适用于GNSS-R极化研究的不同极化的Bi-mimics模型

吴学睿

（赤峰学院 资源与环境科学学院，内蒙古 赤峰 024000）

适用于GNSS-R极化研究的不同极化的Bi-mimics模型

吴学睿

（赤峰学院 资源与环境科学学院，内蒙古 赤峰 024000）

GNSS-R是一种新兴的遥感监测手段.机理属于双站雷达.本文以植被双站散射模型Bi-mimics为研究基础，利用一阶全极化变换矩阵，通过对归一化Stokes矢量的修改，得到了不同极化下的植被双站散射模型Bi-mimics模型.导航卫星群发射的为右旋圆极化信号RHCP，经地表翻转后，信号极性发生改变，进行陆面遥感监测时，接收机天线的极性是目前存在的一个研究问题.极化信号的有效利用，会为GNSS-R遥感提供新的研究信息.本文在理论上得到了不同极化的植被双站散射模型，使其可以成为GNSS-R不同极化下植被遥感或者植被覆盖下土壤水分遥感的理论研究工具.

GNSS-R；Bi-mimics模型；圆极化；线极化；45°线极化

1 简介

GNSS-R是利用导航卫星的反射信号对海面或陆面遥感的一种有效手段：美国的GPS，欧洲的GALILEO、俄国的GLONASS，以及中国的BEIDOU都可以成为有效的发射机，因此不要需要研制专门的发射机，这种遥感手段凭借其成本低、功耗小和高时空分辨率等诸多优点，成为海洋中尺度遥感监测的有效手段.近年来，GNSS-R在陆面遥感上的应用也不断受到重视：如土壤水分和植被生物量监测.同时GNSS-R也可以成为湖泊水库水位监测、海面溢油监测和雪冰厚度等实用监测手段.

GPS发射的为RHCP信号，该信号经地表反射后极化特性会发生改变，接收机天线在接收时，需要考虑到信号极化特性的改变.以下针对接收机天线的极性分四类进行介绍：

（1）RHCP信号经地表反射的信号中，包含两部分[1]，一部分即为原来的圆极化信号；另一部分为正交极化；而两种极化信号的多少与仰角有关，当仰角小于Brewster角时，圆极化占主要成分；当仰角大于Brewster角时，正交极化占主要成分；使用指向水平的左旋圆极化LHCP天线，是目前常用的接收机天线.

（2）西班牙的相关研究工作者[2]，采用的接收机天线为水平放置的V极化天线.原因是如果采用LHCP，则反射信号中的H分量会掩盖掉反射率为0的Brewster角信息，而只有在V极化才存在的Brewster角是土壤介电常数的函数.他们利用自己研制的V极化地基SMIGOL反射计进行了土壤水分、地形高度和植被生物量的反演研究工作.

（3）Zavorotny等人[3]的接收机采用一个RHCP天线接收直射信号，H、V、LHCP极化天线接收地表反射信号，利用H/V和RHCP/LHCP的极化比对土壤水分的敏感性进行研究，指出H、V天线对土壤水分反演研究更为敏感；

（4）但上述（3）中可能是对土壤层过于均一的假设，导致在BAO tower[4]实验中未得到上述结论.BAO Tower实验中接收机的天线包含指向天顶的接收机GPS直射信号的低增益RHCP天线；五个指向地面的接收机天线：一个低增益的LHCP，四个高增益（～12db）端射天线：V、H、RHCP和LHCP.

综上，接收机不同，采用的天线的极化特性不同，而GNSS-R的极化特性有可能为海陆遥感提供有效信息.本文从理论模型上模拟分析了线极化、圆极化和目前流行的45°线极化下植被双站散射系数，期待其为后续GNSS-R植被遥感研究工作奠定基础.

2 Bi-mimics模型

Bi-mimics模型[5]是基于一阶辐射传输方程的适用于森林的双站散射模型，在后向散射Mimics模型[6]的基础上，通过加入散射的天顶角和方位角，并修改变换后的相位矩阵和消光矩阵可以得到Bi-mimics模型.

一阶全极化变换矩阵T将入射能量Ii(θi，φi)和散射能量Is(θs，φs)连接起来.如公式 1：

线极化时，整个冠层的双站散射系数为：

根据一阶全极化变换矩阵T，通过极化合成的方法可以计算任意发射和接收极化下的双站散射系数，具体如下[6].

3 不同极化的模拟结果

表1 不同极化下的Sotkes矢量和修改的Stokes矢量之间的关系

利用第2部分中对Bi-mimics模型在不同极化下双站散射系数的修改，以MIMICS手册中，Aspen作为Bi-mimics模型的输入，模拟不同极化时，双站散射系数与散射天顶角之间的关系，模拟结果图如下.其中入射角方位角为30°，散射方位角为10°～70°，入射天顶角为0°，散射方位角120°.

图1 总散射能量随散射天顶角变换关系图A图为VV极化、RR极化和+/+45°线极化的模拟结果；B图为HH极化、LL极化和-/-45°线极化的模拟结果；C图为VH极化、RL极化和+/-45°极化模拟结果；D图为HV极化、LR极化和-/+45°线极化的模拟结果

从图中可以看出，双站散射系数随着散射角的变化，趋势基本是相同的.由于树干的作用，θi=θs=30°时出现一个反射峰.需注意的是某些极化的某些角度范围内不存在散射值 ：+/+45° 线 极 化 时 ，10° ～35° ；-/-45° 线 极 化 在θi=θs=30°时；RL和LR极化在10°～25°时；对于同极化和极化的结果：线极化时存在差别 δVV≠δHH，δVH≠δHV；圆极化时，相等，即 δRR=δLL，δRL=δLR，原因是模型中假定植被冠层天顶对称；45°线极化时，同极化和交叉极化结果略有差别.因此如果使用该极化的天线，角度的有效使用范围是值得注意的一个问题.

4 结论

GNSS-R作为一种新型的遥感手段，在海洋和陆面的应用引起广泛关注并逐渐深入发展.本文以植被双站散射模型Bi-mimics为研究出发点，对模型进行修改，模拟了线极化、圆极化和±45°线极化的模拟结果.可以成为接收机天线采用不同极化时GNSS-R植被散射模型的基础.

〔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