CN103278083A - Gnss-r海冰厚度探测设备及利用该设备探测海冰厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了GNSS-R海冰厚度探测设备及利用该设备探测海冰厚度的方法，属于海洋监测的技术领域。所述探测设备包括架设在天线支架上的GNSS右旋极化天线、GNSS左旋极化天线，放置在操作平台上的GNSS-R接收机、工业计算机、显示器。所述方法通过计算GNSS直接功率以及反射功率得到海冰辐射率，再根据辐射率与海冰厚度的函数关系反演得到海冰厚度。所述探测设备体积小、重量轻、成本低、携带方便，在地域和空域上使用灵活、操作简单；探测方法实时探测海冰厚度，精度高、结果可靠、现势性强。

Description

GNSS-R海冰厚度探测设备及利用该设备探测海冰厚度的方法

技术领域

本发明公开了GNSS-R海冰厚度探测设备及利用该设备探测海冰厚度的方法，属于海洋监测的技术领域。

背景技术

海冰是自然界中重要灾害之一，对于海上交通运输、海洋资源开发、全球气候变化等都有重大的影响。我国是世界上受海冰危害最严重的国家之一。2010年我国的环渤海地区遭遇到近30年来最严重的海冰灾害，因灾直接经济损失高达63.18亿元，占全年海洋灾害总经济损失的47.6%。随着全球气候变化的影响，海冰灾害产生的频度也在增加，2011年、2012年环渤海都发生了严重的海冰灾害。因此，对海冰冰情进行及时、快速、准确的监测对海冰灾害的防灾和减灾具有重要意义。海冰厚度是海冰冰情监测的基本参数之一，国内外海冰厚度测量的技术主要有：

水下仰视声纳技术，仰视声纳技术属于冰厚观测的经典方法，将仰视声纳设备搭载于潜艇或水下机器人平台上，获取的海冰厚度资料是科学家广泛采用的数据，但该技术的观测精度受限于水下换能器的位置以及水温、潮汐和气压变化带来的影响。（发明专利：海冰厚度测量系统，公开号：CN101476864A）

雷达技术，其可以探测大区域海冰的厚度，也具有一定的时效性，但其成本高、数据量大、数据处理复杂。（王野，邵秘华，谭靖，等.海冰厚度测量方法及仪器的应用研究[J].大连海事大学学报，2006，32（4）：113-115；发明专利：雷达海冰厚度测量仪，公开号：101105395A）

电磁感应技术，该技术具有非接触式、工作速度快等优点，但其完全取决于冰层和下部海水电导率的明显差别，将冰层表面起伏均归结到底面形态上。（李志军，韩明，秦建敏，等.冰厚变化的现场监测现状和研究进展[J].水科学进展，2005，16（5）：753-757）

卫星遥感测量冰厚度是通过海冰遥感图像反演冰厚度和密集度等参数，受云系等天气状况的影响，由于卫星的周期性运行，因此显示的定点卫星遥感图像周期较长，无法实现定点定时观测，对高精度的海冰观测带来不便（发明专利：雷达海冰厚度测量仪，公开号：101105395A）。

无源微波遥感技术，理论方法还不完善，精度有待进一步提高。（郭凤莲，赵仁宇，王维滨.无源微波遥感技术在海冰测厚中的应用研究[J].遥感学报，2000，4（2）：112-117）

而且上述海冰厚度监测技术都存在一个共同缺陷：监测数据时空不连续、现势性差、效率低、精度低。（LaxonS，PeacockN，SmithD.High interannual variability ofsea ice thickness in the Arctic region[J].Nature，2003，425：947-950.）

