Deriving VTEC Maps from SMOS Radiometric Data

Special Issue Ten Years of Remote Sensing at Barcelona Expert Center.-- 18 pages,14 figures, 2 tablesIn this work, a new methodology is proposed in order to derive vertical total electron content (VTEC) maps from the radiometric measurements of the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission as an alternative approach to those based on external databases and models. This approach uses spatiotemporal filtering techniques with optimized filters to be robust against the thermal noise and image reconstruction artifacts present in SMOS images. It is also possible to retrieve the Faraday rotation angle from the recovered VTEC maps in order to correct the effect that it causes in the SMOS brightness temperaturesThis research was supported by the European Space Agency and Deimos Engenharia (Portugal), SMOS P7 Subcontract DME CP12 no. 2015-005; ERDF (European Regional Development Fund); by the Spanish public funds, projects TEC2017-88850-R and ESP2015-67549-C3-1-R; and through the award “Unidad de Excelencia María de Maeztu” MDM-2016-0600, financed by the “Agencia Estatal de Investigación” (Spain) and by the European Regional Development Fund (ERDF)With the funding support of the ‘Severo Ochoa Centre of Excellence’ accreditation (CEX2019-000928-S), of the Spanish Research Agency (AEI)Peer reviewe

Deriving vertical total electron content maps from SMOS full polarimetric data to compensate the Faraday rotation effect

The Faraday rotation is a geophysical effect that causes a rotation of the electromagnetic field components emitted by the Earth when it propagates through the ionosphere. It depends on the vertical total electron content (VTEC) of the ionosphere, the geomagnetic field, and the frequency. For satellite measurements at the L band, this effect is not negligible and must be compensated for. This is the case of the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission, where the measured polarimetric brightness temperature must be corrected from the Faraday rotation effect before the retrieval of the geophysical parameters. The Faraday rotation angle (FRA) can be estimated using a theoretical formulation that makes use of external sources for the VTEC and the geomagnetic field. Alternatively, it can be continuously retrieved from the SMOS full-polarimetric data. However, this is not straightforward due to the relatively poor radiometric sensitivity (thermal noise) and accuracy (spatial bias) of its payload MIRAS (Microwave Interferometer Radiometer by Aperture Synthesis). In this thesis, a methodology for estimating the total electron content of the ionosphere by using an inversion procedure from the measured rotation angle has been developed. These SMOS VTEC maps are derived from SMOS measurements in the Extended Alias-Free Field of View (EAF-FoV) by applying spatio-temporal filtering techniques to mitigate the radiometric errors present in the full-polarimetric measured brightness temperatures. Systematic error patterns found in the Faraday rotation angle retrieval have been characterized along the mission and corrected. The methodology is independent, not only of external databases and forward models, but also of the target that is being measured. Eventually, these SMOS-derived VTEC maps can then be used in the SMOS level 2 processors to improve the geophysical retrievals. The impact of using these SMOS VTEC maps to correct the FRA in the SMOS mission instead of the commonly used VTEC data from GPS has also been assessed, particularly over ocean, where the ionospheric effect is stronger. This assessment has demonstrated improvements in the spatial biases, in the stability of the brightness temperatures (especially in the third Stokes parameter), and in the reduction of the latitudinal gradient present in the third Stokes parameters. All these quality indicators point to a better quality of the geophysical retrievals.La rotación de Faraday es un efecto geofísico que causa un giro en las componentes del campo electromagnético emitido por la Tierra cuando éste se propaga a través de la ionosfera. Ésta depende del contenido vertical total de electrones (VTEC) en la ionosfera, el campo geomagnético y la frecuencia. En las medidas de los satélites que operan en banda L, este efecto no es despreciable y se debe compensar. Este es el caso de la misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), por lo que el efecto de Faraday se tiene que corregir en las medidas polarimétricas captadas por el instrumento antes de obtener parámetros geofísicos. El ángulo de rotación de Faraday (FRA) se puede estimar con una fórmula teórica que usa bases de datos externas para el VTEC y el campo geomagnético. Alternativamente, se puede obtener de una manera continua a partir de los datos polarimétricos de SMOS. Sin embargo, esto no se logra con un cálculo directo debido a la pobre sensibilidad radiométrica (ruido térmico) y a la baja precisión (sesgos espaciales) que presenta el instrumento MIRAS (Microwave Interferometer Radiometer by apertura Synthesis), que se encuentra a bordo del satélite. En esta tesis, se desarrolla una metodología para estimar el VTEC de la ionosfera usando un proceso inverso a partir del ángulo de rotación medido. Estos mapas de VTEC se derivan de medidas en todo el campo de visión extendido en donde no hay aliasing. Para mitigar los errores radiométricos en las temperaturas de brillo polarimétricas, se aplican técnicas de filtrados temporales y espaciales. En el ángulo de rotación de Faraday recuperado se detectaron errores sistemáticos. Estos se caracterizaron a lo largo de la misión y se corrigieron. La metodología es independiente, no solo de bases de datos externas y modelos de océano, sino también de la superficie medida. Estos mapas de VTEC derivados de los datos SMOS se pueden usar en el procesador de nivel 2 para mejorar las recuperaciones geofísicas. Se ha evaluado el impacto de usar estos mapas para corregir el FRA en la misión, en vez de los datos de VTEC que comúnmente se emplean (mapas provenientes de datos de GPS), particularmente sobre océano, en donde los efectos de la ionosfera son más críticos. Esta verificación ha demostrado mejoras en el sesgo espacial, en la estabilidad de las temperaturas de brillo (especialmente en el tercer parámetro de Stokes) y en la reducción del gradiente latitudinal presente en el tercer parámetro de Stokes. Todos estos indicadores de calidad apuntan a la obtención de parámetros geofísicos de mejor calidad.Postprint (published version

