Microwave Indices from Active and Passive Sensors for Remote Sensing Applications

Past research has comprehensively assessed the capabilities of satellite sensors operating at microwave frequencies, both active (SAR, scatterometers) and passive (radiometers), for the remote sensing of Earth’s surface. Besides brightness temperature and backscattering coefficient, microwave indices, defined as a combination of data collected at different frequencies and polarizations, revealed a good sensitivity to hydrological cycle parameters such as surface soil moisture, vegetation water content, and snow depth and its water equivalent. The differences between microwave backscattering and emission at more frequencies and polarizations have been well established in relation to these parameters, enabling operational retrieval algorithms based on microwave indices to be developed. This Special Issue aims at providing an overview of microwave signal capabilities in estimating the main land parameters of the hydrological cycle, e.g., soil moisture, vegetation water content, and snow water equivalent, on both local and global scales, with a particular focus on the applications of microwave indices

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

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

GNSS transpolar earth reflectometry exploriNg system (G-TERN): mission concept

The global navigation satellite system (GNSS) Transpolar Earth Reflectometry exploriNg system (G-TERN) was proposed in response to ESA's Earth Explorer 9 revised call by a team of 33 multi-disciplinary scientists. The primary objective of the mission is to quantify at high spatio-temporal resolution crucial characteristics, processes and interactions between sea ice, and other Earth system components in order to advance the understanding and prediction of climate change and its impacts on the environment and society. The objective is articulated through three key questions. 1) In a rapidly changing Arctic regime and under the resilient Antarctic sea ice trend, how will highly dynamic forcings and couplings between the various components of the ocean, atmosphere, and cryosphere modify or influence the processes governing the characteristics of the sea ice cover (ice production, growth, deformation, and melt)? 2) What are the impacts of extreme events and feedback mechanisms on sea ice evolution? 3) What are the effects of the cryosphere behaviors, either rapidly changing or resiliently stable, on the global oceanic and atmospheric circulation and mid-latitude extreme events? To contribute answering these questions, G-TERN will measure key parameters of the sea ice, the oceans, and the atmosphere with frequent and dense coverage over polar areas, becoming a “dynamic mapper”of the ice conditions, the ice production, and the loss in multiple time and space scales, and surrounding environment. Over polar areas, the G-TERN will measure sea ice surface elevation (<;10 cm precision), roughness, and polarimetry aspects at 30-km resolution and 3-days full coverage. G-TERN will implement the interferometric GNSS reflectometry concept, from a single satellite in near-polar orbit with capability for 12 simultaneous observations. Unlike currently orbiting GNSS reflectometry missions, the G-TERN uses the full GNSS available bandwidth to improve its ranging measurements. The lifetime would be 2025-2030 or optimally 2025-2035, covering key stages of the transition toward a nearly ice-free Arctic Ocean in summer. This paper describes the mission objectives, it reviews its measurement techniques, summarizes the suggested implementation, and finally, it estimates the expected performance.Peer ReviewedPostprint (published version