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Techniques and Applications for Satellite SAR Altimetry over water, land and ice

Dinardo, Salvatore (2020):
Techniques and Applications for Satellite SAR Altimetry over water, land and ice.
56, Darmstadt, Technische Universität, ISBN 978-3-935631-45-7,
DOI: 10.25534/tuprints-00011343,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Techniques and Applications for Satellite SAR Altimetry over water, land and ice
Language: English
Abstract:

Diese Arbeit hat die Entwicklung von neuen Prozessierungstechniken für die Synthetic Aperture Radar (SAR) Satellitenaltimetrie zum Ziel. Satellitenaltimetrie misst die Höhe eines flächen- oder punkthaften Zieles auf der Erde unter Ausnutzung des Doppler-Effektes zwischen Satellit und Ziel. SAR hat die beleuchtete Fläche (Footprint) in Flugrichtung um eine Größenordnung gegenüber dem klassischen Radar verringert und dadurch eine wesentlich bessere Auflösung und Genauigkeit erhalten. Diese Technik ist für Anwendungen auf dem offenen Ozean etabliert und validiert. Hier werden nun neue Algorithmen entwickelt, die es erlauben, die Vorteile von SAR universell für die Anwendung über Ozean, Küstenzone, Inland-Wasserflächen und See-Eis zu nutzen. Neben der Bestimmung des globalen Meeresspiegelanstiegs und der regionalen Variabilität kann so vor allem der Beitrag bisher kaum berücksichtigter kurzskaliger und hochfrequenter Änderungen in der Küstenzone zur Gesamtbilanz in der Untersuchung von Klimawandel und Bedrohung durch Fluten.

Dazu wird die Standard SAR-Altimetrie Prozessierungskette mit speziellen Ansätzen und Erweiterungen des Delay-Doppler-Algorithmus in der Prozessierung der L1b-Daten ergänzt. Damit wurden die Algorithmen für das Re-Tracking der Wellenformen nach dem standardisierten physikalisch basierten SAR-Wellenformmodell SAMOSA von Ray et al., (2015) verbessert. Durch Einführung einer Look-Up Tabelle und damit einer standardisierten Analyse wird eine genauere Ableitung der geophysikalischen Größen (Meereshöhe, Wind, Wellenhöhe) für den offenen Ozean möglich. Darauf aufbauend wurde ein speziell für die Küstenzone zugeschnittener Algorithmus mit dem Namen SAMOSA+ entwickelt. Umfangreichen Validierungen bestätigen eine signifikante Verbesserung in der Küstenzone durch dieses spezielle SAR-Retracking. Dieser Retracker ist auch in die Prozessierung der nominellen ESA-Produkte des Bodensegmentes einbezogen worden. Darüber hinaus derselbe Algorithmus ebenso erstmals mit einem physisch basierten Retracker sehr genaue Messungen des Meereis-Freibords.

Um auch eine von SAMOSA+ nicht gewährleistete optimale Erfassung von Inland-Gewässern, Flüssen und Seen zu erreichen, wurden der Algorithmus erneut verbessert. Die Weiterentwicklung, als SAMOSA++ bezeichnet, berücksichtigt diemit SAR verfügbare und bisher kaum genutzte Range Integrated Power (RIP), die als zusätzliche Wellenform betrachtet werden kann. Dadurch konnte eine universelle Anwendbarkeit des Re-Trackers erreicht werden. Dies wird an verschiedenen thematischen Anwendungen wie Meeresoberflächen sowohl im offenen Ozean als auch in Küstengebieten und an zwei ausgewählten Testfällen von Binnengewässern präsentiert. Ein Vergleich mit den bisherigen Re-Trackern zeigt deutlich eine signifikante Verbesserung in allen Anwendungsbereichen gegenüber den bisherigen Verfahren. Als Vergleich dienten In Situ Daten, numerische Ozeanmodelle und Datensätze aus der herkömmlichen prä-SAR Methode zur Verarbeitung von Altimeterdaten, allgemein als PLRM bezeichnet.