Correcting the FRA systematic error in VTEC maps from SMOS radiometric data

The Faraday rotation (FR) is a nonnegligible effect at the L-band, which is the operation frequency of the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission. This effect introduces a rotation in the electromagnetic field polarization when propagating through the ionosphere that must be compensated. Recently, a methodology was developed in order to retrieve the vertical total electron content (VTEC) from SMOS radiometric data with the aim to better correct the FR effect [1] . In that work, systematic patterns in the retrieved FR angle (FRA) were detected. In this article, these systematic patterns are characterized and corrected to improve the quality of the retrieved VTEC maps. These maps can be then reused in the SMOS level 2 processor for the correction of the FRA in the mission. The impact of using the SMOS-derived VTEC maps instead of the VTEC data from global positioning system (GPS) measurements on the ocean brightness temperatures (TB) measurement has also been analyzed. Results of this analysis show that the usage of those maps allows a significant enhancement in the quality of the TB, which will lead to an improvement on salinity retrievals.This work was supported in part by the European Space Agency, Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) Expert Support Laboratories (ESL) for SMOS Level 1 and Level 2 over Land, Ocean and Ice Project under Grant RFQ/3-16138/19/I-BG; in part by the SMOS P7 under Contract DME CP12 no. 2015-005 (in joint with Deimos Engenharia, Portugal); in part by the Spanish Public Funds under Project TEC2017-88850-R and Project ESP2015-67549-C3-1-R through the Award “Unidad de Excelencia María de Maeztu” MDM-2016-0600, financed by the “Agencia Estatal de Investigación” (Spain); in part by the European Regional Development (ERDF); in part by the SMOS ESL for SMOS Level 1 and Level 2 over Land, Ocean and Ice Project under Grant ARG/003-032/0315/ICMCSIC; in part by the Spanish Research and Development Project INTERACT under Grant PID2020-114623RB-C31; and in part by the Spanish Government through the “Severo Ochoa Centre of Excellence” accreditation under Grant CEX2019-000928-S.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Calculation of Faraday Rotation Angle from SMOS Radiometric Data

The Faraday Rotation (FR) consists of a rotation in the components of the electromagnetic field emitted by the Earth as it propagates through the ionosphere. It depends on the frequency, the geomagnetic field, and the Vertical Total Electron Content (VTEC) of the ionosphere. For the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission, which operates in the L-band, this effect is not negligible and must be compensated. This project is born from a methodology that consists of the estimation of the ionosphere VTEC of every SMOS overpass through an inversion procedure based on the measured FRA. However, there are some zones where the FRA and VTEC cannot be retrieved due to the presence of Radio Frequency Interferences (RFI) or in zones of dense forest or ice. In order to improve the maps of the recovered VTEC and FRA, these zones where they cannot be recovered have been analyzed. First, the brightness temperature (TB) maps have been reproduced and the FRA formula has been analyzed to observe in detail where the FRA cannot be recovered, focusing on Canada. It will be found that this happens because of an indetermination of the formula. Then, three approaches will be proposed, each one with a different methodology with the aim of improving the recovered VTEC maps. The VTEC cannot have negative values, but in the core methodology, some negative values appear which are then rejected when plotting them on the map, since they correspond to VTEC values that have not been correctly recovered. Therefore, the VTEC recovery maps will be improved by applying one of these approaches, although the statistic will worsen a bit. Finally, more suitable and optimal thresholds are going to be looked for in order to improve the statistics of the maps.La Rotación de Faraday (RF) consiste en una rotación en los componentes del campo electromagnético emitido por la Tierra al propagarse por la ionosfera. Depende de la frecuencia, del campo geomagnético y del contendido total vertical de electrones (VTEC) de la ionosfera. Para la misión Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS), que opera en la banda L, este efecto no es despreciable y debe ser compensado. Este proyecto nace de una metodología que consiste en la estimación del VTEC de la ionosfera de cada pasada del satélite SMOS mediante un procedimiento inverso basado en el FRA medido. Sin embargo, hay algunas zonas en las que el FRA y el VTEC no se pueden recuperar debido a la presencia de interferencias de radiofrecuencia (RFI) o en zonas de bosque o hielo. Para poder mejorar la recuperación de la FRA y el VTEC, se han analizado estas zonas donde no se pueden recuperar. Primero, se han reproducido los mapas de temperatura de brillo (TB) y se ha analizado la fórmula del FRA para poder observar con detalle dónde y porqué no se puede recuperar el FRA, centrándonos en Canadá. Se verá que esto ocurre debido a una indeterminación de la fórmula. Después, se presentarán tres enfoques, cada uno con una metodología diferente con el fin de mejorar los mapas de la recuperación de VTEC. El VTEC no puede tener valores negativos, sin embargo, en la metodología base aparecen algunos valores negativos que luego son rechazados al momento de hacer las gráficas, ya que corresponden a valores de VTEC que no han sido recuperados correctamente. Por lo que, al aplicar uno de estos tres enfoques, los mapas de la recuperación de VTEC mejorarán, aunque a veces empeorando un poco las estadísticas. Por ultimo, se van a buscar umbrales más adecuados y óptimos para mejorar las estadísticas de los mapas.La Rotació de Faraday (RF) consisteix en una rotació en els components del camp electromagnètic emès per la Terra en propagar-se per la ionosfera. Depèn de la freqüència, del camp geomagnètic i del contingut total vertical d'electrons (VTEC) de la ionosfera. Per a la missió Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS), que opera en la banda L, aquest efecte no és menyspreable i ha de ser compensat. Aquest projecte neix d'una metodologia que consisteix en l'estimació del VTEC de la ionosfera de cada passada del SMOS mitjançant un procediment invers basat en el FRA mesurat. No obstant això, hi ha algunes zones en les quals el FRA i el VTEC no es poden recuperar a causa de la presència d'interferències de radiofreqüència (RFI) o en zones de bosc o gel. Per a poder millorar la recuperació de la FRA i el VTEC, s'han analitzat aquestes zones on no es poden recuperar. Primer, s'han reproduït els mapes de temperatura de lluentor (TB) i s'ha analitzat la fórmula del FRA per a poder observar amb detall on i perquè no es pot recuperar el FRA, centrant-nos en el Canadà. Es veurà que això es produeix a causa d'una indeterminació de la fórmula. Després, es presentaran tres enfocaments, cadascun amb una metodologia diferent amb la finalitat de millorar els mapes de la recuperació de VTEC. El VTEC no pot tenir valors negatius, no obstant això, en la metodologia apareixen alguns valors negatius que després són rebutjats al moment de fer les gràfiques, ja que corresponen a valors de VTEC que no han estat recuperats correctament. Pel que, en aplicar un d'aquests tres enfocaments, els mapes de la recuperació de VTEC milloraran però empitjorant una mica les estadístiques. Per últim, es buscaran llindars més adequats i òptims per a millorar les estadístiques dels mapes

