GNSS海面散射信号的海面风场遥感

首先介绍了GNSS-R海洋遥感的发展过程,简要叙述了利用GNSS信号进行海洋动力学遥感测量的基本原理;然后分析了接收机天线的部分参数对GNSS信号可见数量的影响;最后详细阐述了GNSS海面散射信号的理论模型,该模型是利用几何光学限制的基尔霍夫近似建立起来的,并根据理论模型进行了数值仿真试验。结果证实了通过散射信号功率波形来反演海面风场理论上的可行性。     

机载GNSS反射信号海面测高模型的研究

相对于岸基GNSS-R技术,机载GNSS-R优势在于其空间分辨率高、监测范围广,可对特定区域范围进行高分辨率监测,兼具了灵活的高度和方位调节的同时保障了更高的数据质量。本文主要研究了机载GNSS-R测高模型,依据岸基GNSS-R码测高原理,针对大气延迟、天线距离等进行修正,优化机载测高模型,同时采用DTU10全球海面平均高度及潮汐模型验证机载GNSS-R测高模型的精度。通过分析2011年11月11日,CSIC-IEEC在芬兰波罗的海的GNSS-R机载数据,针对不同仰角下的实验数据进行反演,成功地实现了亚米级机载海面高度反演,得出仰角大小会对测高结果精度产生较大影响的结论,定性分析了仰角大小所引起的误差范围。本文的结果证明了机载GNSS-R的海面测高的可行性。     

GNSS-R信号测量海面有效波高的应用

全球导航卫星系统反射信号GNSS-R(Global Navigation Satellite System Reflection)可以用来探测海面状态,如海面有效波高。介绍了利用GNSS反射信号测量海面有效波高的观测设备和技术原理,对2009年博贺实验的数据进行了分析,证实了反射信号相关复数场的有效相关时间与有效波高之间存在相关,利用前期观测的数据进行拟合,得出反演公式,并与测波雷达数据进行了结果对比,平均误差0.136m,相对偏差12.02%,均方根偏差0.169m。     

GPS卫星反射信号增强技术研究

本文根据GPS卫星反射信号在海洋参数测量、无源雷达目标探测以及大地测绘中的应用,从天线接收、信号处理运算和多路径信号抵消角度,详细地研究了GPS卫星反射信号增强技术,给出了相应天线和电路结构及信号处理方法,并进行了计算机仿真,结果表明所提出的技术能增强GPS卫星反射信号。     

利用机载GNSS反射信号反演海面风速的研究

全球卫星导航定位系统的反射信号(GNSS-R)遥感技术作为一种新型的、低成本的、高机动性的海面微波遥感测风技术,与其他测风手段优势互补,可以增加测风手段的多样性,弥补局部测风手段不足的状况。研究了接收机在机载高度时,GPS反射信号功率理论模型四部分函数的性质,在此基础之上,数值模拟了机载高度下理论相关功率波形,基于海面风速对波形峰值与后沿的影响,提出了一种能够兼顾所有理论波形信息的二维插值风速反演方法。利用该方法,结合实测机载数据对海面风速进行反演,反演的风速均值与附近测站风速均值相差为1.4 m/s,与浮标数据相一致。     

各向异性海面全极化微波双站散射的仿真与分析

为了解各向异性随机粗糙海面的微波双站散射机制及其特性,本文利用解析近似的积分方程模型以及一种改进的半经验海浪谱模型实现了对各向异性随机粗糙海面的全极化微波散射仿真模拟,并与卫星观测数据、经验的地球物理模式函数及已有的解析近似散射模型仿真结果进行了对比,验证了仿真结果的可行性和准确性。利用该模型分析了入射波频率、入射角、极化方式、海面风速及风向等参数对各向异性海面双站散射的影响。模拟结果表明,在不同的入射角、散射角及方位角等观测几何条件下,海面不同波段的双站散射表现出不同的空间散射特性,且对风速、风向等海面动力学参数表现出不同的敏感性,以L波段为例,海面向后半球双站散射在各个极化方式下都对风速较为敏感,而在同极化方式下,其对风向的响应在中低风速和高风速条件下相反,整体而言,低风速下海面双站散射对风向更为敏感。这表明对于海面动力参数的反演,双站散射可以提供比传统单站雷达后向散射更丰富的物理信息。本文探讨了各向异性海面微波双站散射特性,为基于主动式及分布式微波传感器的海洋动力参数遥感反演提供了理论分析基础。     

