利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法

摘要

本发明公开了一种利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法。首先，确定实验地点，架设GNSS双极化接收机，并采集GNSS信号；接着，计算该信号对应的水的相对复介电常数；之后，根据雨滴形状模型和瑞利散射近似的非球形粒子散射算法，获取该信号入射到不同半径的单一雨滴之后的前向散射极化特性；随后，结合雨滴谱分布和信号穿过雨区的过程，获取路径群雨滴对该信号的极化相移，以及该极化相移和降雨强度的数学关系；最后，根据极化相移的实测值，和已获取的数学关系，得到降雨强度。本发明拓展了GNSS信号的应用方向，丰富了降雨强度的获取手段，为降雨强度的区域、实时、被动测量提供新的方法。

说明书

技术领域

本发明属于大气遥感与大气探测技术领域，具体是一种利用降雨对空地链路GNSS信号产生的极化相移获得降雨强度的方法。

背景技术

近年来，包括建成的美国的GPS、俄罗斯的GLONASS，正在建设中的欧盟的GALILEO以及我国的北斗卫星导航系统在内的全球导航卫星系统(GNSS)蓬勃发展，技术日益成熟。截止目前，我国已成功发射了23颗北斗导航卫星。随着技术的进步，GNSS信号不仅用于导航定位和精确授时，其非导航应用也得到了迅速发展，有的已实现业务化运行，有的已开展了许多次研究试验。

来自于天顶方向的GNSS延迟信号，可以探测大气可降水量；且通过地基GNSS测站的组网，可反演出大气可降水量的三维分布。随着研究的深入，以该技术为基础逐渐产生了一门新兴的学科领域——GNSS气象学。利用山基或者天基(低轨卫星)接收机接收到的GNSS掩星信号，可以获得高精度的大气折射率、温度、压强、湿度的廓线，电离层电子总含量和电子密度廓线。来自于不同下垫面的GNSS反射信号，可以遥感海洋、陆地的表面要素，比如海面高度、海表风速和风向、海冰厚度、积雪深度以及土壤湿度。但是，目前，对GNSS极化信号的应用研究较少。2010年E.Cardellach等人提出了利用低轨卫星接收到的GNSS极化掩星信号探测强降雨的概念，但至今在公开发表的文献中未公布其关键研究成果[Cardellach,E.,A.Rius,and F.Cerezo,Polarimetric GNSS Radio-Occultations for heavy rain detection,Geoscience and Remote Sensing Symposium,2010,3841-3844]。

关于降雨强度的测量，传统上，人们使用雨量计直接获取单点降雨强度。雨量计探测降雨的单点精度高，其测量结果是进行区域分析的基本数据源。但由于其布设的稀疏性、分布的不均匀性，使得雨量计观测在大范围区域降水监测方面存在不足。近年来，利用地基气象雷达的反射率因子(Z)、差分传播相移(KDP)、差分反射率因子(ZDP)等参数与降雨强度(R)的关系，定量计算探测半径内的降雨强度，是研究较多的方法。但是气象雷达是主动遥感设备、隐蔽性不足。利用星载微波成像仪和降雨雷达遥感卫星轨道下方降雨强度也是近年热点之一。但其空间分辨率和时间分辨率有限。

发明内容

本发明的目的在于拓展GNSS信号的应用方向，提出一种利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法，利用连续运行的GNSS卫星网实现对降雨强度进行实时、连续、被动和大范围监测，为灾害性降雨监测预警、气候评估探索新的途径和手段。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法，利用穿过雨区后的GNSS前向散射信号中的水平极化和垂直极化分量，结合当地的雨滴谱分布特性，计算GNSS信号极化相移Δφ与降雨强度R的关系；根据该Δφ-R关系模型，利用GNSS双极化接收机测量的极化相移Δφ值，得到降雨强度。

