[发明专利]基于GNSS信号去极化效应的降雨强度地基监测方法

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，是一种利用降雨对空地链路GNSS信号产生的去极化效应反演降雨强度的方法。

背景技术

传统上，人们使用雨量计直接获取单点降雨强度。雨量计探测降雨测站单点精度高，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(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(TRMM/PR)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。

众所周知，降雨对通信系统有严重的影响。降雨对微波的衰减和去极化效应，是在通信中不容忽视的因素，对于处于Ku、K、Ka波段的通信系统也不例外。TAUR(1975)和Ali(1986)的研究表明，降雨衰减与降雨强度成比例关系。强降雨可以产生较强的衰减，并且衰减随着微波频率的增加而增大。降雨衰减对通信的不利影响，可以作为监测降雨的信息来源。以色列Messer(2006)等人基于现有无线通信网络信号的功率衰减与降雨强度的关系,研究了区域降水强度监测的方法。Goldshtein和Messer(2009)利用了国际电信联盟(ITU)建议的降雨衰减与降雨强度的经验模型，估算了微波频率为20GHz时信号路径上的平均降雨强度。李黄(2006)研究员利用Ku波段通信卫星的降雨衰减对信号路径上的降雨强度进行了技术研究和实验验证；该技术的研究丰富了降雨强度的获取手段，为降雨强度的区域探测提供了宝贵的资料。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见具体理论研究和实验结果。

发明内容

本发明的目的在于提出基于GNSS信号的降雨强度地基监测方法，提供一种实时、连续、被动和大范围监测降雨强度的地基遥感探测方法，为灾害性降雨监测预警、气候评估探索新的途径和手段，为拓展我国自主发展的北斗二代卫星导航系统在天基、地基和水面舰艇远海大范围降雨监测等应用提供技术支撑。

实现本发明目的的技术解决方案为：

本发明的总体思路是：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，计算描述GNSS信号去极化效应的交叉极化分辨率XPD与降雨强度R的关系；根据该XPD-R关系模型，利用GNSS接收机测量的交叉极化分辨率（XPD）值，得到降雨强度。

根据上述总体思路，本发明对基于GNSS信号去极化效应监测降雨强度的实现过程如下：

1、根据实际雨滴形状近似模型，采用瑞利近似椭球形粒子散射算法，计算GNSS信号入射到不同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；

2、根据步骤1所获取的GNSS信号入射到不同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，利用雨滴谱分布模型，计算GNSS信号经过群雨滴后水平方向的传播常数k_h和垂直方向的传播常数k_v；

3、根据步骤2所获取的GNSS信号经过群雨滴后水平方向的传播常数k_h和垂直方向的传播常数k_v，采用数值模拟方法，获取描述GNSS信号去极化效应的交叉极化分辨率（XPD）与降雨强度（R）的XPD-R关系模型；

4、利用GNSS极化信号接收机测量的交叉极化分辨率（XPD）值，根据步骤3获取的XPD-R关系模型，获取降雨强度。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（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

图1是本发明的基于GNSS信号去极化效应的降雨强度地基监测方法实现流程图。