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《大连海事大学》 2012年 博士论文
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GNSS-R陆面遥感散射特性研究

吴学睿  
【摘要】:导航卫星的反射信号携带地表信息可以被专门的接收机接收利用,形成一种新兴的遥感手段GNSS-R遥感。在海洋领域,GNSS-R可以用来反演海面风场、有效波高、潮位和海水盐度等信息。在陆面领域,低成本、小功耗和高时空分辨率等诸多优点,使其可以成为土壤水分、植被等地物参数监测反演的有效手段。本文旨在对GNSS-R陆面遥感的散射特性进行研究,以期实现GNSS-R的实用化陆面参数遥感研究。 导航卫星群作为发射源,专门的GNSS-R接收机可以接收直射信号经地表反射的信号,这样形成一种收发分置的双基地雷达(bistatic radar)工作模式。因此对于GNSS-R散射特性研究需要采用双站散射模型。根据现有双站散射模型的文献:针对裸土,本文将原有的PO、GO和SPM模型以及AIEM模型修改为双站散射形式:根据现有Bi-mimics文献,在森林后向散射Mimics模型的基础上,加入散射的天顶角和方位角,在代码中实现了双站散射模型Bi-mimics模型。修改时涉及到相位矩阵和消光矩阵等的变化,同时地表反射率矩阵和散射矩阵也要修改为相应的双站形式。与海面相比,陆面粗糙度较小,一般认为接收机接收到的能量主要是来自于第一菲尼尔区的镜像散射能量,其余漫散射的能量较微弱,可以忽略不计。因此需要将上述双站散射模型中的角度设置为镜像角度,得到镜像散射模型Spec-mimcis模型,以此为研究工具,对农作物和森林的生物量特性进行分析,理论研究表明GNSS-R可以成为植被生物量监测的有效工具。 为克服电离层的影响,导航卫星发射的直射信号为右旋圆极化信号,该信号经地表反射后,极性会发生改变,而反射信号本身相对较弱,因此需要相应极性天线对信号进行接收,以降低极化损耗,充分利用反射信号。本文针对陆面遥感反射信号的极化特性进行研究,将裸土散射模型和上述Bi-mimics模型、Spec-mimics模型中的Stokes矢量进行修改,使其可以计算任意极化的散射系数。以Mimics手册中的Aspen为模型输入参数,模拟分析了RHCP发射,线极化(H、V极化)和圆极化(RHCP、LHCP)接收时散射系数随入射角的变化。理论研究表明RHCP极化信号经地表反射后,LHCP极性的反射信号无论是裸土还是植被都是只有在大的入射角(小仰角)时存在镜像散射值。但是对于RHCP,H、V极性的反射信号,在各个角度都有响应,RV极化时候,动态响应最大。当接收机可以追踪一颗或多颗卫星在不同仰角下的能量时(如SMIGOL)采用动态响应大的V极化天线较为有效;当接收机只能接收最高仰角的信号(如SMEX02中的DMR)时,LHCP极化的天线只会在某些角度范围内存在响应。实际的GNSS-R接收机可以在同一时刻接收到多颗卫星在不同仰角下的能量,适宜的角度(天顶角和方位角)以及极化组合来进行地物参数的监测和反演有待进一步研究,而地表实测数据对理论的验证也需同步展开。 因此,基础理论推动下的实用化GNSS-R陆面遥感监测网络的形成是未来工作研究的重心和难点。


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