国外导航卫星的反射信号在海洋遥感中的应用分析

为了详细了解国外导航卫星反射信号(GNSS-R)新技术在海洋遥感方面的研究进展,在外文文献调研的基础上,详细阐述了GNSS-R的反射率和双基雷达两种方法在海洋监测应用的遥感技术原理,介绍了海面风场遥感、海冰遥感和海面测高等方面的的理论模型和方法。高空间分辨率和高时间分辨率是导航卫星反射信号在海洋中应用的最大优势。虽然GNSS-R的海洋气象要素反演技术只有十几年的发展历史,但是它已经在海洋天气预报和全球气候变化等领域显示出广阔的应用前景和巨大潜力,未来必将成为海洋大气探测的重要技术手段。     

GPS反射信号的海洋应用

本文描述了全球定位导航系统(GPS)的在海面的反射信号在海洋领域的应用，同时建立了利用GPS前向散射信号测量海面粗糙度和海面地形(Topography)的反演算法；海面粗糙度与风速和风向有直接的关系，回波功率的前缘形状及时延与海面地形相关；利用卫星主动雷达和国外机载数据的结果分析比较表明，GPS反射计作为遥感工具有两个优点：即比传统微波主动雷达高的空间分辨率和快速的时间分辨率。     

机载超低频雷达探测海洋内波

机载超低频雷达探测海洋内波是海洋内波探测的新方法。海洋内波使海水电导率垂向分布发生扰动,当雷达发射的电磁波探测信号传播到内波扰动界面,电磁信号发生反射,部分反射信号再次穿透海面传播到空气中并被天线捕捉,雷达系统通过处理内波界面处的反射信号并抑制海面的反射信号实现对海洋内波的探测。根据麦克斯韦方程和海水的物理性质,推导出超低频电磁波在海水中的传播特性,研究海水温度、盐度变化对海水电导率的影响,根据KDV方程解和垂向特征函数解构造了海洋内波垂向结构,仿真了雷达接收到的海表面处、内波界面处的反射信号及其延迟时间,仿真结果表明,可以使用该方法探测海洋内波。     

GNSS-R观测下的海面飓风风速反演

利用全球导航卫星系统在地球表面的反射信号（GNSS-R）进行海面风速反演已经被广泛研究并作为一种重要的遥感手段。目前,该L波段微波信号的相关功率已可以在多普勒频率和时延码片空间进行多普勒时延图像的成像。由于该图像的图像特征与海面粗糙度有较高的相关性,因此能够用来进行海面风场反演。然而,对于该遥感手段而言,其双基雷达前向散射截面（BRCS）理论上与海面粗糙度有更高的相关性,如同目前合成孔径雷达使用后向雷达散射截面而非相关功率。所以,本文通过改进已有的GNSS-R的双基雷达散射截面方程,代替相关功率在多普勒时延空间进行成像,得出了与海面粗糙度相关的双基雷达散射截面图像（BRCS map）。基于该图像,本文提出了三种与其形状特征相关的观测量,通过2005年Dennis飓风GNSS-R机载数据生成的16000多幅图像进行地球物理模式函数建模并与经典的一维时延波形匹配方法得出结果进行对比分析,得出更为精确的风速反演结果。     

一种新型星载GNSS-R系统的地面验证实验

利用全球导航卫星系统的反射信号GNSS-R(global navigation satellite system-reflection)对海洋进行观测,目前已经成为一种新型遥感手段。介绍了一种最新研制的GNSS-R系统,以及使用该系统在北京怀柔水库开展的GNSS-R岸基测高实验。实验的目的,是在理想的湖面条件下验证系统的性能和检验测高算法的精度。实验得出:该系统能够在天线各阵元组合情况下实现GPS-R(global position system-reflection)信号的接收和处理;在把反演结果平均到1h后,使用C/A码的测高精度可达分米数量级。     

