Water height estimation using radar interferometry for SWOT

La mission SWOT (Surface Water and Ocean Topography), menée par le CNES et le JPL et dont le lancement est prévu pour 2020, marque un tournant majeur pour l'altimétrie spatiale, à la fois en océanographie et en hydrologie continentale. Il s'agit de la première mission interférométrique SAR dont l'objectif spécifique est la mesure de la hauteur des eaux. L'instrument principal de la mission, KaRIn, un radar interférométrique en bande Ka, présente des caractéristiques particulières : angle de visée proche du nadir (0.6 à 3.9°), faible longueur d'onde (8.6 mm) et courte base stéréoscopique (10 m). Ces spécificités techniques entrainent des particularités propres à SWOT, à la fois en termes de phénoménologie et de traitement des données. Par ailleurs, du fait de la nature et du grand volume des données, de nouvelles méthodes de traitement sont envisagées, qui se distinguent de celles des missions interférométriques antérieures. Pour le mode " Low Rate " (LR) dédié à l'océanographie, une grande partie du traitement se déroulera à bord pour limiter le volume de données à transmettre au sol. Le mode " High Rate" (HR) visant principalement l'hydrologie continentale, présente lui aussi des originalités en termes de traitement, essentiellement réalisé au sol, de par la grande diversité de structure des surfaces d'eau qui seront observées. Pour les deux modes, la stratégie d'inversion de la phase en hauteurs géolocalisées ne peut être calquée sur celles des missions antérieures, fondées sur le déroulement spatial de la phase interférométrique. L'approche retenue est d'utiliser, autant que possible, un modèle numérique de terrain (MNT) de référence pour lever l'ambiguïté de phase et procéder directement à l'inversion de hauteur. Ceci permet à la fois de gagner en temps de traitement et de s'affranchir de l'utilisation des points de contrôle, difficiles à obtenir sur les océans comme sur les continents, du fait des variations de niveau d'eau et un rapport signal à bruit très faible sur les zones terrestres. Dans les cas où la précision du MNT de référence n'est pas suffisante pour assurer correctement le déroulement de la phase, des méthodes visant à détecter et réduire les erreurs sont proposées. Afin de faciliter l'utilisation des hauteurs géolocalisées issues de la phase l'interférométrique en mode HR, nous proposons une méthode qui permet d'améliorer considérablement la géolocalisation des produits, sans dégrader l'information de hauteur d'eau.The SWOT mission (Surface Water and Ocean Topography), conducted by CNES and JPL, and scheduled for launch in 2020, is a major step forward for spaceborne altimetry, both for oceanography and continental hydrology. It is the first interferometric SAR mission whose specific objective is the measurement of water surface height. The main instrument of the mission, KaRIn, a Ka-band Radar Interferometer, has particular characteristics: very low incidence angle (from 0.6 to 3.9°), short wavelength (8.6 mm), and short baseline (10 m). This technical configuration leads to properties that are specific to SWOT, both in terms of phenomenology and data processing. Moreover, due to the nature and the huge volume of data, new processing methods, different from those used in previous interferometric mission, are considered. For the Low Rate (LR) mode dedicated to oceanography, a large part of the processing will take place onboard to limit the data volume transmitted to ground. The High Rate (HR) mode, mainly targeting continental hydrology, also present original characteristics in terms of processing, essentially conducted on ground, due to the large diversity in the structure of the observed water surfaces. In both modes, the strategy for conversion of phase into geolocated heights cannot be directly based on those of previous missions, relying on spatial phase unwrapping. The approach retained here is to use, as far as possible, a reference Digital Terrain Model (DTM) to remove the phase ambiguity and proceed directly to height inversion. This allows both to reduce the computing time and to avoid the need for ground control points, which are difficult to obtain both over oceans and continental surfaces, due to varying water level and very low signal-to-noise ratio over land. For cases where the precision of reference DTM is not good enough to ensure a correct phase unwrapping, methods to detect and reduce the errors are proposed. To facilitate the use of the geolocated heights derived from the interferometric phase in HR mode, we propose a method that permits to significantly improve the geolocation of the products, without degrading the water height information