CN102749067A - 自适应多级计算的精确反演海面高程遥测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用导航卫星海面反射信号进行自适应多级计算的精确反演海面高程遥测装置，本装置包括一个右旋天线，一个左旋天线，一个射频前端处理器，一个中频信号处理模块。中频信号处理模块包括直射和反射信号处理模块、海面高程测量模块。在本发明中，装置通过天线接收导航卫星直射与反射信号，将经射频前端、直射与反射信号处理模块处理产生的相关功率值与其他导航定位信息输出给测高模块，测高模块采用自适应的方法搜索波形最大值，然后通过微分波形粗略估计与曲线拟合精确计算两级计算过程确定精确的镜面反射点码延迟，进而计算出精确的海面高程。该发明可用于实时精确监视洋面高度，对海洋气象探测研究与海洋灾害监测预防有积极意义。

Description

自适应多级计算的精确反演海面高程遥测装置

技术领域

本发明涉及一种精确反演海面高程的装置，具体地说，是指利用反射信号相关功率曲线的微分曲线确定镜面反射点的粗略位置，然后再利用曲线拟合的方法确定镜面反射点的精确位置，从而能够精确反演海面高程。

背景技术

利用GNSS反射信号的海面测高技术是卫星遥感技术的一个分支，通过采用岸载、机载、星载或其它GNSS反射信号遥感平台上的接收机装置，连续采集GNSS卫星直射信号及经海面散射的回波信号，通过相关处理得到直射和反射信号之间的相对路径延时，并利用GNSS卫星、GNSS反射信号测高平台和反射点（面）之间的几何关系，实现GNSS-R测高平台至反射面垂直高度计算，并反演计算出海面高度。

在反演计算海面高度时，得到镜面反射点的位置是必要的步骤。根据海面反射信号的特点，可知海面反射信号时延相关功率峰值点不对应镜面反射点的时延，由于海面粗糙度的影响，镜面反射周围漫反射点的存在，其他时延信号的功率逐渐变大，因此反射信号时延相关功率的峰值点位置向后偏移，若使用的传统的跟踪峰值点或波形的半功率点测量信号时延，会带来较大偏差，其将随着风速的增大而增大。另外，由于时延相关功率随风速扩散特性，使得相关函数不再是很尖的三角函数，而峰值的平滑特性使得峰值时刻测量本身也会带来一定误差。

本专利中首先利用反射信号相关功率波形峰值前沿的梯度突变点得到镜面反射点的粗略位置，然后利用曲线拟合方法得到镜面反射点的精确位置。该方法可有效降低散射误差，提高反射信号路径延迟的估计精度，进而提高反演海面高度的精度。

发明内容

本发明提出一种利用反射信号相关功率波形微分曲线粗略确定镜面反射点并利用海面散射信号相关功率的理论曲线拟合实测曲线得到精确镜面反射点位置的方法进行海面测高的装置，该装置可精确反演海面高程，实现对海洋洋面高度的实时精确监视，能够对海啸、台风等自然灾害的进行有效地监测和预警。

本发明中的海面高程获取装置包括一个右旋天线，一个左旋天线，一个射频前端处理器，一个中频信号处理模块。中频信号处理模块包括直射与反射信号处理模块、海面高程测量模块。

在本发明中，装置通过右旋天线接收导航卫星直射信号，通过左旋天线接收导航卫星反射信号，天线将接收到的直射反射信号传输给射频前端处理器，由射频前端处理器将射频信号进行下变频并通过模拟数字转换器转换为中频数字信号作为后续中频信号处理模块的输入。中频信号处理模块中的直射信号处理模块对直射数字信号进行频域相关处理，导航定位模块利用频域相关处理的结果进行导航定位运算得到定位结果。中频信号处理模块中的反射信号处理模块对反射数字信号进行二维相关运算得到反射信号的二维相关功率值。海面高程测量模块利用直射信号处理模块和反射信号处理模块的处理结果进行海面高程反演计算。

