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Model Improvement for SAR Altimetry

Buchhaupt, Christopher (2019):
Model Improvement for SAR Altimetry.
Darmstadt, Schriftenreihe Fachrichtung Geodäsie der Technischen Universität Darmstadt, Technische Universität, ISBN 978-3-935631-44-0,
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/9015],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

During the last decades Radar altimetry became an important tool to observe the sea surface with respect to sea level and sea state. Since the launch of CryoSat-2 a new technique called SAR altimetry improves the signal to noise ration of retrieved geophysical parameters and due to the smaller along track footprint a better performance in coastal zones is reached. In the last years several new processing modes were developed and tested to improve the understanding of this new technique such as reduced SAR (RDSAR), low resolution mode including range cell migration correction (LRMC) and fully focused SAR processing. The scope of this work is to improve the retrieval of geophysical parameters by developing a new stack and waveform model capable of including more general sea surface representations such as the geoid and introducing vertical wave particle motions. This new model will be included in different retracking schemes to investigate how the retrieved geophysical parameters change with respect to accuracy and precision.

It is shown that 20 Hz SAR processing, which is used in the official level two data products, results in an aliasing of the sea surface and that a surface sampling rate of 40 Hz will yield a lower pink noise floor and more precise retrieved parameters whereas the other two considered processing modes RDSAR and LRMC do not benefit from a higher sampling rate.

Another contribution of this work is the investigation of possible effects of sea surface slopes and curvatures on RDSAR, LRMC and unfocused SAR processing. It can be concluded that the impact of these quantities is small in RDSAR and SAR processing whereas in LRMC processing significant wave height biases up to three metre and sea level biases between minus twenty and plus twenty centimetres can occur if the surface slopes and curvatures are not considered correctly in the signal processing and parameter retrieval process. On the other hand LRMC is capable of estimating geophysical parameters consistent to the other two considered processing modes with a better precision as unfocused SAR.

In the last part it will be shown that the standard deviation of vertical wave particle velocities is an estimable parameter with a high correlation with respect to model and in-situ data. Additionally considering this geophysical parameter in the retracking can lead to consistent wave height estimations with RDSAR at high sea states which was an open issue as mean differences up to twenty centimetres occurred between these two processing modes. However, at small sea states the accuracy is not good due to differences in significant wave height up to one metre and sea level differences up to seven centimetres. This means that there is still a need for further improvements within zero to two metres significant wave heights which needs to be addressed in further studies.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Buchhaupt, Christopher
Title: Model Improvement for SAR Altimetry
Language: English
Abstract:

During the last decades Radar altimetry became an important tool to observe the sea surface with respect to sea level and sea state. Since the launch of CryoSat-2 a new technique called SAR altimetry improves the signal to noise ration of retrieved geophysical parameters and due to the smaller along track footprint a better performance in coastal zones is reached. In the last years several new processing modes were developed and tested to improve the understanding of this new technique such as reduced SAR (RDSAR), low resolution mode including range cell migration correction (LRMC) and fully focused SAR processing. The scope of this work is to improve the retrieval of geophysical parameters by developing a new stack and waveform model capable of including more general sea surface representations such as the geoid and introducing vertical wave particle motions. This new model will be included in different retracking schemes to investigate how the retrieved geophysical parameters change with respect to accuracy and precision.

It is shown that 20 Hz SAR processing, which is used in the official level two data products, results in an aliasing of the sea surface and that a surface sampling rate of 40 Hz will yield a lower pink noise floor and more precise retrieved parameters whereas the other two considered processing modes RDSAR and LRMC do not benefit from a higher sampling rate.

Another contribution of this work is the investigation of possible effects of sea surface slopes and curvatures on RDSAR, LRMC and unfocused SAR processing. It can be concluded that the impact of these quantities is small in RDSAR and SAR processing whereas in LRMC processing significant wave height biases up to three metre and sea level biases between minus twenty and plus twenty centimetres can occur if the surface slopes and curvatures are not considered correctly in the signal processing and parameter retrieval process. On the other hand LRMC is capable of estimating geophysical parameters consistent to the other two considered processing modes with a better precision as unfocused SAR.

