SMOS, radiomètre interférométrique spatial

SMOS, a spaceborne interferometric radiometer Philippe Waldteufel, IPSL/LATMOS ; philippe.waldteufel@latmos.ipsl.frYann Kerr, CNRS/CESBIO ; yann.kerr@cesbio.cnes.fr Jacqueline Boutin, IPSL/LOCEAN ; jb@locean-ipsl.upmc.fr mots clefs : radiométrie, interférométrie, humidité de surface, salinité keywords : radiometry, interferometry, surface soil moisture, surface salinity Résumé SMOS, mission de l'ASE conduite avec le concours du CNES et des autorités spatiales espagnols, a été lancé le 2 Novembre 2009. Cette mission radiométrique, innovante par ses objectifs ambitieux (mesure régulière de l'humidité de surface sur les continents et de la salinité sur les océans) l'est également par la technique interférométrique, mise en œuvre pour la première fois dans l'espace pour les microondes : elle permet de parvenir à un compromis acceptable entre la résolution spatiale au sol, les incertitudes de mesure, et les principaux facteurs dimensionnants de la mission (poids, volume, puissance, et finalement coût). Au-delà de la période formelle de recette en vol de 6 mois, les 18 premiers mois de la vie de SMOS permettent, sans méconnaître les années de travail qui seront nécessaires pour optimiser le traitement des données, d'estimer que le satellite atteindra les principaux objectifs de démonstration qui lui avaient été fixés. AbstractSMOS, launched on November 2nd 2009 is a space mission lead by ESA with contributions from CNES and the Spanish space authorities. This radiometric mission is innovative due both to its ambitious objectives (systematic monitoring of the surface soil moisture over lands and surface salinity over oceans) and to the use of interferometric techniques, thus implemented for the first time in space at microwave frequencies. Indeed this allows to reach an acceptable comprise between spatial resolution at ground level, measurement uncertainties, and constraint on major practical limits such as weight, size of the spacecraft, and finally overall cost. Optimizing the way to process and interpret the data will need several more years. However, following the 6 month duration of the formal commissioning period, it becomes clear, after SMOS has been flying for about 18 months, to foresee that this mission will reach its main obsjectives in terms of demonstration.

1 Objectifs et spécifications

1.1 ObjectifsPourquoi mesurer l'humidité de surface SM ? C'est une condition aux limites vers le haut (atmosphère) : Elle contrôle les flux de vapeur d'eau et de chaleur latente A la surface :

La SM contrôle la partition drainage/ruissellement

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C'est une condition aux limites vers le bas (hydrologie) : Contrôle le contenu en eau de la zone racinaire Et la salinité de surface OS ou SSS?

marque les masses d'eau Induit la circulation thermohaline

Dans la suite les principaux exemples sont empruntés au cas de la SM. .

Figure 1 ; la série temporelle (figure 1) illustre le cycle annuel aux moyennes latitudes et la relation de la SM avec la lame d'eau tombée.

1.2 Spécifications Pour la SM

A) Erreur de mesure : < 4% B) Intervalle de revisite : quelques jours C) Résolution spatiale : quelques dizaines de km ...

Pour la SSS

A) Erreur de mesure : < 0.1 psu (soit mieux que 0.1 K) B) Intervalle de revisite : < 10 à 30 jours C) Résolution spatiale : < 100 km

2

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Les spécifications C) pour la SM et A) ppour la SSS sont particulièrement contraingnantes. Les meilleures chances de succès font appel à la radiométrie spatiale en micro ondes

2 Faisabilité de la mesure spatiale

2.1 Sensibilités relatives

Figure 2 : Aux microondes : les ondes décimétriques (et notamment la bande protégée 1.400 – 1.427 GHz) sont privilégiées. Aux fréquences plus basses la rotation Faraday devient importante et complilque l'interprétation, sans oublier les contraintes dues à la résolution spatiale au sol.

2.2 Modèles radiatifs Des modèles simples [1], [2] ont démontré leur robustesse (ex. [3] mesures aéroportées) Couche de surface : diélectrique parfait

Émissivité dépend de SM, T physique, composition du sol… Rugosité de surface phénoménologique

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Couvert végétal : atténuation + réémission Paramétrisation par épaisseur optique équivalente Albedo Possibilité de facteur différentiel selon polarisations

Atmosphère: atténuation + réémission (très faibles en bande L) Sources ponctuelles (astres) et leurs réflexions Variation avec l'angle d'incidence : formules de Fresnel. La figure 3 illustre le potentiel des mesures multiangulaires.

figure 3 : effets de la SM, de la température physique (à gauche), et de l'épaisseur optique équivalente de la végétation (à droite)

2.3 L enjeu de la dimension de l antenneEn orbite basse ( 800 km), pour obtenir une résolution de 40 km au sol, il faut une antenne de diamètre 8 mètres Il n'y a pas dans le spatial civil de budget adéquat pour une antenne réelle de cette taille ! Comment "amincir" l'antenne ?

