CETAL | PED Projects (PN-III-P2-2.1-PED) | PED470

 

PED 470/ 2021 Project


English (Engleză)
Project title: In-field calibration validation to improve ground support spectral measurements for current and future Earth Observation systems / ValGEOS


Periode: 1 June 2021 – 1 June 2023

Contact Person:
Project Director: Dr. Laura MIHAI (INFLPR)

Coordinator:
National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics - I.N.F.L.P.R.
Atomiștilor 409, Măgurele, Romania

Research Team:
• Dr. Laura Mihai (project manager) - INFLPR
• Dr. Andrei Stancalie, CS III - INFLPR
• PhD. student. Mihalcea Razvan - INFLPR
• Dr. Mihai Serbanescu, IDT III - INFLPR
• PhD. student Petrisor Gabriel Bleotu - INFLPR

Project Summary:
Until now, various research groups have developed a number of spectroradiometer systems with high spectral resolution for monitoring vegetation health. This monitoring can be successfully achieved by determining the Sun-Induced Fluorescence (SIF) parameter from spectral radiance and spectral irradiance records. One such system is Piccolo Doppio, which is already being used in independent research groups across Europe, with the intention to better understand SIF in the temporal and spatial domains and to support FLEX (FLuorescence Explorer - ESA mission) validation activities.
In order for the data recorded in the measurement campaigns by this equipment to be reliable and usable for this purpose, proper calibration is required. The calibration process converts the recorded data from arbitrary units of measurement into known units of the International Standard of Measurement (SI), in this case spectral radiance [W/ m2 sr nm] and spectral irradiance [W/ m2 nm] units. In general, such calibrations are carried out under controlled and stable climatic (laboratory) conditions. Since equipment may react differently under real measurement conditions, making this calibration no longer valid, it is necessary to apply some correction factors.
Therefore, in order to make the calibration of spectroradiometers as accurate as possible, a mobile validation system (ValGEOS) for radiometric (cValRad) and spectral (cValSpec) calibration (Etapa 1/Phase1, Figure 1) has been developed in this project, which can be used as a secondary spectral radiance and spectral irradiance standard, both in the laboratory and in the real working environment of the tested spectroradiometric systems. A series of protocols for spectral and radiometric characterization and calibration of dual-optics, high spectral resolution spectroradiometers and a method for validating these calibrations were also developed.
 
Phases and activities:
In Phase 1 of the project, spectroradiometer systems were characterised and radiometrically calibrated and their calibration validated with ValGEOS, under stable laboratory conditions.
In Phase 2 of this project, the validation system was deployed and tested in three locations in Europe (Figure 1 Etapa2 / Phase 2; Figure 2), prior to the use of the spectroradiometers in medium or long duration measurement campaigns, allowing a correction of the calibration results performed in the laboratory to the real working conditions for the tested systems.
Thus, in stage 3 of the project (Figure 1, Etapa 3 / Phase3), three spectroradiometric systems with high spectral resolution were obtained, whose calibration in the laboratory was corrected in relation to their actual working conditions (temperature, mounting geometry). These tested systems, through the steps carried out, have traceability to the same reference systems (radiance/spectral irradiance standards), using the same calibration methods, and they meet the same conditions as the reference systems, for ground-based global vegetation monitoring activities (e.g. FLEX ESA Mission).
 
Result indicators achieved by the end of the project:
• 1 ValGEOS radiometric validation system (patent application A00240), mobile, power independent, that can be used anywhere in the world by spectroradiometer users (with spectral resolution down to 0.2 nm, sensitive in the spectral range 200 - 1000 nm);
• technical diagrams of cValRad, cValSpec, ValGEOS systems;
• ValGEOS system data sheet containing specifications of both subsystems (cValRad, cValSpec);
• user guide for ValGEOS;
• installation and operating procedure for ValGEOS;
• examples of characterisation, calibration and calibration validation reports of dual-optical spectroradiometric systems with high spectral resolution;
• method for spectral and radiometric characterisation of high spectral resolution dual optics spectroradiometers with related procedures;
• method for spectral and radiometric calibration of dual-optical spectroradiometers with high spectral resolution, with related procedures;
• method for the validation of spectral and radiometric calibration of high spectral resolution dual optics spectrometers under real working conditions, with related procedures;
• radiometric and spectral calibration characterisation, calibration and validation services for spectroradiometric systems usable in the spectral range 200 - 1000 nm with spectral resolution down to 0.2 nm.
 