Contribution to advanced sensor development for passive imaging of the Earth

This work has been formally undertaken within the frame of the scholarship number BES-2012-053917 of 1 December 2012, by the "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad" related to the program "Formación de Personal Investigador (FPI)". The scholarship is related to the research project at the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) number TEC2011-25865. In a more general scope, this thesis is related to the Remote Sensing Laboratory (Signal Theory & Communication Department, UPC) on-going activities, within the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission by the European Space Agency (ESA). These activities have been organized to provide original advances in the following four main topics: 1) SMOS calibration and performance. Since the launch of the instrument in 2009, SMOS imaging has been performing exclusively in co-polar mode. However, SMOS measurements are fully polarimetric. This feature was not operationally exploited due to the large errors yielded by full-pol images. In this context my work was addressed to support better characterization of the antenna. Based on the idea that SMOS polarization mode was recently implemented using Full-pol measurements, the so-called relative phases have been recomputed by using co-polar and cross-polar measurements. SMOS moderate Side Lobe Level (SLL) is caused by the limited coverage of the measured visibility samples in the frequency domain, so another objective of this work has been devoted to assess the impact of calibration errors into SMOS side lobes level (SLL). The main objective on this topic has been to reproduce by simulation SMOS measured side-lobe levels (SLL) by adding errors to a point source response, in order to identify the dominant source of error. During commissioning phase it was detected that SMOS heater system were introducing small and random sporadic PMS offset steps (jumps) in several units. Another work during this thesis has been devoted to mitigate those PMS jumps by trimming calibration date from single LICEF averaged TA jumps over the ocean. 2) SMOS spatial bias assessment. SMOS measurements still have mathematical image reconstruction errors that must be properly assessed. The aim of this work is to focus on the so-called "floor error", defined in an error free end-to-end image reconstruction simulation. In order to reduce this error, different inversion approaches have been implemented and tested, as the so-called Gibbs 2 approach 3) SMOS improved imaging. One of the problems of most concern within the SMOS mission is related to the so-called "land-sea contamination" (LSC), an artificial increase of ocean brightness temperature close to land masses. Therefore, a systematic assessment has been performed in this thesis in order to understand and mitigate this artifact. This subject is related to one of the main original outcomes of the thesis, since it has a relevant impact on the quality of SMOS imaging. The LSC mitigation technique developed during the work of the thesis has been presented and validated by different methods. 4) SMOS follow-on missions advanced configurations. This work is devoted to assess the impact of instrumental errors on the radiometric accuracy (pixel bias) of one of the selected array configurations of the so-called Super-MIRAS instrument. The aim of this work has been focused on the assessment of different array geometries and instrument architectures of future L-band synthetic aperture radiometers to improve spatial resolution while maintaining radiometric sensitivity.Esta tesis se ha llevado a cabo en el marco de la beca FPI BES-2012-053917 del 1 de diciembre de 2012, por el "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad", asociada al proyecto TEC2011-25865 (Universidad Politècnica de Catalunya). En un sentido más amplio, el trabajo se engloba dentro de las actividades del Grupo de Teledetección (RSLab) del Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones, UPC, en el marco de la misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de la Agencia Espacial Europea del Espacio (ESA). El trabajo se divide en: 1) Calibración y prestaciones del sensor SMOS Desde el lanzamiento del instrumento en 2009, la imagen de SMOS se ha obtenido utilizando medidas en modo co-polar. Sin embargo, las medidas en SMOS se realizan en full-pol. Esto no se había llevado a cabo debido a los grandes errores que se obtenían con imágenes en full-pol. En este contexto mi trabajo se ha enfocado en la realización de una mejor caracterización de la antena. Basado en la idea de que el modo full-pol ha sido recientemente implementado en SMOS, las fases relativas entre antenas han sido recalculadas utilizando medidas co-polares y cross-polares. Los lóbulos secundarios de SMOS (SLL) son causados por la cobertura limitada de las visibilidades medidas en el dominio frecuencial, así que otro de los objetivos de este trabajo ha sido analizar el impacto de errores de calibración en los lóbulos secundarios de SMOS. Básicamente se han reproducido los lóbulos secundarios de SMOS mediantes simulaciones añadiendo errores a una fuente puntual, identificando las principales fuentes de error. Durante la fase de comisionado se detectó que el sistema de calentamiento de SMOS introducía pequeños saltos aleatorios del offset del PMS en diferentes unidades. Para hacer un seguimiento y corregir estos saltos se realizaron calibraciones de offset semanales justo después de la fase de comisionado, así que otro de los trabajos realizados en esta tesis ha sido dirigido a mitigar estos saltos introduciendo calibraciones adicionales antes de los mismos a partir de medir la temperatura de antena media calculada en el océano. 2) Técnicas de reducción de los errores espaciales SMOS tiene un error matemático de reconstrucción en la imagen que ha sido investigado en este trabajo. Así que este trabajo se ha focalizado en el "floor error" definido como el error de reconstrucción en un instrumento ideal libre de errores. Para reducir este error se han utilizado diferentes aproximaciones como Gibbs 2. 3) Mejoras en la inversión de imagen Uno de los mayores problemas durante los primeros cinco años de misión SMOS ha sido la llamada "land-sea contamination" (contaminación tierra-mar). Así pues, se ha realizado un estudio sistemático para comprender y mitigar este artefacto. Este tema está relacionado con uno de los descubrimientos más importantes de esta tesis ya que este tiene un gran impacto en la calidad de la imagen de SMOS. La técnica encontrada para mitigar este error es presentada y validada mediante diferentes métodos. 4) Misiones futuras Este trabajo está enfocado en la investigación del impacto de errores instrumentales en la precisión radiométrica de errores espaciales de una de las posibles nuevas configuraciones de array propuestas para construir un nuevo instrumento llamado Super-MIRAS. El propósito principal de este trabajo está orientado en el desarrollo de diferentes geometrías de arrays y arquitecturas de instrumentos para una futura misión en banda L, en la que se diseñaría un nuevo radiómetro de apertura sintética para mejorar la resolución espacial manteniendo la sensibilidad radiométrica

