Polarimetric calibrations for spaceborne P-Band SAR : simulation and performance analysis for BIOMASS scenario

This work focuses on polarimetric calibrations for spaceborne P-band Synthetic Aperture Radar (SAR), with a special reference to the upcoming European Space Agency (ESA) BIOMASS mission, scheduled for launch in 2025. BIOMASS aims to provide unprecedented data on global forest Above Ground Biomass (AGB) distribution, contributing to a better understanding of carbon cycles, thus enabling more effective actions to mitigate climate change. The satellite full polarimetric P-band radar will play a key role, as it allows deep canopy penetration, crucial for accurately assessing biomass in densely forested regions. The research carried out in this thesis includes an introduction to the BIOMASS mission and its expected products and a SAR polarimetry overview, focused on the theoretical aspects of polarization, scattering mechanisms, and ionospheric disturbances. It follows a comprehensive analysis of polarimetric calibration methods such as the Chen & Quegan and Freeman approaches. The two methods are mathematically introduced, highlighting their strengths and limitations considering the specific BIOMASS scenario. The algorithms are then implemented in Python to evaluate calibration performance and correct SAR data for ionospheric and system errors. Finally, the results obtained from the simulations are used to calibrate a real P-band SAR image, providing a further assessment of the algorithm on real data.

Questo elaborato è focalizzato sulle calibrazioni polarimetriche per radar ad apertura sintetica (SAR) satellitari in banda P, con particolare riferimento all'imminente missione BIOMASS dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), il cui lancio è previsto per il 2025. BIOMASS mira a fornire dati senza precedenti sulla distribuzione dell'Above Ground Biomass (AGB), contribuendo ad una miglior comprensione dei cicli del carbonio e consentendo così azioni più efficaci per mitigare i cambiamenti climatici. Il radar a polarimetria completa in banda P del satellite BIOMASS giocherà un ruolo fondamentale, in quanto consente di penetrare all'interno di dense foreste, cruciale per valutarne accuratamente la biomassa. La ricerca svolta in questa tesi comprende un'introduzione alla missione BIOMASS e ai suoi prodotti attesi, insieme ad una panoramica sulla polarimetria SAR, incentrata sugli aspetti teorici della polarizzazione, dei meccanismi di scattering e dei disturbi ionosferici. Segue un'analisi completa dei metodi di calibrazione polarimetrica, come gli approcci di Chen & Quegan e Freeman. I due metodi sono introdotti matematicamente, evidenziando i loro punti di forza e le loro limitazioni, considerando lo scenario specifico di BIOMASS. Gli algoritmi sono poi implementati in Python per valutare le prestazioni della calibrazione e correggere i dati SAR sottoposti ad errori ionosferici e di sistema. Infine, i risultati ottenuti dalle simulazioni sono utilizzati per calibrare un'immagine SAR reale in banda P, fornendo un'ulteriore valutazione dell'algoritmo su dati reali.