CN111045039B - 一种gnss反射信号布儒斯特角的测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GNSS反射信号布儒斯特角的测量方法及装置，该方法通过将GNSS左旋圆极化反射天线与右旋圆极化反射天线固定在同一机械旋转平台上实现，所述方法包括：在设定的时间周期内，匀速旋转机械旋转平台，获得多个旋转周期内的测量数据；从连续的多个旋转周期的测量数据中，提取同一GNSS卫星的左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量，插值得到GNSS左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量随入射角的变化曲线，并利用两条曲线的交点得到GNSS反射信号的布儒斯特角。本发明实现了对观测站周围360°方位角范围内，海面、陆面、冰面、雪面等不同类型反射面GNSS反射信号布儒斯特角的测量。
Description
技术领域
本发明涉及GNSS反射信号遥感技术领域，尤其是涉及一种GNSS反射信号布儒斯特角的测量方法及装置。
背景技术
GNSS反射信号遥感技术(GNSS-R)通过同时接收GNSS卫星发射的直射信号和经过地面反射的信号，反演获取地面的物理参数，具有信号源丰富、全天时和全天候等优点，可应用于海面风场、海面高度、海面有效波高、海冰覆盖范围、海冰密集度和土壤湿度等领域的遥感探测。
GNSS卫星发射的是右旋圆极化电磁波信号，其经过地面反射后，由于去极化效应，GNSS反射信号通常会变为椭圆极化反射信号。GNSS反射信号可分解为一个左旋圆极化分量和一个右旋圆极化分量。GNSS反射信号的左旋圆极化分量的比例，在0°入射角时，理论上是100％，随着入射角的增大而减小；GNSS反射信号的右旋圆极化分量的比例，在90°入射角时，理论上是100％，随着入射角的减小而减小。根据布儒斯特角的定义，当GNSS反射信号的右旋圆极化反射分量与左旋圆极化分量相等时的GNSS信号入射角即为GNSS反射信号的布儒斯特角。
GNSS反射信号布儒斯特角的大小与反射面本身的物理性质密切相关，比如，海水的布儒斯特角主要取决于海水的温度与盐度，土壤的布儒斯特角主要取决于土壤的类型及含水量，因此，GNSS反射信号布儒斯特角可用于反射面的物理参数的反演。然而，如果采用GNSS左旋圆极化反射天线和GNSS右旋圆极化反射天线对GNSS反射信号进行直接测量时，会遇到存在以下几个难点：首先是GNSS反射信号镜面反射点方位角的随机性，GNSS反射信号遥感技术本质上是一种被动的微波遥感技术，视场范围内的GNSS卫星信号的方位角具有一定的随机性，因此，对应的反射信号的方位角也具有一定的随机性，GNSS反射信号天线很难兼顾到不同方位角的GNSS反射信号；其次是GNSS反射信号镜面反射点方位角的运动性，由于GNSS反射信号布儒斯特角的一次测量需要持续几十分钟，测量期间，由于GNSS卫星的运动，导致镜面反射点的方位角发生了较大的变化，反射信号镜面反射点容易移动到天线主波束之外；最后是GNSS反射信号布儒斯特角的大入射角特性，陆面、冰面、雪面及海面等典型反射面的GNSS反射信号的布儒斯特角所对应的入射角都在50°以上，由于入射角越大，GNSS信号的反射率越小，因此，这种大入射角反射信号的接收具有一定难度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种GNSS反射信号布儒斯特角的测量方法及装置。采用机械扫描的GNSS左旋圆极化和右旋圆极化反射信号接收技术，克服了GNSS反射信号布儒斯特角测量过程中遇到的镜面反射点方位角的随机性、运动性及大入射角特性给信号接收带来的困难，在数据处理时采用了对连续多个观测周期数据进行组合分析的数据处理方法，最终实现了对接收机周围360°方位角范围内GNSS反射信号布儒斯特角的测量。
为了实现上述目的，本发明提出了一种GNSS反射信号布儒斯特角的测量方法，该方法通过将GNSS左旋圆极化反射天线与右旋圆极化反射天线固定在同一机械旋转平台上实现，所述方法包括：
在设定的时间周期内，匀速旋转机械旋转平台，获得多个旋转周期内的测量数据；
从连续的多个旋转周期的测量数据中，提取同一GNSS卫星的左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量，插值得到GNSS左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量随入射角的变化曲线，并利用两条曲线的交点得到GNSS反射信号的布儒斯特角。
作为上述方法的一种改进，所述旋转机械旋转平台之前还包括：
分别调整GNSS左旋圆极化反射天线与右旋圆极化反射天线，使天线的波束中心均指向GNSS反射信号布儒斯特角方向附近。