Contribution to advanced sensor development for passive imaging of the Earth

This work has been formally undertaken within the frame of the scholarship number BES-2012-053917 of 1 December 2012, by the "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad" related to the program "Formación de Personal Investigador (FPI)". The scholarship is related to the research project at the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) number TEC2011-25865. In a more general scope, this thesis is related to the Remote Sensing Laboratory (Signal Theory & Communication Department, UPC) on-going activities, within the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission by the European Space Agency (ESA). These activities have been organized to provide original advances in the following four main topics: 1) SMOS calibration and performance. Since the launch of the instrument in 2009, SMOS imaging has been performing exclusively in co-polar mode. However, SMOS measurements are fully polarimetric. This feature was not operationally exploited due to the large errors yielded by full-pol images. In this context my work was addressed to support better characterization of the antenna. Based on the idea that SMOS polarization mode was recently implemented using Full-pol measurements, the so-called relative phases have been recomputed by using co-polar and cross-polar measurements. SMOS moderate Side Lobe Level (SLL) is caused by the limited coverage of the measured visibility samples in the frequency domain, so another objective of this work has been devoted to assess the impact of calibration errors into SMOS side lobes level (SLL). The main objective on this topic has been to reproduce by simulation SMOS measured side-lobe levels (SLL) by adding errors to a point source response, in order to identify the dominant source of error. During commissioning phase it was detected that SMOS heater system were introducing small and random sporadic PMS offset steps (jumps) in several units. Another work during this thesis has been devoted to mitigate those PMS jumps by trimming calibration date from single LICEF averaged TA jumps over the ocean. 2) SMOS spatial bias assessment. SMOS measurements still have mathematical image reconstruction errors that must be properly assessed. The aim of this work is to focus on the so-called "floor error", defined in an error free end-to-end image reconstruction simulation. In order to reduce this error, different inversion approaches have been implemented and tested, as the so-called Gibbs 2 approach 3) SMOS improved imaging. One of the problems of most concern within the SMOS mission is related to the so-called "land-sea contamination" (LSC), an artificial increase of ocean brightness temperature close to land masses. Therefore, a systematic assessment has been performed in this thesis in order to understand and mitigate this artifact. This subject is related to one of the main original outcomes of the thesis, since it has a relevant impact on the quality of SMOS imaging. The LSC mitigation technique developed during the work of the thesis has been presented and validated by different methods. 4) SMOS follow-on missions advanced configurations. This work is devoted to assess the impact of instrumental errors on the radiometric accuracy (pixel bias) of one of the selected array configurations of the so-called Super-MIRAS instrument. The aim of this work has been focused on the assessment of different array geometries and instrument architectures of future L-band synthetic aperture radiometers to improve spatial resolution while maintaining radiometric sensitivity.Esta tesis se ha llevado a cabo en el marco de la beca FPI BES-2012-053917 del 1 de diciembre de 2012, por el "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad", asociada al proyecto TEC2011-25865 (Universidad Politècnica de Catalunya). En un sentido más amplio, el trabajo se engloba dentro de las actividades del Grupo de Teledetección (RSLab) del Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones, UPC, en el marco de la misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de la Agencia Espacial Europea del Espacio (ESA). El trabajo se divide en: 1) Calibración y prestaciones del sensor SMOS Desde el lanzamiento del instrumento en 2009, la imagen de SMOS se ha obtenido utilizando medidas en modo co-polar. Sin embargo, las medidas en SMOS se realizan en full-pol. Esto no se había llevado a cabo debido a los grandes errores que se obtenían con imágenes en full-pol. En este contexto mi trabajo se ha enfocado en la realización de una mejor caracterización de la antena. Basado en la idea de que el modo full-pol ha sido recientemente implementado en SMOS, las fases relativas entre antenas han sido recalculadas utilizando medidas co-polares y cross-polares. Los lóbulos secundarios de SMOS (SLL) son causados por la cobertura limitada de las visibilidades medidas en el dominio frecuencial, así que otro de los objetivos de este trabajo ha sido analizar el impacto de errores de calibración en los lóbulos secundarios de SMOS. Básicamente se han reproducido los lóbulos secundarios de SMOS mediantes simulaciones añadiendo errores a una fuente puntual, identificando las principales fuentes de error. Durante la fase de comisionado se detectó que el sistema de calentamiento de SMOS introducía pequeños saltos aleatorios del offset del PMS en diferentes unidades. Para hacer un seguimiento y corregir estos saltos se realizaron calibraciones de offset semanales justo después de la fase de comisionado, así que otro de los trabajos realizados en esta tesis ha sido dirigido a mitigar estos saltos introduciendo calibraciones adicionales antes de los mismos a partir de medir la temperatura de antena media calculada en el océano. 2) Técnicas de reducción de los errores espaciales SMOS tiene un error matemático de reconstrucción en la imagen que ha sido investigado en este trabajo. Así que este trabajo se ha focalizado en el "floor error" definido como el error de reconstrucción en un instrumento ideal libre de errores. Para reducir este error se han utilizado diferentes aproximaciones como Gibbs 2. 3) Mejoras en la inversión de imagen Uno de los mayores problemas durante los primeros cinco años de misión SMOS ha sido la llamada "land-sea contamination" (contaminación tierra-mar). Así pues, se ha realizado un estudio sistemático para comprender y mitigar este artefacto. Este tema está relacionado con uno de los descubrimientos más importantes de esta tesis ya que este tiene un gran impacto en la calidad de la imagen de SMOS. La técnica encontrada para mitigar este error es presentada y validada mediante diferentes métodos. 4) Misiones futuras Este trabajo está enfocado en la investigación del impacto de errores instrumentales en la precisión radiométrica de errores espaciales de una de las posibles nuevas configuraciones de array propuestas para construir un nuevo instrumento llamado Super-MIRAS. El propósito principal de este trabajo está orientado en el desarrollo de diferentes geometrías de arrays y arquitecturas de instrumentos para una futura misión en banda L, en la que se diseñaría un nuevo radiómetro de apertura sintética para mejorar la resolución espacial manteniendo la sensibilidad radiométrica.Postprint (published version

Synergistic optical and microwave remote sensing approaches for soil moisture mapping at high resolution