本发明的一种精确反演海面高程的装置的优点在于：

一.该装置只需接收装置，降低了装置的复杂性和成本。

二.采用反射波形微分曲线粗略估计镜面反射点码延迟以及利用曲线拟合精确计算镜面反射点码延迟，提高了估计散射延迟的精度，进而提高了测量海面高程的精度。

三.由于GNSS信号的全天时，全天候，全球性，该装置可广泛使用，对海洋进行大尺度的空间和时间范围内的监测。

四.可在本装置的基础上添加海浪，海风反演装置，加强对海洋的全面监测。

随着导航系统卫星的增多，GNSS信号将日益丰富，该装置的应用范围将会日益扩大。

附图说明

图1是本发明测量装置的总体框架图。

图2是本发明测量装置的直射与反射信号处理模块。

图3是本发明测量装置的海面高程测量模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1为本装置的总体结构图，本发明中的海面高程获取装置包括一个右旋天线，一个左旋天线，一个射频前端处理器，一个中频信号处理模块。

右旋天线用于接收导航卫星直射信号DS，该信号经右旋天线增益放大后作为射频前端处理器的输入。

左旋天线用于接收经海面反射后的导航卫星反射信号RS，该信号经左旋天线增益放大后作为射频前端处理器的输入。

射频前端处理器将接收到的射频信号下变频为中频信号，然后利用A/D转换器将中频信号转化为数字中频信号DDIF/RDIF作为计算机的输入，供中频信号处理模块处理。

中频信号处理模块包括直射信号处理模块、反射信号处理模块、海面高程测量模块。

图2为直射与反射信号处理模块部分：

模块读取1ms的直射数字中频信号DDIF；

载波发生模块产生附加多普勒频移的载波信号与直射中频信号进行混频，载波发生模块受多普勒频移参数的控制，数字中频信号DDI F分别经过与载波发生模块产生的正弦sin信号与余弦cos信号的乘法运算和低通滤波后得到去除了载波的直射基带信号的同相分量DIC与正交分量DQC；

FFT模块将直射基带信号的同相分量与正交分量整合为复数形式后变换输出为直射信号的频域信号FDS；

本地伪码产生模块产生本地伪码信号LPN，长度为1ms；该信号经FFT模块变换输出为本地伪码信号的频域信号FLPN；

直射信号的频域信号与本地伪码信号的频域信号进行乘法运算，得到直射频域相关信号FDCo；

直射频域相关信号经IFFT（逆FFT变换）模块逆变换后得到直射信号的时域相关信号DCo；

截取直射信号时域信号的前指定位数的长度作为最终直射信号的时域相关信号DCo；

导航定位模块利用直射信号的时域相关信号DCo解算出卫星的高度角SEA。

反射信号开环跟踪模块根据接收机到海面的粗略相对高程与反射/直射信号路径延时的几何关系RPD＝2hsinε+DPD来粗略估算反射信号相对于直射信号路径延时，其中h为接收平台的粗略高度信息，ε为导航定位模块得到的卫星高度角信息，RPD为反射信号的路径延迟，DPD为直射信号的路径延迟；

模块读取1ms的反射数字中频信号RDIF；

载波发生模块产生附加多普勒频移的载波信号与反射中频信号进行混频，载波发生模块受多普勒频移参数的控制，数字中频信号分别经过与载波发生模块产生的载波信号的乘法运算和低通滤波后得到去除了载波的反射基带信号RB；

本地伪码产生模块产生本地伪码信号LPN，长度为1ms；

将本地伪码信号移位到粗估得到的反射信号伪码相位附近（前数3个码片到后数5个码片的范围）进行相关计算，得到反射信号在粗估计码相位周围的反射相关功率信号RCo。

图3为海面高程测量部分：

海面高程测量模块包括功率波形自适应最大值搜索模块，相关功率波形微分模块，曲线拟合模块，海面高程反演模块；

自适应最大值搜索模块能自动地搜索不同振幅波形的最大值，其具体的搜索过称谓：首先搜索指定波形的最大值，标定最大值对应的波形位置；然后将波形最大值所对应的位置附近的一个指定区域作为第二次搜索的禁止区域；最后在波形的非禁止区域上执行第二次最大值搜索，将得到的最大值作为整个波形的次大值。如果波形的次大值小于波形最大值的一半时，则认为该波形有最大值。至此该模块就完成了波形最大值的搜索过程。