作为上述方法的一种改进，所述GNSS左旋圆极化反射天线与右旋圆极化反射天线，方向图相同、波束中心指向一致。
作为上述方法的一种改进，所述从连续的多个旋转周期的测量数据中，提取同一GNSS卫星的左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量，插值得到GNSS左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量随入射角的变化曲线，并利用两条曲线的交点得到GNSS反射信号的布儒斯特角，具体包括：
从测量数据中提取同一GNSS卫星在连续多个观测周期内的左旋圆极化反射信号和右旋圆极化反射信号的相关功率值，分别绘制左旋圆极化反射信号和右旋圆极化反射信号的功率随时间变化的周期性变化曲线；
从功率时间曲线中提取每个周期的功率峰值和对应的采集时间，根据峰值的采集时间对应的GNSS卫星坐标，计算得到GNSS卫星的入射角；
通过插值运算，分别得到GNSS左旋圆极化反射信号和GNSS右旋圆极化反射信号的功率随入射角的变化曲线；
找到GNSS左旋圆极化反射信号功率曲线与GNSS右旋圆极化反射信号功率曲线的交点，该点所对应的入射角即GNSS反射信号的布儒斯特角。
本发明还提出了一种GNSS反射信号布儒斯特角的测量装置，所述装置包括GNSS左旋圆极化反射天线、右旋圆极化反射天线、机械旋转平台和数据处理模块；
所述机械旋转平台，用于固定GNSS左旋圆极化反射天线和右旋圆极化反射天线；在设定的时间周期内，匀速旋转，获得多个旋转周期内的测量数据；
所述GNSS左旋圆极化反射天线，用于测量获得GNSS左旋圆极化反射分量；
所述GNSS右旋圆极化反射天线，用于测量获得GNSS右旋圆极化反射分量；
所述数据处理模块，用于提取同一GNSS卫星的左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量，插值得到GNSS左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量随入射角的变化曲线，并利用两条曲线的交点得到GNSS反射信号的布儒斯特角。
作为上述装置的一种改进，所述GNSS左旋圆极化反射天线和右旋圆极化反射天线的波束中心均指向GNSS反射信号布儒斯特角方向附近。
作为上述装置的一种改进，所述GNSS左旋圆极化反射天线与右旋圆极化反射天线，方向图相同、朝向一致。
作为上述装置的一种改进，所述数据处理模块的具体实现过程为：
从测量数据中提取同一GNSS卫星在连续多个观测周期内的左旋圆极化反射信号和右旋圆极化反射信号的相关功率值，分别绘制左旋圆极化反射信号和右旋圆极化反射信号的功率随时间变化的周期性变化曲线；
从功率时间曲线中提取每个周期的功率峰值和对应的采集时间，根据峰值的采集时间对应的GNSS卫星坐标，计算得到GNSS卫星的入射角；
通过插值运算，分别得到GNSS左旋圆极化反射信号和GNSS右旋圆极化反射信号的功率随入射角的变化曲线；
找到GNSS左旋圆极化反射信号功率曲线与GNSS右旋圆极化反射信号功率曲线的交点，该点所对应的入射角即GNSS反射信号的布儒斯特角。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、实现对观测站周围360°方位角范围内的海面、陆面、冰面、雪面等不同类型反射面GNSS反射信号布儒斯特角的测量；
2、克服了GNSS反射信号布儒斯特角测量过程中遇到的镜面反射点方位角的随机性、运动性及大入射角特性给信号接收带来的困难。
附图说明
图1是GNSS卫星、地面及GNSS反射信号接收机构成的几何关系图；
图2是某时刻所有经过地面反射后能够被GNSS反射信号接收机接收到的GNSS反射信号高度角、方位角分布图；
图3是旋转观测站至天线波束中心指向方位角0°时的天线主波束观测范围；
图4是旋转观测站至天线波束中心指向方位角90°时的天线主波束观测范围；
图5是旋转观测站至天线波束中心指向方位角180°时的天线主波束观测范围；
图6是旋转观测站至天线波束中心指向方位角270°时的天线主波束观测范围；
图7是同一GNSS卫星不同旋转周期组合后获得的GNSS左旋圆极化反射信号随时间的变化曲线；
图8是同一GNSS卫星不同旋转周期组合后获得的GNSS右旋圆极化反射信号随时间的变化曲线；
图9是基于同一GNSS卫星左旋圆极化反射信号功率曲线与GNSS右旋圆极化反射信号功率曲线的交点测量GNSS反射信号布儒斯特角的示意图；
图10是本发明验证实例：一组岸基GNSS海面反射信号布儒斯特角测量得到的原始数据。
附图标记
1、某时刻经过地面反射有可能被GNSS-R接收机接收到的反射信号的高度角、方位角分布点；
