基于GNSS反射信号的海冰检测的研究

发布时间：2017-12-12 03:02

  本文关键词：基于GNSS反射信号的海冰检测的研究

  更多相关文章： GNSS反射信号 GPS系统 北斗系统 极化比模型 海冰检测 海冰密集度

【摘要】：海冰作为一种海洋灾害,常常出现在极地海域,并且可能出现在一些高纬度的海域。可能会损害近岸海域的航道或者是港口设施、威胁来往船只的航行安全、影响海洋捕捞业以及海洋中的油气资源采集。对于遥感检测海冰灾害主要采用可见光的遥感手段或者是微波的遥感手段。由于前一种方法受到空中云雾遮挡的影响,无法连续不间断地检测海冰;后一种方法如果实时检测海冰,又存在成本比较高之类的问题。目前,需要一种能够低成本、大范围以及全天候检测海冰的新手段。随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,简称为GNSS)的不断发展,国外科学家发现GNSS的直射信号可以连续提供精准的时间信息、精准的位置信息、精准的导航信息,传统被认为是需要抑制或消除的多径信号(也就是经过反射面反射回来的反射信号)携带了反射面的大量物理特性信息,可以加以利用。上述的GNSS反射信号的技术(Global Navigation Satellite SystemReflection,简称为GNSS-R)已经可以应用在海表面高度参数的反演、海表面风速风向参数的反演、土壤湿度参数的反演、干雪厚度反演等领域。自从2000年起,国外的科学家Komjathy等人发现GNSS反射信号技术对于检测海冰有潜在的可能性。经过不断的研究,直到2012年,欧空局科学家Fabra等人采用GPS反射信号的数据,基于菲涅尔反射系数的原理,建立了偏振比海冰反演模型(Polarization Ratio Model),在低仰角(5°至15°)偏振比海冰反演模型的范围下,反演了海冰的变化趋势。国内研究学者利用GNSS反射信号技术检测海冰才刚刚开始起步,直到2013年,才开始有学者开展对于偏振比海冰反演模型的研究。国内的研究也多集中在偏振比海冰反演模型的可行性研究,几乎没有开展过自主实验。对于国内外而言,基于GNSS反射信号技术的海冰反演模型较少,比较成熟的偏振比海冰反演模型又受到卫星低仰角范围的限制,故此,兼顾菲涅尔反射系数的原理,本文提出了适用于高仰角范围的极化比海冰反演模型(Reflected Power Ratio Model),针对在渤海海域分别开展了两次海冰的实验。其中,GPS渤海实验是中国第一次采用GPS反射信号技术(也称为GPS-R技术)区分海水和海冰,北斗渤海实验则是国际第一次利用北斗反射信号技术(也称为Bei Dou-R技术)来反演海冰趋势。通过对实验结果的分析,验证了海水的极化比值远大于海冰的极化比值,也验证了极化比模型适用于高仰角范围以及极化比模型的有效性,同时也拓宽了北斗导航系统信号的应用范围。本文的主要内容如下:1.本文首先针对海冰检测的研究背景与意义做了阐述,其次分析了传统遥感技术在检测海冰时的不足,接着综述了国内外GNSS反射信号技术在海冰检测方向的研究现状。并在此基础之上,分析了偏振比海冰反演模型(Polarization Ratio Model)尚且存在的问题。2.本文详细介绍了海冰检测的电磁波性质以及左旋和右旋极化性质;论述了GNSS反射信号技术的几何关系、菲涅尔反射系数原理、以及海冰检测的数据处理过程等;计算了针对渤海海域的菲涅尔反射系数,并结合菲涅尔反射原理,提出了极化比海冰反演模型(Reflected Power Ratio Model),最后结合传统的偏振比海冰反演模型(Polarization Ratio Model),做了对比分析,利用极化比海冰反演模型来弥补偏振比海冰反演模型在高仰角情况下的不稳定。3.在2013年以及2015年,分别以GPS和北斗反射信号为例,在渤海海域开展了自主岸基实验,通过对实验数据的定性分析,对比了海水与海冰的极化比值大小,并反演了海冰冻结/融化的趋势,验证了极化比海冰反演模型的可行性。为将来的定量反演海冰区域的海冰密集度的研究打下了良好的基础,也为海冰灾害预警提供了一种新的手段。
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P715.6;P731.15

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本文编号：1280893