Analysis and mitigation of the reconstruction error in interferometric radiometry

Abstract

[ANGLÈS] The European Space Agency (ESA) Soil Moisture and Ocean Salinity mission (SMOS) provides continuous global maps of soil moisture and ocean surface salinity. Its payload MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis) is an L-band (1400 MHz - 1427 MHz) interferometric radiometer which achieves unprecedented spatial resolution at this frequency. It was successfully launched on the 2nd November 2009 under the European Space Agency Earth Explorer program, and is now acquiring high precision data. Although the analysis presented here has been performed in the framework of SMOS, the conclusions are also valid for other types of missions using Synthetic Aperture Radiometers for observing planetary surfaces from space. This work analyzes the observed reconstruction error in SMOS brightness temperature images, to improve further the accuracy of the products, which would allow new scientific advances. The reconstruction error is defined as the residual spatial ripple that remains after an image reconstruction procedure, assuming perfect knowledge of the instrument and no calibration errors. The spatial ripple is therefore completely independent of the radiometric noise or the presence of modeling errors, being then solely related to the reconstruction process, summarized by the reconstruction matrix G. It will be shown that a condition which makes this error to appear is to have small antenna patterns differences between the receivers. In the case of SMOS, antenna voltage patterns differ by up to 5% of the nominal peak value. These differences, among other smaller contributions, introduce the undesired spatial ripple in the processed images, which cannot be improved using Gibbs-reduction techniques. After several years in orbit providing very useful data to the scientific community, it has become clear that to make new scientific breakthroughs possible, a complete re-assessment of the reconstruction process must be carried on, emphasizing on the non-idealities of the real instrument. The understanding of the theoretical roots of the reconstruction error in the non-ideal case is the first step on improving the performance of the instrument. Therefore, the reconstruction error is defined precisely using linear algebra, and its origins are investigated. To validate the theoretical results, several simulations have been performed using a custom-built SMOS simulator. In addition, this work proposes a new family of error correction techniques, which do not use any model of the scene. These techniques are based in a pre-distortion of the reconstruction matrix G, to mitigate the spatial ripple. Their performance is first assessed through simulations and, finally, with real SMOS data.

[CASTELLÀ] La misión de la ESA (Agencia Espacial Europea) SMOS (Soil Moisture Ocean Salinity) genera continua y globalmente mapas de humedad del suelo y salinidad oceánica superficial. Su payload, MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis) es un radiómetro interferométrico de banda L (1.400 MHz - 1427 MHz), que alcanza resoluciones sin precedentes en esta frecuencia. Se lanzó con éxito el 2 de noviembre de 2009 bajo el programa de la ESA Earth Explorers, y actualmente adquiere datos de alta precisión. Aunque la presente tesis se ha hecho bajo el marco de SMOS, sus conclusiones son también válidas para otras misiones utilizando radiómetros interferométricos para observar superficies planetarias desde el espacio. Este trabajo analiza el error de reconstrucción observado en las imágenes de temperatura de brillo de SMOS, para mejorar aún más la precisión de los productos, lo que permitiría nuevos avances científicos. El error de reconstrucción se define como la ondulación espacial residual que permanece después de un procedimiento de reconstrucción de la imagen, asumiendo el conocimiento perfecto del instrumento y que no hay errores de calibración. Por tanto, la ondulación espacial es completamente independiente del ruido radiométrico o la presencia de errores de modelado, siendo entonces exclusivamente relacionado con el proceso de reconstrucción, que se resume con la matriz de reconstrucción G. Una condición que induce a este error a aparecer es tener pequeñas diferencias entre los patrones de antena de los receptores. En el caso de SMOS, los patrones de antena difieren hasta un 5% del valor máximo nominal. Estas diferencias, entre otras contribuciones más pequeñas, introducen ondulaciones espaciales no deseadas en las imágenes procesadas, las cuales no se pueden mejorar utilizando técnicas basadas en reducción del efecto Gibbs. Después de varios años en órbita que han proporcionado datos muy útiles a la comunidad científica, ha quedado claro que para hacer posible nuevos avances científicos, una nueva evaluación completa del proceso de reconstrucción debe llevarse a cabo, con énfasis en las no idealidades del instrumento. La comprensión de las raíces teóricas del error de reconstrucción en el caso ideal es el primer paso para mejorar el rendimiento del instrumento. Por lo tanto, el error de reconstrucción es definido aquí con precisión utilizando álgebra lineal, y sus orígenes son investigados. Para validar los resultados teóricos, varias simulaciones se han realizado utilizando un simulador de SMOS hecho a medida. Además, este trabajo propone una nueva familia de técnicas de corrección de error, que no utilizan ningún modelo de la escena. Estas técnicas se basan en una predistorsión de la matriz de reconstrucción G, para mitigar las oscilaciones. Su capacidad de mejorar el error de reconstrucción es evaluada primero a través de simulaciones y, finalmente, con datos reales de SMOS.

