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地球物理参数反演使用的干涉图案GNSS-R技术

摘要：在过去的几年中，社会对远程感应土壤水分和植被参数的特殊利益。辐射测量和雷达技术已被广泛地使用了多年。全球卫星导航系统信号的机会重新佛罗里达州ected（GNSS-R）在地球的表面是年轻，但他们已经显示出他们来执行这些意见的潜力。本文提出了一种GNSS-R技术，基于全球定位系统（GPS）测量，允许从土地表面的几个地球物理参数检索。此技术测量的直接的GPS信号和再FL ected 1散射对土地之后之间的干扰信号的功率，因此它被称为干涉图样技术（IPT）。本文提出了植被覆盖soils.Index条款，全球导航卫星系统的机会信号重新佛罗里达州ected（GNSS-R），干涉模式，土壤湿度，地形运用IPT的地形，土壤水分和植被高度反演后得到的结果，植被。

引言

莫如和无源微波技术已被广泛地用于土壤湿度监测[1] - [6]。现在，全球导航卫星系统的机会的信号重新FL ected被用于地球观测在不同种类的表面（GNSS-R）的技术。海况信息，可以在海洋表面，提高了检索海洋盐度检索[7] - [10]，土壤水分可以在陆地表面检索[11] - [15]，和冰河时代或厚度可以在冰面上进行检索[16]。在本文中使用的特定GNSS-R技术是干涉图案技术（IPT），由测量直接和重新FL ected电网络的视场为全球定位系统（GPS）卫星移动的干扰功率的波动的。在早期的研究使用类似的技术[17]和[18]，表明在使用左手圆极化（LHCP）天线土介电特性的结果执行的。另外，在[19]，冰雪覆盖的金属面的介电性能是使用LHCP天线研究。

结果发现，当使用LHCP天线，水平极化掩模，因为它的角度信息不会在布儒斯特角，垂直极化确实表现出零重新FL ectivity。因此，类似的技术已被改变偏振基础和仅使用垂直极化天线[15]实施。 IP话机已成功应用在陆地表面实施三种类型的检索：1）表面形貌; 2）植被高度; 3）土壤水分植被覆盖的土壤。这些研究是基于以前的研究[15]，其中在一个裸露的土壤表面的IPT土壤湿度检索成功测试。

一项新的星历，在L波段称为土壤水分干扰模式GNSS观测（SMIGOL）重新FL ectometer，在2008年开发并在两个不同的场运动已被用来收集干涉测量，并测试理论发展。

本文的结构如下。在第二节，SMIGOL重新FL ectometer描述;在第三节中，IPT的基本面解释;在第四节中，不同SMIGOL检索（地形地貌，植被高度，土壤水分）的性能详细;在第五节，二场的实验和三个提议检索得到的结果。最后，主要结论总结在第六节。

II。SMIGOL REFLECT OMETER

该SMIGOL铼FL ectmeter是衡量直接干扰的瞬时功率，并从地球表面重新佛罗里达州ected GPS信号的地面设备。它工作在GPS L1频率（1.57542千兆赫）。几何CON组fi guration示于图。 1.重新FL ectometer位于所述表面上以一定的高度（h）指向地平线。然后，它测量的直接GPS信号和重之间的干扰佛罗里达州ected一个比土地的权力的演变。这两个信号（直接和重新FL ected）相同的GPS芯片间隔内到达的SMIGOL重新FL ectometer天线，因此，它们被相干地添加。当检测到一个卫星，接收器开始采集，以及所产生的干涉信号的功率，从现在起称为上干扰功率，在1Hz在卫星通过时刻而卫星是可见的被测量。每个样本对应于GPS卫星的不同仰角，因此所接收到的干扰功率是仰角的直接函数。

图2示出SMIGOL重新FL ectometer架构。一旦该天线收集在垂直偏振（V-POL）的干扰功率，GPS接收器进行处理，然后将原始数据传送到计算机。然后，SMIGOL检索算法，在第四节进一步解释的，施加到这些数据中提取所需的地球物理参数。

该SMIGOL重新FL ectometer高度（H）是由直接的相干时间限制，并重新佛罗里达州ected信号。相干时间被定义为通过光（c）项的速度除以两个信号（Delta;R）的路径差，并且必须小于GPS芯片时间：tau;C=1毫秒/ 1023=0.97微秒，作为1023的数量粗/捕获伪随机噪声码（C / A PRN码）[20]的芯片。自GPS卫星的高度是其中，rdirect是通过从GPS卫星到SMIGOL重新GPS信号所覆盖的距离FL ectometer天线，rreflected是由GPS信号覆盖从GPS卫星到SMIGOL回复的距离FL ectometer重新FL阿拉斯的表面上，theta;inc是GPS的入射角信号，h是仪器的高度。