Dissemination:
Patent application - A00240
Participation in 3 international scientific events with poster or oral presentation:
[1] Oral presentation at the international workshop "MC-4 meeting and joint working group (WG1, WG2, WG3, WG4)", 11-13 October 2021 with the paper "Presenting the ValGEOS project", presented by Laura Mihai. www.senseco.eu/networking/projects-proposals
[2] Participation in the international symposium Leaving Planet 2022, organized by ESA (European Space Agency), Bonn, Germany - Mihai Laura, Mihalcea Răzvan, Șerbănescu Mihai, Stăncălie Andrei, MacArthur Alasdair, Development of a portable system for in-field calibration validation to improve the ground-based measurements for the future Earth Explorer Mission FLEX.
[3] Oral presentation at MC-5 meeting and Final Conference SENSECO, September 2022, Turkey Mihai Laura, Petrișor Bleotu, Hueni Andreas, Find the best practice for optimal parametrization of ISRF to be applied on spectral calibration of field instrumentation used for vegetation SIF investigation.
Organisation of an international event of team members together with members of COST SENSECO Action: "MC-4 meeting and joint working group (WG1, WG2, WG3, WG4)" on 11-13 October 2021, at Hotel Cișmigiu, Bucharest. The event was attended by project experts from more than 15 countries (44 participants). www.senseco.eu/fileadmin/files/Presentations/MC4_Bucharest/MC4_WG_Meeting.pdf.
Organise together with project specialists, members of the COST SENSECO network, a special issue in the journal REMOTE SENSING - MDPI (IF 5.3), whose deadline for publication is September 2023. "Recent Progress on Best Practice Protocols for Vegetation-Oriented Sensors Characterization, Calibration and Validation".
• Dissemination on international websites: www.senseco.eu/networking/projects-proposals
• Collaborations agreements were signed within our institution and institutions from Romania, Spain, Hungary, Germany, Poland, Netherland, Finland, UK, high spectral resolution spectroradiometers developers and users.

   Publications:
- Mihai L, Mihalcea R, Tomescu R, Paun C, Cristea D. Selective Mid-IR Metamaterial-Based Gas Sensor System: Proof of Concept and Performances Tests. nanomaterials. 2022; 12(6):1009. https://doi.org/10.3390/nano12061009
- Mogildea, M.;Mogildea, G.; Zgura, S.I.;Craciun, D.;Mihăilescu, N.; Prepelita, P.;Mihai, L.;Bazavan, M.C.;Bercu, V.; Gebac, L.C.;Maier, R.;Vasile,B;Craciun,V, A New Method for Tungsten Oxide Nanopowder Deposition on Carbon-Fiber-Reinforced Polymer Composites for X-ray Attenuation., Nanomaterials 13 (23) 3071– (2023)
- M. Werfeli, A. Hueni, D. Ganeva, G. Ghielmetti, L. Mihai, Uncertainty budget for a traceable operational radiometric calibration of field spectroradiometers, calibration of the Heliosphere, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing (Early Access) 17, 400–410 (2024)
 
 


Română (Romanian)
Titlul proiectului: Sistem de validare in-situ a rezultatelor etalonarilor pentru îmbunătăţirea măsurărilor spectrale de la sol, suport pentru actualele şi viitoarele sisteme de Observare a Pământulului / ValGEOS

Perioada: 1 iunie 2021 – 1 iunie 2023

Persoana de contact:
Director Proiect: Dr. Laura MIHAI (INFLPR)

Coordonator:
Institutul Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației - I.N.F.L.P.R.
Atomiștilor 409, Măgurele, ROMÂNIA

Echipa de cercetare:
• Dr. Laura Mihai (director de proiect) - INFLPR
• Dr. Andrei Stancalie, CS III - INFLPR
• PhD. student. Mihalcea Razvan - INFLPR
• Dr. Mihai Serbanescu, IDT III - INFLPR
• PhD. student Petrisor Gabriel Bleotu - INFLPR

