Syllabus

This lecture presents the fundamental equations of electromagnetism and the resulting concepts.

• Rappel de calcul vectoriel
• Equations et relations fondamentales en électromagnétisme : équations de Maxwell, présentation intégrale des équations de Maxwell, conditions aux limites, relations constitutives, considérations énergétiques et vecteur de Poynting, potentiels retardés et fonctions de Green
• Electromagnétisme en régime harmonique : équations de Maxwell et conditions aux limites en régime harmonique, relations constitutives en régime harmonique et permittivité complexe, permittivité des matériaux diélectriques et des matériaux conducteurs, relations de dispersion de Kramers-Krönig
• Ondes planes en régime harmonique : composantes des champs en régime harmonique, équation de Helmholtz sans second membre pour un milieu LIH, ondes planes dans un milieu absorbant, ondes planes dans un milieu absorbant, puissance électromagnétique en régime harmonique
• Ondes sphériques – Rayonnement d’une antenne en régime harmonique : relations d’orthogonalité à grande distance de la source, surfaces équiphases et ondes sphériques, vecteur de Poynting d’une onde sphérique dans un milieu non absorbant, polarisation des ondes
• Faisceaux d’ondes planes : constantes de propagation d’une onde plane, ondes planes évanescentes et propagatives dans un milieu sans pertes, ondes planes évanescentes dans un milieu avec pertes, faisceau d’ondes planes 3D, faisceau d’ondes planes 2D, comportement asymptotique d’un faisceau d’ondes planes, dépolarisation des ondes par une surface, diffraction par une surface rugueuse et hypothèse de Rayleigh
• Propagation dans différents types de milieux
• Principe d’équivalence, application à la diffraction des ouvertures
• Etude des surfaces périodiques, application à la réflexion des surfaces rugueuses
• TD1 : des équations de Maxwell aux conditions aux limites
• TD2 : permittivité complexe des matériaux
• TD3 : ondes planes et Ondes sphériques
• TD4 : étude d’un faisceau gaussien (2D)
• TD5: comportement asymptotique d’un faisceau d’ondes planes 2D
• TD6 : champ diffracté par une surface – Bilan de puissance

• Born M., Wolf E. (1999), Principles of optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light, Cambridge University Press, 985 pp.
• Ishimaru A. (1990), Electromagnetic Wave Propagation, Radiation and Scattering, Prentice Hall, 656 pp.
• Petit R. (1997), Ondes électromagnétiques en radioélectricité et en optique, Dunod, 349 pp.
• Stratton J.A. (2007), Electromagnetic theory, Wiley-IEEE Press, 640 pp.

This lecture deals with electromagnetic radiation emitted in free space and in the presence of diffracting objects. It mainly relies on the electric-field integral equation.

Partie I : Propagation des OEM

• Rayonnement de sources en espace libre
  – rappels des equations de Maxwell et conditions d’application
  – équations de maxwell en régime harmonique
  – relations de continuité
  – équations de Helmholtz
  – résolution des équations de propagation en espace libre en présence de sources
• OEM en présence d’obstacles
  – Principe d’équivalence de Rayleigh-Gans et résolution des équations
• Diffraction par une surface
  – plane infinie
  – plane limitée
  – non-plane
• Diffusion/absorption/émission par des particules
  – principe de résolution
  – solutions de Mie/limites optique géométrique
  – approximation de Rayleigh-Gans
  – Qabs/Qsca/Qext, paramètre d’assymétrie, fonction de phase
  – conséquences et cas pratique

Partie II : interaction matière-ondes EM

• Modèles de Drude et Lorentz
• Modèle de Debye
• Relations de Kramers-Krönig
• Règles de mélange Maxwell-Garnett et Bruggemann

• Beckmann A. & Spizzichino A. (1987), The scattering of electromagnetic waves from rough surfaces, Artech House Radar Library, 512 pp.
• Born M. & Wolf E. (1999), Principles of optics: Electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light, Cambridge University Press, 985 pp.
• Brekhovski L.M. & Godin O.A. (1998), Acoustics of Layered Media I: Plane and Quasi-Plane Waves, Springer, 250 pp.
• Chew W.C. (1999), Waves and Fields in Inhomogeneous Media, Wiley-IEEE Press, 632 pp.
• Dassios G. & Kleinman R. (2000), Low Frequency Scattering, Oxford University Press, 320 pp.
• Fournet G. (1979), Electromagnétisme : à partir des équations locales, Masson, 478 pp.
• Ishimaru A. (1999), Waves Propagation and Scattering in Random Media, Wiley-IEEE Press, 600 pp.
• Kaufman A.A. & Keller G.V. (1985), Inductive Mining Prospecting, Part 1: Theory, Elsevier, 617 pp.
• Kong J.A. (1986), Electromagnetic Wave Theory, John Wiley & Sons Inc, 710 pp.
• Petit R. (2011). Electromagnetic Theory of Gratings, Springer, 304 pp.
• Roubine E. & Bolomey J.C. (1978), Antennes – Tome I, Masson, 2020 pp.
• Tai C.T. (1994), Dyadic Green Function in Electromagnetic Theory, IEEE, 343 pp.