2、GNSS反射信号接收机；
3、接收机周围360°方位角范围内入射角等于90°的等入射角线；
4、天线波束中心指向方位角0°时的天线足印；
5、天线波束中心指向方位角90°时的天线足印；
6、天线波束中心指向方位角180°时的天线足印；
7、天线波束中心指向方位角270°时的天线足印。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
在信号接收阶段，首先，将GNSS左旋圆极化反射天线与右旋圆极化反射天线固定到机械旋转平台上，并调整天线的波束中心，使其指向GNSS反射信号布儒斯特角方向附近；然后通过旋转平台，实现对接收机周围360°方位角范围内GNSS卫星的反射信号左旋圆极化反射信号分量和右旋圆极化反射信号的分量的接收；
在数据处理阶段，首先，将多个旋转周期内观测得到的同一GNSS卫星的左旋圆极化反射信号及右旋圆极化反射信号相关功率值分别组合，获得同一GNSS卫星不同时间的GNSS左旋圆极化反射信号的相关功率和GNSS右旋圆极化反射信号的观测结果；然后，依据时间和入射角的对应关系，插值得到不同高度角的GNSS左旋圆极化反射信号相关功率和GNSS右旋圆极化反射功率；最后，找到GNSS左旋圆极化反射信号功率曲线与GNSS右旋圆极化反射信号功率曲线的交点，该点所对应的入射角就是GNSS反射信号的布儒斯特角。
本方案包含以下技术特征：
1.采用方向图相同、朝向一致的GNSS左旋圆极化反射天线和GNSS右旋圆极化反射天线两个不同极化天线，同时接收同一GNSS卫星的GNSS反射信号的左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量；
2.采用的GNSS左旋圆极化反射天线和GNSS右旋圆极化反射天线，应固定在同一旋转平台上，天线波束中心指向GNSS反射信号布儒斯特角的估计方向；
3.采用的旋转平台，具备带动GNSS左旋圆极化反射天线和GNSS右旋圆极化反射天线360°方位向周期性旋转功能；
4.采用组合分析方法，从连续多个旋转周期的观测中，提取同一GNSS卫星的左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量，插值得到GNSS左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量随入射角的变化曲线，并利用两条曲线的交点得到GNSS反射信号的布儒斯特角。
实施例1
图1是GNSS卫星、地面及GNSS反射信号接收机构成的几何关系图，图中同一时刻存在多颗不同方位角、高度角的GNSS反射信号可被GNSS反射信号接收机接收。图2是某时刻所有经过地面反射后能够被GNSS反射信号接收机接收到的GNSS反射信号的高度角、方位角分布图。由于GNSS反射信号的布儒斯特角通常都是大于50°而小于90°的大入射角信号，且方位角均匀随机分布在GNSS-R接收机周围360°方位角范围内，因此，为了能够实现对360°方位角范围内GNSS反射信号布儒斯特角的测量，在对反射信号接收时，采用旋转扫描的技术手段。
信号接收的具体步骤如下：
1.将GNSS左旋圆极化反射信号接收天线和右旋圆极化反射信号天线固定在旋转平台上，并且将反射信号接收天线的波束中心指向布儒斯特角的大致方向，此时反射信号接收天线的主波束的接收GNSS反射信号的初始范围如图3所示；
2.通过旋转台，使得反射信号接收天线的主波束，通过旋转能够在一个周期内覆盖360°方位角内接收范围，图4，图5，图6分别是旋转观测站至天线波束中心指向方位角90°、180°、270°时的天线主波束观测范围；
3.按照步骤2，周期性地匀速旋转平台，采集半小时以上的观测数据，由于GNSS-R属于被动遥感技术，GNSS反射信号接收时间越长，采集到的可用于GNSS反射信号布儒斯特角测量的数据越多，将多天的观测结果组合后，可实现360°方位角GNSS反射信号布儒斯特角的测量。
数据处理步骤：
1.从测量数据中，提取同一GNSS卫星连续多个观测周期内左旋反射信号和右旋反射信号的相关功率值，图7和图8分别是同一GNSS卫星连续多个旋转周期组合后获得的GNSS左旋圆极化反射信号和右旋圆极化反射信号相关功率随时间的变化曲线；
2.从步骤1的周期性变化曲线中提取每一周期的峰值及其所对应的时间，并根据峰值的采集时间对应的GNSS卫星坐标，计算得到GNSS卫星的入射角；
3.通过数据插值的方法，分别插值得到GNSS左旋圆极化反射信号和右旋圆极化反射信号的相关功率随入射角的变化曲线，并通过交叉点位置得到GNSS反射信号的布儒斯特角。图9是基于同一GNSS卫星左旋圆极化反射信号功率曲线与GNSS右旋圆极化反射信号功率曲线的交叉点测量GNSS反射信号布儒斯特角的示意图。
实施例2
