北斗反射信号海面溢油检测技术研究

发布时间：2019-09-19 08:35

【摘要】：海上溢油事故是海洋中最频繁、最严重的污染灾害之一。一旦出现海上溢油事故不仅影响人们的生产生活以及人类的健康,同时也会破坏海洋的生态环境。当今用于监测海上溢油的手段主要是光学和微波遥感技术,由于光学遥感技术存在受天气的影响,不能全天候的监测海面溢油状况;微波遥感技术具有全天候监测海面溢油的能力,但由于其观测模式往往是侧视扫描,因此成像存在大量噪点影响溢油检测精度且监测成本高。GNSS-R技术(Global Navigation Satellite System-Reflection)以其丰富的信号源,在大部分海域都能接收到信号,具有低成本、大范围、不受天气环境影响等优点,并且能够提供全天候长期稳定的高实时性监测,可以成为海面溢油监测技术手段。GNSS反射信号应用是国内外遥感探测领域研究的新热点,其直射信号可以提供精确的位置信息、精确的时间信息、精确的导航信息,其反射信号即经过反射面后的信号将会携带探测目标表面大量的特征信息,其反射信号的波形、时延、多普勒频移都能在反射面上精确映射,由此实现对反射面物理特性信息的度量和反演。目前,GNSS-R技术的主要应用领域有土壤湿度检测、海冰检测、海面测波高、海面测高、海面测风、移动目标探测等。现存利用GNSS-R检测海面溢油技术的研究还处于起步阶段,并不十分成熟。国外学者西班牙E.Valencia等人于2011年提出了利用GNSS-R信号建立的时延-多普勒图(DDM)对海面溢油进行模拟检测的可行性,国内研究学者利用GNSS反射信号技术监测海面溢油的研究尚少。前期的研究主要基于GPS MEO轨道卫星参数的反射信号海面溢油检测仿真研究。与GPS等其他现有卫星系统不同,北斗系统是我国自主研发、独立运行、开放兼容的全球卫星导航系统,且由独特地IGSO、MEO和GEO三种不同混合星座构成,利用北斗三种不同轨道卫星的反射信号对海域进行监测可以形成稳固的互补关系,且在中国海域内北斗卫星可见时间长,能为我国海洋环境的监测提供长期有效的手段。本文为了验证北斗反射信号(Bei Dou-R)技术在检测海面溢油的可行性,针对一次真实海上溢油事故,利用北斗独特的混合星座特性,构建了北斗IGSO卫星和MEO卫星岸基监测海面溢油仿真技术体系。结合Z-V散射模型和海水/溢油的均方坡度MSS(Mean-Square Slope)模型,建立了能全面反映海面状况GNSS散射信号特征的时延-多普勒图DDM(delay-Doppler map),通过对比分析仿真的结果,验证了利用Bei Dou-R技术可以对海上溢油事故进行检测的可行性,并得出北斗MEO卫星反演溢油的DDM结果比IGSO卫星反演溢油的DDM结果能更好地反演海面溢油状况,增补现存溢油探测手段,同时也扩展北斗系统海洋应用新领域。本文的主要研究内容如下:1、详细介绍了北斗卫星星座、信号以及反射信号相关函数;结合海面散射信号的电磁波海面特性,从延迟和多普勒频移两个角度分析了典型的时延-多普勒二维相关功率图原理。2、以导航卫星反射信号测量海面溢油的几何关系为基础,分析海面散射信号与反射面不同时延与多普勒频移间的映射关系,结合Z-V模型和海面存在溢油和海水时的海面均方坡度(MSS)模型,详细介绍DDM技术检测海面溢油原理以及镜面反射点的计算。3、采用北斗混合星座的技术,详细叙述设计北斗MEO卫星和IGSO卫星监测真实地海上溢油仿真体系,并对MEO卫星和IGSO卫星场景下的DDM检测溢油的结果进行分析,结果表明距离镜面反射点一定范围之内可以有效地分辨出海面溢油污染的区域。4、本文全面地分析北斗反射信号监测海面溢油DDM技术,结合DDM原理,通过对比与分析两次DDM反演的结果可知,在岸基仿真实验中,MEO卫星反演溢油的DDM结果优于IGSO卫星反演溢油的DDM结果,更适合于北斗反射信号建立的DDM技术对海上溢油进行检测。为今后利用北斗系统监测海洋溢油的应用奠定基础。
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第二章北斗反射信号技术理论介航系统是中国自主研发创新的系统，也是在美国 GPSLONASS 卫星导航系统之后，北斗系统是第三个拥有航系统[61]。根据国家制定的“三步走”战略计划，第系统工程建设，于 2003 年先后发射了三颗地球静止正式启动并开始投入北斗二号系统工程建设，至 20组网，为亚太地区用户提供相关服务；第三步是预计星的发射组网，将为全球用户提供连续、稳定、可靠的务；有效服务于国家安全和经济社会发展对定位、导

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图 2-2 北斗反射信号接收机的总体结构Fig. 2-2 The basic function of BeiDou-R receiver信号相关函数信号采用直序扩频的通信体制（DSSS），其卫星发射的信号调制在一在实际应用中，由于导航卫星发射功率的限制，以及长距离的空间成严重的信号衰减，因此，地面接收机接收到的导航卫星信号将掩无法对导航卫星信号进行直接功率的测量，需要增加相关处理模块增益，进而完成信号的捕获跟踪和测量。与直射信号相比，反射信，也需要通过相关处理来获得较高的增益后才能进行分析[66]。因此，号进行理论模型和波形仿真的研究时，需要采用相关函数和相关功析。信号的相关函数与直射信号基本上是相似的，，但是，由于反射面的线
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN967.1

【参考文献】