適用于GNSS-R極化研究的不同極化的Bi-mimics模型

吳學睿

（赤峰學院 資源與環境科學學院，內蒙古 赤峰 024000）

適用于GNSS-R極化研究的不同極化的Bi-mimics模型

吳學睿

（赤峰學院 資源與環境科學學院，內蒙古 赤峰 024000）

GNSS-R是一種新興的遙感監測手段.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，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.導航衛星群發射的為右旋圓極化信號RHCP，經地表翻轉后，信號極性發生改變，進行陸面遙感監測時，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是利用導航衛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射機，因此不要需要研制專門的發射機，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點，成為海洋中尺度遙感監測的有效手段.近年來，GNSS-R在陸面遙感上的應用也不斷受到重視：如土壤水分和植被生物量監測.同時GNSS-R也可以成為湖泊水庫水位監測、海面溢油監測和雪冰厚度等實用監測手段.

GPS發射的為RHCP信號，該信號經地表反射后極化特性會發生改變，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，當仰角小于Brewster角時，圓極化占主要成分；當仰角大于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角是土壤介電常數的函數.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，導致在BAO tower[4]實驗中未得到上述結論.BAO Tower實驗中接收機的天線包含指向天頂的接收機GPS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，期待其為后續GNSS-R植被遙感研究工作奠定基礎.

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為：

根據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射和接收極化下的雙站散射系數，具體如下[6].

3 不同極化的模擬結果

表1 不同極化下的Sotkes矢量和修改的Stokes矢量之間的關系

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，雙站散射系數與散射天頂角之間的關系，模擬結果圖如下.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系圖A圖為VV極化、RR極化和+/+45°線極化的模擬結果；B圖為HH極化、LL極化和-/-45°線極化的模擬結果；C圖為VH極化、RL極化和+/-45°極化模擬結果；D圖為HV極化、LR極化和-/+45°線極化的模擬結果

從圖中可以看出，雙站散射系數隨著散射角的變化，趨勢基本是相同的.由于樹干的作用，θi=θs=30°時出現一個反射峰.需注意的是某些極化的某些角度范圍內不存在散射值 ：+/+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 結論

GNSS-R作為一種新型的遙感手段，在海洋和陸面的應用引起廣泛關注并逐漸深入發展.本文以植被雙站散射模型Bi-mimics為研究出發點，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.

〔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.

TN011

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1673-260X（2012）02-0149-02