This lecture introduces the fundamentals of monochromatic and transitional propagation of acoustic waves in fluid media.

• Eléments d’acoustique physique : introduction, sources sonores, récepteurs, fréquence des ondes acoustiques, niveau sonore, vitesse de propagation, polarisation des ondes acoustiques, ondes acoustiques dans les milieux fluides, résolution de l’équation d’ondes à une dimension, impédance acoustique, propagation dans un espace à trois dimensions
• Réflexion et transmission des ondes acoustiques : introduction, systèmes linéaires et invariants partranslation, réflexion d’une onde acoustique sur une paroi rigide, réflexion d’une onde acoustique sur une paroi molle, dioptre acoustique, approximation géométrique de la transmission, application au calcul de fronts d’onde, réflexion et transmission par deux interface parallèles
• Théorie du signal à deux dimensions : introduction, rappels, théorie du signal en acoustique, étude des exponentielles complexes
• Théorie scalaire de la diffraction : introduction, diffraction par un écran plan, diffraction transitoire
• Diffraction de Fresnel et Fraunhofer : introduction, premières approximations, approximation de Fresnel, approximation de Fraunhofer, exemples de diffraction de Fraunhofer
• Diffraction impulsionnelle par un piston circulaire : formalisme impulsionnel de la diffraction, application au cas du piston circulaire

• Brekhovskikh L.M. (1980), Waves in layered media, Academic Press, 503 pp.
• Brekhovskikh L.M., Goncharov V.V. (1985), Mechanics of continua and wave dynamics, Springer-Verlag, 342 pp.
• Bruneau M.(1998), Manuel d’acoustique fondamentale, Hermes Science Publications, 576 pp.
• Davis J.L. (1988), Wave propagation in solids and fluids, Springer-Verlag, 386 pp.
• Filippi P., Collectif (1994), Acoustique générale, Editions de Physique , 371 pp.
• Goodman J.W. (1968), Introduction to Fourier optics, McGraw-Hill, 287 pp.
• Gordon S.K. (1987), Acoustic waves: Devices, imaging, and analog signal processing, Prentice Hall, 601 pp.
• 2Guyader J.L. (2002), Vibrations des milieux continus, Hermes Science Publications, 445 pp.
• Royer D., Dieulesaint E. (1999), Ondes élastiques dans les solides. Tome 2 . Génération, interaction acousto-optique, applications, Masson, 410 pp..

• Tarantola A. (2005), Inverse problem theory and methods for model parameter estimation, Siam, 342 pp.

Molecular spectroscopy is a key method to determine the spectral signature of the Earth and the other planets of the Solar system, as well as the exoplanets. It aims at recording the electromagnetic radiation reflected or emitted by a target (surface or atmosphere) in very narrow wavebands. In particular it plays an essential role in the monitoring of the evolution of our atmosphere (aerosols and gas molecules).

In the next decades, large telescopes will extend observation to new spectral domains and boost the search for life on exoplanets. New instruments designed to analyze the chemical composition of the Earth’s lower atmosphere (greenhouse gases, pollutants, etc.) use technologies that allow measurements of spectra with very high spectral resolution and signal-to-noise ratios. The interpretation of these spectra requires mastering theoretical and experimental spectroscopic analysis techniques.

• J.M. Flaud (1992), Spectroscopie des molécules d’intérêt atmosphérique, Ecole d’été du CNRS.
• J.M. Hollas (2003), Spectroscopie, Dunod, 400 pp.
• J.M. Hollas (2004), Modern spectroscopy, John Wiley & Sons, Inc., 482 pp.
• S. Payan (2013), Radiative transfer and inversion, Ecole d’été du CNRS « HiResMIR@CAES-Frejus-2013 », Fréjus (France), 3-7 June 2013.
• L. Régalia, H. Tran, M. Leperec (2015), SpecAtmo summer school trainings, Fréjus (France).
• J. Vander Auwera (2013), Principles of vibration-rotation spectroscopy, Ecole d’été du CNRS « HiResMIR@CAES-Frejus-2013 », Fréjus (France), 3-7 June 2013.

