Development of accelerated fully focused SAR altimetry algorithms

Abstract

(English) The capability to measure ocean surface topography from space emerged in the 1970s with satellite radar altimeters. Since then, it has become essential in Earth observation, supporting a range of applications, from coastal water-level monitoring and sea-ice elevation, to quantifying sea level rise. Advances in radar altimetry have significantly improved the along-track resolution, progressing from kilometre scale in Low Resolution Modes to approximately 300 metres with Synthetic Aperture Radar (SAR) techniques using delay/Doppler processing, and even metre-scale resolution with Fully Focused SAR (FF-SAR). While Low Resolution and delay/Doppler algorithms are now operationally mature, FF-SAR algorithms remain relatively new and computationally demanding, limiting their operational use. This thesis introduces two novel algorithms designed to enhance the computational efficiency of FF-SAR radar altimetry processing, making it feasible for current and future satellite missions. The first alternative is a frequency based algorithm, named Omega-K Closed-Form algorithm, providing up to 4000 times of improvement in computational efficiency compared to the classic FF-SAR Back-projection algorithm. The algorithm is validated using data from point targets and open ocean. Additionally, the Omega-K algorithm is applied to estimate wavelength of long traveling ocean waves. The second alternative is an Accelerated Back-projection algorithm, which significantly reduces the computational runtime of classic Back-projection on a CPU-based architecture by a factor of 28, and a factor up to 13 on a GPU-based architecture. With respect to the classic Back-projection on a CPU, combining GPU processing with the Accelerated Back-projection achieves an overall computational improvement up to 1500. This method preserves accuracy and enables near-real-time processing, validated extensively with transponder and open ocean data. The Accelerated Back-projection algorithm is slower than the Omega-K algorithm, but it is more versatile, robust, accurate, and precise. Additionally, an alternative approach to delay/Doppler processing is introduced and extensively evaluated. This method, named Sub-looked Back-projection algorithm, is a variation of the classic Back-projection method. It generates waveforms with a resolution of 300 metres, comparable to those obtained from conventional delay/Doppler methods, but without relying on the typical approximations commonly employed by standard delay/Doppler processors to simplify computations. Furthermore, a comparison between delay/Doppler algorithms and the Sub-looked Back-projection method is conducted, assessing biases as a function of Significant Wave Height (SWH) in selected regions. Results indicate that the Sub-looked Back-projection method reduces SWH biases by 20% compared to conventional delay/Doppler processing. When implemented on GPU architectures, this method achieves processing speeds comparable to current operational delay/Doppler processors. Collectively, these methods represent a substantial step toward faster, as accurate as possible, and more versatile radar altimetry processing, paving the way for the next generation of operational satellite missions.

(Català) La capacitat de mesurar la topografia de la superfície oceànica des de l'espai va sorgir a la dècada de 1970 amb els altímetres radar satel·litaris. Des de llavors, aquesta tècnica ha esdevingut essencial en l'observació de la Terra, donant suport a diverses aplicacions que van des del monitoratge del nivell de l'aigua en zones costaneres i l'elevació del gel a les regions polars, fins a la mesura de l'increment global del nivell del mar. Els avenços en altimetria radar han millorat significativament la resolució azimutal al llarg dels anys, passant des de modes de baixa resolució, de l'ordre de quilòmetres, fins a uns 300 metres gràcies a les tècniques de Radar d'Obertura Sintètica usant mètodes Doppler (delay/Doppler altimetry o SAR altimetry en anglès), i fins i tot resolucions de l'ordre de metres amb tècniques d'Obertura Sintètica Totalment Enfocades (Fully Focused SAR en anglès). Mentre que els modes de baixa resolució i enfocament Doppler estan actualment madurs operativament, els algoritmes d'enfocament total (FF-SAR) són relativament nous i encara requereixen molts recursos computacionals, la qual cosa limita el seu ús operatiu. Aquesta tesi presenta dos algoritmes innovadors dissenyats per millorar l'eficiència computacional del processament FF-SAR, fent viable el seu ús en actuals i futures missions satel·litàries. El primer mètode és un algoritme analític freqüencial anomenat 'FF-SAR Omega-K', que proporciona una millora en l'eficiència computacional fins a 4000 vegades respecte a l'algoritme clàssic FF-SAR, conegut com a 'FF-SAR Back-projection'. L'algoritme ha estat validat utilitzant dades de blancs puntuals i de l'oceà. A més, l'algoritme Omega-K s'ha aplicat per estimar la longitud d'ona de les ones oceàniques, una nova aplicació a l'altimetria que només és possible gràcies als algoritmes d'obertura totalment enfocada. La segona alternativa és un algoritme accelerat per a la versió 'FF-SAR Back-projection', anomenat 'Accelerated Back-projection', que redueix significativament el temps computacional del mètode clàssic en arquitectures basades en CPU en un factor de 28, i fins a un factor de 13 en arquitectures basades en GPU. En comparació amb l'algoritme clàssic utilitzat en CPU, la combinació del processament en GPU amb l'algoritme accelerat aconsegueix una millora global de fins a 1500 vegades en eficiència computacional. Aquest mètode manté la precisió i permet un processament gairebé en temps real, validat exhaustivament amb dades de transponedors i de l'oceà. Aquest mètode és més lent que l'Omega-K, però és més versàtil, robust, exacte i precís. A més a més, es presenta una variació de l'algoritme 'Back-projection', anomenada 'Sub-looked Back-projection'. Aquest algoritme genera ones amb una resolució azimutal de 300 metres, comparables a les obtingudes amb els mètodes convencionals 'delay/Doppler', però sense dependre de les aproximacions típiques utilitzades pels processadors 'delay/Doppler', que simplifiquen els càlculs. L'algoritme 'Sub-looked Back-projection' redueix els biaixos del SWH en un 20% respecte al processament convencional 'delay/Doppler'. Implementat en arquitectures GPU, aconsegueix velocitats de processament comparables als processadors 'delay/Doppler' operacionals actuals. En conjunt, aquests mètodes representen un avenç substancial cap a un processament més ràpid, el més precís possible i més versàtil en altimetria radar, obrint camí per a la pròxima generació de missions satel·litàries.

