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

Desarrollo de un cabezal de microondas para a detección de frecuencia Doppler

Este proyecto tiene como finalidad realizar un prototipo de un radar implementado como un cabezal de microondas que pueda detectar frecuencia Doppler a 10,525 GHz en una placa de Microstrip con un sustrato de la empresa Rogers Corporation llamado RO4003 con especificaciones mostradas en el Anexo A, mediante un programa CAD (Computer Aided Design, Diseño Asistido por Computadoras) llamado ADS (Advanced Design System, Sistema de Diseño Avanzado)

Desarrollo de un cabezal de microondas para a detección de frecuencia Doppler

Este proyecto tiene como finalidad realizar un prototipo de un radar implementado como un cabezal de microondas que pueda detectar frecuencia Doppler a 10,525 GHz en una placa de Microstrip con un sustrato de la empresa Rogers Corporation llamado RO4003 con especificaciones mostradas en el Anexo A, mediante un programa CAD (Computer Aided Design, Diseño Asistido por Computadoras) llamado ADS (Advanced Design System, Sistema de Diseño Avanzado)

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

SMOS instrument performance after more than 11 years in orbit

ESA's Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission [1] has been in orbit for over 11 years, and its Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis (MIRAS) in two dimensions keeps being fully operational. This II-year long lifetime of SMOS, so far, has enabled the calibration and Level-1 processor team to improve the calibration procedures and the image reconstruction resulting in a new version of the Level-1 data processor, v724. To present the main performance features of this new version and the improvement in the calibration procedures constitute the main objective and content of this presentation.Peer ReviewedArticle signat per 32 autors/es: Manuel Martín-Neira(1), Roger Oliva(2) , Raúl Onrubia(2) , Ignasi Corbella(3), Nuria Duffo(3), Roselena Rubino(3), Juha Kainulainen(4), Josep Closa(5), Albert Zurita(5), Javier del Castillo(5), François Cabot(6), Ali Khazaal(6), Eric Anterrieu(6), Jose Barbosa(7), Gonçalo Lopes(8), Daniel Barros(8), Joe Tenerelli(9), Raúl Díez-García(10), Verena Rodríguez(10) , Jorge Fauste(14) , José María Castro Cerón(15) , Antonio Turiel(11), Verónica González-Gambau(11), Raffaele Crapolicchio(12), Lorenzo Di Ciolo(16) , Giovanni Macelloni(13), Marco Brogioni(13), Francesco Montomoli(13), Pierre Vogel(1), Berta Hoyos Ortega(1), Elena Checa Cortés(1), Martin Suess(1) // (1) European Space Agency, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands; (2)Zenithal Blue Technologies, Barcelona, Spain; (3) Remote Sensing Laboratory, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain; (4) Harp Technologies Ltd., Espoo, Finland; (5) Airbus Defence and Space, Madrid, Spain; (6) CESBIO, Toulouse, France; (7) RDA, Zürich, Switzerland; (8) DEIMOS, Lisbon, Portugal; (9) OceanDataLab, Brest, France; (10) Telespazio UK Ltd, ESAC, Villanueva de la Cañada, Spain; (11) SMOS Barcelona Expert Centre, Barcelona, Spain; (12) European Space Agency, ESRIN, Frascati, Italy; (13) Institute of Applied Physics, Florence, Italy; (14) European Space Agency, ESAC, Villanueva de la Cañada, Spain; (15) ISDEFE, ESAC, Villanueva de la Cañada, Spain; (16) Serco Italia S.p.A., Frascati, Italy.Postprint (author's final draft

Numerical MRI-based breast model for microwave imaging Modelo numérico de un seno basado en MRI para imágenes en microondas Model numèric d'una mama basada en el MRI per imatges en micrones