根据上述总体思路，本发明利用GNSS信号极化相移监测降雨强度的山基测量方法实现过程如下：

1、在视野开阔的山顶架设GNSS双极化接收机，且天线指向方向无遮蔽物，可正常接收0-30°仰角、80°视角范围内的GNSS卫星信号；接着，利用该接收机采集穿过降雨区域后的GNSS卫星的前向散射信号，并利用该信号的频率，结合此时的大气温度，利用Ray公式，计算在该温度和频率条件下的水的相对复介电常数；

2、根据步骤1所获取的水的相对复介电常数，结合雨滴形状模型，利用非球形粒子散射算法，计算该GNSS信号入射到单一雨滴后水平方向的前向散射振幅f_h和垂直方向的前向散射振幅f_v；

3、根据步骤2所获取的GNSS信号入射到单一雨滴后水平方向的前向散射振幅f_h和垂直方向的前向散射振幅f_v，结合雨滴谱分布模型，计算GNSS信号经过群雨滴后的差分传播相移K_DP；

4、根据步骤3所获取的GNSS信号经过群雨滴后差分传播相移K_DP，结合GNSS信号穿过降雨介质的物理过程，得到GNSS极化相移(Δφ)与降雨强度(R)的Δφ-R理论模型；

5、该GNSS双极化接收机的天线是圆锥喇叭天线，可接收GNSS信号的水平极化分量和垂直极化分量，实验中将接收到的水平极化分量和垂直极化分量的相位相减，得到极化相移测量值Δφ，并根据已得到的Δφ-R理论模型，获取降雨强度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)无源被动探测：由于信号源是GNSS信号，无需发射装置，设备复杂度和成本低；

(2)实时性、连续性强：由于GNSS接收机采样频率较高，可实现降雨强度的实时、连续监测，因此，降雨强度测量的时间分辨率较高；

(3)GNSS信号资源丰富、覆盖全球，可实现无人值守的高山、沙漠地区的降雨测量，船载、舰载设备可实现海上降雨的机动监测；

(4)隐蔽性：由于采取无源探测模式而不易被发现，可有效保护自我。

附图说明

附图是本发明利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

1、计算水的相对复介电常数

在视野开阔的山顶架设GNSS双极化接收机，且天线指向方向无遮蔽物，可正常接收0-30°仰角、80°视角范围内的GNSS卫星信号；接着，并利用该接收机采集穿过降雨区域后的GNSS卫星的前向散射信号，并利用该信号的频率，结合此时的大气温度，利用Ray公式，计算水的相对复介电常数。

所用Ray公式为

${ϵ}^{\prime }={ϵ}_{\infty }+\frac{({ϵ}_s-{ϵ}_{\infty })[1+{\left(\frac{{\lambda }_s}{\lambda }\right)}^{1-\alpha }sin(\frac{\alpha \pi }{2}\left)\right]}{1+2{\left(\frac{{\lambda }_s}{\lambda }\right)}^{1-\alpha }\sin \left(\frac{\alpha \pi }{2}\right)+{\left(\frac{{\lambda }_s}{\lambda }\right)}^{2(1-\alpha )}}---\left(1\right)$

${ϵ}^{\prime \prime }=\frac{({ϵ}_s-{ϵ}_{\infty }){\left(\frac{{\lambda }_s}{\lambda }\right)}^{1-\alpha }cos\left(\frac{\alpha \pi }{2}\right)}{1+2{\left(\frac{{\lambda }_s}{\lambda }\right)}^{1-\alpha }sin\left(\frac{\alpha \pi }{2}\right)+{\left(\frac{{\lambda }_s}{\lambda }\right)}^{2(1-\alpha )}}+\frac{\sigma \lambda }{18.8496\times {10}^{10}}---\left(2\right)$