自适应最大值搜索模块对输入到海面高程测高模块中的直射二维相关功率信号DCo进行功率最大值搜索，确定直射二维相关功率信号DCo峰值点的多普勒频移与码相位延迟DPD,并将该码相位延迟作为海面高度反演模块的输入；

自适应最大值搜索模块对输入到海面测高模块中的反射二维相关功率信号RCo进行功率最大值搜索，确定反射二维相关功率信号RCo峰值点的多普勒频移与码相位延迟RPD；

取反射二维相关信号RCo在功率峰值确定的多普勒频率处f_d关于码相位延迟的一维曲线作为反射一维相关功率信号RCo-1d={v₁,v₂,…,v_k,…v_n}，其中k为码相位值，相邻两个码相位值之间的间隔为反射信号一维相关功率信号的码延迟最小分别率，v_k为第k个码延迟对应的相关功率值。

在相关功率波形微分模块中，对反射相关功率一维波形RCo-1d进行差分，得到反射信号相关功率维波形的微分形式RCo-1d-d={v′₁,v′₂,…,v′_k,v′_n-1}，其中v′_k＝v_k+1-v_k，寻找反射信号相关功率一维波形的微分波形RCo-1d-d的峰值，记录该峰值确定的码相位延迟DRPD_1，将这一步得到的粗略镜面反射点码延迟作为下一步精确计算的迭代初值；

确定粗略的镜面反射点码延迟后，利用海面反射信号相关功率计算公式

${\left|Y(\mathrm{\τ},f_c)\right|}^2>=A^2\·T_i\∫\∫\frac{D^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)\×{\mathrm{\Λ}}^2\left[\mathrm{\δ\τ}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\right]\×{\left|S\right[\mathrm{\δf}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\left]\right|}^2}{4\mathrm{\π}{R}_t^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)R_r^2\left(\stackrel{\→}{r}\right)}{\mathrm{\σ}}_0\left(\stackrel{\→}{r}\right)d^{2}r+n^2$

计算出反射信号功率波形的理论曲线簇。

其中

为反射信号的幅度。T_i为相干积分时间，为反射信号接收天线的增益函数，

为伪码的自相关函数的平方，

为Sa函数的平方，

为发射机到镜面反射点的距离，

为接收机到镜面发射点的距离，表示归一化双基散射截面函数。

设定的反射信号相关功率计算公式的各个参数，令多普勒频移为f_d，海面风速、卫星发射功率、接受天线增益、相干积分时间等参数为固定值。此时实测的海面反射信号的相关功率值应满足公式。

Pτ)＝A·P_f(τ-τ_d,f_d)+P_n，为码相位延迟的函数，其中P_f(τ-τ_d,f_d)由海面反射信号相关功率计算公式的积分部分决定。该函数中还有待定参数A、τ_d、P_n，分别代表实测反射信号的赋值、反射信号的码延迟量、反射信号的噪声功率。反射一维相关功率信号RCo-1d={v₁,v₂,…,v_k，…v_n}={(τ₁,v₁),(τ₂,v₂),…,(τ_k,v_k),…,(τ_n,v_n)}。接下来利用最小二乘牛顿高斯迭代算法来用理论计算得到的曲线来拟合实测的离散点，使离散点以最优形式分布在理论曲线上。这些实测反射信号相关功率的离散点应当位于曲线P(τ)上，即这些点满足P(τ)的表达式。所以有 $\left\{\begin{array}{c}{v}_1=P\left({\mathrm{\τ}}_1\right)\\ v_2=P\left({\mathrm{\τ}}_2\right)\\ .\\ .\\ .\\ v_k=P\left({\mathrm{\τ}}_k\right)\\ .\\ .\\ .\\ v_n=P\left({\mathrm{\τ}}_n\right)\end{array}\right.$ 加入待定系数后有 $\left\{\begin{array}{c}{v}_1=P({\mathrm{\τ}}_1,A,{\mathrm{\τ}}_d,P_n)\\ v_2=P({\mathrm{\τ}}_2,A,{\mathrm{\τ}}_d,P_n)\\ .\\ .\\ .\\ v_k=P({\mathrm{\τ}}_k,A,{\mathrm{\τ}}_d,P_n)\\ .\\ .\\ .\\ v_n=P({\mathrm{\τ}}_n,A,{\mathrm{\τ}}_d,P_n)\end{array}\right.$ 将上述方程组进行一阶泰勒近似并转换为矩阵表达式有G·Δx＝b，其中

