Calibration Validation and Polarimetry in 2D Aperture Synthesis. Application to MIRAS

Abstract

La missió SMOS de l'Agència Europea de l'Espai (ESA) té com a objectiu mesurar la humitat del sòl i la salinitat dels oceans, paràmetres fonamentals per tal d'entendre el canvi climàtic global.<br/>MIRAS (Radiòmetre de microones generador d'imatges pel mètode de síntesi d'obertura) és un tipus d'instrument nou per a l'observació de la terra i és l'únic instrument de la missió SMOS. Consisteix en un agrupació aprimada (thinned array) en forma d'i grega amb 21 elements per braç. Amb aquesta tècnica s'aconsegueixen grans obertures sintètiques amb una massa relativament reduida.<br/>Aquesta nova tecnologia ha estat triada per a la missió SMOS, per tal d'acomplir els criteris de resolució espacial (30-50km) i de temps de revisita (3 dies). En el camp de la radioastronomia ja es fan servir instruments similars a MIRAS, però en aquest cas les fonts<br/>observades tenen una mida angular reduïda (estrelles i galàxies). En el cas de MIRAS, la terra és una font extensa que cobreix pràcticament tot el camp de visió de MIRAS, de tal manera que les tècniques de calibració desenvolupades per a radioastronomia no són<br/>vàlides per a la missió SMOS.<br/>Aquesta tesi es concentra principalment en comprovar experimentalment diferents tècniques de calibració i demostrar la capacitat de MIRAS per a generar imatges. La segona part està dedicada al mode polarimètric de MIRAS i a la capacitat d'aquest a millorar el rendiment de MIRAS. <br/>Aquest tesi es va iniciar l'any 2000 gràcies a una beca de dos anys (de l'estiu de 2000 a l'estiu de 2002) al centre ESTEC de l'Agència Europea de l'Espai als Països Baixos. Durant aquesta estada es van realitzar les primeres campanyes de mesura per tal de comprovar els mètodes de calibració i les capacitats de generar imatge de MIRAS. En aquests tests de validació d'imatge es va utilitzar un primer prototipus de MIRAS. La realització, planificació, preparació, execució i processament de les dades són part d'aquesta tesi. Aquelles campanyes van demostrar la capacitat dels mètodes de calibració indicant, a més en quina direcció calia continuar treballant per tal de refinar-los. També van demostrar la capacitat de MIRAS per a generar imatges,mitjançant la mesura de la seva resposta impulsional. En aquesta tesi se'n presenten els resultats més importants. Durant l'estada a ESTEC també es va realitzar treball teòric i simulacions sobre interferometria polarimètrica, contribuint d'aquesta manera a la formulació de la funció de visibilitat polarimètrica i a la definició del mode de funcionament polarimetric de MIRAS.<br/>La tesi es va continuar al Laboratori de Tecnologia Espacial (LST) de la Universitat Tecnològica de Hèlsinki (HUT) durant tres mesos (agost 2002 a octubre 2002) com a investigador convidat. Els coneixements adquirits prèviament van servir per a contribuir al desenvolupament de HUT-2D, el radiòmetre interferomètric aerotransportat de LST pensat<br/>com a demostrador de la tecnologia emprada a MIRAS, confirmant els resultats obtinguts a les campanyes prèvies a ESTEC.<br/>El febrer de 2003 es va continuar la tesi a l'Institut d'Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) amb un contracte de recerca del ministeri d'Educació i Ciència. Es va estudiar l'efecte dela rotació de Faraday a MIRAS. El resultat és una proposta de solució per a compensar-la fent servir el mode polarimètric de MIRAS. En el tram final de la tesi s'ha fet l'electrònica de control (EGSE) d'un demostrador aerotransportat de MIRAS (SAM), per a l'ESA. Aquest instrument permet fer ús del mètode de calibració per injecció de soroll a dues temperatures, que és un refinament dels anteriors mètodes de calibració dels prototipus de MIRAS. La tesi presenta resultats experimentals preliminars d'aquest mètode de calibració.

The SMOS mission of the European Space Agency (scheduled 2007) is devoted to measure Soil Moisture and Ocean Salinity, which are key parameters on the understanding of global climate change. The single instrument of this mission is the MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis), a new kind of instrument devoted to Earth observation. It is a thinned Y-shaped array with 21 elements per arm. With this technique a large synthetic aperture antenna with relative low weight can be obtained. This novel technique has been selected for the SMOS mission in order to fulfil both criteria ground resolution (35-50km) and revisit time (3 days). <br/>Similar instruments to MIRAS have already been used for radio astronomy but in that case only sources with a narrow angular size (stars and galaxies) were observed. In the case of MIRAS, the Earth is an extended source of thermal radiation, which almost fills up the complete field of view of MIRAS. The consequence of it is that the calibration techniques developed for radio astronomy may not be used in the SMOS mission. <br/>This thesis is mainly focused to experimentally test several calibration techniques and to prove the imaging properties of MIRAS. A second part is devoted to the polarimetric mode of MIRAS and its capability to improve its performance. <br/>This thesis was started thanks to a two year grant (from summer 2000 to summer 2002) at the ESTEC centre of the European Space Agency in the Netherlands. During this time the first experimental campaigns aimed to test calibration methods and imaging capabilities of MIRAS were done. In these so called image validation tests a first MIRAS prototype was used. The planning, preparation, execution and data processing for different tests was done. The capability of the calibration methods was demonstrated, showing also in which direction further research should be undertaken in order to refine them. The imaging properties of MIRAS were also demonstrated with the measurement of its impulsional response. The most important results are presented here. At the ESTEC centre theoretical work and simulations on polarimetric interferometry have also been done. This research contributed to the formulation of the polarimetric visibility function and the definition of the polarimetric operation mode of MIRAS. <br/>After the two years stage at ESTEC, the thesis was continued at the Laboratory of Space Technology (LST) of the Helsinki University of Technology (HUT) for three months (August 2002 to October 2002), as an invited researcher. There the HUT-2D interferometric radiometer, an airborne demonstrator instrument for MIRAS, was being constructed. The experience gained in the previous campaigns was shared with the HUT-2D team and the calibration methods were tested in a different instrument, confirming the previous results. <br/>In February 2003 this thesis was continued at the Institut d'Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) under a research contract of the Spanish ministry of research. There the effect of Faraday rotation on MIRAS was studied. A solution for compensating it was proposed, making use of the polarimteric operation mode of MIRAS. The thesis was continued at IEEC, designing and manufacturing the Electrical Ground Support Equipment (EGSE) of an airborne demonstrator of MIRAS, known as SAM (Small Airborne MIRAS). This work was done for ESA. This instrument implements the complete calibration scheme with two-level noise injection, which is arefinement of the calibration schemes used in previous MIRAS prototypes. Preliminary experimental results of this novel calibration technique are also presented in this thesis.