Water surface monitoring using GNSS-R opportunity signals

Water surface monitoring using the IPT technique for geophysical parameter retrieval. [ANGLÈS] This Master Thesis follows the future research lines recommended in Dr. Nereida Rodríguez Álvarez Ph.D Thesis dissertation. It is based on the application of the Interference Pattern Technique (IPT) on dynamic surfaces trying to monitor the water-level. The Global Navigation Satellite Systems (GNSS) signals are presented and then the Delay Doppler Map (DDM) technique and the IPT technique are introduced in detail. The basic equations are presented to fully understand the concepts. Both techniques can be applied today to Earth observation to retrieve geophysical parameters of the surface, such as the soil moisture, the topography and the wind speed. Then, the instrument that implements the IPT technique is described: it is the Soil Moisture Interference pattern technique GNSS-R Observations at L-band (SMIGOL) reflectometer. SMIGOL is an autonomous instrument consisting of a patch antenna with a symmetric pattern, a commercial GPS receiver, a GPS amplifier, a datalogger, a microcontroller, and a well-tailored power supply system containing batteries, solar panels, a buck boost power supply, and a battery charger. Some of the applications developed in the remote sensing laboratory (RSLab) using the IPT are presented, including soil moisture, vegetation height, water surface monitoring on reservoirs and topography. All these applications are supported with a critical analysis, and with the results of different field campaigns performed to validate the algorithms developed. Finally, a very detailed analysis of a field campaign performed in Vilanova i la Geltrú, Catalunya, Spain, to see how the IPT performs over dynamic surfaces is shown. All the intermediate steps of the signal processing are explained. From this campaign two different conclusions result; water-level monitoring cannot be performed under the same hypotheses as in reservoirs, and; the high dynamics of the water appear as a noise in the interference patterns which is correlated to the wind speed. An empirical formula relating the IPT observables and the wind speed is derived. [CASTELLÀ] Esta Tesis de Máster sigue las líneas futuras de investigación recomendadas en la Tésis doctoral de Dra. Nereida Rodríguez Álvarez. Se basa en la aplicación de la técnica patrón de interferencias (IPT) sobre superficies dinámicas para monitorizar el nivel del agua. Las señales los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) son presentadas para, consecuentemente, introducir la técnica Delay Doppler Map (DDM) y la técnica de IPT que se presenta en detalle. Se muestran también las ecuaciones básicas para comprender plenamente los conceptos. Ambas técnicas se pueden aplicar a día de hoy para la observación de la Tierra para recuperar parámetros geofísicos de la superficie, tales como la humedad del suelo, la topografía y la velocidad del viento. El instrumento que aplica la técnica de IPT se describe: es el reflectómetro Soil Moisture Interference pattern technique GNSS-R Observations at L-band (SMIGOL). SMIGOL es un instrumento autónomo que consta de una antena parche con un diagrama de radiación simétrico, un receptor GPS comercial, un amplificador de GPS, un datalogger, un microcontrolador y un sistema de alimentación bien confeccionado que contiene baterías, paneles solares, una fuente de alimentación conmutada, y un cargador de baterías. Algunas de las aplicaciones desarrolladas en el Laboratorio de Teledetección (RSLab) usando la IPT se presentan, incluyendo la humedad del suelo, altura de la vegetación, la monitorización del nivel de agua en embalses y la topografía. Todas estas aplicaciones son analizadas críticamente, junto con los resultados de diferentes campañas de medida realizadas para validar los algoritmos previamente desarrollados. Por último, se muestra un análisis muy detallado de una campaña de medida realizada en Vilanova i la Geltrú, Catalunya, España, para ver cómo la IPT funciona sobre superficies dinámicas. Se muestran detalladamente todos los pasos intermedios del procesado de los datos. De esta campaña de medidas se obtienen dos conclusiones distintas; la monitorización del nivel de agua sobre superficies dinámicas no puede realizarse bajo las mismas hipótesis que en el caso de los embalses, y; la alta dinámica del mar aparece en forma de ruido en los patrones de interferencia y dicho ruido está correlado con la velocidad del viento. Se deriva una fórmula empírica sobre las características observables del IPT y la velocidad del viento. [CATALÀ] Aquesta Tesi de Màster segueix les línies futures de recerca recomanades en la Tesi doctoral de Dra Nereida Rodríguez Álvarez. Es basa en l'aplicació de la tècnica patró d'interferències (IPT) sobre superfícies dinàmiques per monitoritzar el nivell de l'aigua. Els senyals dels Sistemes Globals de Navegació per Satèl lit (GNSS) són presentats per, conseqüentment, introduir la tècnica Delay Doppler Map (DDM) i la tècnica d'IPT que es presenta en detall. Es mostren també les equacions bàsiques per a comprendre plenament els conceptes. Ambdues tècniques es poden aplicar a dia d'avui per a l'observació de la Terra per recuperar paràmetres geofísics de la superfície, com ara la humitat del sòl, la topografia i la velocitat del vent. L'instrument que aplica la tècnica d'IPT es descriu: és el reflectòmetre Soil Moisture Interference pattern technique GNSS-R Observations at L-band (SMIGOL). SMIGOL és un instrument autònom que consta d'una antena impresa amb un diagrama de radiació simètric, un receptor GPS comercial, un amplificador de GPS, un datalogger, un microcontrolador i un sistema d'alimentació ben confeccionat que conté bateries, panells solars, una font de alimentació commutada, i un carregador de bateries. Algunes de les aplicacions desenvolupades en el Laboratori de Teledetecció (RSLAB) usant la IPT es presenten, incloent la humitat del sòl, alçada de la vegetació, la monitorització del nivell d'aigua en embassaments i la topografia. Totes aquestes aplicacions són analitzades críticament, juntament amb els resultats de diferents campanyes de mesura realitzades per validar els algorismes prèviament desenvolupats. Finalment, es mostra una anàlisi molt detallat d'una campanya de mesures realitzada a Vilanova i la Geltrú, Catalunya, Espanya, per veure com la IPT funciona sobre superfícies dinàmiques. Es mostren detalladament tots els passos intermedis del processat de les dades. D'aquesta campanya de mesures s'obtenen dues conclusions diferents: la monitorització del nivell d'aigua sobre superfícies dinàmiques no pot realitzar sota les mateixes hipòtesis que en el cas dels embassaments, i; l'alta dinàmica del mar apareix en forma de soroll en els patrons d'interferència i aquest soroll està correlat amb la velocitat del vent. Es deriva una fórmula empírica sobre les característiques observables de la IPT i la velocitat del vent.