Syllabus

Ce cours présente les équations fondamentales de l’électromagnétisme et les concepts qui en découlent.

• 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.

Cette conférence traite du rayonnement électromagnétique émis dans l’espace libre et en présence d’objets diffractants. Elle s’appuie principalement sur l’équation intégrale du champ électrique.

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.

Cette conférence présente les principes fondamentaux de la propagation monochromatique et transitoire des ondes acoustiques dans les milieux fluides.

• 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.

La spectroscopie moléculaire est une méthode clé pour déterminer la signature spectrale de la Terre et des autres planètes du système solaire, ainsi que des exoplanètes. Elle vise à enregistrer le rayonnement électromagnétique réfléchi ou émis par une cible (surface ou atmosphère) dans des bandes de fréquences très étroites. Elle joue notamment un rôle essentiel dans la surveillance de l’évolution de notre atmosphère (aérosols et molécules de gaz).

Au cours des prochaines décennies, les grands télescopes étendront l’observation à de nouveaux domaines spectraux et stimuleront la recherche de vie sur les exoplanètes. De nouveaux instruments conçus pour analyser la composition chimique de la basse atmosphère terrestre (gaz à effet de serre, polluants, etc.) utilisent des technologies qui permettent de mesurer des spectres avec une très haute résolution spectrale et un rapport signal/bruit élevé. L’interprétation de ces spectres nécessite la maîtrise des techniques théoriques et expérimentales d’analyse spectroscopique.

• 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.

Ce cours présente les concepts de transfert radiatif direct et inverse, qui sous-tendent l’étude de l’atmosphère terrestre à l’aide de satellites de télédétection, dans le contexte des études climatiques. Les variables physiques et les lois fondamentales sont rappelées, ce qui conduit à la dérivation de l’équation de transfert radiatif qui calcule le rayonnement électromagnétique transmis ou émis par l’atmosphère et mesuré à sa surface. Cette équation implique diverses informations thermodynamiques, spectroscopiques et instrumentales. Les principaux codes de transfert radiatif sont décrits. Enfin, le problème inverse qui consiste à extraire les variables atmosphériques à partir de mesures radiométriques est abordé et illustré par de nombreux exemples impliquant des missions spatiales actuelles.

• 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.

Ce cours est une introduction aux techniques d’observation de la Terre par micro-ondes passives et actives.

• 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.

Aperçu des systèmes d’imagerie par satellite d’observation de la Terre dans le domaine réflectif.

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.

Cette conférence vise à donner un aperçu général des questions scientifiques liées aux problèmes sociétaux tels que le changement climatique, la pollution, etc., ainsi que des outils d’observation spatiale utilisés pour surveiller, analyser et comprendre ces problèmes.

• 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.

Cette conférence est une introduction à la caractérisation des surfaces terrestres par télédétection, principalement dans le domaine solaire. Dans un premier temps, les différents modes d’interaction du rayonnement solaire avec les surfaces continentales sont abordés. La deuxième partie du cours est consacrée à la détermination des paramètres biochimiques et structurels de la végétation par télédétection hyperspectrale et multiangulaire, de l’échelle de la feuille à celle de l’écosystème. Dans la dernière partie, nous abordons la quantification du bilan énergétique à la surface de la Terre et son importance dans les modèles climatiques. L’accent est mis sur la modélisation physique à différentes échelles.

• 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.