GNSS导航卫星信号具备无源探测、全球覆盖、成本低、数据量大等优势，在时空上具有很好的连续性，GNSS-R已经成为海面和陆面环境要素遥感监测的一种新型的技术手段（刘经南，邵连军，张训械.GNSS-R研究进展及其关键技术[J].武汉大学学报（信息科学版），2007，32（11）：955-960；万玮，陈秀万，李国平，等.GNSS-R遥感国内外研究进展[J].遥感信息，2012，27（3）：112-119）。目前，利用GNSS-R反演海面高度、海面风场、海面粗糙度、有效波高、海水盐度等海洋参数理论与算法基本成形，而GNSS-R反演海冰厚度的研究还处于起步阶段，相关理论模型和算法都还不成熟。国外，仅NASA于1998年和1999年先后两次在阿拉斯加州进行GNSS-R海冰厚度探测机载试验，验证了GNSS-R在探测海冰厚度方面的潜在应用价值；2007年ESA科学家Martin-Neira也进行了海冰试验；西班牙Starlab研究所也在海冰探测算法方面做了一些研究工作。而我国在此方面的试验研究还未有相关文献报道。虽然实用新型专利“一种海冰微波遥感监测系统”（CN201754185U）中提到利用GNSS-R监测海冰，但其是与RADARSAT（雷达）等设备相结合使用，而且没有明确说明用于探测海冰厚度，以及给出相应的海冰监测的原理方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了GNSS-R海冰厚度探测设备及利用该设备探测海冰厚度的方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

GNSS-R海冰厚度探测设备，包括：架设在天线支架上的GNSS右旋极化天线、GNSS左旋极化天线，放置在操作平台上的GNSS-R接收机、工业计算机、显示器；所述GNSS右旋极化天线、GNSS左旋极化天线通过GNSS信号传输馈线分别与GNSS-R接收机输入端连接，所述工业计算机输入端接所述GNSS-R接收机输出端，所述显示器接所述工业计算机输出端。

利用GNSS-R海冰厚度探测设备探测海冰厚度的方法，包括如下步骤：

步骤1，GNSS右旋极化天线接收的GNSS直接信号、GNSS左旋极化天线接收的GNSS发射信号、GNSS折射信号、GNSS散射信号，经过GNSS接收机处理得到中频信号；

步骤2，工业计算机根据GNSS接收机输出的中频信号计算GNSS直接信号功率、GNSS反射信号功率，再计算GNSS发射信号的反射率；

步骤3，根据电磁波理论，计算出GNSS海冰辐射率；

步骤4，结合空气到海水的反射系数、海冰到海水的反射系数，利用海冰辐射率与海冰厚度的函数关系式反演出海冰厚度。

所述利用GNSS-R海冰厚度探测设备探测海冰厚度的方法，步骤4中所述的空气到海水的反射系数、海冰到海水的反射系数由空气复介电常数、海冰复介电常数、海水复介电常数确定。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：探测设备体积小、重量轻、成本低、携带方便，在地域和空域上使用灵活、操作简单；探测方法实时探测海冰厚度，精度高、结果可靠、现势性强。

附图说明

图1为GNSS-R海冰厚度探测设备的示意图。

图2为利用GNSS-R海冰厚度探测设备探测海冰厚度的方法的原理图。

图3为利用GNSS-R海冰厚度探测设备探测海冰厚度的方法的流程图。

图中标号说明：1、GNSS右旋极化天线，2、GNSS左旋极化天线，3、天线支架，4、GNSS信号传输馈线，5、GNSS-R接收机，6、工业计算机，7、显示器，8、操作平台，9、GNSS卫星，10、空气介质，11、海冰介质，12、海水介质。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

GNSS-R海冰厚度探测设备如图1所示，包括：架设在天线支架上3的GNSS右旋极化天线1、GNSS左旋极化天线2，放置在操作平台上8的GNSS-R接收机5、工业计算机6、显示器7。GNSS-R接收机5包括顺序连接的放大器、滤波器、射频前端、信号相关器。GNSS右旋极化天线1、GNSS左旋极化天线2通过GNSS信号传输馈线4分别与GNSS-R接收机5输入端连接，工业计算机6输入端接GNSS-R接收机5输出端，显示器7接工业计算机6输出端。GNSS右旋极化天线1用于接收GNSS直接信号；GNSS左旋极化天线2用于接收GNSS发射信号、GNSS折射信号、GNSS散射信号；GNSS信号传输馈线4用于将GNSS右旋极化天线1、GNSS左旋极化天线2接收的信号传输至GNSS-R接收机5；GNSS-R接收机5对接收到的GNSS直接信号、GNSS发射信号、GNSS折射信号、GNSS散射信号进行放大滤波处理；并由射频前端进行处理，形成中频信号；由信号相关器进行相关积分，得到导航定位数据和信号功率等原始数据；工业计算机6根据后面所述的GNSS-R海冰厚度他呢方法反演出海冰厚度。