This lecture introduces the concepts of direct and inverse radiative transfer, which underlie the study of the Earth’s atmosphere using remote sensing satellites, in the context of climate studies. The physical variables and fundamental laws are reminded, leading to the derivation of the radiative transfer equation that calculates the electromagnetic radiation transmitted or emitted by the atmosphere and measured at the top of it. This equation involves various thermodynamic, spectroscopic and instrumental information. The main radiative transfer codes are described. Finally, the inverse problem that consist in extracting atmospheric variables from radiometric measurements is discussed and illustrated by numerous examples involving present space missions.

• Principe de rayonnement d’une antenne
• Description des différents types d’antennes et de leur utilisation
• Caractéristiques des antennes
• Rayonnement des courants
• Rayonnement des ouvertures planes
• Bilan de liaison
• Réseaux d’antennes et systèmes multi antennes
• Principe de radiométrie
• Qualités radiométriques d’une antenne

Picon O. (2009), Les Antennes : théorie, conception et applications, Dunod, 371 pp.

This lecture is an introduction to Earth observation techniques by passive and active microwave.

• Le Chevalier F. (2000), Principes de traitement des signaux Radar et Sonar, Masson, 270 pp.
• Ulaby F.T., Moore R.K., Fung A.K. (1986), Microwave Remote Sensing: Active and Passive, Volume I: Fundamentals and Radiometry, Artech House Publishers, 456 pp.
• Ulaby F.T., Moore R.K., Fung A.K. (1986), Microwave Remote Sensing: Active and Passive, Volume II: Radar Remote Sensing and Surface Scattering and Emission Theory, Artech House Publishers, 608 pp.
• Ulaby F.T., Moore R.K., Fung A.K. (1986), Microwave Remote Sensing: Active and Passive, Volume III: From Theory to Applications, Artech House Publishers, 1120 pp.

Overview of Earth observation satellite imaging systems in the reflective domain.

Lier P., Valorge C., Briottet X. (2008), Imagerie spatiale : des principes d’acquisition au traitement des images optiques pour l’observation de la Terre, Cepadues Editions, 844 pp.

This lecture aims to give a general background on the scientific issues related to societal problems such as climate change, pollution, etc. and on the space observation tools used to monitor, analyze and understand such problems.

• Boucher O. (2012), Aérosols atmosphériques – Propriétés et impacts climatiques, Collection : Ingénierie et développement durable, XIV, Springer, 248 pp.
• Burrows J.P., Platt U., Borrell P. (2011), The remote sensing of tropospheric composition from space, Physics of Earth and Space Environments, XXXII, Springer, 549 pp.
• Lee K.H., Li Z., Kim Y.J., Kokhanovsky A. (2009), Atmospheric aerosol monitoring from satellite observations: A history of three decades, in Atmospheric and biological environmental monitoring, Springer, pp 13-38.

This lecture is an introduction to the characterization of terrestrial surfaces by remote sensing, mainly in the solar domain. At first, the different modes of interaction of solar radiation with continental surfaces are discussed. The second part of the lecture is devoted to the determination of the biochemical and structural parameters of vegetation by hyperspectral and multiangular remote sensing, from the leaf scale to the ecosystem. In the last part, we discuss the quantification of energy balance on the surface of the Earth and its importance in climate models. Emphasis is put on physical modeling at different scales.

• Asrar G. (1989), Theory and applications of optical remote sensing, Wiley Interscience, 734 pp.
• Berthier S. (1993), Optique des milieux composites, Polytechnica, 300 pp.
• Campbell G.S., Norman J.M. (1998), An introduction to environmental biophysics, Springer, 286 pp.
• Elias M., Lafait J. (2006), La couleur. Lumière, vision et matériaux, Belin, 352 pp.
• Gates D.M. (2003), Biophysical ecology, Dover, 611 pp.
• Hapke B. (1993), Theory of reflectance and emittance spectroscopy, Cambridge University Press, 455 pp.
• Hufty A. (2001), Introduction à la climatologie, De Boeck-Université, 542 pp.
• Jones H.G., Vaughan R.A. (2010), Remote sensing of vegetation: principles, techniques, and applications, Oxford University Press, 353 pp.
• Liang S. (2003), Quantitative remote sensing of land surfaces, Wiley-Interscience, 560 pp.
• Monteith J.L., Unsworth M.H. (2008), Principles of environmental physics, Academic Press, 418 pp.
• Myneni R.B., Ross J. (1991), Photon-vegetation interactions: applications in optical remote sensing and plant ecology, Springer-Verlag, 565 pp.