu : Télécom ParisTech, 46 rue Barrault, Paris 13e - Amphi B312


Thèmes scientifiques :
B - Image et Vision

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