一種基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法，包括以下步驟：S1，選定待測海域，在岸基、飛機(jī)等平臺上搭載專業(yè)接收機(jī)以及接收天線；S2，使用專業(yè)接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)；S3，信號經(jīng)過接收機(jī)的射頻前段采樣處理和數(shù)字化之后，轉(zhuǎn)為中頻信號存儲；S4，信號經(jīng)過預(yù)處理，找出可以使用的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)；S5，跟蹤衛(wèi)星信號，處理數(shù)據(jù)；S6，處理極化比數(shù)據(jù)結(jié)果。其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：本發(fā)明的一種基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法，利用BDS-R技術(shù)能全天候、全天時(shí)的檢測海冰狀況、多信號源、寬覆蓋、成本低，在海冰遙感領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星遙感領(lǐng)域，具體地說，是一種基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢 測的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球溫室效應(yīng)的增強(qiáng)，海冰檢測尤為重要，海冰作為全球海洋與大氣系統(tǒng)的 一員，與海洋和大氣相互作用，對全球氣候變化產(chǎn)生了重大影響。海冰的生成、發(fā)展和消融 過程，反映并影響了海洋與大氣的交換過程，進(jìn)而影響海洋與大氣的環(huán)流模式。我國海冰已 成為除風(fēng)暴潮之外最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害，同時(shí)海冰的存在也直接影響到地球、大氣系統(tǒng)的能 量收支，因此需要對海冰進(jìn)行檢測。
[0003] 目前海冰檢測主要標(biāo)準(zhǔn)是海冰密集度，即海域內(nèi)海冰覆蓋的面積百分比，海冰密 集度是海冰研究中是重要參數(shù)，它代表海冰在水平方向上的擴(kuò)展程度，關(guān)于海冰檢測的方 法可利用衛(wèi)星遙感，現(xiàn)有技術(shù)中利用衛(wèi)星遙感檢測海冰主要有兩大類，一類是基于可見光 的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)；另一類則是基于微波的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。可見光的海冰遙感主要以中低分 辨率光學(xué)傳感器為主，圖像直觀，但受云、雨、霧等天氣影響，不能全天候、全天時(shí)的檢測海 冰狀況、可用信號有限，而且是單基工作模式，反射信號接收機(jī)復(fù)雜程度高；微波的海冰遙 感主要以合成孔徑雷達(dá)（SAR)為主，具有全天候、全天時(shí)成像能力，但如果要大范圍的觀測 連續(xù)的海冰特性，需要非常高的成本。另外，傳統(tǒng)海冰測量方法選用單個(gè)衛(wèi)星檢測，海冰檢 測范圍局限；再次，現(xiàn)有技術(shù)中通常選用美國的GPS系統(tǒng)作為信號源，只能定位，不具備通 訊功能，覆蓋范圍有限。
[0004] 綜上所述，亟需一種信號來源廣、具有全天候、全天時(shí)檢測、海冰檢測范圍廣、成本 低的基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種信號來源廣、具有全天候、全天 時(shí)檢測的、海冰檢測范圍廣、成本低的基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是： 一種基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法，包括以步驟： S1，選定待測海域，在岸基、飛機(jī)等平臺上搭載專業(yè)接收機(jī)以及接收天線； 52, 使用專業(yè)接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)； 53, 信號經(jīng)過接收機(jī)的射頻前段采樣處理和數(shù)字化之后，轉(zhuǎn)為中頻信號存儲； 54, 信號經(jīng)過預(yù)處理，找出可以使用的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)； 55, 跟蹤衛(wèi)星信號，處理數(shù)據(jù)； 56, 處理極化比數(shù)據(jù)結(jié)果。
[0007] 步驟S2中，所述接收數(shù)據(jù)方法為右旋天線接收右旋直射信號，左旋天線接收經(jīng)過 反射面反射的左旋反射信號。
[0008] 步驟S4中，所述信號預(yù)處理步驟具體為： a跟蹤衛(wèi)星，篩選數(shù)據(jù)，刪除不可用的； b計(jì)算可用衛(wèi)星的仰角和方位角，根據(jù)選定的待測海域，確定合適的衛(wèi)星。
