Development, calibration and applications of polarimetric microwave radiometers for remote sensing

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-10-26
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
101, [52]
Series
Report / Helsinki University of Technology, Laboratory of Space Technology, 70
Abstract
This doctoral thesis describes (1) the development and calibration principles of a fully polarimetric radiometer, which is developed for the reference radiometer of a spaceborne synthetic aperture radiometer; (2) a study of an improvement of the most important application of the polarimetric radiometry, maritime wind vector measurement; (3) and a numerical simulation method for modeling the electromagnetic radiation from ocean surface. The fundamental part of passive microwave remote sensing is the development of the measurement instruments, radiometers. Over the past two decades significant amount of work has been focused on the development of so-called interferometric synthetic aperture radiometry. The first spaceborne radiometer using aperture synthesis is scheduled for launch in 2008. This radiometer operates at 1.4 GHz and aims for global measurement of soil moisture and ocean salinity; hence, the mission is named as SMOS. This radiometer and its airborne prototype use reference radiometers for calibration purposes. The development and calibration of both of these polarimetric reference radiometers is described in this work; they provide accurate enough measurements to calibrate the noise distribution network and absolute average brightness temperature, while being a part of the receiver constellation of the synthetic aperture radiometer. For the applications of polarimetric radiometry, the main focus over the past two decades has been the measurement of the maritime wind vector. In this work, a set of measurements is analyzed in order to solve the incidence angle dependency of the wind vector measurements. The results show clear dependency for all measured parameters, and a model for the dependency is introduced. As a part of this study, a theoretical method for calculation of scattering from dielectric rough surface, like ocean surface, was also developed. This method can be used for simulation of the wind vector measurements in any kind of ocean surface conditions. The feasibility and efficiency of the method for this purpose is demonstrated.

Tämä väitöskirja kuvaa polarimetrisen radiometrin kehittämisen ja kalibrointiperiaatteet. Radiometeri toimii avaruuskäyttöisen synteettisen apertuurin radiometrin referenssiradiometrinä. Lisäksi väitöskirjassa kuvataan tärkeimmän polarimetrisen radiometrian sovelluskohteen, merialueiden tuulivektorimittauksen, parannuksen, sekä uuden numeerisen simulointimenetelmän merenpinnan sironnalle tuulivektorimittauksen jatkokehitykseen. Yksi passiivisen mikroaaltokaukokartoituksen tärkeimmistä asioista on mittauslaitteiden, eli radiometrien, kehittäminen. Synteettisen apertuurin interferometristen radiometrien kehittämiseen on panostettu huomattavasti viimeisen kahden vuosikymmenen aikana. Ensimmäinen avaruuskäyttöinen synteettisen apertuurin radiometri laukaistaan vuonna 2008. Tämä interferometrinen radiometri toimii 1,4 GHz taajudella ja sillä on tarkoitus mitata maan kosteutta sekä merenpinnan suolaisuutta. Tästä tulee nimi SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity). Interferometrinen radiometri ja sen lentokäyttöinen prototyyppi käyttävät kalibrointiin referenssiradiometria. Näiden referenssiradiometrien kehittäminen sekä kalibrointi kuvataan tässä työssä. Niillä voidaan mitata tarkasti interferometrisen radiometrin sisäinen kohinalähde ja vastaanotettu keskimääräinen säteily sekä ne voivat toimia osana interferometristä mittausta. Polarimetrisen radiometrian sovellusten kehityksen pääpaino viimeisen kahden vuosikymmenen aikana on ollut merialueiden tuulivektorimittauksessa. Tässä työssä lentomittauksissa kerätystä mittausaineistosta on määritetty tuulivektorimittauksen riippuvuutta mittauskulmasta. Tulokset osoittavat selvää riippuvuutta kaikille mitatuille parametreille. Työssä esitetään malli tämän riippuvuuden huomioonottamiseen. Tuulivektorimittauksen jatkokehitystä varten työssä on myös kehitetty uusi numeerinen menetelmä, jota voidaan käyttää merenpinnan mittauksen simuloimiseen. Tämä menetelmä on osoitettu tarkaksi ja erittäin tehokkaaksi.
Description
Keywords
polarimetric radiometry, radiometer, calibration, remote sensing, wind, rough surface scattering, polarimetrinen radiometria, radiometri, kalibrointi, kaukokartoitus, tuuli, karkean pinnan sironta
Other note
Parts
  • I. Corbella, F. Torres, A. Camps, A. Colliander, M. Martín-Neira, S. Ribó, K. Rautiainen, N. Duffo, M. Vall-llossera, MIRAS End-to-End Calibration: Application to SMOS L1 Processor, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 43, no. 5, pp. 1126-1134, May 2005. [article1.pdf] © 2005 IEEE. By permission.
  • A. Colliander, S. Tauriainen, T. Auer, J. Kainulainen, J. Uusitalo, M. Toikka, M. T. Hallikainen, MIRAS Reference Radiometer: A Fully Polarimetric Noise Injection Radiometer, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 43, no. 5, pp. 1135-1143, May 2005. [article2.pdf] © 2005 IEEE. By permission.
  • A. Colliander, L. Ruokokoski, J. Suomela, K. Veijola, J. Kettunen, V. Kangas, A. Aalto, M. Levander, H. Greus, M. T. Hallikainen, J. Lahtinen, Development and Calibration of SMOS Reference Radiometer, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 45, no. 7, pp. 1967-1977, July 2007. [article3.pdf] © 2007 IEEE. By permission.
  • A. Colliander, J. Kettunen, M. T. Hallikainen, Calibration of End-to-End Phase Imbalance of Polarimetric Radiometers, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 44, no. 10, pp. 2635-2641, October 2006. [article4.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • A. Colliander, J. Lahtinen, S. Tauriainen, J. Pihlflyckt, J. Lemmetyinen, M. T. Hallikainen, Sensitivity of Airborne 36.5-GHz Polarimetric Radiometer's Wind-Speed Measurement to Incidence Angle, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 45, no. 7, pp. 2122-2129, July 2007. [article5.pdf] © 2007 IEEE. By permission.
  • A. Colliander, P. Ylä-Oijala, Electromagnetic Scattering from Rough Surface Using Single Integral Equation and Adaptive Integral Method, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, no. 12, pp. 3639-3646, December 2007. [article6.pdf] © 2007 IEEE. By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-010413