用星载微波散射计测量海洋风场的反演方法研究

Seasat-A卫星散射计(SASS)成功地测量了全球海洋上的风矢量场.其技术基础基于微波后向散射对由海表面风产生的海面厘米级波的敏感性.由于后向散射是各向异性的,所以可以从而个或更多的天线方位角的测量中反演出风速、风向由于散射物理模型函数的非线性及信号中噪声的存在,使得风场反演中存在风向多解.本文给出了一种从SASS测量的后向散射强度的数据中反演出大尺度海洋风场的新的方法,计算结果与Petecherych等[5]利用SASS表面风分析的结果比较在风向上是吻合的,在风速上我们得到的结果更接近于表面真实风速.     

海洋二号卫星散射计风场产品真实性检验及分析

利用国际海-气综合数据集(ICOADS)中的海面风场实测数据作为真实值,对海洋二号卫星散射计风场产品进行真实性检验,得到初步结论:(1)在中、低风速条件下,海洋二号散射计风速与ICOADS实测风速具有较好一致性,但在较高风速条件下海洋二号散射计会出现风速低估现象;(2)海洋二号散射计风向与ICOADS实测风向的误差主要集中在-15°—15°范围内,在低风速条件下,海洋二号散射计与ICOADS两者风向存在较大偏差,风向多解也主要发生在低风速时;(3)在2—24 m/s风速条件下,剔除超过3个标准偏差风速样本后,海洋二号与ICOADS两者风速的平均绝对误差为1.36 m/s,均方根误差为1.92 m/s,若忽略风向多解的影响,两者风向的平均绝对误差为14.98°,均方根误差为20.21°。     

蒸发波导条件下风速风向对电磁波传播的影响

海洋蒸发波导是重要的军事敏感要素,严重影响着海上电磁波的传播。风向、风速是决定蒸发波导强弱的重要因素,为精确模拟蒸发波导条件下的电磁波传播,准确评估预报雷达、通信等电子设备的性能,文中利用抛物线方程模型,结合粗糙度参数和蒸发波导条件下大气修正折射指数廓线模型来求解电磁波波动方程,基于电磁波传播的数值模拟结果,重点研究蒸发波导条件下风速和风向对电磁波传播的影响。并得到如下结论:在同一传播距离处,风速越大,海面粗糙度越大,海面电磁波传播损耗就越大;当电磁波传播方向与风向夹角为0°时,其传播路径损耗远远大于在45°或90°条件下,即顺风条件下电磁波传播损耗大于侧风。     

GNSS-IR测量水位的精度评估和站点对比：以中国南海北部和日本南部站点为例

通过南海北部和日本多个实例,量化分析影响近岸全球卫星导航系统干涉反射计（GNSS-IR）反演潮位或风暴潮过程效果的主要影响因素。结果表明：接收机所能接收的卫星信号波段数量、反射信号功率对反演的时间分辨率和精度影响巨大。研究以香港HKQT站点为例量化多模多频GNSS-IR监测风暴潮的优势,同时展示日本J425站点在潮位站空缺地区记录完整风暴潮波形的能力。分别针对卫星信号接受波段、硬件配置、台站架设位置和架设高度等因素,对未来架设具有测量海平面能力的近岸GNSS站点提供具体的指导意见。     

外定标中海面参数对发射率影响研究

星载微波辐射计外定标的关键问题是通过辐射传输方程计算天线入瞳处亮温。根据辐射传输方程,海面成份对亮温的影响包括海面的微波辐射和对下行大气辐射的反射,其中的关键参数分别为海面发射率ep和海表面反射率R。文中对平静海面Fresnel反射率模式和粗糙海面反射率模式进行了研究分析,在此基础上着重研究了海面温度TS、海面盐度SS、海面风速W、以及观测角度θ等物理参数对海面发射率ep的影响,进而分析了这些物理参数的测量误差对亮温的计算精度的影响。     