In the last part it will be shown that the standard deviation of vertical wave particle velocities is an estimable parameter with a high correlation with respect to model and in-situ data. Additionally considering this geophysical parameter in the retracking can lead to consistent wave height estimations with RDSAR at high sea states which was an open issue as mean differences up to twenty centimetres occurred between these two processing modes. However, at small sea states the accuracy is not good due to differences in significant wave height up to one metre and sea level differences up to seven centimetres. This means that there is still a need for further improvements within zero to two metres significant wave heights which needs to be addressed in further studies.

Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Schriftenreihe Fachrichtung Geodäsie der Technischen Universität Darmstadt
ISBN: 978-3-935631-44-0
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Geodesy
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Geodesy > Physical and Satellite Geodesy
Date Deposited: 01 Sep 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/9015
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-90156
Referees: Becker, Prof. Dr. Matthias and Fenoglio-Marc, Dr.-Ing. Luciana and Ray, Prof. Dr. Chris
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 15 March 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Während der letzten Jahrzehnte wurde Radar Altimetrie zu einem wichtigen Werkzeug für die Beobachtung der Meeresoberfläche bezüglich der Höhe der Meeresoberfläche und des Seegangs. Seit dem Start der CryoSat-2 Mission existiert eine neue Technik, namens SAR Altimetrie, welche das Signal zu Rauschverhältnis der gewonnenen geophysikalischen Parameter verbessert und durch den kleineren Footprint entlang des Tracks ist eine bessere Performanz in Küstennähe erreichbar. In den letzten Jahren wurden mehrere neue Prozessierungsmöglichkeiten entwickelt und getestet wie reduziertes SAR (RDSAR), der Modus geringer räumlicher Auflösung mit angebrachter Streckenmigrationskorrektur (LRMC) und voll fokussiertes SAR um das Potential dieser neuen Technik voll auszunutzen. Das Ziel dieser Studie ist es, die Schätzung geophysikalischer Parameter zu verbessern durch die Entwicklung eines neuen Stapel- und Wellenformmodels, welches in der Lage ist eine allgemeinere Meeresoberflächendarstellung zu berücksichtigen und zusätzlich Vertikalbewegungen der Wellenpartikel mit einbezieht. Dieses neue Model wird in verschiedenen Retrackingschemata implementiert, um zu untersuchen wie die gewonnenen geophysikalischen Parameter sich in Bezug auf Präzision und Genauigkeit verhalten. Es wird gezeigt, dass eine 20 Hz SAR Prozessierung, welche in offiziellen Level 2 Datensätzen verwendet wird, eine Unterabtastung der Meeresoberfläche verursacht und dass eine Abtastrate von 40 Hz in einem geringeren pinken Grundrauschen resultiert und die Präzision der gewonnenen geophysikalischen Parameter sich verbessert. Auf der anderen Seite profitieren die anderen zwei alternativen Prozessierungsmodi LRMC und RDSAR nicht von einer höheren Abtastrate. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses von Oberflächensteigungen und Krümmungen auf RDSAR, LRMC und unfokussierter SAR Prozessierung. Es kann zusammengefasst gesagt werden, dass der Einfluss dieser Größen auf RDSAR und SAR gering ist, während in LRMC systematische Fehler in der geschätzten signifikanten Wellenhöhe von bis zu drei Metern und in der geschätzten Meereshöhe Fehler zwischen minus zwanzig und plus zwanzig Zentimetern auftreten. Auf der anderen Seit ist LRMC in der Lage konsistente und präzise Parameter zu liefern, wenn Steigungen und Krümmungen der Oberfläche korrekt berücksichtigt werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Standardabweichung der vertikalen Wellenbewegung ein schätzbarer Parameter ist, der eine hohe Korrelation zu Modell und In-Situ-Daten aufweist. Zusätzlich reduziert eine Einbringung dieses Parameters in das Retracking die Inkonsistenz zwischen RDSAR und SAR geschätzten signifikanten Wellenhöhen für hohe Seegänge, welche bisher zwanzig Zentimeter betrug. Allerdings treten bei signifikanten Wellenhöhen kleiner als zwei Meter zusätzliche Differenzen in der Meeresspiegelhöhe von bis zu sieben Zentimeter und in der signifikanten Wellenhöhe von bis zu einem Meter auf. Dies bedeutet, dass immer noch ein Verbesserungsbedarf vorhanden ist für kleine Wellenhöhen, welche in weiteren Studien behandelt werden sollten.German
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