基于GNSS反射信号的海面风场反演方法研究

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GNSS-R遥感探测技术以它独有的优势在海面风场、海冰探测、空中目标探测、陆地土壤湿度等遥感领域应用中快速发展,我国北斗系统的不断完善也使得此技术在国内被逐步推广应用。岸基接收机加北斗GEO卫星的条件下,可为近海海面相关参数探测提供稳定的散射几何关系。但由于岸基条件下,较低的接收机高度使得接收天线的覆盖区域小,卫星反射信号有效时延范围小,功率谱中有效数据量有限,给岸基反演海面风速带来一定的难度。本文对岸基条件下基于我国北斗卫星反射信号的海面风速探测方法进行了探索与研究,主要包括以下工作:1、分析了北斗卫星信号结构、组成、调制方式、B1频段1支路普通测距码的生成及其相关特性、直射与反射信号的相关函数形式;并数值仿真分析了等延迟区的大小及接收机高度对第一等延迟区的影响。2、分析了岸基条件下北斗反射信号反演风速的几何关系,散射信号区域,并数值仿真了天线覆盖区大小随卫星高度角及接收机高度的变化,指出岸基条件下由于接收机的高度限制,功率谱有效时延范围小,有效数据少的局限。仿真分析了海水介电常数、卫星高度角对海面菲涅尔反射系数的影响,以及风场反演的相关数学模型,包括海浪谱模型、电磁散射模型和散射信号相关功率模型。3、为了充分利用有限时延内的有效数据,提出利用超过闽值的功率谱面积作为反射信号特征参数;根据数据特点,提出以功率谱最大峰值为基准进行阈值设定,以不同阈值下的相关系数为依据进行阈值选取;通过分析功率谱面积、风速、有效波高的关系,提出了以有效波高为过渡反演参量,利用功率谱面积间接反演海面风速的方法,并利用实际数据验证了此间接方法的可行性。4、由于海面风速探测周期一般为1h,则假设短时间内风速不变是合理的,在此假设下,探究了短时间内功率谱峰值的变化情况;在对功率谱峰值的随机性及统计特性进行具体分析后,提出利用功率谱峰值的统计特性参数直接反演海面风速的方法,并利用实际数据验证了此直接方法的可行性。
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