適用于GNSS-R極化研究的不同極化的Bi-mimics模型

吳學(xué)睿

（赤峰學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

適用于GNSS-R極化研究的不同極化的Bi-mimics模型

吳學(xué)睿

（赤峰學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

GNSS-R是一種新興的遙感監(jiān)測手段.機理屬于雙站雷達.本文以植被雙站散射模型Bi-mimics為研究基礎(chǔ)，利用一階全極化變換矩陣，通過對歸一化Stokes矢量的修改，得到了不同極化下的植被雙站散射模型Bi-mimics模型.導(dǎo)航衛(wèi)星群發(fā)射的為右旋圓極化信號RHCP，經(jīng)地表翻轉(zhuǎn)后，信號極性發(fā)生改變，進行陸面遙感監(jiān)測時，接收機天線的極性是目前存在的一個研究問題.極化信號的有效利用，會為GNSS-R遙感提供新的研究信息.本文在理論上得到了不同極化的植被雙站散射模型，使其可以成為GNSS-R不同極化下植被遙感或者植被覆蓋下土壤水分遙感的理論研究工具.

GNSS-R；Bi-mimics模型；圓極化；線極化；45°線極化

1 簡介

GNSS-R是利用導(dǎo)航衛(wèi)星的反射信號對海面或陸面遙感的一種有效手段：美國的GPS，歐洲的GALILEO、俄國的GLONASS，以及中國的BEIDOU都可以成為有效的發(fā)射機，因此不要需要研制專門的發(fā)射機，這種遙感手段憑借其成本低、功耗小和高時空分辨率等諸多優(yōu)點，成為海洋中尺度遙感監(jiān)測的有效手段.近年來，GNSS-R在陸面遙感上的應(yīng)用也不斷受到重視：如土壤水分和植被生物量監(jiān)測.同時GNSS-R也可以成為湖泊水庫水位監(jiān)測、海面溢油監(jiān)測和雪冰厚度等實用監(jiān)測手段.

GPS發(fā)射的為RHCP信號，該信號經(jīng)地表反射后極化特性會發(fā)生改變，接收機天線在接收時，需要考慮到信號極化特性的改變.以下針對接收機天線的極性分四類進行介紹：

（1）RHCP信號經(jīng)地表反射的信號中，包含兩部分[1]，一部分即為原來的圓極化信號；另一部分為正交極化；而兩種極化信號的多少與仰角有關(guān)，當(dāng)仰角小于Brewster角時，圓極化占主要成分；當(dāng)仰角大于Brewster角時，正交極化占主要成分；使用指向水平的左旋圓極化LHCP天線，是目前常用的接收機天線.

（2）西班牙的相關(guān)研究工作者[2]，采用的接收機天線為水平放置的V極化天線.原因是如果采用LHCP，則反射信號中的H分量會掩蓋掉反射率為0的Brewster角信息，而只有在V極化才存在的Brewster角是土壤介電常數(shù)的函數(shù).他們利用自己研制的V極化地基SMIGOL反射計進行了土壤水分、地形高度和植被生物量的反演研究工作.

（3）Zavorotny等人[3]的接收機采用一個RHCP天線接收直射信號，H、V、LHCP極化天線接收地表反射信號，利用H/V和RHCP/LHCP的極化比對土壤水分的敏感性進行研究，指出H、V天線對土壤水分反演研究更為敏感；

（4）但上述（3）中可能是對土壤層過于均一的假設(shè)，導(dǎo)致在BAO tower[4]實驗中未得到上述結(jié)論.BAO Tower實驗中接收機的天線包含指向天頂?shù)慕邮諜CGPS直射信號的低增益RHCP天線；五個指向地面的接收機天線：一個低增益的LHCP，四個高增益（～12db）端射天線：V、H、RHCP和LHCP.

綜上，接收機不同，采用的天線的極化特性不同，而GNSS-R的極化特性有可能為海陸遙感提供有效信息.本文從理論模型上模擬分析了線極化、圓極化和目前流行的45°線極化下植被雙站散射系數(shù)，期待其為后續(xù)GNSS-R植被遙感研究工作奠定基礎(chǔ).

