基于GNSS反射信号的海面风场反演方法研究

发布时间：2017-03-27 04:09

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【摘要】：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。
【关键词】：GNSS-R 海面风速 阈值 间接反演 峰值统计特性 直接反演
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P228.4;P714.2
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 GNSS反射信号简介15-19
• 1.1.1 GNSS系统15-18
• 1.1.2 GNSS-R技术18-19
• 1.2 研究课题的提出背景与意义19
• 1.3 国内外研究现状及发展趋势19-21
• 1.3.1 国外研究19-21
• 1.3.2 国内研究21
• 1.4 主要研究内容及创新点21-25
• 第二章 北斗导航系统概述25-37
• 2.1 导航系统组成25-26
• 2.2 北斗信号特点26-31
• 2.2.1 北斗信号结构26
• 2.2.2 伪码生成及仿真结果26-29
• 2.2.3 北斗信号调制方式29-31
• 2.3 直射信号相关函数31
• 2.4 反射信号相关函数31-36
• 2.4.1 二维相关函数31-33
• 2.4.2 等延迟区及仿真结果33-35
• 2.4.3 等多普勒区35-36
• 2.5 本章总结36-37
• 第三章 北斗反射信号岸基风速探测分析37-53
• 3.1 岸基条件下的几何关系37-38
• 3.1.1 镜面反射点的定义37-38
• 3.1.2 岸基条件下海面反射信号的几何关系38
• 3.2 天线覆盖区计算38-40
• 3.3 菲涅尔反射系数40-44
• 3.3.1 散射概述40-41
• 3.3.2 海水介电常数41-42
• 3.3.3 菲涅尔反射系数42-44
• 3.4 相关数学模型44-49
• 3.4.1 海浪谱模型44-46
• 3.4.2 电磁散射模型46-48
• 3.4.3 散射信号相关功率模型48-49
• 3.5 几种风速探测的方法49-51
• 3.5.1 基于功率谱波形后沿匹配的方法49-50
• 3.5.2 基于功率谱波形后沿斜率的方法50
• 3.5.3 其他反演方法50-51
• 3.6 本章总结51-53
• 第四章 基于时延功率谱面积的间接风速探测模型建立53-73
• 4.1 信号的接收与处理53-55
• 4.1.1 直射信号处理53-54
• 4.1.2 反射信号处理54-55
• 4.2 反射信号一维时延功率谱分析55-57
• 4.2.1 接收机输出数据格式55-56
• 4.2.2 反射信号一维时延功率谱56-57
• 4.2.3 岸基条件下有效时延范围57
• 4.3 功率谱面积57-61
• 4.3.1 功率谱面积定义57-58
• 4.3.2 功率谱面积与风速58-59
• 4.3.3 功率谱面积与有效波高59-60
• 4.3.4 风速与有效波高60-61
• 4.4 基于时延功率谱面积的间接风速探测算法61-66
• 4.4.1 数据处理62-63
• 4.4.2 阈值选取63-64
• 4.4.3 经验模型建立64-66
• 4.5 岸基试验概述及算法验证66-72
• 4.5.1 威海岸基试验环境66-68
• 4.5.2 间接风速反演算法验证68-72
• 4.6 本章总结72-73
• 第五章 基于峰值统计特性的直接风速探测模型建立73-85
• 5.1 岸基反射信号相关功率谱峰值73-74
• 5.2 功率谱峰值的统计特性分析74-79
• 5.2.1 几何关系分析74-75
• 5.2.2 功率谱峰值的随机性75-76
• 5.2.3 功率谱峰值的统计特性76-79
• 5.3 基于峰值统计特性的直接风速探测模型79-83
• 5.3.1 数据处理79-80
• 5.3.2 经验模型建立80-82
• 5.3.3 试验数据验证82-83
• 5.4 本章总结83-85
• 第六章 结论与展望85-87
• 6.1 论文研究成果85-86
• 6.2 进一步的规划展望86-87
• 参考文献87-91
• 致谢91-93
• 研究成果及发表的学术论文93-95
• 作者与导师简介95-97
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书97-98

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 赵姣姣;曲江华;袁洪;;针对北斗系统的降维快速高精度定向算法[J];测绘学报;2015年05期

2 李颖;朱雪瑗;曹妍;刘丙新;杨勇虎;;GNSS-R海洋遥感监测技术综述[J];海洋通报;2015年02期

3 谢小刚;曾大治;龙腾;张磊;;北斗GEO卫星用户算法的改进方法[J];国防科技大学学报;2014年01期

4 杨元喜;李金龙;王爱兵;徐君毅;何海波;郭海荣;申俊飞;戴弦;;北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估[J];中国科学:地球科学;2014年01期

5 刘天e，

本文编号：269839