其中的参数为

σ＝12.5664×10⁸

ε_∞＝5.27134+2.16474×10^-2t-1.31198×10^-3t²

$\alpha =\frac{16.8129}{t+273}+6.09265\times {10}^{-2}$

上述式中λ为工作波长(cm)，t为温度(℃)，该公式适用范围为-20℃到50℃的温度。

2、计算前向散射振幅

雨滴形状模型采用文献[Bahrami,M.,J.R.Mohassel,and M.M.Taheri,An exact solution of coherent wave propagation in rain medium with realistic raindrop shapes,Progress In Electromagnetics Research,2008,79:107-118]中的非球形雨滴形状模型。针对入射到雨滴上的L波段GNSS信号，非球形粒子散射算法采用瑞利散射近似方法，并采用步骤1所获取的水的相对复介电常数，计算该频率的GNSS信号入射到不同粒子半径的单一雨滴后水平方向的前向散射振幅f_h和垂直方向的前向散射振幅f_v。利用瑞利散射近似方法计算前向散射振幅的公式为

$f_h=k^2\frac{a^{2}b}{3}\frac{ϵ-1}{1+(ϵ-1)A_1}---\left(3\right)$

$f_v=k^2\frac{a^{2}b}{3}[\frac{ϵ-1}{1+(ϵ-1)A_1}{\cos }^2\alpha +\frac{ϵ-1}{1+(ϵ-1)A_2}{\sin }^2\alpha ]---\left(4\right)$

对于该雨滴形状模型，a是雨滴长半轴，b是雨滴短半轴，其中的参数为

$m=\frac{a}{b}$

$A_1=\frac{1}{2(m^2-1)}(\frac{m^2}{\sqrt{m^2-1}}{\tan }^{-1}\sqrt{m^2-1}-1)$

A₂＝1-2A₁

$k=\frac{2\pi f}{c}$

上述式中，f为入射GNSS信号频率，c为真空中的光速；α为入射角，可由GNSS双极化接收机得出。

3、计算差分传播相移

根据步骤2所获取的GNSS信号入射到单一雨滴后水平方向的前向散射振幅f_h和垂直方向的前向散射振幅f_v，利用雨滴谱分布对散射振幅进行叠加，获取群雨滴对微波的前向散射极化特性，利用公式

$K_{DP}=\frac{180\lambda }{\pi }\int \mathrm{Re}\left(f_h\right(r,0)-f_v(r,0\left)\right)N\left(r\right)dr---\left(5\right)$

得出GNSS信号经过群雨滴后的差分传播相移K_DP.

式中，λ(λ＝c/f)为入射GNSS信号波长，可由λ＝c/f计算得到；f_h和f_v分别是单一雨滴的水平和垂直方向的前向散射振幅，N(r)为雨滴谱分布，r为雨滴的等效半径。雨滴谱分布采用MP谱分布，其公式为

N(r)＝N₀exp(-Λr)(6)

其中，N₀和Λ分别为浓度和尺度参数有

N₀＝16000(m^-3mm^-1)，Λ＝8.2R^-0.21(7)

其中，R为雨强(mm h^-1)。N(r)dr表示单位体积内雨滴半径介于r～r+dr之间的雨滴数目。MP谱分布具有一般雨滴谱的特点，应用较为广泛。

4、Δφ-R理论模型

极化相移，是指极化波的水平极化和垂直极化分量的相位差，单位：m。极化相移可通过下式计算：

$\Delta \phi =\lambda \frac{{\int }_L{K}_{DP}dl}{360}---\left(8\right)$

其中，λ是GNSS信号的波长，L为雨区路径长度(km)。根据步骤3所获取的GNSS信号经过群雨滴后差分传播相移K_DP，结合GNSS信号穿越降雨介质的物理过程，得到GNSS极化相移(Δφ)与降雨强度(R)的Δφ-R理论模型。

5、获取降雨强度

该GNSS双极化接收机的天线是圆锥喇叭天线，可接收GNSS信号的水平极化分量和垂直极化分量，实验中将接收到的水平极化分量和垂直极化分量的相位相减，得到极化相移测量值Δφ，并根据已得到的Δφ-R理论模型，获取降雨强度。这里需要选用满足下列要求的GNSS双极化接收机进行测量：

频率：可接收多颗GNSS卫星信号

载波相位测量精度：≤1mm

天线类型：圆锥喇叭天线

天线峰值增益：≥10dB

天线极化要求：水平极化和垂直极化输出

输出观测量更新率：≥1Hz。