Dual circularly polarized GNSS-reflectometry for remote sensing of land and sea surfaces
Regmi, Ankit (2025-03-13)
© University of Oulu, 2025. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2025. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202502101548
Kuvaus
Tiivistelmä
Remote sensing of the environment is of utmost importance to better understand the effects of climate change. The utilization of Global Navigation Satellite System (GNSS) signals reflected from different Earth surfaces allows the investigation of important surface parameters for climate change studies such as the sea level, sea-ice thickness, soil moisture, etc. The polarization reversal of the GNSS transmitted right-hand circularly polarized (RHCP) signal upon reflection to left-hand circularly polarized (LHCP) signal enables exploration of this diversity and studying of the reflecting surface properties.
This thesis presents a polarimetric analysis of GNSS Signals-of-Opportunity using a cost-effective dual circularly polarized (DCP) GNSS-Reflectometry (GNSS-R) system for remote sensing of land and sea surfaces. A custom-designed, phase-stable DCP antenna and commercial GNSS receivers record direct and reflected GNSS signals. The developed low-cost GNSS-R system allows the simultaneous reception of two low-correlation data streams of orthogonally polarized GNSS signals. This enables utilization of the received carrier-to-noise density ratios (C/N0) for characterizing reflecting surface properties.
GNSS-R measurement campaigns conducted during this thesis investigated surface properties in different seasons and surface conditions. Sea ice thickness was estimated from the total freeboard, which was derived from the difference between the sea level bias calculated using the GNSS-interferometric reflectometry method and the sea level data from the Finnish Meteorological Institute. The signatures of multilayered propagation of the GNSS signals through the sea ice in received LHCP C/N0 data streams enabled sea ice thickness characterization. The statistics of the received LHCP data showed a correlation with the wind speed observations over the open sea. The GNSS-interference pattern technique was used to estimate the RHCP and LHCP reflection coefficients to measure the relative permittivity of the open sea and land by inversion of the Brewster angle. The practicality of performing dynamic measurements using the DCP system was tested onboard a drone for different remote sensing applications.
Ympäristön kaukokartoitus on tärkeä menetelmä ilmaston muutosten vaikutusten havainnointiin. Globaalin satelliittinavigointisysteemin (GNSS) signaalien heijastuminen maanpinnasta mahdollistaa sen sisältämien materiaalien ja pintojen tutkimuksen kuten myös meren pinnan korkeuden havainnoinnin, meren jään paksuuden tai maaperän kosteuden mittaamisen. GNSS-signaalin polarisaation kääntyminen oikean käden ympyräpolarisaatiosta (RHCP) heijastumisen kautta vasemman käden ympyräpolarisaatioksi (LHCP) mahdollistaa heijastavan pinnan ominaisuuksien tutkimisen.
Tässä väitöstutkimuksessa esitellään GNSS-signaalin polaarimetrinen analyysi, joka perustuu kustannustehokkaan kaksoisympyräpolarisoidun (DCP) GNSS reflektometrisysteemin (GNSS-R) käyttöön maan- ja merenpinnan kaukokartoituksessa. Erikoissuunniteltu, vaihestabiili DCP antenni ja kaupalliset GNSS-vastaanottimet tallentavat suoraan eteneviä ja heijastuneita GNSS-signaaleja. Kehitetty GNSS-R-järjestelmä mahdollistaa kahden samanaikaisen heikosti korreloivan ortogonaalisesti polarisoidun GNSS-signaalin vastaanottamisen. Tämä mahdollistaa vastaanotettujen signaalien signaalikantoaalto-kohinasuhteen (C/N0) käyttämisen heijastavien pintojen ominaisuuksien määrittämiseen.
Tässä työssä esitellyt GNSS-R-mittaukset tutkivat pintojen ominaisuuksia eri vuoden aikoina ja erilaisissa pintaolosuhteissa. Meren jään paksuutta estimoitiin havainnoimalla kokonaiskorkeutta, joka saatiin meren pinnan korkeuksien erotuksena, kun verrattiin GNSS-interfero-reflektometrisiä tuloksia ja Suomen Ilmatieteen laitoksen merenpinnan korkeuden tietoja. Monikerroksisen jään läpi edenneen GNSS-signaalin muutokset havainnoitiin muutoksina LHCP C/N0-parametrissä mahdollistaen jään paksuuden mittaamisen. Vastaanotetun LHCP-datan tilastolliset parametrit havainnoivat korrelaation tuulen nopeuden kanssa avoimella merellä. GNSS-häiriökuviotekniikkaa käytettiin arvioimaan RHCP- ja LHCP-heijastuskertoimet ja niiden kautta mittamaan avomeren ja maan suhteelliset permittiivisyydet Brewsterin kulman avulla. Dynaamisten mittausten käytännöllisyyttä DCP-järjestelmällä testattiin droonilla erilaisissa kaukokartoitustilanteissa.
Original papers
-
Regmi, A., Berg, M., & Pärssinen, A. (2019). A method for ice thickness characterization using GNSS C/N0 data. 2019 8th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), 534–538. https://doi.org/10.1109/APCAP47827.2019.9472017 https://doi.org/10.1109/APCAP47827.2019.9472017
-
Regmi, A., Pärssinen, A., & Berg, M. (2020). Sea surface characterization using dual polarized GNSS reception system. 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1–5. https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135227 https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135227
-
Regmi, A., Hänninen, T., Leinonen, M. E., Pärssinen, A., & Berg, M. (2021). Dynamic dual polarized GNSS reflectometry using UAV. 2021 15th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1–5. https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411371 https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411371
-
Regmi, A., Leinonen, M. E., Pärssinen, A., & Berg, M. (2022). Monitoring sea ice thickness using GNSS-interferometric reflectometry. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 19, 1–5. https://doi.org/10.1109/LGRS.2022.3198189 https://doi.org/10.1109/LGRS.2022.3198189
-
Regmi, A., Leinonen, M. E., Pärssinen, A., & Berg, M. (2024). Relative permittivity measurement of sea and land by ground-based dual circularly polarized GNSS-reflectometry. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 62, 1–16. https://doi.org/10.1109/TGRS.2023.3346792 https://doi.org/10.1109/TGRS.2023.3346792
Osajulkaisut
-
Regmi, A., Berg, M., & Pärssinen, A. (2019). A method for ice thickness characterization using GNSS C/N0 data. 2019 8th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), 534–538. https://doi.org/10.1109/APCAP47827.2019.9472017 https://doi.org/10.1109/APCAP47827.2019.9472017
-
Regmi, A., Pärssinen, A., & Berg, M. (2020). Sea surface characterization using dual polarized GNSS reception system. 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1–5. https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135227 https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135227
-
Regmi, A., Hänninen, T., Leinonen, M. E., Pärssinen, A., & Berg, M. (2021). Dynamic dual polarized GNSS reflectometry using UAV. 2021 15th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 1–5. https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411371 https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411371
-
Regmi, A., Leinonen, M. E., Pärssinen, A., & Berg, M. (2022). Monitoring sea ice thickness using GNSS-interferometric reflectometry. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 19, 1–5. https://doi.org/10.1109/LGRS.2022.3198189 https://doi.org/10.1109/LGRS.2022.3198189
-
Regmi, A., Leinonen, M. E., Pärssinen, A., & Berg, M. (2024). Relative permittivity measurement of sea and land by ground-based dual circularly polarized GNSS-reflectometry. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 62, 1–16. https://doi.org/10.1109/TGRS.2023.3346792 https://doi.org/10.1109/TGRS.2023.3346792
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [40597]