[論文レビュー] Technical Note on POlarimetric Phase Interferometry (POPI)

Estel Cardellach, Serni Ribó+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2006

Soil Moisture and Remote Sensing参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、海面からの右回りおよび左回りの円偏光GPS信号の位相差を用いて、海面の誘電率特性（主に塩分濃度と水温）を推定する新規技術である偏光位相干渉計法（POPI）を提案する。この手法は、地球物理的変動の10度の動的範囲に収まる約3度の形式的精度を達成しており、信号の不整合化効果にもかかわらず、実飛行データにおいて長期にわたる位相整合性を示している。

ABSTRACT

The Global Navigation Satellite Systems (GNSS), such as the American Global Positioning System (GPS), the Russian GLONASS or the imminent European Galileo, can be used as sources of opportunity for remote sensing of the Oceans. In this document, we present the approach, conceptual background and preliminary results of a novel polarimetric interferometric technique based on GPS signals rebounded off of the sea surface and collected at both Right Hand (RH) and Left Hand (LH) Circular Polarizations. We seek to obtain geophysical information out of the phase information, which could be in principle relate to the dielectric properties of the sea surface.

研究の動機と目的

• 反射GNSS信号を用いた海面誘電率特性を推定する新しいリモートセンシング技術の開発を目的とする。
• 共偏光（RHCP）およびクロス偏光（LHCP）の反射GPS信号間の位相差を用いて、海面塩分濃度と水温を測定する可能性を評価することを目的とする。
• POPI位相シグネチャの動的範囲と、海面水温および塩分濃度の変動に対する感受性を評価することを目的とする。
• 位相測定精度に影響を及ぼす機器的および環境的要因（例：基準長のずれ、相関器チャネルの入れ替え、偏光漏れなど）を同定し、それらを軽減することを目的とする。
• 航空機搭載の専用GPS反射受信機により収集した実世界のGPS反射データを用いて、概念の検証を行うことを目的とする。

提案手法

• 本手法は、LバンドGPS信号の右回り（RHCP）および左回り（LHCP）円偏光における複素反射係数に着目し、Fresnel方程式から導出する。
• 反射信号のRHCPおよびLHCP成分間の干渉位相差を計算し、これが海水の誘電率特性に依存することを活用する。
• 表面粗さおよび複数回散乱の寄与を考慮するため、幾何光学（GO）極限におけるキルホフ近似を理論的モデルに用いる。
• 複素反射場とその複素共役との積を用いることで、時間的な位相安定性および整合性を向上させる。
• 航空機上に搭載された専用GPS反射受信機により、約10 kmの高度で得られた実データを処理し、1000秒間にわたるPOPI位相を抽出する。
• 正確な航空機の軌道および慣性測定システムのデータを用いて、ベースラインに起因する位相オフセットを補正し、相関器チャネルの入れ替えを同定・補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反射GPS信号のRHCPおよびLHCP成分間の位相差を用いて、海面誘電率特性を推定できるか？
• RQ2 実際の海面水温および塩分濃度の変動に応じたPOPI位相シグネチャの動的範囲はどの程度か？
• RQ3 表面粗さはPOPI位相測定の整合性および正確性にどのように影響するか？
• RQ4 機器的要因（例：基準長のずれ、相関器チャネルの入れ替え、偏光漏れなど）がPOPI信号をどの程度劣化させるか？
• RQ5 実データで観測された位相整合性は、POPIが地球物理的リモートセンシング手法として実現可能であることを裏付けるか？

主な発見

• POPI位相は、全球的な海面水温変動において約10度の動的範囲を示し、塩分濃度の変化では数度の範囲を示しており、地球物理的モニタリングに必要な感受性と一致している。
• POPI位相測定の形式的精度は約3度と推定されており、これは地球物理的変動の範囲内にあり、塩分濃度および水温の変化を検出するのに適している。
• 個々のLHおよびRH信号成分は20〜30 msの積分時間で整合性を失うが、POPI位相は最大50秒の積分時間においても整合性を保ち、自己相関値は0.3〜0.5の範囲で維持されている。
• 自己整合性テストにより、POPI位相および振幅の値が異なる積分期間においても安定していることが確認され、測定プロセスの堅牢性が裏付けられた。
• 相関器チャネルの入れ替え時にPOPI位相にジャンプが観測されたが、これはベースライン投影により補正され、補正後の位相は散乱面の方位と相関していた。
• 主な未解決の問題は、観測された信号が真正の偏光干渉計法に起因するのか、それともRHアンテナ出力に漏れ込んだ残存LH信号に起因するのか、さらなる検証が必要である。