(Español) La capacidad de medir la topografía de la superfície oceánica desde el espacio surgió en la década de 1970 con los altímetros radar satelitales. Desde entonces, esta técnica se ha vuelto esencial en la observación de la Tierra, apoyando diversas aplicaciones que van desde el monitoreo del nivel del agua en zonas costeras y la elevación del hielo en zonas polares, hasta la medición del aumento global del nivel del mar. Los avances en la altimetría radar han mejorado significativamente la resolución azimutal a lo largo de los años, progresando desde modos de baja resolución en el orden de kilómetros, hasta aproximadamente 300 metros gracias a las técnicas Radar de Apertura Sintética usando métodos Doppler (delay/Doppler altimetry o SAR altimetry en inglés), e incluso resoluciones del orden de metros con técnicas de Apertura Sintética Totalmente Enfocadas (Fully Focused SAR en inglés). Mientras que los modos de baja resolución y de enfocado Doppler están actualmente maduros operativamente, los algoritmos de enfoque total (FF-SAR) son relativamente nuevos y aún requieren de muchos recursos computacionales, lo que limita su uso operativo. Esta tesis presenta dos algoritmos novedosos diseñados para mejorar la eficiencia computacional del procesamiento FF-SAR, haciendo factible su uso en actuales y futuras misiones satelitales. El primer método es un algoritmo analítico frecuencial llamado 'FF-SAR Omega-K', que proporciona una mejora en la eficiencia computacional hasta 4000 veces en comparación con el algoritmo FF-SAR clásico, conocido como 'FF-SAR Back-projection'. El algoritmo se ha validado utilizando datos de blancos puntuales y del océano. Además, el algoritmo Omega-K se ha aplicado para estimar la longitud de onda de las olas del oceáno, una nueva aplicación en la altimetría que solo es posible gracias a los algoritmos de apertura totalmente enfocada. La segunda alternativa es un algoritmo acelerado para la versión 'FF-SAR Back-projection', llamado 'Accelerated Back-projection', que reduce significativamente el tiempo computacional del método clásico en arquitecturas basadas en CPU en un factor de 28, y hasta un factor de 13 en arquitecturas basadas en GPU. En comparación con el algoritmo clásico usado en CPU, la combinación del procesamiento en GPU con el algoritmo acelerado logra una mejora global de hasta 1500 veces en eficiencia computacional. Este método mantiene la precisión y permite un procesamiento casi en tiempo real, validado exhaustivamente con datos de transpondedores y del océano. Este algoritmo es más lento que el 'Omega-K', pero es más versátil, robusto, exacto y preciso. Además, se presenta una variación del algoritmo 'Back-projection', llamado 'Sub-looked Back-projection'. Este algoritmo genera ondas con una resolución azimutal de 300 metros comparables a las obtenidas mediante métodos convencionales 'delay/Doppler', pero no depende de las aproximaciones típicas empleadas por los procesadores 'delay/Doppler', que simplifican los cálculos. El algoritmo 'Sub-looked Back-projection' reduce los sesgos de la SWH en un 20% en comparación con el procesamiento convencional 'delay/Doppler'. Implementado en arquitecturas GPU, alcanza velocidades de procesamiento comparables a los procesadores 'delay/Doppler' operacionales actuales. En conjunto, estos métodos representan un avance sustancial hacia un procesamiento más rápido, lo más preciso posible y más versátil en la altimetría radar, abriendo camino para la próxima generación de misiones satelitales.