[0009] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于： 1、 本發(fā)明的一種基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法，利用BDS-R技術(shù)能全天 候、全天時(shí)的檢測海冰狀況、多信號源、寬覆蓋，在海冰遙感領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景； 2、 利用北斗衛(wèi)星反射信號技術(shù)（BDS-R)來計(jì)算極化比值（R-LHCP/D-RHCP)，以此反演 海冰的密集度，具有可行性； 3、 選用的北斗衛(wèi)星不受云雨影響，信號源多，且BDS-R專業(yè)接收機(jī)有體積小，重量輕等 特點(diǎn)，可以低成本的觀測范圍更大的海面，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)高時(shí)間分辨率的海洋觀測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 附圖1是本發(fā)明提供的一種基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法的流程 框圖。
[0011] 附圖2是是本發(fā)明的一種基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法中的BDS-R 技術(shù)工作原理圖。
[0012] 附圖3是本發(fā)明的數(shù)據(jù)分析流程圖。
[0013] 附圖4是本發(fā)明提供時(shí)間為2014年2月15號15點(diǎn)18分海冰檢測的數(shù)據(jù)處理圖 像。
[0014] 附圖5是本發(fā)明提供時(shí)間為2014年2月15號16點(diǎn)43分海冰檢測的數(shù)據(jù)處理圖 像。
[0015] 附圖6是本發(fā)明提供時(shí)間為2014年2月15號16點(diǎn)54分海冰檢測的數(shù)據(jù)處理圖 像。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明采用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號遙感技術(shù)（BeiDou Navigation Satellite System-Reflectometry，BDS-R)來檢測海冰密集度。如圖2所示，與傳統(tǒng)遙感不同的是BDS-R的接 收機(jī)同時(shí)可以接收多個(gè)BDS衛(wèi)星的信號，所以相對于傳統(tǒng)的單個(gè)觀測衛(wèi)星，使用BDS-R技術(shù) 可以觀測到更大范圍的海面，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高時(shí)間分辨率的海洋觀測。
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說明，一種基于北斗衛(wèi)星反 射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法，請參照圖1，本發(fā)明的方法包括以下步驟： 步驟S1，選定待測海域，在岸基、飛機(jī)等平臺上搭載BDS接收機(jī)以及接收天線，接收天 線中的反射天線朝向待測海域。
[0018] 其中，BDS接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星直射信號的同時(shí)，也將接收反射面的反射信號。從 電磁波傳播基本理論看來，該反射信號中攜帶反射面的特性信息，反射信號波形的變化、極 化特征的變化，幅值、相位和頻率等參量的變化都直接反映反射面的物理特性，或者說直接 與反射面相關(guān)。對反射信號的精確估計(jì)和接收處理，可以實(shí)現(xiàn)對反射面物理特性的估計(jì)與 反演。
[0019] 步驟S2,使用專業(yè)接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，其中，所述接收數(shù)據(jù)方法為右旋天 線接收右旋直射信號，左旋天線接收經(jīng)過反射面反射的左旋反射信號； 其中，BDS信號自導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射后成為在空間傳輸?shù)碾姶挪?，在時(shí)變電磁場中，場矢量 和場源既是空間位置的函數(shù)，又是時(shí)間的函數(shù)。在正弦穩(wěn)態(tài)條件下，由場源所激勵(lì)的場矢量 的各個(gè)分量仍是同頻率的正弦時(shí)間函數(shù)。BDS的導(dǎo)航信號(直射信號）是右旋圓極化的，當(dāng) 直射信號照射到物體表面時(shí)極化方式會發(fā)生改變，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A極化信號。
[0020] 步驟S3,信號經(jīng)過接收機(jī)的射頻前段采樣處理和數(shù)字化之后，轉(zhuǎn)為中頻信號存 儲； 請參照圖3,圖3是本發(fā)明的數(shù)據(jù)分析流程圖。右旋天線和左旋天線分別用于接收導(dǎo)航 衛(wèi)星直射信號和反射信號；直射信號和反射信號經(jīng)接收后分別轉(zhuǎn)化成右旋直射信號和左旋 反射信號；然后分別輸入到兩個(gè)射頻前端，進(jìn)行采樣處理和數(shù)字化后得到直射和反射的原 始數(shù)字中頻信號；在數(shù)據(jù)處理工作站中，利用信號后處理軟件對數(shù)字中頻信號后處理，完成 衛(wèi)星信號快速捕獲和跟蹤，對反射信號進(jìn)行相關(guān)處理；對所有的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選取高 仰角的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使其符合菲涅爾反射系數(shù)的原理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出平均極化比值 (R-LHCP/D-RHCP )，用于檢測海冰/海水。