Die neuen Algorithmen wurden erfolgreich im ESA-GPOD Bodensegment implementiert und werden heute weltweit von der Altimetrie-Benutzergemeinschaft verwendet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis deals with proposing novel processing techniques with applications in the field of Satellite Synthetic Aperture Radar (SAR) Altimetry. Satellite SAR Altimetry is the technique capable of measuring the altitude of a target (as ocean, coastal waters, sea ice, inland waters, etc.) on Earth from space exploiting the Doppler effect between the satellite and the target. The thesis is based essentially on the exploitation and processing of SAR data from the ESA Earth Explorer CryoSat-2 and the Copernicus mission Sentinel-3, which are the only two missions having on board a SAR altimeter. First, a short summary of the concept of SAR altimetry is given, by reviewing as well the state of the art of the discipline and the latest novelties in the field. Then, the methods used here to enhance the standard SAR Altimetry processing chain (Delay-Doppler Algorithm, K.R. Raney 1998) are presented. The enhancement consists in dedicated processing options at L1b level which may be regarded as complements or additions to the Delay-Doppler algorithm. Furthermore, a new approach in SAR waveform retracking has been proposed in order to retrieve accurate altitude measurements over open ocean, the coastal zone, inland water and sea ice. This consists in a new algorithm to extract the geophysical information from the radar waveforms, which is a modification of the SAMOSA SAR physically-based SAR return waveform model introduced by Ray et al., (2015). Once the evidence was gathered that this SAMOSA-based open ocean retracker was performing properly (see Fenoglio-Marc et al., 2015), an upgrade of the algorithm specifically tailored to the coastal zone and referred to as SAMOSA+ has been developed. This algorithm has been described and validated in Dinardo et al., (2018) with success in the coastal zone. Especially in coastal zone this dedicated coastal SAR retracking has brought a significant improvement with respect to the nominal SAR products from the mission ground segments. Moreover, the algorithm produces very accurate measurements of the sea-ice freeboard as well. This is a significant finding, because obtained by a physically-based retracker originally designed for the coastal zone data exploitation. However, SAMOSA+ has some limitations described in the thesis and does not perform as expected over inland water. For this reason, a further evolution of the SAMOSA+ algorithm, coined SAMOSA++, has been developed. The main novelty consists in accounting for the RIP (Range Integrated Power), which can be regarded as an extra waveform provided by SAR altimetry and has not been exploited by the altimetry community so far. The objective of this last retracker is to be “pan-thematic”, in other words suitable to any possible altimetry application. The results obtained from this novel technique have been extensively presented on different thematic applications such as marine surfaces (both open ocean and the coastal zone) and inland water (over two selected test cases), and are always outperforming the other retrackers. Based on the toolkits developed during this thesis, a SAR altimetry service has been developed and is now operational on the ESA G-POD grid platform. The service has been used to process online and on-demand all the data used in the thesis work and is daily used by experts in the field of altimetry. The validation has been done against in situ data, ocean numerical models and against standard altimetry products processed in SAR mode from the missions’ ground segment altimeter datasets against products processed in Pseudo Low Resolution Mode (PLRM). This last product type corresponds to the conventional processing methodology used before SAR era (referred to commonly as PLRM). These results give strong evidence that the improvement brought by the novel technique is significant over all three thematic applications when compared with the state of the art. All these innovations will help scientists to monitor the sea level in the coastal zone, the inland water management and to improve the computation of the sea ice freeboard.English
Volume: 56
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Geodesy > Physical and Satellite Geodesy
Date Deposited: 03 Feb 2020 08:15
Last Modified: 09 Jul 2020 06:23
DOI: 10.25534/tuprints-00011343
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-113434
Referees: Becker, Prof. Dr. Matthias and Benveniste, Dr. Jerome and Fenoglio, Dr. Luciana and Schmalz, Prof. Dr. Britta and Vormwald, Prof. Dr. Michael
Refereed: 15 March 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11343
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