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3 L interféromètre

3.1 Le grand YUn interféromètre comprenant plusieurs dizaines d'éléments rayonnants (ici 63) permet d'obtenir une bonne résolution angulaire sur une cible étendue pour une faible superficie. La contrepartie est une dégradation de la sensibilité.

La géométrie en Y (ou en triangle équilatéral) minimise les redondances entre lignes de base. L'option "Y" est déployable dans l'espace.

Figure 4a : "the big Y" figure 4b Vue d'artiste figure 5 : L'étoile des lignes de base La figure ci-contre correspond au cas exprimé par le "steer angle") où l'un des 3 bras est perpendiculaire au plan de l'orbite

5

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3.2 Des tensions mesurées aux visibilités Tension collectée bi(t) pour chaque élément i:

detEGtb irkitfi

ii)](2[),()()(

E = champ rayonné par la cible P ; G = gain directionnel (en tension) de l'élément

= angle solide ( , ); d = sin( ) d d ; f = fréquence; k = 2 / , = longueur d'onde ; ri = distance (cible P - antenne i)

Visibilité : )()()( * tbtbuV jiij

Avec : uij = Dij/ " " = moyenne d'ensemble

Télémesure de SMOS : visibilités produits de corrélation Durée de préintégration 1.2 seconde (environ 7 km le long de l'orbite) par polarisations alternées. Bande équivalente 19 MHz Fréquence d'échantillonnage 55 MHz

3.3 Des visibilités aux températures de brillance

Théorème de Wiener-Khinchine ou Van Cittert-Zernike :

Différence de marche : uij. = uij,Z Z + uij,Y Y = uij,Z sin( )cos( ) + uij,Y sin( )sin( )

= vecteur des cosinus directeurs Température de brillance : T = E(W)E*(W)

Approximations : manquent "fringewash", correction de couplage Ecrire la "temperature modifiée" Tmod: souligne la similitude avec une T.F.

3.4 La reconstructionInversion = résolution d'un système linéaire discrétisé :

),(),,(;),,( ),(mod),,(2

mod

*

nmTnmijTenmijTV nmobl

GGnmijqi

MNijijmnijmn

ij de 1 à IJ

jirkrki

jjjiii

ji

ij ddetEGtEGu jjii )]()([** ),()(),()()(V

deEEGGuV ijuijiij

).2(** )()()()()(

ZYuiGG

ij ddeTuV ij

ZY

ji ).2(

1

)()( )()(22

*

)()( )()(mod

*

TT obl

GG ji

6

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Difficultés • MN >> IJ donc le système est sous déterminé. • Comment traiter les redondances ?

Solution adoptée • La régularisation ([4] Anterrieu, 2004) impose au champ T d'être à "bande limitée"

(i.e. à composantes de Fourier nulles pour les lignes de base extérieures au domaine des mesures Dij).

• Les redondances surdéterminent l'ajustement

Apodisation : une fonction (figure 6) telle que la fenêtre de Blackmann assure des lobes secondaires suffisamment réduits

Figure 6 : l'absence d'apodisation (en haut à gauche) produit des lobes secondaires importants, positifs et négatifs, dans l'espace des cosinus directeurs. Une famille de fonctions paramétrées (Kayser, images de la ligne du bas) permet de balayer les compromis entre la largeur du lobe

principal et la hauteur des lobes secondaire. La fonction de Blackmann exacte (en haut à droite) fournit un compromis acceptable.

Les codes des couleurs sont saturés à 5% de la valeur maximale afin de mieux visualiser la structure des lobes secondaires.

4 Le champ de vue

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4.1 Repliements et zone de reconstructionCondition de non repliement : 1.. aliasijij uu

(uij = Dij/ )

Cas 1D : si uij = N d avec d (rapport d'espacement) = D0/ , D0= espacement minimum, N entier; Critère : 2 d 1; d 0.5 (Nyquist) Cas 2D avec structure hexagonale :

Critère :

577.031d

La figure 7 est un exemple extrême ou le champ de vue (Field Of View FOV) non ambigu n'existe pas. Pour SMOS : le rapport d'espacement d est contraint notamment par les couplages d'antenne ily aura des repliements

Aliasing in cosdir

Front halfPlane limit

AliasedFront halfPlane limit

Zone dereconstruction

No alias freezone in this

case !

