Surface Parameter Estimation using Bistatic Polarimetric X-band Measurements

To date only very few bistatic measurements (airborne or in controlled laboratories) have been reported. Therefore most of the current remote sensing methods are still focused on monostatic (backscatter) measurements. These methods, based on theoretical, empirical or semi-empirical models, enable the estimation of soil roughness and the soil humidity (dielectric constant). For the bistatic case only theoretical methods have been developed and tested with monostatic data. Hence, there still remains a vital need to gain of experience and knowledge about bistatic methods and data. The main purpose of this thesis is to estimate the soil moisture and the soil roughness by using full polarimetric bistatic measurements. In the experimental part, bistatic X-band measurements, which have been recorded in the Bistatic Measurement Facility (BMF) at the DLR Oberpfaffenhofen, Microwaves and Radar Institute, will be presented. The bistatic measurement sets are composed of soils with different statistical roughness and different moistures controlled by a TDR (Time Domain Reflectivity) system. The BMF has been calibrated using the Isolated Antenna Calibration Technique (IACT). The validation of the calibration was achieved by measuring the reflectivity of fresh water. In the second part, bistatic surface scattering analyses of the calibrated data set were discussed. Then, the specular algorithm was used to estimate the soil moisture of two surface roughnesses (rough and smooth) has been reported. A new technique using the coherent term of the Integral Equation Method (IEM) to estimate the soil roughness was presented. Also, the sensitivity of phase and reflectivity with regard to moisture variation in the specular direction was evaluated. Finally, the first results and validations of bistatic radar polarimetry for the specular case of surface scattering have been introduced.Aktuell sind nur sehr wenige Messungen mit bistatischem Radar durchgeführt worden, sei es von Flugzeuggetragenen Systemen oder durch spezielle Aufbauten im Labor. Deshalb basieren die meisten der bekannten Methoden zur Fernerkundung mit Radar auf monostatis-chen Messungen der Rückstreuung des Radarsignals. Diese Methoden, die auf theoretischen, empirischen oder halb-empirischen Modellen basieren, ermöglichen die Schätzung der Oberfächenrauhigkeit und die Bodenfeuchtigkeit (Dielektrizitätskonstante). Im bistatischen Fall wurden bisher nur theoretische Modelle entworfen, die mittels monostatischer Messungen getestet wurden. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, Erfahrung und Wissen über die physikalischen Effekte in bistatischen Konfigurationen zu sammeln. Das Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist es, anhand vollpolarimetrischer, bistatischer Radarmessungen die Oberfächenrauhigkeit und Bodenfeuchtigkeit zu bestimmen. Im experimentellen Teil der Arbeit werden die Ergebnisse bistatischer Messungen präsentiert, die in der Bistatic Measurement Facility (BMF) des DLR Oberpfaffenhofen aufgenommen wurden. Die Datensätze umfassen Messungen von Böden unterschiedlicher statistischer Rauhigkeit und Feuchtigkeit, die mittels eines Time Domain Reflectivity (TDR) Systems bestimmt werden. Zur Kalibration des BMF wurde die Isolated Antenna Calibration Technique (IACT) verwendet und anhand der Messung der Reflektivität von Wasser überprüft. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird anhand der kalibrierten Daten eine Analyse der Oberflächenstreuung in bistatischen Konfigurationen vorgenommen. Im Anschluss daran wird mittels des Specular Algorithm eine Schätzung der Bodenfeuchte zweier Proben unter- schiedlicher Rauhigkeit (rau und fein) durchgeführt. Ein neues Verfahren zur Schätzung der Oberfächenrauhigkeit, das auf dem kohärenten Term der Integral Equation Method (IEM) basiert, wurde eingeführt. Daneben wird die Empfindlichkeit der Phase sowie der Reflektivität des vorwärtsgestreuten Signals gegenüber Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit analysiert. Schließlich werden erste Ergebnisse und Validierungen bistatischer Radarpolarimetrie für den Fall der Vorwärtsstreuung präsentiert