Aplicat embargament des de la data de defensa fins al dia 1 d'octubre de 2022Soil moisture is an essential climate variable that plays a crucial role linking the Earth’s water, energy, and carbon cycles. It is responsible for the water exchange between the Earth’s surface and the atmosphere, and provides key information about soil evaporation, plant transpiration, and the allocation of precipitation into runoff, surface flow and infiltration. Therefore, an accurate estimation of soil moisture is needed to enhance our current climate and meteorological forecasting skills, and to improve our current understanding of the hydrological cycle and its extremes (e.g., droughts and floods). L-band Microwave passive and active sensors have been used during the last decades to estimate soil moisture, since there is a strong relationship between this variable and the soil dielectric properties. Currently, there are two operational L-band missions specifically devoted to globally measure soil moisture: the ESA’s Soil Moisture and the Ocean Salinity (SMOS), launched in November 2009; and the NASA’s Soil Moisture Active Passive (SMAP), launched in January 2015. The spatial resolution of the SMOS and SMAP radiometers, in the order of tens of kilometers (~40 km), is adequate for global applications. However, to fulfill the needs of a growing number of applications at local or regional scale, higher spatial detail (< 1 km) is required. To bridge this gap and improve the spatial resolution of the soil moisture maps, a variety of spatial enhancement or spatial (sub-pixel) disaggregation approaches have been proposed. This Ph.D. Thesis focuses on the study of the Earth’s surface soil moisture from remotely sensed observations. This work includes the implementation of several soil moisture retrieval techniques and the development, implementation, validation and comparison of different spatial enhancement or downscaling techniques, applied at local, regional, and continental scale. To meet these objectives, synergies between several active/passive microwave sensors (SMOS, SMAP and Sentinel-1) and optical/thermal sensors (MODIS) have been explored. The results are presented as follows: - Spatially consistent downscaling approach for SMOS using an adaptive moving window A passive microwave/optical downscaling algorithm for SMOS is proposed to obtain fine-scale soil moisture maps (1 km) from the native resolution (~40 km) of the instrument. This algorithm introduces the concept of a shape-adaptive window as a central improvement of the disaggregation technique presented by Piles et al. (2014), allowing its application at continental scales. - Assessment of multi-scale SMOS and SMAP soil moisture products across the Iberian Peninsula The temporal and spatial characteristics of SMOS and SMAP soil moisture products at coarse- and fine-scales are assessed in order to learn about their distinct features and the rationale behind them, tracing back to the physical assumptions they are based upon. - Impact of incidence angle diversity on soil moisture retrievals at coarse and fine scales An incidence angle (32.5°, 42.5° and 52.5°)-adaptive calibration of radiative transfer effective parameters single scattering albedo and soil roughness has been carried out, highlighting the importance of such parameterization to accurately estimate soil moisture at coarse-resolution. Then, these parameterizations are used to examine the potential application of a physically-based active-passive downscaling approach to upcoming microwave missions, namely CIMR, ROSE-L and Sentinel-1 Next Generation. Soil moisture maps obtained for the Iberian Peninsula at the three different angles, and at coarse and fine scales are inter-compared using in situ measurements and model data as benchmarks.La humedad del suelo es una variable climática esencial que juega un papel crucial en la relación de los ciclos del agua, la energía y el carbono de la Tierra. Es responsable del intercambio de agua entre la superficie de la Tierra y la atmósfera, y proporciona información crucial sobre la evaporación del suelo, la transpiración de las plantas y la distribución de la precipitación en escorrentía, flujo superficial e infiltración. Por lo tanto, es necesaria una estimación precisa de la humedad del suelo para mejorar las predicciones climáticas y meteorológicas, y comprender mejor el ciclo hidrológico y sus extremos (v.g., sequías e inundaciones). Los sensores pasivos y activos en banda L se han usado durante las últimas décadas para estimar la humedad del suelo debido a la relación directa que existe entre esta variable y las propiedades dieléctricas del suelo. Actualmente, hay dos misiones operativas en banda L específicamente dedicadas a medir la humedad del suelo a escala global: la misión Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) de la ESA, lanzada en noviembre de 2009; y la misión Soil Moisture Active Passive (SMAP) de la NASA, lanzada en enero de 2015. La resolución espacial de los radiómetros SMOS y SMAP, del orden de unas decenas de kilómetros (~40 km), es adecuada para aplicaciones a escala global. Sin embargo, para satisfacer las necesidades de un número creciente de aplicaciones a escala local o regional, se requiere más detalle espacial (<1 km). Para solventar esta limitación y mejorar la resolución espacial de los mapas de humedad, se han propuesto diferentes técnicas de mejora o desagregación espacial. Esta Tesis se centra en el estudio de la humedad de la superficie terrestre a partir de datos obtenidos a través de teledetección. Este trabajo incluye la implementación de distintos algoritmos de recuperación de la humedad del suelo y el desarrollo, implementación, validación y comparación de distintas técnicas de desagregación, aplicadas a escala local, regional y continental. Para cumplir estos objetivos, se han explorado sinergias entre diferentes sensores de microondas activos/pasivos (SMOS, SMAP y Sentinel-1) y sensores ópticos/térmicos. Los resultados se presentan de la siguiente manera: - Técnica de desagregación espacialmente consistente, basada en una ventana móvil adaptativa, aplicada a los datos SMOS Se propone un algoritmo de desagregación del píxel basado en datos obtenidos de medidas radiométricas de microondas en banda L y datos ópticos, para mejorar la resolución espacial de los mapas de humedad del suelo desde la resolución nativa del instrumento (~40 km) hasta resoluciones de 1 km. El algoritmo introduce el concepto de una ventana de contorno adaptativo, como mejora principal sobre la técnica de desagregación presentada en Piles et al. (2014), permitiendo su implementación a escala continental. - Análisis multiescalar de productos de humedad del suelo SMAP y SMOS sobre la Península Ibérica Se han evaluado las características temporales y espaciales de distintos productos de humedad del suelo SMOS y SMAP, a baja y a alta resolución, para conocer sus características distintivas y comprender las razones de sus diferencias. Para ello, ha sido necesario rastrear los supuestos físicos en los que se basan. - Impacto del ángulo de incidencia en la recuperación de la humedad del suelo a baja y a alta resolución Se ha llevado a cabo una calibración adaptada al ángulo de incidencia (32.5°, 42.5° y 52.5°) de los parámetros efectivos, albedo de dispersión simple y rugosidad del suelo, descritos en el modelo de transferencia radiativa � − �, incidiendo en la importancia de esta parametrización para estimar la humedad del suelo de forma precisa a baja resolución. El resultado de las mismas se ha utilizado para estudiar la potencial aplicación de un algoritmo activo/pasivo de desagregación basado en la física para las próximas misiones de microondas, llamadas CIMR, ROSE-L y Sentinel-1 Next Generation. Los mapas de humedad recuperados a los tres ángulos de incidencia, tanto a baja como a alta resolución, se han obtenido para la Península Ibérica y se han comparado entre ellos usando como referencia mediciones de humedad in situ.Postprint (published version

