CN104215972A - 一种基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法 - Google Patents

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顾祈明
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Abstract

本发明涉及一种基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法，包括以下步骤：S1，选定待测海域，在岸基、飞机等平台上搭载专业接收机以及接收天线；S2，使用专业接收机接收北斗卫星的数据；S3，信号经过接收机的射频前段采样处理和数字化之后，转为中频信号存储；S4，信号经过预处理，找出可以使用的卫星信号数据；S5，跟踪卫星信号，处理数据；S6，处理极化比数据结果。其优点表现在：本发明的一种基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法，利用BDS-R技术能全天候、全天时的检测海冰状况、多信号源、宽覆盖、成本低，在海冰遥感领域展现出广阔的应用前景。

Description

一种基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法
技术领域
本发明涉及卫星遥感领域，具体地说，是一种基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法。
背景技术
随着全球温室效应的增强，海冰检测尤为重要，海冰作为全球海洋与大气系统的一员，与海洋和大气相互作用，对全球气候变化产生了重大影响。海冰的生成、发展和消融过程，反映并影响了海洋与大气的交换过程，进而影响海洋与大气的环流模式。我国海冰已成为除风暴潮之外最严重的海洋灾害，同时海冰的存在也直接影响到地球、大气系统的能量收支，因此需要对海冰进行检测。
目前海冰检测主要标准是海冰密集度，即海域内海冰覆盖的面积百分比，海冰密集度是海冰研究中是重要参数，它代表海冰在水平方向上的扩展程度，关于海冰检测的方法可利用卫星遥感，现有技术中利用卫星遥感检测海冰主要有两大类，一类是基于可见光的遥感卫星数据；另一类则是基于微波的遥感卫星数据。可见光的海冰遥感主要以中低分辨率光学传感器为主，图像直观，但受云、雨、雾等天气影响，不能全天候、全天时的检测海冰状况、可用信号有限，而且是单基工作模式，反射信号接收机复杂程度高；微波的海冰遥感主要以合成孔径雷达（SAR）为主，具有全天候、全天时成像能力，但如果要大范围的观测连续的海冰特性，需要非常高的成本。另外，传统海冰测量方法选用单个卫星检测，海冰检测范围局限；再次，现有技术中通常选用美国的GPS系统作为信号源，只能定位，不具备通讯功能，覆盖范围有限。
综上所述，亟需一种信号来源广、具有全天候、全天时检测、海冰检测范围广、成本低的基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种信号来源广、具有全天候、全天时检测的、海冰检测范围广、成本低的基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法，包括以步骤：
S1，选定待测海域，在岸基、飞机等平台上搭载专业接收机以及接收天线；
S2，使用专业接收机接收北斗卫星的数据；
S3，信号经过接收机的射频前段采样处理和数字化之后，转为中频信号存储；
S4，信号经过预处理，找出可以使用的卫星信号数据；
S5，跟踪卫星信号，处理数据；
S6，处理极化比数据结果。
步骤S2中，所述接收数据方法为右旋天线接收右旋直射信号，左旋天线接收经过反射面反射的左旋反射信号。
步骤S4中，所述信号预处理步骤具体为：
a 跟踪卫星，筛选数据，删除不可用的；
b 计算可用卫星的仰角和方位角，根据选定的待测海域，确定合适的卫星。
本发明优点在于：
1、本发明的一种基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法，利用BDS-R技术能全天候、全天时的检测海冰状况、多信号源、宽覆盖，在海冰遥感领域展现出广阔的应用前景；
2、利用北斗卫星反射信号技术（BDS-R）来计算极化比值（R-LHCP/D-RHCP），以此反演海冰的密集度，具有可行性；
3、选用的北斗卫星不受云雨影响，信号源多，且BDS-R专业接收机有体积小，重量轻等特点，可以低成本的观测范围更大的海面，进而能够实现高时间分辨率的海洋观测。
附图说明
附图1是本发明提供的一种基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法的流程框图。
附图2是是本发明的一种基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法中的BDS-R技术工作原理图。
附图3是本发明的数据分析流程图。
附图4是本发明提供时间为2014年2月15号15点18分海冰检测的数据处理图像。
附图5是本发明提供时间为2014年2月15号16点43分海冰检测的数据处理图像。
附图6是本发明提供时间为2014年2月15号16点54分海冰检测的数据处理图像。
具体实施方式