[0021] 步驟S4,信號經(jīng)過預(yù)處理，找出可以使用的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)； 具體包括：跟蹤衛(wèi)星，篩選數(shù)據(jù)，刪除不可用的；計(jì)算可用衛(wèi)星的仰角和方位角，根據(jù) 選定的待測海域，確定合適的衛(wèi)星； 步驟S5,跟蹤衛(wèi)星信號，處理數(shù)據(jù)； 步驟S6,處理極化比數(shù)據(jù)結(jié)果，具體包括： 其中，極化比值（R-LHCP/D-RHCP )用于檢測海冰密集度，主要是利用極化比值的趨勢來 反演海冰密集度的趨勢。于2014年2月15號下午15點(diǎn)18分到16點(diǎn)54分，獲得中國天 津渤海灣的實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)上述的數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程后，確定使用北斗衛(wèi)星（C3)，來測量極 化比結(jié)果。
[0022] 請參照圖4、圖5、圖6,圖4是本發(fā)明提供時(shí)間為2014年2月15號15點(diǎn)18分海 冰檢測的數(shù)據(jù)處理圖像；圖5是本發(fā)明提供時(shí)間為2014年2月15號16點(diǎn)43分海冰檢測 的數(shù)據(jù)處理圖像；圖6是本發(fā)明提供時(shí)間為2014年2月15號16點(diǎn)54分海冰檢測的數(shù)據(jù) 處理圖像；從現(xiàn)場觀測來看，在15點(diǎn)18分、16點(diǎn)43分、16點(diǎn)54分，海冰密集度分別為0、 20-30%、40-50%。而從圖4-6中可以看出極化比為3. 14、1. 91、0. 83,由此可以看出海冰密集 度與極化比值成反比。極化比值以此來反演海冰密集度。這可以證明利用北斗反射信號可 以實(shí)現(xiàn)海水/海冰檢測的可行性。
[0023] 需要說明的是：本發(fā)明利用我國自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行并且能提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo) 航、授時(shí)服務(wù)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System,BDS)的衛(wèi)星數(shù) 據(jù)來提供信號源支持，能全天候、全天時(shí)的檢測海冰狀況、多信號源、寬覆蓋、成本低；反射 信號極化類型的變化可以提取出反射物體的物質(zhì)特性信息，是BDS-R技術(shù)的理論基礎(chǔ)，在 本發(fā)明中，利用反射左旋圓極化信號與直射右旋圓極化信號幅度比值（R-LHCP/D-RLCP)變 化來進(jìn)行海冰消融和海水結(jié)冰過程的檢測；所述的直射右旋圓極化是直射信號產(chǎn)生的，反 射有旋圓極化是由反射信號參生的，其中，反射右旋圓極化是有反射信號中極少的反射信 號產(chǎn)生的。
[0024] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明方法的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和補(bǔ)充，這些改進(jìn)和補(bǔ)充也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于北斗衛(wèi)星反射信號實(shí)現(xiàn)海冰檢測的方法，其特征在于，包括以步驟： S1，選定待測海域，在岸基、飛機(jī)等平臺上搭載專業(yè)接收機(jī)以及接收天線； 52, 使用專業(yè)接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)； 53, 信號經(jīng)過接收機(jī)的射頻前段采樣處理和數(shù)字化之后，轉(zhuǎn)為中頻信號存儲； 54, 信號經(jīng)過預(yù)處理，找出可以使用的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)； 55, 跟蹤衛(wèi)星信號，處理數(shù)據(jù)； 56, 處理極化比數(shù)據(jù)結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中，接收數(shù)據(jù)方法為右旋天線 接收右旋直射信號，左旋天線接收經(jīng)過反射面反射的左旋反射信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S4中，信號預(yù)處理步驟具體為： a跟蹤衛(wèi)星，篩選數(shù)據(jù)，刪除不可用的； b計(jì)算可用衛(wèi)星的仰角和方位角，根據(jù)選定的待測海域，確定合適的衛(wèi)星。
【文檔編號】G01S19/14GK104215972SQ201410439473
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】張?jiān)? 孟婉婷, 顧祈明, 韓彥嶺, 洪中華 申請人:上海海洋大學(xué)