Evaluation of an across-track bistatic SAR formation for the retrieval of Snow Water Equivalent

Snow Water Equivalent (SWE) is considered the most important metric in snow hydrology, as it represents the amount of water contained in a snowpack. In this thesis a novel approach for SWE estimation based on the combined use of SAR interferometry (InSAR) and differential SAR interferometry (DInSAR) is discussed. Since monitoring SWE is essential for climate science, water resource management in regions that rely on snowmelt for freshwater supply, and for optimising energy production from hydropower, an improvement in estimation accuracy would be extremely useful in addressing the challenges posed by climate change. Following an investigation of the decorrelation phenomena affecting the coherence of InSAR and DInSAR interferograms, as well as the preliminary sizing of a space-borne monostatic SAR system, an analytical model for SWE retrieval from DInSAR data is obtained, linearised and used to evaluate the performance of the technique. Similarly, an analytical model for bistatic InSAR is developed and linearised, and the accuracy of the SWE estimates it can provide is evaluated using estimation theory. Finally, the two linearised models are combined to determine the feasibility of estimating SWE using a bistatic cross-track formation. Both the variance of the estimates and the error introduced by the linearisation are evaluated, and a more advanced version of the model based on local linearisation is developed to overcome the model error. The results show that the combination of DInSAR and L-band bistatic InSAR has the potential to become a fundamental technique for estimating snow water equivalent, and that the accuracy of current monostatic systems could be improved by launching a receive-only satellite to achieve a bistatic configuration.

Lo Snow Water Equivalent (SWE) è considerato la metrica più importante nell'idrologia della neve, in quanto rappresenta la quantità di acqua contenuta in un manto nevoso. In questa tesi viene discusso un nuovo approccio per la stima dello SWE basato sull'uso combinato dell'interferometria SAR (InSAR) e dell'interferometria SAR differenziale (DInSAR). Poiché il monitoraggio dello SWE è essenziale per la scienza del clima, per la gestione delle risorse idriche nelle regioni in cui l'approvvigionamento di acqua dolce dipende principalmente dallo scioglimento della neve, e per l'ottimizzazione della produzione di energia idroelettrica, un miglioramento dell'accuratezza della sua stima sarebbe estremamente utile per affrontare le sfide poste dal cambiamento climatico. A seguito di un'indagine sui fenomeni di decorrelazione che influenzano la coerenza degli interferogrammi InSAR e DInSAR e del dimensionamento preliminare di un sistema SAR monostatico satellitare, un modello analitico per la stima dello SWE da dati DInSAR è stato ottenuto, linearizzato e utilizzato per valutare le prestazioni della tecnica. Allo stesso modo, è stato sviluppato e linearizzato un modello analitico per InSAR bistatico e l'accuratezza delle stime di SWE che può fornire è stata valutata. Infine, i due modelli linearizzati sono stati combinati per determinare la fattibilità della stima dello SWE utilizzando una formazione bistatica trasversale all’apertura sintetica. Sono stati valutati sia la varianza delle stime che l'errore introdotto dalla linearizzazione ed è stata sviluppata una versione più avanzata del modello basata sulla linearizzazione locale per superare l'errore di modello. I risultati mostrano che la combinazione di DInSAR e InSAR bistatico in banda L ha il potenziale per diventare una tecnica fondamentale per la stima dello SWE, e che l'accuratezza degli attuali sistemi monostatici potrebbe essere migliorata lanciando un satellite di sola ricezione per ottenere una configurazione bistatica.