Rezumat:
În prezent, diferite grupuri de cercetare au dezvoltat o serie de sisteme de spectroradiometre având rezoluţie spectrală ridicată, destinate monitorizării stării de sănătate a vegetaţiei. Această monitorizare poate fi realizată cu succes prin determinarea parametrului de fluorescenţă indusă de soare (SIF) din înregistrări de radianţă şi iradianţă spectrală. Un astfel de sistem este şi Piccolo Doppio, care este utilizat deja în grupuri de cercetare independente din întreaga Europă, cu intenția de a înțelege mai bine SIF în domeniile temporal și spațial și de a sprijini activitățile de validare FLEX (FLuorescence Explorer – misiune ESA). Pentru ca datele înregistrate în campaniile de măsurare de către aceste echipamente să fie de încredere şi să poată fi utilizate în acest scop, este necesară etalonarea acestora. Prin procesul de etalonare se face conversia datelor înregistrate, din unităţi arbitrare de măsurare, în unităţi cunoscute, ale standardului internaţional de măsurare (SI), în acest caz de radianţă şi iradianţă spectrală. În general, astfel de etalonări sunt realizate în condiţii climatice controlate şi stabile (de laborator). Deoarece echipamentul poate reacţiona diferit în condiţiile de măsurare reale, făcând această etalonare să nu mai fie validă, este necesară aplicarea unor factori de corecţie.
Aşadar, pentru ca etalonarea spectroradiometrelor să fie realizată cât mai corect, în acest proiect a fost dezvoltat un sistem mobil de validare (ValGEOS) a etalonării radiometrice (cValRad) şi spectrale (cValSpec) (etapa 1, Figura 1), care să poată fi utilizat ca standard secundar de radianţă şi iradianţă spectrală, atât în laborator cât şi în mediul de lucru real al sistemelor spectroradiometrice testate. De asemenea, au fost dezvoltate o serie de protocoale pentru caracterizarea şi etalonarea spectrală şi radiometrică a spectroradiometrelor cu optică dublă şi rezoluţie spectrală ridicată şi o metodă de validare a etalonărilor menţionate.
 


Etape și activități prevăzute:
În etapa 1 a proiectului, sistemele spectroradiometrice au fost caracterizate şi etalonate radiometric, iar etalonarea acestora validată cu ValGEOS, în condiţii stabile, de laborator.
În etapa 2 a acestui proiect, sistemul de validare a fost distribuit şi testat în trei locaţii din Europa (figura 2), înainte de utilizarea spectroradiometrelor în campanii de măsurare de durată medie sau lungă, permitând obţinerea unei corecţii a rezultatelor etalonării efectuate în laborator, în raport cu condiţiile de lucru reale pentru sistemele testate.
Astfel, în etapa 3 a proiectului au fost obţinute trei sisteme spectroradiometrice având rezoluţie spectrală ridicată, a căror etalonare din laborator a fost corectată în raport cu condiţiile de lucru efective ale acestora (temperatură, geometrie montaj). Aceste sisteme testate, prin etapele realizate, au trasabilitate faţă de aceleaşi sisteme de referinţă (standarde de radianţă / iradianţă spectrală), folosindu-se aceleaşi metode de etalonare, acestea îndeplinind condiţiile necesare utilizării ca sisteme de validare de la sol, pentru activităţi de monitorizare globală a vegetaţiei (eg. FLEX ESA Mission).

Indicatori de rezultat obţinuţi până la finalizarea proiectului:

• 1 sistem de validare radiometrică ValGEOS (cererea de brevet A00240), mobil, independent din punctul de vedere a alimentării cu energie, ce poate fi utilizat oriunde pe glob de către utilizatori de spectroradiometre (cu rezoluţie spectrală de până la 0.2 nm, sensibile în domeniul spectral 200 – 1000 nm);
• digramele tehnice ale sistemelor cValRad, cValSpec, ValGEOS;
• fişa tehnică a sistemului ValGEOS ce cuprinde specificaţiile ambelor subsisteme (cValRad, cValSpec);
• ghid de utilizare pentru ValGEOS;
• procedura de instalare şi operare a ValGEOS;
• exemple de rapoarte de caracterizare, etalonare şi validare a etalonării sistemelor spectroradiometrice cu optică dublă având rezoluţie spectrală ridicată;
• metodă de caracterizare spectrală şi radiometrică a spectroradiometrelor cu optică dublă având rezoluţie spectrală ridicată, cu procedurile aferente;
• metodă de etalonare spectrală şi radiometrică a spectroradiometrelor cu optică dublă având rezoluţie spectrală ridicată, cu procedurile aferente;
• metodă de validare a etalonării spectrale şi radiometrice a spectrometrelor cu optică dublă având rezoluţie spectrală ridicată în condiţii reale de lucru, cu procedurile aferente;
• servicii de caracterizare, etalonare şi validare a etalonării radiometrice şi spectrale pentru sisteme spectroradiometrice utilizabile în domeniul spectral 200 – 1000 nm, având rezoluţie spectrală de până la 0.2 nm.