环渤海海域卫星反演风与站点观测风对比分析

选用了布设在渤海海域的浮标、平台、海岛共计18个站点,利用COARE算法进行站点风速的高度修正,对ASCAT卫星反演风与三类站点风进行对比分析。统计检验结果表明,卫星风与站点风相比,整体上卫星风速比站点风速大。浮标与卫星的风速差最小,而平台和海岛与卫星的风速差较大。风向对比结果显示,卫星风与站点风的风向平均偏差都很小,但均方根偏差却比较大。随着风速的增加,三类站点的风速平均偏差都是由大到小变化,由正值变化为负值,弱风速的时候卫星风速大于站点风速,高风速的时候卫星风速小于站点风速;风速的均方根偏差则相对稳定。卫星风与站点风的风向均方根偏差随着风速的增加而减小,在不同的方向上,风速偏差和风向偏差等统计量的区别较小。随季节的变化中,平台和海岛站的风速与卫星风速的平均偏差秋冬季大而春夏季小。     

基于Aquarius数据的粗糙海面L波段辐射模型研究

Aquarius是NASA于2011年6月发射的基于主被动遥感技术的盐度观测卫星,其主要载荷是一个工作于L波段的微波辐射计。Aquarius天线三波束扫描刈幅可达390km,在7d内完成对全球海域的盐度观测。海面风浪导致海面粗糙度的变化,进而影响海面微波辐射特性。粗糙海面辐射亮温是盐度信息提取的重要误差源,需要发展相应的海面辐射模型进行修正。本文利用Aquarius观测的海表亮温数据,与扫描微波辐射计WindSat测量数据进行时空匹配,建立了一个描述粗糙海面L波段辐射特性的参数化模型,进而利用该模型进行了海表盐度反演,并将反演结果与Argo实测盐度数据进行了比较。结果表明,本文发天展的参数化模型可以准确描述中低风速条件下的粗糙海面辐射,在12m/s以上高风速条件下对粗糙海面亮温存在高估;采用此模型反演的盐度误差优于0.5,在高风速条件下盐度反演误差可超过1。     

吕宋海峡附近中尺度涡特征的统计分析

采用1993年1月到2008年12月16a融合海面高度距平数据,追踪吕宋海峡附近海域(18°～23°N,116°～126°E)中尺度涡的移动轨迹,结果表明:时间分辨率为7d的卫星高度计资料难以观测到中尺度涡从西北太平洋通过吕宋海峡传进南海的过程,但对1994年吕宋海峡中部观测到的一个气旋涡及其附近中尺度涡的运动轨迹进行分析可见,西北太平洋海面高度变化会与吕宋海峡内部海面高度耦合后向南海传播。海面高度距平数据的时间-经度图表明,西北太平洋海面高度变化信号在西传至吕宋海峡附近(121°～122°E)时出现信号不连续。对21°N,116°～140°E断面的海面高度距平数据按周期分别为1～3月、3～6月、330～390d(年信号)进行分段带通滤波,发现不同周期的西北太平洋信号穿过吕宋海峡传入南海受到的阻隔作用、向西传播的速度以及它们所受的强迫机制均不同。     

收发分置声纳浅海近程混响信号建模研究

研究了收发分置声纳浅海近程混响的建模与仿真,模型主要基于单元散射理论,依据散射系数相关半径来划分海面、海底散射单元,通过模拟海面、海底混响形成的物理过程建立单接收与多接收模型。模型中考虑声纳设备参数(指向性、收发位置、发射信号)及环境因素(海面运动、海底粗糙程度)对混响建模的影响。设计程序实现浅海近程单接收与多接收混响信号模型并仿真计算出混响时间序列,提供GUI(Graphical User Interface)用户图形界面支持。对建模仿真的混响信号进行统计分析,验证了论文建立的浅海混响信号模型的正确性。