Earth remote sensing with SMOS, Aquarius and SMAP missions

The first three of a series of new generation satellites operating at L-band microwave frequencies have been launch in the last decade. L-band is particularly sensitive to the presence of water content in the scene under observation, being considered the optimal bandwidth for measuring the Earth's global surface soil moisture (SM) over land and sea surface salinity (SSS) over oceans. Monitoring these two essential climate variables is needed to further improve our understanding of the Earth's water and energy cycles. Additionally, remote sensing at L-band has been proved useful for monitoring the stability in ice sheets and measuring sea ice thickness. The ESA's Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS, 2009-2017) is the first mission specifically launched to monitor SM and SSS. It carries on-board a novel synthetic aperture radiometer with multi-angular and full-polarization capabilities. NASA's Aquarius (2011-2015) was the second mission, devoted to SSS monitoring with a combined real aperture radiometer/scatterometer system that allows correcting for sea surface roughness. NASA's Soil Moisture Active Passive (SMAP, 2015-2018) is the second mission dedicated to measure SM. It carries on-board a real aperture full-polarimetric radiometer and a synthetic aperture radar (SAR) for enhanced spatial resolution and freeze/thaw detection. This Ph.D. Thesis is focused on analyzing the geophysical information that can be obtained from L-band SMOS, Aquarius and SMAP observations. The research activities are structured as follows: -Inter-comparison of radiometer brightness temperatures at selected targets. A novel methodology to measure the consistency between SMOS and Aquarius radiometric data over the entire dynamic range of observations (land, ice and ocean) is proposed. It allows detecting spatial/temporal differences or biases without latitudinal limitations neither cross-overs. This is a necessary step to combine observations from different instruments in a long term dataset for environmental, meteorological, hydrological or climatological studies. -Ice thickness effects on passive remote sensing of Antarctic continental ice. The relationship between Antarctic ice thickness spatial variations and changes detected by SMOS and Aquarius measurements is explored. The emissivity of Antarctica is analyzed to disentangle the role of the geophysical contributions (snow layers at different depths and subglacial lakes) to the observed signal. The stability of the L-band signal in the East Antarctic Plateau, calibration/validation site for microwave satellite missions, is assessed. -Microwave/optical synergy for multi-scale soil moisture sensing. The relationship of SM and land surface temperature (LST) dynamics is evaluated to better understand the fundamental SM-LST link through evapotranspiration and thermal inertia physical processes. A new approach to measure the critical soil moisture from time-series of spaceborne SM and LST is proposed. The synergistic use of SMOS SM and remotely sensed LST for refining SM disaggregation algorithms is also analyzed. -Comparison of passive and active microwave vegetation parameters. Recent research has shown that microwave vegetation opacity, sensitive to biomass and water content, and albedo, related to canopy structure, can be retrieved from passive L-band observations. The relationships between these two parameters and radar-derived vegetation descriptors have been explored using airborne observations from the SMAP Validation Experiment 2012 (SMAPVEX12). The obtained relations could allow for improved SM retrievals in active-passive systems, and also to estimate the vegetation properties at high resolution using SAR observations. The Ph.D. Thesis has been developed within the activities of the Barcelona Expert Centre (BEC). The presented results contribute to the use of L-band remote sensing in different