本发明采用导航卫星反射信号遥感技术（BeiDou Navigation Satellite System- Reflectometry，BDS-R）来检测海冰密集度。如图2所示，与传统遥感不同的是BDS-R的接收机同时可以接收多个BDS卫星的信号，所以相对于传统的单个观测卫星，使用BDS-R技术可以观测到更大范围的海面，并且能够实现高时间分辨率的海洋观测。
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明,一种基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法，请参照图1，本发明的方法包括以下步骤：
步骤S1，选定待测海域，在岸基、飞机等平台上搭载BDS接收机以及接收天线，接收天线中的反射天线朝向待测海域。
其中， BDS接收机接收北斗卫星直射信号的同时，也将接收反射面的反射信号。从电磁波传播基本理论看来，该反射信号中携带反射面的特性信息，反射信号波形的变化、极化特征的变化，幅值、相位和频率等参量的变化都直接反映反射面的物理特性，或者说直接与反射面相关。对反射信号的精确估计和接收处理，可以实现对反射面物理特性的估计与反演。
步骤S2，使用专业接收机接收北斗卫星的数据，其中，所述接收数据方法为右旋天线接收右旋直射信号，左旋天线接收经过反射面反射的左旋反射信号；
其中，BDS信号自导航卫星发射后成为在空间传输的电磁波，在时变电磁场中，场矢量和场源既是空间位置的函数，又是时间的函数。在正弦稳态条件下，由场源所激励的场矢量的各个分量仍是同频率的正弦时间函数。BDS的导航信号（直射信号）是右旋圆极化的，当直射信号照射到物体表面时极化方式会发生改变，大部分转变为左旋圆极化信号。
步骤S3，信号经过接收机的射频前段采样处理和数字化之后，转为中频信号存储；
请参照图3，图3是本发明的数据分析流程图。右旋天线和左旋天线分别用于接收导航卫星直射信号和反射信号；直射信号和反射信号经接收后分别转化成右旋直射信号和左旋反射信号；然后分别输入到两个射频前端，进行采样处理和数字化后得到直射和反射的原始数字中频信号；在数据处理工作站中，利用信号后处理软件对数字中频信号后处理，完成卫星信号快速捕获和跟踪，对反射信号进行相关处理；对所有的接收数据进行筛选，选取高仰角的卫星数据，使其符合菲涅尔反射系数的原理，并进行数据分析，计算出平均极化比值（R-LHCP/D-RHCP），用于检测海冰/海水。
步骤S4，信号经过预处理，找出可以使用的卫星信号数据；
具体包括：跟踪卫星，筛选数据，删除不可用的；计算可用卫星的仰角和方位角，根据选定的待测海域，确定合适的卫星；
步骤S5，跟踪卫星信号，处理数据；
步骤S6，处理极化比数据结果，具体包括：
其中，极化比值（R-LHCP/D-RHCP）用于检测海冰密集度，主要是利用极化比值的趋势来反演海冰密集度的趋势。于2014年2月15号下午15点18分到16点54分，获得中国天津渤海湾的实测数据，根据上述的数据的预处理过程后，确定使用北斗卫星(C3)，来测量极化比结果。
请参照图4、图5、图6，图4是本发明提供时间为2014年2月15号15点18分海冰检测的数据处理图像；图5是本发明提供时间为2014年2月15号16点43分海冰检测的数据处理图像；图6是本发明提供时间为2014年2月15号16点54分海冰检测的数据处理图像；从现场观测来看，在15点18分、16点43分、16点54分，海冰密集度分别为0、20-30%、40-50%。而从图4-6中可以看出极化比为3.14、1.91、0.83，由此可以看出海冰密集度与极化比值成反比。极化比值以此来反演海冰密集度。这可以证明利用北斗反射信号可以实现海水/海冰检测的可行性。
需要说明的是：本发明利用我国自主发展、独立运行并且能提供高质量的定位、导航、授时服务的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）的卫星数据来提供信号源支持，能全天候、全天时的检测海冰状况、多信号源、宽覆盖、成本低；反射信号极化类型的变化可以提取出反射物体的物质特性信息，是BDS-R技术的理论基础，在本发明中，利用反射左旋圆极化信号与直射右旋圆极化信号幅度比值（R-LHCP/D-RLCP）变化来进行海冰消融和海水结冰过程的检测；所述的直射右旋圆极化是直射信号产生的，反射有旋圆极化是由反射信号参生的，其中，反射右旋圆极化是有反射信号中极少的反射信号产生的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于北斗卫星反射信号实现海冰检测的方法，其特征在于，包括以步骤：
S1，选定待测海域，在岸基、飞机等平台上搭载专业接收机以及接收天线；
S2，使用专业接收机接收北斗卫星的数据；
S3，信号经过接收机的射频前段采样处理和数字化之后，转为中频信号存储；
S4，信号经过预处理，找出可以使用的卫星信号数据；
S5，跟踪卫星信号，处理数据；
S6，处理极化比数据结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，接收数据方法为右旋天线接收右旋直射信号，左旋天线接收经过反射面反射的左旋反射信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，信号预处理步骤具体为：
a 跟踪卫星，筛选数据，删除不可用的；
b 计算可用卫星的仰角和方位角，根据选定的待测海域，确定合适的卫星。
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