Оценка возможности использования многополяризационных спутниковых измерений ГНСС-Р для оценки диэлектрической проницаемости поверхности и решения задачи разделения морского волнения и морского льда.

В одноканальной ГНСС-рефлектометрии (ГНСС-Р) отражательная способность поверхности зависит от диэлектрической проницаемости и шероховатости поверхности, и при измерении на одной поляризации они не разделяются [1]. Появление спутниковых приемников, регистрирующих отраженный сигнал на двух поляризациях, открывает возможности разделения их вкладов. Такие приемники установлены на спутниках миссии HydroGNSS [2] (прием левой и правой круговых поляризаций), а также приемник SMAP [3] с линейными каналами для приема отраженных сигналов GPS.
В работе рассматриваются многополяризационные спутниковые измерения ГНСС-Р в L-диапазоне. В качестве основы для анализа используется отношении мощностей сигналов на двух поляризациях. В этом случае сокращаются множители, определяемые геометрией измерений, дальностями, площадью засветки и статистикой уклонов волн. Остается отношение квадратов коэффициентов Френеля, которое можно будет оценить с точностью до между канальной калибровки. Это справедливо как в некогерентном режиме для взволнованной поверхности, так и в когерентном режиме для гладкого льда или штилевых условий.
Выполненное численное моделирование доплеровского спектра отраженного сигнала в приближении геометрической оптики показало, что вклад диаграмм направленности антенн и диаграммы рассеяния одинаков для всех приемных поляризаций и различие определяется только коэффициентом отражения.
В бистатической геометрии каждой частоте доплеровского спектра соответствует свой локальный угол отражения. Поэтому отношение спектров на двух поляризациях позволяет восстановить угловую зависимость отношения коэффициентов отражения по одному измерению. Для окна задержек приемника GNOS-II спутника FY-3E [4] этот интервал составляет около 4-5 градусов. Широкий диапазон углов (угол падения меняется в интервале от 40 до 60 градусов) набирается вдоль трека и по разным парам передатчик–приемник, причем угол в зеркальной точке точно известен из орбит спутников.
Наиболее интересный эффект для разделения морского волнения и ледяного покрова связан с различием углов Брюстера. Для льда он соответствует углу скольжения около 29 градусов, для морской воды около 6 градусов. При угле скольжения 45 градусов отношение коэффициентов отражения на горизонтальной и вертикальной поляризациях составляет около 1,3 для воды и около 6,4 для льда, а вблизи угла Брюстера для льда оно возрастает значительно. Для пары правой и левой круговых поляризаций контраст между водой и льдом при угле скольжения 45 градусов превышает десятки раз. Оптимальными представляются отношение пары линейных поляризаций или комбинация левой круговой и линейных поляризаций при углах скольжения 25-45 градусов. В дальнейшем планируется решить обратную задачу восстановления проницаемости и проверить подход на двух поляризационных данных HydroGNSS.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №
23-77-10064-П, https://rscf.ru/project/23-77-10064-П/