scientific disciplines such as climate, cryosphere, hydrology and ecology.Els primers tres d'una sèrie de satèl·lits de nova generació funcionant a la banda L han sigut llançats a l'última dècada. La banda L es molt sensible a la presència d'aigua a l'escena observada, sent considerada òptima per mesurar la humitat del sòl (SM) i la salinitat del mar (SSS) de manera global a la superfície de la Terra. Monitoritzar aquestes dues variables climàtiques essencials es necessari per millorar el nostre coneixement dels cicles de l'aigua i l'energia. La teledetecció a banda L també ha sigut útil per monitoritzar l'estabilitat de les capes de gel i mesurar el gruix de gel marí. La missió Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS, 2009-2017) de l'ESA és la primera específicament llançada per monitoritzar SM i SSS. Porta un nou radiòmetre d'apertura sintètica amb capacitat multiangular i polarització completa. La missió Aquarius (2011-2015) de la NASA va ser la segona, dedicada a monitoritzar SSS amb un sistema de radiòmetre/escateròmetre d’apertura real que permet corregir la rugositat de la superfície del mar. La missió Soil Moisture Active Passive (SMAP, 2015-2018) de la NASA és la segona dedicada a mesurar SM. Porta un radiòmetre d'apertura real i polarització completa i un radar d'apertura sintètica (SAR) per una millor resolució espaial i detecció de congelació/descongelació. Aquesta tesi està enfocada en analitzar la informació geofísica que pot obtenir-se de les observacions a banda L d'SMOS, Aquarius i SMAP. La seva investigació està estructurada com: -Intercomparació de temperatures de brillantor en zones seleccionades. Es proposa un nou mètode per mesurar la consistència entre les dades radiomètriques d'SMOS i Aquarius sobre el rang dinàmic complet d'observacions (terra, gel, oceà). Això permet detectar diferències espaials/temporals o biaixos sense limitacions latitudinals ni creuaments. Aquest pas es necessari per combinar observacions de diferents instruments en un llarg conjunt de dades per estudis mediambientals, hidrològics o climatològics. -Efecte de gruix de gel en teledetecció de gel continental a l'Antàrtida. S'explora la relació entre les variacions espaials del gruix de gel antàrtic i els canvis detectats a les mesures d'SMOS i Aquarius. L'emissivitat de l'Antàrtida es analitzada per discernir el rol de les contribucions geofísiques (capes de gel a diferents profunditats i llacs subglacials) al senyal observat. S'avalua l'estabilitat del senyal a banda L sobre la zona est de l'altiplà antàrtic, lloc per calibratge/validació de satèl·lits de microones. -Sinèrgia de microones/òptic per teledetecció de SM multiescala. S'avalua la correlació entre la SM i la temperatura de la superfície del sòl (LST) per entendre millor la relació SM-LST a través de processos físics d'evapotranspiració i inèrcia tèrmica. Es proposa un nou mètode per mesurar la humitat crítica utilitzant sèries temporals de SM i LST de satèl·lit. S'analitza l'ús de la SM de SMOS amb la LST de teledetecció per refinar algorismes de desagregació de SM. -Comparació de paràmetres passius i actius de microones relatius a la vegetació. Recent investigació ha mostrat que l'opacitat, sensible a la biomassa i el contingut d'aigua, i l'albedo, relacionat amb l'estructura, poden ser recuperats d'observacions passives a banda L. S'exploren les relacions entre aquests dos paràmetres i estimadors de vegetació derivats de radar utilitzant les observacions d'avió de l'experiment de validació d'SMAP 2012 (SMAPVEX12). Les relacions obtingudes podrien permetre millors recuperacions de SM en sistemes actius/passius i estimar les propietats de la vegetació a alta resolució utilitzant mesures de SAR. La tesi s'ha desenvolupat dins les activitats del Barcelona Expert Centre (BEC). Els resultats presentats contribueixen a l'ús de la banda L a diferents disciplines científiques com la climatologia, la criosfera, la hidrologia i l'ecologia