$\mathrm{\Δx}=x-x_{m-1}=\left[\begin{array}{c}A\\ {\mathrm{\τ}}_d\\ P_n\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{A}_{m-1}\\ {\mathrm{\τ}}_{d,m-1}\\ P_{n,m-1}\end{array}\right]$ $b=\left[\begin{array}{c}{v}_1-P({\mathrm{\τ}}_1,A_{m-1},{\mathrm{\τ}}_{d,m-1},P_{n,m-1})\\ v_2-P({\mathrm{\τ}}_2,A_{m-1},{\mathrm{\τ}}_{d,m-1},P_{n,m-1})\\ .\\ .\\ .\\ v_k-P({\mathrm{\τ}}_k,A_{m-1},{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{dm}-1},P_{n,m-1})\\ .\\ .\\ .\\ v_n-P({\mathrm{\τ}}_n,A_{m-1},{\mathrm{\τ}}_{d,m-1},P_{n,m-1})\end{array}\right]$

由最小二乘法可知Δx＝(G^TG)^-1G^Tb，由前一次的待定系数值矩阵 $x_{m-1}=\left[\begin{array}{c}{A}_{m-1}\\ {\mathrm{\τ}}_{d,m-1}\\ P_{n,m-1}\end{array}\right]$ 可计算得到下一次待定系数值矩阵与前一次的差值Δx，据此可计算得到下一次待定系数值矩阵x＝Δx+x_m-1，如此循环往复，直到Δx小于某个设定的临界值就可以得到最终满足精度的待定系数值矩阵 $x=\left[\begin{array}{c}A\\ {\mathrm{\τ}}_d\\ P_n\end{array}\right],$ 其中第二项τ_d即反射信号镜面反射点的精确码延迟，记为DRPD_2，由于本发明采用牛顿高斯迭代的方法对实测反射信号相关功率波形进行拟合，在迭代伊始，需要指定一个迭代初值，在这里将前一步骤中由实测反射信号相关功率波形微分形式确定的粗略镜面反射点码延迟DRPD_1作为迭代初值，由于粗略的镜面反射点的码延迟已经很接近最终精确地迭代结果，所以采用前一步确定的粗略镜面反射点码延迟可以防止迭代过程发散，并加快迭代计算速度，尽快地找到精确的镜面反射点码延迟DRPD_2。

海面高度反演模块利用直射信号相关功率峰值的码相位延迟DPD与反射信号相关功率一维波形镜面反射点所对应的精确码相位延迟DRPD_2反演海面高度，反演的海面高度为

其中DRPD_2为反射信号相关功率一维波形镜面反射点所对应的精确码相位延迟，DPD为直射信号相关功率峰值所确定的码相位延迟，ε为导航定位模块得到的卫星高度角信息，H为精确的海面高度信息。

Claims (4)

1.一种利用导航卫星海面反射信号进行自适应多级计算的精确反演海面高程遥测装置，本装置包括一个右旋天线，一个左旋天线，一个射频前端处理器，一个中频信号处理模块。其中中频信号处理模块包括直射和反射信号处理模块、海面高程测量模块。

2.根据权利要求1所述的自适应最大值搜索算法，其特征在于在不同的反射信号相关曲线幅度下，可以自适应地搜索到峰值，不需要设定特定的门限值。

3.根据权利要求1所述的镜面反射点码延迟粗略估计的方法，其特征利用反射信号相关功率曲线的微分波形的最大值点确定镜面反射点的粗略位置。

4.根据权利要求1所述的镜面反射点码延迟精确计算的方法，其特征在于利用前一步得到的粗略镜面反射点粗略值作为进一步曲线拟合的迭代初值，加快了镜面反射点码延迟的计算过程。

Images