GNSS-R海面风速反演技术研究

刘原华,何孟然, 牛新亮

(1. 西安邮电大学 通信与信息工程学院,陕西 西安 710121;2. 中国空间技术研究院 西安分院,陕西 西安 710100)

0 引 言

全球卫星导航系统反射信号技术(GNSS-R)是一种利用接收机接收物体表面的反射信号,并从反射信号提取所需特征的新兴的地球遥感技术. Auber等[1]在1994年首次提出了在机载实验中探测到了海面散射全球导航系统信号;Zavorotny等[2]在双基雷达方程的基础上利用Kirchhooff近似的几何光学方法,建立了海面散射信号的时延-多普勒二维相关功率模型,即Z-V模型;之后美国NASA与科罗拉多大学联合开展了一系列实验,为海面风场的反演奠定了理论基础[3-6]. 对于星载GNSS-R技术,国内在实测数据处理及地表参数反演的相关研究较少.

利用星载GNSS-R反演海面风速时,由于几何因素的影响,功率校准后的双基地雷达横截面积不能直接用来反演风速. 本文以Z-V模型为理论基础,对功率校准后的数据进行几何校正,以获得高精度的数据进行风速反演.

1 反演原理

GNSS-R散射信号相关功率是时延-多普勒的二维函数

(1)

2 几何校正

星载接收机接收到信号的功率受温度的影响,因此要将接收到的信号进行功率校准[7],得到双基雷达横截面积(BRCS)[8]

(2)

式中:Pg为接收到的散射信号的功率;C为接收到的信号总功率;CN为校准开关指向天线的噪声功率;PB为仪器接收到的散射信号功率;Pr为仪器产生的热噪声功率;CB为校准开关指向黑体负载的噪声功率.

图1 反射信号场景图

利用功率校准后的归一化散射信号相关功率进行风速反演[9], 如图1所示,与真实风速的光滑曲线相比,归一化相关功率的曲线较为粗糙, 反演风速和实际风速相差较大,这是由于发射机发射功率、天线方向图和几何关系等的影响,为了得到高精度的数据,在估算地球物理参数之前,必须对非地表相关项进行校正.

GNSS-R产生的数据通常采用时延-多普勒相关功率图(DDM)的形式,DDM图像代表了在特定的时延和多普勒频移下,海洋表面散射信号相关功率的分布情况. 由于DDM峰值功率受到镜面反射点以外多种因素的影响,例如热噪声、斑点噪声、几何形状和天线方向图的不均性等,使用DDM峰值功率无法准确地预测镜面反射点的位置. 反射区域的反射信号中路径延迟最短的点定义为镜面反射点[10],在镜面反射点周围构建一个大型的网格,使用DTU10 平均海面模型[11]对镜面反射点进行校正. 为了提供合理的海面空间分辨率,反演海面风速时,通常仅使用DDM的近镜面部分[12]. 图2为功率校准后的DDM图.

图2功率校准后的DDM图像

2.1 双基雷达横截面

使用时延-多普勒频点上几个变量的有效值来简化等式(1),有效值包括时延和多普勒扩展函数Λ和S

(3)

由于DDM的散射截面积σ不是归一化的,需要变换公式(3)将归一化散射雷达横截面积σ0替换为散射横截面积σ,得到散射横截面积σ表达式为

(4)

图3 双基雷达横截面积

2.2 有效散射区和物理散射区

单个时延-多普勒区包含捕获到的海洋表面一个或多个物理区域上的散射功率,每个DDM的物理面积可以表示为

(5)

GPS的模糊函数[8]增加了每个时延-多普勒频段的有效面积,导致散射功率从几何确定的物理散射区域散布到相邻的时延-多普勒频段中,改变了总的散射功率,DDM中的每个时延-多普勒频段的物理面积和有效区域都会变化. 因此将每个时延-多普勒频段的有效表面散射面积表示为模糊函数加权表面积分,即:

(6)

图4 有效面积

2.3 归一化双基地雷达横截面

将双基雷达横截面积和有效散射区的DDM相结合,计算出归一化双基雷达横截面积σ0. 近镜面部分的DDM功率的平均值称为DDM平均值(DDMA),典型的DDMA是DDM图像中以镜面反射点为中心的5(多普勒)×3(时延)的区域. 由于卫星携带仪器中开环信号跟踪器存在的误差,这些实际的DDMA区域通常不会与仪器生成的DDM区域完全对齐,采用镜面反射点周围的DDM区域与DDMA边缘区域加权组合的方式计算实际的DDMA总雷达散射截面积σ0. 计算DDMA双基雷达的总横截面积为

(7)

式中:N和M分别代表DDM中的时延和多普勒频段(N=4,M=6,这两个维度上的单个频段均大于DDMA单元),仿真得到的归一化双基雷达横截面积,如图5所示.

图5 归一化双基雷达横截面积

3 结果分析

利用得到的归一化双基雷达横截面积对风速进行反演,其中真实风速使用ECWMF模式预报,得到海面风速反演相关系数的关系如图6所示,图7示出了反演的均方根误差统计值.

图6 风速反演相关系数

图7 RMSE统计值

如图6～7所示,对双基雷达横截面积和有效散射区域进行几何校正后,反演风速与真实风速的相关系数为0.57,海面风速反演的均方根误差(RMSE)为2.61 m/s,反演风速与真实风速具有良好的一致性,验证了几何校正之后的归一化散射信号功率能够很好地反演海面风速.

4 结束语

本文通过对功率校准后的数据进行几何校正,将双基雷达横截面积和有效散射区域相结合,利用得到的归一化双基雷达横截面积进行风速反演. 结果表明,几何校正后的归一化散射信号相关功率能够很好地反演海面风速,为GNSS-R技术的工程化应用提供有效的理论支撑.