Temporal Characteristics of Boreal Forest Radar Measurements
Doctoral thesis, 2020

Radar observations of forests are sensitive to seasonal changes, meteorological variables and variations in soil and tree water content. These phenomena cause temporal variations in radar measurements, limiting the accuracy of tree height and biomass estimates using radar data. The temporal characteristics of radar measurements of forests, especially boreal forests, are not well understood. To fill this knowledge gap, a tower-based radar experiment was established for studying temporal variations in radar measurements of a boreal forest site in southern Sweden.
The work in this thesis involves the design and implementation of the experiment and the analysis of data acquired. The instrument allowed radar signatures from the forest to be monitored over timescales ranging from less than a second to years. A purpose-built, 50 m high tower was equipped with 30 antennas for tomographic imaging at microwave frequencies of P-band (420-450 MHz), L-band (1240-1375 MHz) and C-band (5250-5570 MHz) for multiple polarisation combinations. Parallel measurements using a 20-port vector network analyser resulted in significantly shorter measurement times and better tomographic image quality than previous tower-based radars. A new method was developed for suppressing mutual antenna coupling without affecting the range resolution. Algorithms were developed for compensating for phase errors using an array radar and for correcting for pixel-variant impulse responses in tomographic images.
Time series results showed large freeze/thaw backscatter variations due to freezing moisture in trees. P-band canopy backscatter variations of up to 10 dB occurred near instantaneously as the air temperature crossed 0⁰C, with ground backscatter responding over longer timescales. During nonfrozen conditions, the canopy backscatter was very stable with time. Evidence of backscatter variations due to tree water content were observed during hot summer periods only. A high vapour pressure deficit and strong winds increased the rate of transpiration fast enough to reduce the tree water content, which was visible as 0.5-2 dB backscatter drops during the day. Ground backscatter for cross-polarised observations increased during strong winds due to bending tree stems. Significant temporal decorrelation was only seen at P-band during freezing, thawing and strong winds. Suitable conditions for repeat-pass L-band interferometry were only seen during the summer. C-band temporal coherence was high over timescales of seconds and occasionally for several hours for night-time observations during the summer. Decorrelation coinciding with high transpiration rates was observed at L- and C-band, suggesting sensitivity to tree water dynamics.
The observations from this experiment are important for understanding, modelling and mitigating temporal variations in radar observables in forest parameter estimation algorithms. The results also are also useful in the design of spaceborne synthetic aperture radar missions with interferometric and tomographic capabilities. The results motivate the implementation of single-pass interferometric synthetic aperture radars for forest applications at P-, L- and C-band.

Synthetic aperture radar

backscatter

remote sensing

tomography

antenna array

temporal coherence

Contact lars.ulander@chalmers.se or leif.eriksson@chalmers.se if you want to receive the password for the online defence
Opponent: Prof. Mahta Moghaddam ,University of Southern California, Los Angeles, USA

Author

Albert Monteith

Chalmers, Space, Earth and Environment, Microwave and Optical Remote Sensing

Multiport vector network analyzer radar for tomographic forest scattering measurements

IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,; Vol. 15(2018)p. 1897-1901

Journal article

Temporal Survey of P- and L-Band Polarimetric Backscatter in Boreal Forests

IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,; Vol. 11(2018)p. 3564 -3577

Journal article

Temporal characteristics of P-band tomographic radar backscatter of a boreal forest

Temporal coherence in a boreal forest at P-, L- and C-band: A tower-based radar study

Det händer mycket inne i en skog som vi inte kan se. Träd verkar vara tysta åskådare som inte gör mycket mer än växer under årtionden. Men träd lever och, precis som vi, reagerar de på förändringar i sin miljö. De har till och med en puls, liknande våra hjärtan. Under varma sommardagar flödar vatten genom träden och ut i atmosfären som vattenånga. Vattnet i träden, som förlorades under dagen, fylls på igen under natten. Under vintern fryser vattnet inuti träden. Vi kan inte se dessa fenomen med våra ögon, men genom att mäta på en skog med radar, som skickar ut och tar emot elektromagnetiska vågor, kan vi observera mycket mer.

En radar kan se igenom och in i träd och avslöja vad som händer på insidan, liknande en röntgenbild. Med en radar kan vi observera var och när vattnet rör sig eller när vattnet förvandlas till is. För vissa forskare är detta en olägenhet, men för andra är det en möjlighet. Genom att montera en radar på en satellit kan vi observera alla skogar i världen. Forskare använder sådana mätningar, t.ex., för att uppskatta hur mycket skogen väger. Förändringar i dessa mätningar över tid, orsakat av fenomen som variationer i vatteninnehåll eller isbildning, ökar onoggrannheten. Det är också viktigt att övervaka hur träd reagerar på sin föränderliga miljö med radar. Dessa exempel illustrerar betydelsen av att förbättra vår förståelse för hur förändringar i skogen påverkar radarmätningar.

Den här avhandlingen presenterar ett experiment där vi har byggt ett radartorn intill en skog och studerat förändringar i radarmätningar över tidsskalor från sekunder till år. Kunskapen från experimentet kommer att hjälpa forskare som använder satellitradar för att studera skogens roll för klimatet, hur skogar reagerar på vårt föränderliga klimat och vad vi kan göra för att skydda dem.

Mark- och trädfuktighet och deras inverkan på radarsignalen från skog

Hildur och Sven Wingquists stiftelse, 2019-02-01 -- 2020-11-30.

Tower-based radar and geophysical measurements during the BorealScat experiment

European Space Research and Technology Centre (ESA ESTEC), 2016-11-01 -- 2018-04-30.

European Space Agency (ESA), 2016-11-01 -- 2018-04-30.

Driving Forces

Sustainable development

Subject Categories

Remote Sensing

Other Earth and Related Environmental Sciences

Forest Science

Signal Processing

Geosciences, Multidisciplinary

Roots

Basic sciences

Areas of Advance

Life Science Engineering (2010-2018)

ISBN

978-91-7905-344-4

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4811

Publisher

Chalmers University of Technology

Contact lars.ulander@chalmers.se or leif.eriksson@chalmers.se if you want to receive the password for the online defence

Online

Opponent: Prof. Mahta Moghaddam ,University of Southern California, Los Angeles, USA

More information

Latest update

9/17/2020