d=1.2

Figure 8a : Le FOV non ambigu de SMOS Figure 8b : FOV étendu au repliement du ciel

8

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4.2 Champ de vue à la surface

Figure 9 : Le champ de vue utile est limité à la zone non ambigüe, et à des contraintes géométriques (taille et élongation du pixel SMOS) [5]

Sur chaque ligne parallèle à la trace ("dwell line", ex. la ligne verte), les données pour une séquence de FOV instantanés correspondent pour chaque point à une variété d'angles d'incidence

5 Après la recette en vol

5.1 Mission SMOS : informations de baseMission d'opportunité du programme Earth Explorer

Sélectionnée en 1999 [6] Conduite par l'ESA, avec contributions du CNES & des autorités spatiales espagnoles

Eléments Charge utile : interféromètre MIRAS (EADS/CASA, Espagne) Plateforme PROTEUS (Thalès France) Lanceur ROCKOT (Russie) Segment sol : CNES (commande), ESAC (télémesure & traitement)

Scénario Orbite héliosynchrone, altitude 750 km, 06h00 18h00 à l'équateur Durée 3 ans extensible à 5 ans Lancement 2 Novembre 2009

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5.2 Incertitude radiométriqueL'incertitude T est modulée à travers le champ de vue par l'inverse du gain directionnel des éléments de l'interféromètre [7]. Les mesures empiriques confirment parfaitement l'estimation théorique. Mesure empirique sur une zone océanique (communiqué par J. Boutin & Xiaopin Lin)

Figure 10a Figure 10b

NVId

B

TT

G

oblT REDW

eff

SCENEN

23

)()()(

2

2

5.3 Lame d eau vs SM

Figure 11a Figure 11b

10

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L'allure générale de la SM inversée dans cette région de l'Australie le 3 février 2010 (fig 11a) correspond à la lame d'eau tombée pendant les 24 heures précédentes (fig 11b).

5.4 RFIQuantité représentée sur l'Europe figure 12 : proportion des cas (code couleur de 0 à 100%) pour lesquels la température de brillance est supérieure à 340K. Ces cas sont interprétés comme dus à des interférences d'origine humaine (Radio Frequency Interferences)

Figure 12a Figure 12b Pour plusieurs pays la protection stipulée par l'UIT n'est pas respectée et rend les données inutilisables sur de vastes surfaces. Cependant l'intervention auprès des autorités peut aboutir à mettre un terme aux interférences : voir l'exemple de l'Espagne notamment.

6 En conclusionLe traitement des données de SMOS est lourd. Plusieurs sujets sont passés sous silence :

étalonnage en vol corrections pour sources parasites …

Plusieurs phénomènes restent encore inexpliqués : Dissymétrie des orbites, Stokes 3 et 4 en désaccord avec les mpodélisations, Biais divers.

Performances en gros progrès mais non nominales L'optimisation du modèle direct sera longue.

Néanmoins la présence du signal géophysique est établie de façon robuste. Considéré comme un démonstrateur, SMOS est une réussite.

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7 Références [1] J.-P. Wigneron, et al., "L-MEB: A simple model at L-band for the continental areas -

Application to the simulation of a half-degree resolution and global scale data set," in Radiative Transfer Models for Microwave Radiometry, C. Mätzler, Ed., ed Stevenage, UK: Institution of Electrical Engineers, 2005.

[2] L. A. Klein and C. T. Swift, "An improved model for the dielectric constant of sea water at microwave frequencies," IEEE Trans Antennas and Propagation, vol. AP-25, pp. 104-111., 1977.

[3] Jackson, T. J., Le Vine, D. M., Swift, C. T., Schmugge, T. J., and Schiebe, F. R. (1995). "Largearea mapping of soil moisture using the ESTAR passive microwave radiometer inWashita'92." Remote Sens. Environ, 53, 27-37.

[4] E. Anterrieu, A resolving matrix approach for synthetic aperture imaging radiometers, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 42(8), pp. 1649-1656, 2004

[5] Waldteufel P., J. Boutin, Y. Kerr, 2003: "Selecting an optimal configuration for the SMOS mission", Radio Sci. Vol. 38 No. 3, 10.1029/2002RS002744, 25 March 2003

[6] Kerr, Y. H. (1998). "The SMOS Mission: MIRAS on RAMSES. a proposal to the call for Earth Explorer Opportunity Mission." proposal, CESBIO, Toulouse (F).

[7] Camps, A., Corbella, I., Bará, J., and Torres, F. (1998). "Radiometric sensitivity computation in aperture synthesis interferometric radiometry." IEEE Trans. Antenna Propagat., 36(2), 680-685.

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