基于GPS信号航空遥感地表参数的方法研究

【类型】学位论文

【作者】关止 

【关键词】 GPS反射信号 GPS双基雷达 地表参数 基尔霍夫估计 反问题

【摘要】全球定位系统(GPS)是一种可以定时和测距的空间交汇定点导航系统。随着卫星数目的不断增加，定位精度的提高和高精度导航接收机的研制，该项技术已经广泛服务于军事和民用的各个方面。利用GPS信号测量地表参数的方法是近年来出现的一种较新的遥感手段，由GPS卫星、接收机组成了双基地雷达结构，通过测量地表反射信号功率反演地表参数信息。 海面风矢量和土壤湿度参数是海洋、陆地表面与大气能量传输的关键因子，在生态学、水文学、气候和农业等方面起到很大作用。 海面风场引起海面粗糙度的变化，使散射截面和概率密度函数变化，从而使反射GPS海面反射功率发生变化，反射功率波形的峰值能够反映风速和风向的变化，其拖尾区能够敏感地反映风速的变化，且随着接收机高度的增加越发明显，因此可以通过对不同延时反射功率的测量得到风场数值。在5—10km是进行GPS信号航空遥感海面风场的最佳高度，在此范围内，多普勒频率产生的影响可以忽略。海面风速的测量范围为3m/s—15m/s，反演精度为2m/s，对于单通道测量海面风向反演精度为20°。由于航空遥感平台的条件限制，微波散射计在航空遥感海面风场的应用难以发挥其优势，另外，微波散射计主要测量海面的Bragg后向散射，而基于GPS信号反演海面风场是测量海面的前向散射，因此二者可以做到很好的互补测量。 大量实验表明L波段是测量土壤湿度的最优波段，不同湿度的土壤具有不同的介电常数，从而影响反射率和反射功率波形，GPS反射信号功率波形的峰值部分对于土壤湿度最为敏感，对于相同土壤湿度，不同粗糙度的地表，峰值功率的变化较小，入射角对于功率波形影响较小。土壤湿度的测量范围为5％—45％，反演精度为5％。随着接收机高度的增加，波形展宽，峰值功率降低。该方法可以与微波辐射计互补进行土壤湿度的遥感测量。 本文根据L波段信号地表散射特征，采用基尔霍夫估计的方法，将地表分成多个菲涅尔区进行准镜面反射信号功率计算，得到关于镜面点的不同C/A码延时的反射信号功率。利用海面Z-V(Zavorotny-Voromovich)散射模型、Elfouhaily海谱模型，建立起海面风速风向和反射信号功率之间的关系；由Hallikainen提出的体积土壤湿度和介电常数的关系，菲涅尔反射系数公式和雷达方程，建立起体积土壤湿度和反射信号功率的相互关系。依据这些理论模型，编写程序模拟了风速、风向、入射角、粗糙度、土壤湿度、接收机高度等多个参数对反射信号功率波形的影响。在反问题理论基础上，采用最小二乘法，利用国外现有的机载实验数据，编写程序对地表参数进行反演，探讨该测量方法的可行性与有效性。本论文的创新在于详尽分析了海洋陆地表面对GPS信号的散射特性， 建立了相应的散射信号模型，为基于GPS反射信号遥感地表参数提供了理论基础；提出了GPS信号遥感地表参数反演算法，分析了影响反射信号功率的参数因子。

【学位名称】博士

【学位授予单位】中国科学院东北地理与农业生态研究所

【学位授予年度】2016

【导师姓名】赵凯

【读秀链接】读秀链接