岸基GNSS-R探测海冰厚度的研究

The thickness of sea ice is one of the basic parameters of the sea ice disaster monitor.Compared with other detection techniques, GNSS-R has the advantage of continuous high spatial and time resolution in detecting sea ice thickness, whose application potential is huge.Currently, related research is in infancy and theory is not yet mature. Especially, relevant experience and theoretical research have not been carried out in China. Combined with preliminary studies, GNSS-R detecting sea ice thickness theory and method will be advanced. Firstly, the sea ice reflectivity is caculated by GNSS direct and reflected signal. Then the sea ice emissivity is caculated by the relationship between reflectivity and emissivity. At last, sea ice thickness can be surveyed using the function of the relation between sea ice thickness and emissivity. So, based on the electromagnetic theory, the GNSS signal transmission law between different media and the polarization characteristics of GNSS reflected signal will be studied to establish GNSS sea ice reflectivity caculation algorithm. And the variation of the complex permittivity of the complex medium will be studied to build the function of the relation between GNSS sea ice emissivity and the thickness, such as different types of sea ice, snow and snowmelt. And the Coastal GNSS-R Surveying sea ice thickness experience will be carried out to verify the feasibility, accuracy and practicality of the theory and method. Thus, the above work and research will provide a theoretical and practical basis for surveying sea ice thickness by GNSS-R(COMPASS) in China.

海冰厚度是海冰灾害监测的基本参数之一。GNSS-R探测海冰厚度与其他探测技术方法相比具有连续高时空分辨率的优势，应用潜力巨大。目前，国外相关研究仍处于起步阶段且理论方法还未成熟，而我国在此方面的研究与试验还未有相关文献报道。本项目提出先利用GNSS直接和反射信号计算出海冰的反射率，再利用反射率和辐射率的关系计算出海冰辐射率，最后由海冰厚度与辐射率之间的函数关系反演出海冰厚度的GNSS-R探测海冰厚度的技术方法。为此，本项目将基于电磁场理论，研究GNSS信号在不同介质之间传播的规律及其反射信号的极化特性，建立GNSS海冰反射率计算算法；研究不同类型海冰、积雪和融雪等复杂介质的复介电常数的变化规律，建立GNSS海冰辐射率与海冰厚度的函数关系模型；开展岸基GNSS-R探测海冰厚度试验，对相关理论方法进行验证，评定其可行性、精度和实用性，为我国利用GNSS-R（北斗）探测海冰厚度提供科学理论依据。

海冰厚度是海冰灾害监测的基本参数之一。然而，由于海冰物理特性复杂，现有海冰厚度监测技术的时空不连续、结果精度低，难以实现及时、快速、准确监测。GNSS具备无源探测、全球覆盖、成本低、数据量大等优势，在时空上具有很好的连续性，GNSS-R已经成为海陆环境要素遥感监测的一种新型技术手段。. 为此，本项目研究了GNSS信号在海水、海冰不同介质之间的传播规律，给出了合适的海冰和海水介电常数模型，确定了GNSS直接信号和反射信号的功率计算方法，建立了海冰GNSS-R反射信号反射率计算模型，并基于辐射率模型建立了反射率与海冰厚度之间的关系模型。同时，项目组与中国气象局气象探测中心、天津气象局等多家单位合作，在天津滨海新区大神堂渤海湾于2014-2016年连续3个冬季开展了GNSS-R海冰试验，并于2015年建立了GNSS-R连续观测站。通过模拟仿真和GNSS-R试验分析，结果表明：GNSS信号经过不同厚度海冰所表现出的反射率存在明显的差异，且冰层越厚，反射率越小。同时，GNSS-R实验数据分析也表明：无论海面处于海冰还是海水状态，直射信号功率的信噪比是相似的，但两者反射信号的信噪比差别明显，海水状态的反射信号信噪比明显高于海冰状态，且海水状态的GNSS-R反射率大于海冰的反射率。本项目对2014年GNSS-R试验数据分析发现：海面几乎全是海水的2014年1月17日与海冰密集度约为90%的2014年1月18日两日的平均反射率比值为0.89：1，反射率之间的差异反应了海面海冰的密集程度，也证明了GNSS-R探测海冰密集度的方法是可行的。. GNSS-R遥感海冰信息是北斗/GNSS应用创新的一项重要研究，对未来我国星载GNSS-R技术的发展和应用开发具有良好的参考价值。