分离h，从（1），它可以指出的是，最大仪器高度是最大入射角的函数

为了取整GPS卫星通道的测量，最大高度然后~145米（theta;elev=90◦-theta;inc，theta;inc_分钟=0◦）。在实践中，由于天线图案，对于仰角的最大值为theta;elevasymp;45◦，换算成的~206 m的最大高度，以确保信号的一致性。

由于SMIGOL重新FL ectometer指向地平线，足迹表面上不能去网络定义为通常情况下，使用天线图。其实，SMIGOL足迹定义为从哪里散射信号收集[21]，在晶莹的区域或区周围的镜面反射点去网络连接。 图。图4显示定义为周围的镜面反射点所在的区域归一化散射系数网络cient高于1/ E，在晶莹的区域，去网络连接。在此区域内的散射信号向接收功率的总量，而其他的散射信号是弱得多，使得它们的贡献是对不显着的本文件的检索。在漉区已计算了不同的土壤表面的粗糙度值，德音响定义为从一个平面的表面高度的标准偏差，和卫星仰角。

图。通过标准化的散射系数网络cient的边界定义为土地的情况下，德网络4.闪闪发光区，sigma;0，比0.63高。它已被计算为3-m的SMIGOL高度并评价0，1，2，3，4厘米土壤表面粗糙度值，从明确到暗的颜色，分别和不同的卫星高程; （一）theta;elev=45◦，（二）theta;elev=30◦，（三）theta;elev=20◦，和（d）theta;elev=10◦。的（0,0）坐标对应于SMIGOL重新FL ectometer位置，和40mu;m的最大延伸映射检索是可行的。

如可以看出（图4），所述漉区（点在表面上）的最大变化取决于卫星高程。对于高高程值（theta;elev=45◦），所不同的是在从低到更大的粗糙度值（0-4厘米rms值）半径约为0.10微米。然而，当卫星仰角减小，这种差异增大。考虑到对于粗糙度最常用的值是2-厘米and2.5厘米之间，在点尺寸为高仰角的最大误差为约5厘米，对于较低仰角将约7米，这是足以实现低错误提出检索，因为它会被显示第四节在科幻最终检索这个低影响是由于这一事实，即，在陆地表面，再FL ected GNSS信号是在镜面更强大

为了了解凹槽的存在，在FI最终模型中使用一个简化网络连接阳离子进行说明。这个简单的模型考虑了土壤和植被层为具有确定的厚度恒定的介电层。在裸土的情况下，该干涉现象功率仅呈现一个凹口这是由于在布鲁斯特角，在该对垂直极化波的总传输发生（重新FL ectivity接近零）的角度。因为它是公知的，在布儒斯特角[22]被计算如下：

图 简单的模型，植被覆盖的土壤情况。收到与重新FL ectivity模拟干扰功率。 （一）裸土产生一个缺口，（B）60厘米植被层土层产生三个缺口，以及（c）90厘米植被层土层产生的四个凹槽。注意，第一个缺口是由于布鲁斯特角，但新的凹口出现由于在重新FL ectivity振荡。

在植被覆盖的土壤，在那里与一个无限厚度的植被层在空气和土壤层之间考虑的情况下，一个以上的凹口出现并且它们的数量取决于该层（图7）的厚度。一个观察到的凹口是由于布鲁斯特角和凹口的其余部分是由于在重新振荡FL ectivity引起的植被层多次重FL ections。如果植被层厚度增大到3米时，土壤层的影响

可以忽略不计，而等效模型空气植被土壤模型转化为空气中的植被模型。 图。 8显示了重新FL ectivity针对不同的植被厚度的演变。因为它是示出，作为植被厚度增加了布儒斯特角的倾向，该合奏空气植被层的，没有在土壤层的FL uence。

当一个植被层被认为是（假设为植物参数的典型值[23]），土壤湿度与土壤表面粗糙度的变化仅影响整个干扰功率的幅度。在这种情况下，凹口的位置只与植被高度改变，除了相关的布鲁斯特角，这对于降低植物高度仍具有很少运动由于对土壤水分变化的切口。假设为5公斤/平方米，当植物高度增加超过20厘米的植被水分值，土壤湿度不影响布鲁斯特角槽口位置。当植物达到3-m的高度，它可以被看作是一个在无限层，其中土壤参数不影响干扰功率在所有。

在目前的工作中所用的模型是更复杂的。到更好的模型的植被层，即在土壤植被层撞击当GPS信号受到不同的相互作用都考虑在内。然后，再FL ectivity的更好的模拟，特别是对低仰角（图9），得以实现。

