À 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.

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La soutenance de thèse, encadrée par V. Ciarletti et A. Le Gall au LATMOS, aura lieu dans la salle des thèses de l’université de Versailles Saint-Quentin (bâtiment d’Alembert, 2^e étage, 5-7 Boulevard d’Alembert, Guyancourt).

Voici le lien pour la suivre en visio : https://youtu.be/ETSCXIuokgM

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From summer 2023, the Rosalind Franklin rover of the ExoMars 2022 mission (ESA/ROSCOSMOS) will seek out past or present traces of life down to 2 m in the Martian subsurface with a drill, where collected samples could have been shielded from the harsh conditions of the surface. In order to give an insight into the structure and composition of the shallow subsurface prior to any drilling operations, and to provide clues on the geological context of the rover landing site, one of the 9 instruments onboard Rosalind Franklin is a Ground Penetrating Radar (GPR): WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars). WISDOM will sound the first meters of the Martian shallow subsurface with a vertical resolution of a few cm. This thesis was dedicated to the assessment and implementation of new and sophisticated tools in the processing and interpretation chain of the WISDOM data, enhancing the quality and readability of future Martian observations.

Data acquired by WISDOM consist in “radargrams”, displaying the amplitude of received signals (after reflection/scattering on subsurface structures) as a function of their time delays. Converting these time delays into distances requires the knowledge of the propagation speed of electromagnetic waves in the subsurface, which is linked to the dielectric permittivity of this subsurface. In the case of WISDOM, this property can be estimated from the surface echo intensity or from the shape of diffraction curves from scatter points buried in the subsurface. Since, unlike most GPR, WISDOM antennas are not directly on the ground, the latter method must account for the refraction of radar signals at the surface, which impacts the shape of the curves and thus the permittivity estimation. During this thesis, an automated tool of detection and characterization of diffraction curves was developed and validated, guarantying the display of radargrams as a function of distance.

This thesis also focused on the enhancement of the vertical resolution (in range/depth) of WISDOM radargrams. The instrument operating on a large frequency bandwidth, a resolution of a few cm in the subsurface is already assured. A super-resolution technique based on the “Bandwidth Extrapolation” (BWE) was tested and implemented to the WISDOM data processing chain. This resulted in an improvement of the range resolution by a factor of 3. Such improvement has numerous positive implications on the interpretation of future WISDOM radargrams; echoes before impossible to separate can be now discriminated. Potential improvements of the BWE, exploiting for instance the polarimetric capabilities of WISDOM were also explored.

Tools implemented during this thesis were systematically validated on both synthetic (analytical or simulated) and experimental data acquired on Earth with replicas of WISDOM instrument (in laboratory or natural environments). Two field campaigns were organised in the frame of this thesis (in the Desert of Atacama and at the Technical University of Dresden (TUD)), providing interesting datasets to validate the WISDOM processing and interpretation chains on, in preparation of future Martian operations.