基于GNSS-R遥感技术反演海洋大气波导的理论与试验研究

Atmospheric duct is a special refractive sectional structure in troposphere, which can change the electromagnetic ray paths severely in marine environment, therefore it can disturb the communication and electronic systems. GNSS-R remote sensing technique has a large potential to monitor the atmospheric duct, which with the advantages of all-weather, high resolution, low-cost, simplicity and so on. In this research project, we aim to study the GNSS-R inversion algorithms and the research mainly includes the following three objectives/tasks. Firstly, the propagation features of the GNSS signals in ocean atmospheric duct and the relationship between reflected signal delay and ducting characteristic parameters will be investigated using parabolic -equation method and ray tracing technique. Secondly, based on the theoretical study, we will propose and study on two new inversion approaches, which are dual-frequency method by combination of signal attenuation, and dual-parameter method using reflective signal attenuation and phase delay. Finally, a coastal GNSS-R remote sensing atmospheric dust validation experiment will be conducted to test accuracy and time effectiveness of the two aforementioned approaches. The research results are expected to be significant for the improvement in atmospheric duct inversion technique, which is critical for the monitoring of the atmospheric duct by using the GNSS-R remote sensing technique.

大气波导是对流层内一种特殊折射率剖面结构，在海洋环境中可以严重改变电磁波的传播路径，影响无线电通信系统及电子系统的性能。全球导航卫星系统反射信号（GNSS-R）遥感技术具有全天候、高时空分辨率、低成本及使用便捷等优点，是大气波导探测领域中具有应用前景的全新遥感探测手段。首先，本课题将利用抛物方程法及射线追踪法研究不同频率GNSS信号在海洋大气波导中的传播规律以及探索反射信号码时延与大气波导特征参数间的关系。其次，基于以上理论研究基础，建立两种全新的GNSS-R遥感大气波导反演方法:利用GNSS双频功率损耗反演大气波导的“GNSS双频法”，同时利用GNSS反射信号功率及码时延反演大气波导的“GNSS双参数法”。最后，开展岸基GNSS-R遥感反演大气波导的试验，验证双频法及双参数法的准确性及时效性。本项目的研究将为利用GNSS-R反射信号监测海洋大气波导奠定理论与试验基础。

在海洋大气环境中，受海水蒸发的影响，蒸发波导的发生概率非常高，在有些海域甚至可以达到90%。蒸发波导的平均高度约为13 m,非常接近于海面舰船雷达、通信系统等电磁设备的高度。当蒸发波导存在时，舰船上电磁设备发射和接收到的电波信号极易发生超视距传播现象；当蒸发波导的陷获作用较强时，这些电磁设备正常的工作覆盖区域内甚至会形成探测盲区或通信盲区。.为了研究利用GNSS卫星海面反射信号反演蒸发波导的可行性，在理论研究方面，本课题开发了GREEPS仿真软件，首先研究了利用GNSS海面反射信号反演蒸发波导的物理基础，然后研究了利用GNSS卫星海面反射信号的时延与相关功率双参数协同反演蒸发波导的方法。研究表明，GNSS卫星海面反射信号的有效散射区域对蒸发波导高度非常敏感，对于2 m～25 m高的GNSS反射信号接收天线，当蒸发波导的高度由0 m增加至20 m时， GNSS反射信号有效散射区域半径的均值可由约14 km迅速扩展至约160 km。GNSS海面反射信号的时延-相关功率波形导数的第二极小值所对应的时延大小与反射信号有效散射区域的大小密切相关，可用于反演蒸发波导的高度。在试验研究方面，本课题先后于2015年和2017年在中国南海的北部和中部海域利用中国科学院南海海洋所的实验3号和实验1号科考船开展了大气波导试验研究。为了研究大气波导的统计特性，本课题通过两次科考试验共收集了800条中国南海北部区域20m高度范围内的大气温度、湿度和气压数据，收集了南海北部及南海中部150条GPS探空数据；为了研究蒸发波导对低高度角GNSS海面反射信号的影响，同时也为了验证蒸发波导反演算法的可行性，收集了同一地点连续24小时的GNSS低仰角海面反射数据的时延-多普勒相关功率波形数据，收集了240小时的低仰角GNSS卫星可见数量的统计数据，以及4.11TB GNSS低仰角海面反射信号的原始数据。