描述这些不同的交互全电磁模型一直被认为[24]，[25]。这个软件包最初是为植被覆盖土壤发射率计算开发的，并用适当的变化，这也是对合奏土壤上的GPS散射建模合适的工具植被的四个主要不同的相互作用方面：1）植被只; 2）土壤 - 植被; 3）植被，土壤; 4）土壤 - 植被 - 土壤。植物的结构是使用林登梅耶系统（L-系统）建模[26]，[27]。此外，植物（树干，树枝，树叶及水果）的每个部分都有其自己的特定散射模型[25]。几种植物可以具体来说为蓝本，从更复杂的结构，如树木或葡萄园简单的人如羊茅或苜蓿。在本文中，其中，小麦和大麦的网络连接的视场中观察到所研究的场运动，植物的组合物基本上需要其特征两部分：1）一个薄树干，具有一定的高度和一个特定的Ccedil;介电常数; 2）末，一个小分支，模拟小麦水果，其介电常数。小麦在观察区域中的分散可以是gured作为随机分布CON组fi或它可以是由主干分离定义德音响。 图。图10示出了网络连接最终小麦或大麦音响视场“的模拟的一个例子。

IV。性能不同史麦戈的检索

本文的目的集中在以下几点：1）纠正表面的地形，这就要求一个粗分辨率数字高程模型估计使用IPT的;和2）的植被高度的检索和植被覆盖土壤的土壤湿度。

对于每个卫星（SAT）的原始数据，所述SMIGOL主算法（图11）如下进行。

检索表面的形貌，这是仰角（theta;）和卫星通道的方位角（phi;）角度的函数，hsurf（饱和，theta;，phi;）。回想一下，地形是独立于其它情况下的参数。

一旦地形是已知的，执行植被高度检索。这检索获得尽可能多的植被高度为检测缺口的数量，hveg（坐着，缺口）。回想一下，因为如在第III节说明它直接关系到所接收到的干扰功率的凹槽的数量和位置是植被高度可以独立于土壤湿度或粗糙度而获得的。

最后，着眼于干扰功率的幅度和利用作为输入，植被高度和原位粗糙度值测定，土壤水分可以检索。得到的土壤湿度是仰角（theta;）和卫星通道的方位角（phi;）角度的函数，SM（饱和，theta;，phi;）。

一旦所有可用的卫星都被处理，地形和土壤湿度值是通过使用[28]合并，植被高度值被平均。

1）要执行的地形检索，大型系列数据（至少3个MOS管）必须合并获得hsurf（theta;，phi;）;

2）要执行的土壤湿度检索，可用的数据是在4-5小时团体组织的测量（6个卫星的数据），以防止与中午测量混合日出。然后，SM（theta;，phi;）的产品是obtained.

3）执行植被高度检索，hveg，唯一的限制是为了避免在植被生长而言混合长的时间序列。在本文中，4-5小时的测量值求平均。

然后，坐标的变化是从（theta;，phi;）到（x，y）提供到音响应受产生所观察到的表面的形貌和土壤湿度图的应用。在接下来的小节，这三个反演解释。

表面形貌检索

该IPT的于相位差的固有灵敏度直接转化为敏感性地形表面的变化。的表面形貌的变化，可以理解为一个仪器高度变化。因此，假设一参考表面电平，如果表面高度减小（相对仪器高度增加），所接收的干扰功率增加振荡的频率;并且如果表面高度的增加（相对仪器高度减小），接收到的干扰功率下降的振荡的频率。这种效应在图示出。 12使用合成地形廓。

该结果示于图呈现。图12（a）表示上表面高度的变化如何创建相位差和振荡的不同的频率。此外，比较这些结果与图图12（b）中，可以观察到，这些变化都没有在FL uence上的槽口的位置，或接收功率的幅度。

干扰功率的频率调制随后可用于推断地形。该算法第一个搜索所测量的干扰功率的所有极大值和极小幅度的立场。然后，如图所示。 13，它分割此功率转换成含有至少一个周期[一最小和一个最大，图仰角的窗户。图13（b）〕。一旦这些仰角窗口被设置，则该算法改性音响ES以迭代方式仪器“身高”的，以便通过在它们之间最小误差的图来调整理论功率的波动对实测值的值。图13（c）〕。

然后将检索到的值对应于仪器“高度”H（饱和，theta;，phi;），在每个仰角和方位角，从该地形廓可以通过在原点减去实际仪器高度h容易地推断出，以检索工具“高峰”hsurf（坐，theta;，phi;）= H（坐，theta;，phi;） - 小时。

植被，土壤覆盖

如在第三部分中提及，当植被覆盖观察面的接收功率的分析比在裸露的土壤表面[15]的情况下，更复杂的。植被层变化缺口和位置的数量。缺口成为不受土壤水分，为层厚度的增加，但对植被高度敏感。然而，陷波的振幅是对水分敏感的，至少到3-m的高度，当该层可以在无限加以考虑。回想一下，在整个接收功率的幅度是土壤水分，不仅槽口敏感。这三个主要特性示于图14，这将在详细节说明的IV-B1和B2。

大集模拟已运行改变不同的参数，如植被高度，土壤湿度，以计算整体土壤植被的重新FL ectivity。这些重新然后FL ectivities用于推断的具有所接收到的干扰功率这些参数的变化在FL uence一些结论

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