[论文解读] Technical Note on POlarimetric Phase Interferometry (POPI)
本文提出了一种名为全向极化干涉测量（POPI）的新技术，利用GPS信号经海洋表面反射后右旋（RHCP）与左旋（LHCP）圆极化分量之间的相位差，反演海表介电特性——主要为盐度和温度。该方法实现了约3°的理论精度，处于全球地球物理变化10°的动力范围之内，并在真实飞行数据中表现出长期相位相干性，尽管存在信号失相干效应。
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.
研究动机与目标
- 开发一种利用反射GNSS信号反演海表介电特性的新型遥感技术。
- 评估通过共极化（RHCP）与交叉极化（LHCP）反射GPS信号之间的相位差测量海盐度和温度的可行性。
- 评估POPI相位特征的动力范围及其对海洋温度和盐度变化的敏感性。
- 识别并减轻影响相位测量精度的仪器和环境误差源。
- 利用机载接收机实测的GPS反射数据验证该概念。
提出的方法
- 该方法利用L波段GPS信号在右旋（RHCP）和左旋（LHCP）圆极化下的复反射系数，其来源于菲涅尔方程。
- 计算反射信号中RHCP与LHCP分量之间的干涉相位差，该相位差取决于海水的介电特性。
- 理论建模采用几何光学（GO）极限下的基尔霍夫近似，以考虑表面粗糙度和多重散射面元的影响。
- 通过复反射场与其共轭的乘积，提升相位稳定性和时间相干性。
- 处理一架在约10 km高度飞行的飞机上搭载的专用GPS反射接收机获取的真实数据，提取1000秒内的POPI相位。
- 利用精确的飞机轨迹和惯性系统数据校正基准引入的相位偏移，并识别和调整相关器通道切换问题。
实验结果
研究问题
- RQ1反射GPS信号中RHCP与LHCP分量之间的相位差是否可用于反演海表介电特性？
- RQ2POPI相位特征在真实海表温度和盐度变化范围内的动力范围是多少？
- RQ3表面粗糙度如何影响POPI相位测量的相干性和准确性？
- RQ4仪器效应（如基准偏差、相关器通道切换或极化串扰）在多大程度上会降低POPI信号质量？
- RQ5真实数据中观测到的相位相干性是否证实了POPI作为地球物理遥感技术的可行性？
主要发现
- POPI相位在覆盖全球海表温度变化时的动力范围约为10度，盐度变化时为几度，与地球物理监测所需的灵敏度一致。
- POPI相位测量的理论精度估计约为3度，处于地球物理变化范围内，因此适用于检测盐度和温度变化。
- 尽管单个LH和RH信号分量在20–30 ms积分后失去相干性，POPI相位在长达50秒的积分时间内仍保持相干性，自相关值稳定在0.3至0.5之间。
- 自洽性测试表明，POPI相位和幅度值在不同积分周期内保持稳定，表明测量过程具有鲁棒性。
- 在相关器通道切换期间观测到POPI相位发生跳变，通过基准投影方法进行了校正，且校正后的相位与散射面方位角相关。
- 目前仍存在的主要开放性问题为：观测到的信号是否真正源于极化干涉测量，还是受残余LH信号泄漏至RH天线输出的影响，需进一步验证。
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