English: Nowadays, the most popular technique for breast cancer detection is the mammography. Due to its drawbacks, other alternative/complementary methods are being researched. In this master thesis, the feasibility of the UWB Magnitude-Combined (MC-UWB) tomographic algorithm is assessed for the breast cancer detection application. This process is done by creating a numerical breast model, calculating its direct problem, applying the algorithm to solve the inverse problem to finally present the reconstructed images.Spanish: Actualmente, la técnica más usada para detectar cancer de mamas es la mamografía. Debido a que esta presenta algunos inconvenientes, otros métodos alternativos/complementarios están siendo investigados. En esta tesis de master, la viabilidad del algoritmo basado en tomografía llamado UWB Magnitude-Combined (MC-UWB) es evaluada. Este proceso es realizado en varias etapas las cuales constan en: crear un modelo numérico del seno, calcular su problema directo, aplicar el algoritmo para solucionar el problema inverso, y finalmente, presentar las imágenes reconstruídas.Català: Actualment, la tècnica mes utilitzada per detectar càncer de mama es la mamografia. Degut a aixo, es presenten alguns inconvenients, altres mètodes alternatius/complementaris estan siguen desarrollats. En aquesta tesis de màster, la viabilitat de l'algorisme basat en tomografia anomenat UWB Magnitude-Combined (MC-UWB) és avaluada. Aquest procés es realitza en varies etapes les quals consten en: crear un model numèric de la mama, calcular el problema directe, aplicar l'algoritme per sol.lucionar el problema invers, i finalment, presentar les imatges reconstruïdes

Numerical MRI-based breast model for microwave imaging Modelo numérico de un seno basado en MRI para imágenes en microondas Model numèric d'una mama basada en el MRI per imatges en micrones

English: Nowadays, the most popular technique for breast cancer detection is the mammography. Due to its drawbacks, other alternative/complementary methods are being researched. In this master thesis, the feasibility of the UWB Magnitude-Combined (MC-UWB) tomographic algorithm is assessed for the breast cancer detection application. This process is done by creating a numerical breast model, calculating its direct problem, applying the algorithm to solve the inverse problem to finally present the reconstructed images.Spanish: Actualmente, la técnica más usada para detectar cancer de mamas es la mamografía. Debido a que esta presenta algunos inconvenientes, otros métodos alternativos/complementarios están siendo investigados. En esta tesis de master, la viabilidad del algoritmo basado en tomografía llamado UWB Magnitude-Combined (MC-UWB) es evaluada. Este proceso es realizado en varias etapas las cuales constan en: crear un modelo numérico del seno, calcular su problema directo, aplicar el algoritmo para solucionar el problema inverso, y finalmente, presentar las imágenes reconstruídas.Català: Actualment, la tècnica mes utilitzada per detectar càncer de mama es la mamografia. Degut a aixo, es presenten alguns inconvenients, altres mètodes alternatius/complementaris estan siguen desarrollats. En aquesta tesis de màster, la viabilitat de l'algorisme basat en tomografia anomenat UWB Magnitude-Combined (MC-UWB) és avaluada. Aquest procés es realitza en varies etapes les quals consten en: crear un model numèric de la mama, calcular el problema directe, aplicar l'algoritme per sol.lucionar el problema invers, i finalment, presentar les imatges reconstruïdes

Desarrollo de un cabezal de microondas para a detección de frecuencia Doppler

Este proyecto tiene como finalidad realizar un prototipo de un radar implementado como un cabezal de microondas que pueda detectar frecuencia Doppler a 10,525 GHz en una placa de Microstrip con un sustrato de la empresa Rogers Corporation llamado RO4003 con especificaciones mostradas en el Anexo A, mediante un programa CAD (Computer Aided Design, Diseño Asistido por Computadoras) llamado ADS (Advanced Design System, Sistema de Diseño Avanzado)

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 retrievalsWith the institutional support of the ‘Severo Ochoa Centre of Excellence’ accreditation (CEX2019-000928-S)Peer reviewe

New methodology for the Faraday rotation angle retrieval in the SMOS field of view

This work has been supported by the European Space Agency and Deimos Engenharia (Portugal), SMOS P7 Subcontract DME CP12 no. 2015-005; ERDF (European Regional Development Fund) and by Spanish public funds, projects TEC2017-88850-R and ESP2015-67549-C3-1-R.In this work, a new methodology to estimate the Faraday Rotation Angle (FRA) from SMOS full-pol brightness temperature is presented. This approach is focused on retrieving the Vertical Total Electron Content (VTEC) and then, the FRA for most of the SMOS overpass, with the final aim of improving geophysical retrievals. © 2018 IEEEPeer ReviewedPostprint (published version