Diseminare:
Cerere de brevet – A00240
Participarea la 3 manifestări ştiinţifice internaţionale cu prezentare poster sau orală:
[1] Prezentare orală la workshopul internaţional “MC-4 meeting and joint working group (WG1, WG2, WG3, WG4)”, din perioada 11-13 octombrie 2021 cu lucrarea “Presenting the ValGEOS project”, a prezentat Laura Mihai. www.senseco.eu/networking/projects-proposals
[2] Participare la simpozionul international Leaving Planet 2022, organizat de către ESA (European Space Agency), Bonn, Germania - Mihai Laura, Mihalcea Răzvan, Şerbănescu Mihai, Stăncălie Andrei, MacArthur Alasdair, Development of a portable system for in-field calibration validation to improve the ground-based measurements for the future Earth Explorer Mission FLEX.
[3] Prezentare orală la MC-5 meeting and Final Conference SENSECO, September 2022, Turcia Mihai Laura, Petrişor Bleotu, Hueni Andreas, Find the best practice for optimal parametrization of ISRF to be applied on spectral calibration of field instrumentation used for vegetation SIF investigation.
Organizarea unui eveniment internaţional a membrilor echipei împreună cu membrii ai Acţiunii COST SENSECO: “MC-4 meeting and joint working group (WG1, WG2, WG3, WG4)” în perioada 11-13 octombrie 2021, la Hotel Cişmigiu, Bucureşti. La acest eveniment au participat experţi în domeniul proiectului din mai mult de 15 ţări. www.senseco.eu/fileadmin/files/Presentations/MC4_Bucharest/MC4_WG_Meeting.pdf.
• Organizarea împreună cu specialişti în domeniul proiectului, membrii ai reţelei COST SENSECO a unei ediţii speciale în revista REMOTE SENSING – MDPI (IF 5.3), al cărui termen de publicare al lucrărilor este Septembrie 2023. "Recent Progress on Best Practice Protocols for Vegetation-Oriented Sensors Characterization, Calibration and Validation".
• Diseminare pe site-uri internaţionale: www.senseco.eu/networking/projects-proposals
• Au fost semnate acorduri de colaborare între INFLPR și alte instituții din România, Spania, Ungaria, Germania, Polonia, Olanda, Finlanda, Marea Britanie, dezvoltatori și utilizatori de spectroradiometre de rezoluție înaltă.

    Publicații:
- Mihai L, Mihalcea R, Tomescu R, Paun C, Cristea D. Selective Mid-IR Metamaterial-Based Gas Sensor System: Proof of Concept and Performances Tests. Nanomaterials. 2022; 12(6):1009. https://doi.org/10.3390/nano12061009.
- Mogildea, M.;Mogildea, G.; Zgura, S.I.;Craciun, D.;Mihăilescu, N.; Prepelita, P.;Mihai, L.;Bazavan, M.C.;Bercu, V.; Gebac, L.C.;Maier, R.;Vasile,B;Craciun,V, A New Method for Tungsten Oxide Nanopowder Deposition on Carbon-Fiber-Reinforced Polymer Composites for X-ray Attenuation., Nanomaterials 13 (23) 3071– (2023)
- M. Werfeli, A. Hueni, D. Ganeva, G. Ghielmetti, L. Mihai, Uncertainty budget for a traceable operational radiometric calibration of field spectroradiometers, calibration of the Heliosphere, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing (Early Access) 17, 400–410 (2024)

 

Figura 1 PED470
Figura 1.  Etapele de realizare a obiectivelor proiectului VALGEOS

 

 

 
Figura 2 PED470
Figura 2. Validarea etalonării unor sisteme spectroradiometrice cu optică dublă si rezoluţie spectrală ridicată, cu sistemul de validare VALGEOS (cValRad&cValSpec)