Techniques and Applications for Satellite SAR Altimetry over water, land and ice

Diese Arbeit hat die Entwicklung von neuen Prozessierungstechniken für die Synthetic Aperture Radar (SAR) Satellitenaltimetrie zum Ziel. Satellitenaltimetrie misst die Höhe eines flächen- oder punkthaften Zieles auf der Erde unter Ausnutzung des Doppler-Effektes zwischen Satellit und Ziel. SAR hat die beleuchtete Fläche (Footprint) in Flugrichtung um eine Größenordnung gegenüber dem klassischen Radar verringert und dadurch eine wesentlich bessere Auflösung und Genauigkeit erhalten. Diese Technik ist für Anwendungen auf dem offenen Ozean etabliert und validiert. Hier werden nun neue Algorithmen entwickelt, die es erlauben, die Vorteile von SAR universell für die Anwendung über Ozean, Küstenzone, Inland-Wasserflächen und See-Eis zu nutzen. Neben der Bestimmung des globalen Meeresspiegelanstiegs und der regionalen Variabilität kann so vor allem der Beitrag bisher kaum berücksichtigter kurzskaliger und hochfrequenter Änderungen in der Küstenzone zur Gesamtbilanz in der Untersuchung von Klimawandel und Bedrohung durch Fluten. Dazu wird die Standard SAR-Altimetrie Prozessierungskette mit speziellen Ansätzen und Erweiterungen des Delay-Doppler-Algorithmus in der Prozessierung der L1b-Daten ergänzt. Damit wurden die Algorithmen für das Re-Tracking der Wellenformen nach dem standardisierten physikalisch basierten SAR-Wellenformmodell SAMOSA von Ray et al., (2015) verbessert. Durch Einführung einer Look-Up Tabelle und damit einer standardisierten Analyse wird eine genauere Ableitung der geophysikalischen Größen (Meereshöhe, Wind, Wellenhöhe) für den offenen Ozean möglich. Darauf aufbauend wurde ein speziell für die Küstenzone zugeschnittener Algorithmus mit dem Namen SAMOSA+ entwickelt. Umfangreichen Validierungen bestätigen eine signifikante Verbesserung in der Küstenzone durch dieses spezielle SAR-Retracking. Dieser Retracker ist auch in die Prozessierung der nominellen ESA-Produkte des Bodensegmentes einbezogen worden. Darüber hinaus derselbe Algorithmus ebenso erstmals mit einem physisch basierten Retracker sehr genaue Messungen des Meereis-Freibords. Um auch eine von SAMOSA+ nicht gewährleistete optimale Erfassung von Inland-Gewässern, Flüssen und Seen zu erreichen, wurden der Algorithmus erneut verbessert. Die Weiterentwicklung, als SAMOSA++ bezeichnet, berücksichtigt diemit SAR verfügbare und bisher kaum genutzte Range Integrated Power (RIP), die als zusätzliche Wellenform betrachtet werden kann. Dadurch konnte eine universelle Anwendbarkeit des Re-Trackers erreicht werden. Dies wird an verschiedenen thematischen Anwendungen wie Meeresoberflächen sowohl im offenen Ozean als auch in Küstengebieten und an zwei ausgewählten Testfällen von Binnengewässern präsentiert. Ein Vergleich mit den bisherigen Re-Trackern zeigt deutlich eine signifikante Verbesserung in allen Anwendungsbereichen gegenüber den bisherigen Verfahren. Als Vergleich dienten In Situ Daten, numerische Ozeanmodelle und Datensätze aus der herkömmlichen prä-SAR Methode zur Verarbeitung von Altimeterdaten, allgemein als PLRM bezeichnet. Die neuen Algorithmen wurden erfolgreich im ESA-GPOD Bodensegment implementiert und werden heute weltweit von der Altimetrie-Benutzergemeinschaft verwendet