2 Bi-mimics模型

Bi-mimics模型[5]是基于一階輻射傳輸方程的適用于森林的雙站散射模型，在后向散射Mimics模型[6]的基礎(chǔ)上，通過加入散射的天頂角和方位角，并修改變換后的相位矩陣和消光矩陣可以得到Bi-mimics模型.

一階全極化變換矩陣T將入射能量Ii(θi，φi)和散射能量Is(θs，φs)連接起來.如公式 1：

線極化時，整個冠層的雙站散射系數(shù)為：

根據(jù)一階全極化變換矩陣T，通過極化合成的方法可以計算任意發(fā)射和接收極化下的雙站散射系數(shù)，具體如下[6].

3 不同極化的模擬結(jié)果

表1 不同極化下的Sotkes矢量和修改的Stokes矢量之間的關(guān)系

利用第2部分中對Bi-mimics模型在不同極化下雙站散射系數(shù)的修改，以MIMICS手冊中，Aspen作為Bi-mimics模型的輸入，模擬不同極化時，雙站散射系數(shù)與散射天頂角之間的關(guān)系，模擬結(jié)果圖如下.其中入射角方位角為30°，散射方位角為10°～70°，入射天頂角為0°，散射方位角120°.

圖1 總散射能量隨散射天頂角變換關(guān)系圖A圖為VV極化、RR極化和+/+45°線極化的模擬結(jié)果；B圖為HH極化、LL極化和-/-45°線極化的模擬結(jié)果；C圖為VH極化、RL極化和+/-45°極化模擬結(jié)果；D圖為HV極化、LR極化和-/+45°線極化的模擬結(jié)果

從圖中可以看出，雙站散射系數(shù)隨著散射角的變化，趨勢基本是相同的.由于樹干的作用，θi=θs=30°時出現(xiàn)一個反射峰.需注意的是某些極化的某些角度范圍內(nèi)不存在散射值 ：+/+45° 線 極 化 時 ，10° ～35° ；-/-45° 線 極 化 在θi=θs=30°時；RL和LR極化在10°～25°時；對于同極化和極化的結(jié)果：線極化時存在差別 δVV≠δHH，δVH≠δHV；圓極化時，相等，即 δRR=δLL，δRL=δLR，原因是模型中假定植被冠層天頂對稱；45°線極化時，同極化和交叉極化結(jié)果略有差別.因此如果使用該極化的天線，角度的有效使用范圍是值得注意的一個問題.

4 結(jié)論

GNSS-R作為一種新型的遙感手段，在海洋和陸面的應(yīng)用引起廣泛關(guān)注并逐漸深入發(fā)展.本文以植被雙站散射模型Bi-mimics為研究出發(fā)點，對模型進行修改，模擬了線極化、圓極化和±45°線極化的模擬結(jié)果.可以成為接收機天線采用不同極化時GNSS-R植被散射模型的基礎(chǔ).

〔1〕Kavak A,Xu G,Vogel W J.GPS multipath fade measurements to determine L-band ground reflectivity properties[J].Proc.NAPEX XX.1996:257-263.

〔2〕Rodriguez-Alvarez N,Camps A,Vall-Llossera M,et al.Land Geophysical Parameters Retrieval Using the Interference Pattern GNSS-R Technique[J].IEEE Transactions onGeoscienceandRemoteSensing,DOI -10.1109/TGRS.2010.2049023,2010,PP(99):1-14.

〔3〕Zavorotny V U,Voronovich A G.Bistatic GPS signal reflections at various polarizations from roughland surface with moisture content[Z].2000:7.

〔4〕Zavorotny V,Masters D,Gasiewski A,et al.Seasonal polarimetric measurements of soil moisture using towerbased gps bistatic radar[Z].IEEE,2003:2,781-783.

〔5〕Liang P,Pierce L E,Moghaddam M.Radiative transfer modelformicrowave bistatic scattering from forest canopies[J].Geoscienceand RemoteSensing,IEEE Transactions on.2005,43(11):2470-2483.

〔6〕De Roo R,Ulaby F.Bistatic Specular Scattering from Rough Dielectric Surfaces[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.1994,42(2):220-231.

〔7〕Ruck G T,Barrick D E,Stuart W D,et al.Radar Cross Section Handbook,vol.1 and 2[Z].Plenum Press,1970.

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1673-260X（2012）02-0149-02