[CATALÀ] La missió de la ESA (Agència Espacial Europea) SMOS (Soil Moisture Ocean Salinity) genera continua i globalment mapes d'humitat del sòl i salinitat oceànica superficial. El seu payload, MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis) és un radiòmetre interferomètric de banda L (1400 MHz - 1427 MHz), que aconsegueix resolucions sense precedents a aquesta freqüència. Es va llençar amb èxit el 2 de novembre de 2009 sota el programa de l’ESA Earth Explorers, i actualment adquireix dades d’alta precisió. Tot i que la present tesi s’ha fet sota el marc d’SMOS, les seves conclusions són també vàlides per altres missions utilitzant radiòmetres interferomètrics per observar superfícies planetàries des de l’espai. Aquest treball analitza l'error de reconstrucció observat en les imatges de temperatura de brillantor d’SMOS, per millorar encara més la precisió dels productes, el que permetria nous avenços científics. L'error de reconstrucció es defineix com l'ondulació espacial residual que roman després d'un procediment de reconstrucció de la imatge, assumint el coneixement perfecte de l'instrument i que no hi ha errors de calibratge. Per tant, l'ondulació espacial és completament independent del soroll radiomètric o la presència d'errors de modelatge, sent llavors exclusivament relacionat amb el procés de reconstrucció, que es resumeix amb la matriu de reconstrucció G. Una condició que indueix a aquest error a aparèixer és tenir petites diferències entre els patrons d'antena dels receptors. En el cas de SMOS, els patrons de antena difereixen fins a un 5% del valor màxim nominal. Aquestes diferències, entre altres contribucions més petites, introdueixen ondulacions espacials no desitjades en les imatges processades, les quals no es poden millorar utilitzant tècniques basades en reducció de l’efecte Gibbs. Després de diversos anys en òrbita que han proporcionat dades molt útils a la comunitat científica, ha quedat clar que per fer possible nous avenços científics, una nova avaluació completa del procés de reconstrucció ha de portar-se a terme, amb èmfasi en les no idealitats de l'instrument. La comprensió de les arrels teòriques de l'error de reconstrucció en el cas no ideal és el primer pas per millorar el rendiment de l'instrument. Per tant, l'error de reconstrucció és definit aquí amb precisió utilitzant àlgebra lineal, i els seus orígens són investigats. Per validar els resultats teòrics, diverses simulacions s'han realitzat utilitzant un simulador de SMOS fet a mesura. A més, aquest treball proposa una nova família de tècniques de correcció d'error, que no utilitzen cap model de l'escena. Aquestes tècniques es basen en un predistorsió de la reconstrucció de la matriu G, per tal de mitigar l'ondulació espacial. La seva capacitat de millorar l’error de reconstrucció és avaluada primer a través de simulacions i, finalment, amb dades reals d’SMOS.