按照本发明，在山东威海海岸架设可周期性旋转天线，对海面GNSS反射信号的布儒斯特角进行了测量，图10是岸基GNSS海面反射信号布儒斯特角测量过程中采集到原始数据的一个实例，可初步判断其布儒斯特角对应的高度角为6.5°，相应的入射角为83.5°。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种GNSS反射信号布儒斯特角的测量方法，该方法通过将GNSS左旋圆极化反射天线与右旋圆极化反射天线固定在同一机械旋转平台上实现，所述方法包括：
在设定的时间周期内，匀速旋转机械旋转平台，获得多个旋转周期内的测量数据；
从连续的多个旋转周期的测量数据中，提取同一GNSS卫星的左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量，插值得到GNSS左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量随入射角的变化曲线，并利用两条曲线的交点得到GNSS反射信号的布儒斯特角；
所述从连续的多个旋转周期的测量数据中，提取同一GNSS卫星的左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量，插值得到GNSS左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量随入射角的变化曲线，并利用两条曲线的交点得到GNSS反射信号的布儒斯特角，具体包括：
从测量数据中提取同一GNSS卫星在连续多个观测周期内的左旋圆极化反射信号和右旋圆极化反射信号的相关功率值，分别绘制左旋圆极化反射信号和右旋圆极化反射信号的功率随时间变化的周期性变化曲线；
从功率时间曲线中提取每个周期的功率峰值和对应的采集时间，根据峰值的采集时间对应的GNSS卫星坐标，计算得到GNSS卫星的入射角；
通过插值运算，分别得到GNSS左旋圆极化反射信号和GNSS右旋圆极化反射信号的功率随入射角的变化曲线；
找到GNSS左旋圆极化反射信号功率曲线与GNSS右旋圆极化反射信号功率曲线的交点，该点所对应的入射角即GNSS反射信号的布儒斯特角。
2.根据权利要求1所述的GNSS反射信号布儒斯特角的测量方法，其特征在于，所述旋转机械旋转平台之前还包括：
分别调整GNSS左旋圆极化反射天线与右旋圆极化反射天线，使天线的波束中心均指向GNSS反射信号布儒斯特角方向附近。
3.根据权利要求2所述的GNSS反射信号布儒斯特角的测量方法，其特征在于，所述GNSS左旋圆极化反射天线与右旋圆极化反射天线，方向图相同、波束中心指向一致。
4.一种GNSS反射信号布儒斯特角的测量装置，其特征在于，所述装置包括GNSS左旋圆极化反射天线、右旋圆极化反射天线、机械旋转平台和数据处理模块；
所述机械旋转平台，用于固定GNSS左旋圆极化反射天线和右旋圆极化反射天线；在设定的时间周期内，匀速旋转，获得多个旋转周期内的测量数据；
所述GNSS左旋圆极化反射天线，用于测量获得GNSS左旋圆极化反射分量；
所述右旋圆极化反射天线，用于测量获得GNSS右旋圆极化反射分量；
所述数据处理模块，用于提取同一GNSS卫星的左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量，插值得到GNSS左旋圆极化反射分量和右旋圆极化反射分量随入射角的变化曲线，并利用两条曲线的交点得到GNSS反射信号的布儒斯特角；
所述数据处理模块的具体实现过程为：
从测量数据中提取同一GNSS卫星在连续多个观测周期内的左旋圆极化反射信号和右旋圆极化反射信号的相关功率值，分别绘制左旋圆极化反射信号和右旋圆极化反射信号的功率随时间变化的周期性变化曲线；
从功率时间曲线中提取每个周期的功率峰值和对应的采集时间，根据峰值的采集时间对应的GNSS卫星坐标，计算得到GNSS卫星的入射角；
通过插值运算，分别得到GNSS左旋圆极化反射信号和GNSS右旋圆极化反射信号的功率随入射角的变化曲线；
找到GNSS左旋圆极化反射信号功率曲线与GNSS右旋圆极化反射信号功率曲线的交点，该点所对应的入射角即GNSS反射信号的布儒斯特角。
5.根据权利要求4所述的GNSS反射信号布儒斯特角的测量装置，其特征在于，所述GNSS左旋圆极化反射天线和右旋圆极化反射天线的波束中心均指向GNSS反射信号布儒斯特角方向附近。
6.根据权利要求5所述的GNSS反射信号布儒斯特角的测量装置，其特征在于，所述GNSS左旋圆极化反射天线与右旋圆极化反射天线，方向图相同、朝向一致。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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