利用GNSS-R海冰厚度探测设备探测海冰厚度的方法的原理图如图2所示。当海面覆盖海冰时，GNSS信号传播的介质可认为三层介质模型：第一层为空气介质10、第二层为海冰介质11、第三层为海水介质12。当GNSS信号入射到海冰介质11时，一部分被反射，而另一部分进入海冰介质11继续传播（主要为折射、反射、散射），如图3流程图所示，具体包括如下步骤。

步骤1，GNSS右旋极化天线1接收的GNSS直接信号、GNSS左旋极化天线2接收的GNSS发射信号、GNSS折射信号、GNSS散射信号，经过GNSS接收机处理得到中频信号。

步骤2，工业计算机6根据GNSS接收机5输出的中频信号计算GNSS直接信号功率P_i、GNSS反射信号功率P_r，再计算GNSS发射信号的反射率r：

在菲涅尔假设下，反射信号可以简单地表示为极化矩阵与入射信号的乘积：

$\left[\begin{array}{c}{E}_R^S\\ E_L^S\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{RR}}& U_{\mathrm{LR}}\\ U_{\mathrm{RL}}& U_{\mathrm{LL}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_R^i\\ E_L^i\end{array}\right]---\left(1\right),$

式（1）中：

为右旋反射信号，

为左旋发射信号，为右旋入射信号，为左旋入射信号，光滑表面电波的Fresnel反射系数U_RR、U_LR、U_RL、U_LL构成极化矩阵；

光滑表面电波的Fresnel反射系数由式（2）计算：

$\left[\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{RR}}& U_{\mathrm{LR}}\\ U_{\mathrm{RL}}& U_{\mathrm{LL}}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}{T}_V+T_h& T_V-T_h\\ T_V-T_h& T_V+T_h\end{array}\right]---\left(2\right),$

其中菲涅尔系数T_h、T_V为：

$T_h=\frac{\sin \mathrm{\γ}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}-{\cos }^2\mathrm{\γ}}}{\sin \mathrm{\γ}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}-{\cos }^2\mathrm{\γ}}}---\left(3\right),$

$T_V=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}\sin \mathrm{\γ}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}-{\cos }^2\mathrm{\γ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}\sin \mathrm{\γ}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}-{\cos }^2\mathrm{\γ}}}---\left(4\right),$

式(3)、式（4）中，γ为掠射角，ε_γ为海冰复介电常数。

复介电常数ε_ξ的超越方程为式（5）和式（6）：

$\frac{{\mathrm{th\μL}}_g}{{\mathrm{\μL}}_g}=\frac{{\mathrm{\λ}}_g}{j2\mathrm{\π}{L}_g}\·\frac{1-\mathrm{js}\tan \left(\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_g}\right)d^{\′}}{s-j\tan \left(\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_g}\right)d^{\′}}---\left(5\right),$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ξ}}={\mathrm{\λ}}_0^2[\frac{1}{{4a}^2}-{\left(\frac{{\mathrm{\μL}}_g}{2\mathrm{\π}{L}_g}\right)}^2]---\left(6\right),$

式（5）、式（6）中：μ=β+jα为波导全填介质时的传输系数，α为传输系数的实部，β为传输系数的虚部，j为复数的虚数单位，L_g为介质厚度，λ_g为波导波长，s为驻波比，d'为第一个电压最小点到介质面的距离，λ₀为自由空间波长，a为波导宽边的尺寸，ε_ξ=ε'-jε''=E'(1-jtanδ)，ε'为复介电常数的实部，ε''为复介电常数的虚部，E'为复介电常数的模，tanδ为损耗正切。

联合式（5）和式（6）即可得到：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}={\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\π}}\right)}^2[{\left(\frac{\mathrm{\π}}{a}\right)}^2-{\mathrm{\β}}^2+{\mathrm{\α}}^2],\tan \mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{a\α\β}}{{(\mathrm{\π}/a)}^2-{\mathrm{\β}}^2+{\mathrm{\α}}^2}---\left(7\right),$

由式（7）采用牛顿迭代的方法即可求得各介质的复介电常数。

海冰复介电常数ε_γ为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}-j60\mathrm{\λ\σ}---\left(8\right),$