Multiscale soil moisture retrievals from microwave remote sensing observations

Memoria de tesis doctoral presentada por María Piles Guillem para optar al grado de Doctora por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), realizada bajo la dirección del Dr. Adriano Camps y de la Dra. Mercè Vall-llossera.-- 159 pages[EN] Soil moisture is a key state variable of the Earth’s system; it is the main variable that links the Earth’s water, energy and carbon cycles. Soil moisture variations affect the evolution of weather and climate over continental regions, and accurate observations of the Earth’s changing soil moisture are needed to achieve sustainable land and water management, and to enhance weather and climate forecasting skill, flood prediction and drought monitoring. This Ph.D. Thesis focuses on measuring the Earth’s surface soil moisture from space at a global and regional scale. [...][ES] La humedad del suelo es la variable que regula los intercambios de agua, energía, y carbono entre la tierra y la atmósfera. Mediciones precisas de humedad son necesarias para una gestión sostenible de los recursos de agua del planeta, para mejorar las predicciones meteorológicas y climáticas, y para la detección y monitorización de sequías e inundaciones. Esta tesis se centra en la medición de la humedad superficial de la Tierra desde el espacio, a escalas global y regional. [...]This work has been funded by the Spanish Ministry of Science and Education under the FPU grant AP2005-4912 and projects ESP2007-65667-C04-02 and AYA2008-05906-C02-01/ESPPeer Reviewe

Toward vicarious calibration of microwave remote-sensing satellites in arid environments

The Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) satellite marks the commencement of dedicated global surface soil moisture missions, and the first mission to make passive microwave observations at L-band. On-orbit calibration is an essential part of the instrument calibration strategy, but on-board beam-filling targets are not practical for such large apertures. Therefore, areas to serve as vicarious calibration targets need to be identified. Such sites can only be identified through field experiments including both in situ and airborne measurements. For this purpose, two field experiments were performed in central Australia. Three areas are studied as follows: 1) Lake Eyre, a typically dry salt lake; 2) Wirrangula Hill, with sparse vegetation and a dense cover of surface rock; and 3) Simpson Desert, characterized by dry sand dunes. Of those sites, only Wirrangula Hill and the Simpson Desert are found to be potentially suitable targets, as they have a spatial variation in brightness temperatures of <4 K under normal conditions. However, some limitations are observed for the Simpson Desert, where a bias of 15 K in vertical and 20 K in horizontal polarization exists between model predictions and observations, suggesting a lack of understanding of the underlying physics in this environment. Subsequent comparison with model predictions indicates a SMOS bias of 5 K in vertical and 11 K in horizontal polarization, and an unbiased root mean square difference of 10 K in both polarizations for Wirrangula Hill. Most importantly, the SMOS observations show that the brightness temperature evolution is dominated by regular seasonal patterns and that precipitation events have only little impact