式（8）中，ε是海冰介电常数，σ是电导率，ε₀是真空中的介电常数，λ是波长；

引入极化矩阵，由天线接收到的反射信号电磁场可以表示为：

$\left[\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{RR}}& U_{\mathrm{LR}}\\ U_{\mathrm{RL}}& U_{\mathrm{LL}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_R^i\\ E_L^i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{RR}}{E}_R^i+U_{\mathrm{LR}}{E}_L^i\\ U_{\mathrm{RL}}{E}_R^i+{U_{\mathrm{LL}}E}_L^i\end{array}\right]---\left(9\right),$

假设发射的GNSS信号为纯右旋极化，经海冰表面转化为左旋极化，由式（9）可以得到接收到的功率为：

P∝|G^RU_RR+G^LU_RL|²      （10），

式（10）中，G^R为右旋信号功率，G^L为左旋信号功率；

根据式（10）计算得到GNSS直接信号功率P_i、GNSS反射信号功率P_r，再由式（11）得到反射率r：

$r=\frac{P_i}{P_r}---\left(11\right).$

步骤3，根据电磁波理论，计算出GNSS海冰辐射率e：

e=1-r      （12）。

步骤4，利用海冰辐射率与海冰厚度的函数关系式反演出海冰厚度：

根据Apinib和Peoke推倒的海冰辐射率计算公式：

$e=(1-r_i)(1-{\mathrm{\α}}^{\′}{r}_w)/(1+{\mathrm{\α}}^{\′}{r}_i{r}_w)+2\sqrt{{\mathrm{\α}}^{\′}{r}_i{r}_w}\cos 2{\mathrm{\β}}^{\′}d---\left(13\right),$

式（13）中，r_i为空气到海冰的反射系数，r_w为海冰到海水的反射系数，β'为相位常数，d为海冰厚度，α'为衰减系数。由式（12）计算出GNSS海冰辐射率后，利用式（13）即可反演出海冰厚度d。

空气到海冰的反射系数r_i、海冰到海水的反射系数r_w根据经验值选取，也可以通过计算各介质（空气介质、海冰介质、海水介质）的复介电常数，根据各介质的复介电常数确定空气到海冰的反射系数r_i、海冰到海水的反射系数r_w的取值范围。

试验表明，采用本发明可以探测厚度为3cm以上的海冰厚度，探测精度优于10%。

由于GNSS导航卫星信号具备无源探测、全球覆盖、成本低、数据量大等优势，在时空上具有很好的连续性，利用GNSS-R技术实现本发明的探测设备以及探测方法，具有如下优点：

（1）探测设备体积小、重量轻、成本低、携带方便，在地域和空域上使用灵活、操作简单；

（2）探测方法实时探测海冰厚度，精度高、结果可靠、现势性强。

Claims (3)

1.GNSS-R海冰厚度探测设备，其特征在于，包括：架设在天线支架上的GNSS右旋极化天线、GNSS左旋极化天线，放置在操作平台上的GNSS-R接收机、工业计算机、显示器；所述GNSS右旋极化天线、GNSS左旋极化天线通过GNSS信号传输馈线分别与GNSS-R接收机输入端连接，所述工业计算机输入端接所述GNSS-R接收机输出端，所述显示器接所述工业计算机输出端。

2.利用权利要求1所述的GNSS-R海冰厚度探测设备探测海冰厚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，GNSS右旋极化天线接收的GNSS直接信号、GNSS左旋极化天线接收的GNSS发射信号、GNSS折射信号、GNSS散射信号，经过GNSS接收机处理得到中频信号；

步骤2，工业计算机根据GNSS接收机输出的中频信号计算GNSS直接信号功率、GNSS反射信号功率，再计算GNSS发射信号的反射率；

步骤3，根据电磁波理论，计算出GNSS海冰辐射率；

步骤4，结合空气到海水的反射系数、海冰到海水的反射系数，利用海冰辐射率与海冰厚度的函数关系式反演出海冰厚度。

3.根据权利要求2所述的利用GNSS-R海冰厚度探测设备探测海冰厚度的方法，其特征在于，步骤4中所述的空气到海水的反射系数、海冰到海水的反射系数由空气复介电常数、海冰复介电常数、海水复介电常数确定。

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