CN113176593B - 一种基于gnss反射信号相干时间的海冰检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法及系统。其中，本发明涉及的海冰检测方法，包括：S1.利用GNSS右旋圆极化天线接收直射信号，GNSS左旋圆极化天线接收反射信号，并将接收到的信号由GNSS采集器进行下变频、量化处理，得到数字中频信号；S2.对直射信号进行捕获、跟踪处理，并将跟踪的直射信号的码相位、载波多普勒信息传递给反射通道，得到反射信号同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；S3.输出信号的同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；S4.将输出的序列I和Q作为输入，计算ICF函数，并对ICF函数进行处理，得到有效相干时间；S5.判断得到的有效相干时间是否大于相干时间阈值，若是，则输出为海冰的结果；若否，则输出为海水结果。

Description

一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法及系统
技术领域
本发明涉及海冰检测技术领域，尤其涉及一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法及系统。
背景技术
目前应用最广泛的海冰监测手段主要有三种：第一种是依靠专业人员进行“目测”，无法实现长时间、大范围的持续观测；第二种是“器测法”，易受到环境和天气的影响；第三种是“遥测法”，主要是通过微波遥感手段对海冰进行监测，探测范围广，在极端环境下也能得到很好的保障。传统的微波遥感手段主要是通过合成孔径雷达(SAR)对海冰进行监测，但需要的成本特别高，对近海岸海冰监测存在一定的盲区。
如公开号为CN106842205A的专利公开了一种合成孔径雷达海冰-海水自动识别方法，利用四极化SAR归一化雷达散射界面(NRCS)，计算出SAR图像极化比。同时利用四极化复图像计算出方向漂移角及其标准方差，与雷达入射角参数一起代入Bragg散射系数模型公式，求出相对介电常数为0-90，步长为0.1的对应理论极化比，求出平均极化比图像。以平均极化比为判据，当SAR图像极化比大于平均理论极化比时，判定为海水，否则判定为海冰。上述专利通过合成孔径雷达对海冰进行监测，存在成本特别高，对近海岸海冰监测存在一定的盲区的技术问题。
GNSS反射信号进行海洋遥感是卫星遥感技术的新型技术之一，具有信源多，探测范围广，重量轻，扩频处理，应用面宽等优势GNSS-R(Global Navigation Satellitesystem-Reflected)技术通过采用岸基、机载以及空载的特殊接受设备接收GNSS直射信号和以及经反射面散射的回波信号，对直射信号和反射信号进行处理来反演目标物的特性。因此，本发明提出一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法及系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法及系统，以导航卫星为信号源，接收并处理GNSS直射信号和经海面反射后的信号，解算出反射信号的相干时间，通过与已设定的相干时间阈值进行比较，判断海面是水还是冰，实现对海冰的检测功能。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法，包括步骤：
S1.利用GNSS右旋圆极化天线接收直射信号，GNSS左旋圆极化天线接收反射信号，并将接收到的直射信号、反射信号由GNSS采集器进行下变频、量化处理，得到数字中频信号；
S2.对直射信号进行捕获、跟踪处理，并将跟踪的直射信号的码相位、载波多普勒信息传递给反射通道，得到反射信号同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
S3.输出直射信号和反射信号的同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
S4.将输出的序列I和Q作为输入，计算干涉复数场ICF函数，并对干涉复数场ICF函数进行处理，得到有效相干时间；
S5.判断得到的有效相干时间是否大于相干时间阈值，若是，则输出为海冰的结果；若否，则输出为海水结果。
进一步的，所述步骤S4中干涉复数场ICF函数表示为：
FI(t)＝FR(t)/FD(t)
其中，FI(t)表示ICF函数；FD(t)表示直射信号最大相关值对应的复数相关值时间序列；FR(t)表示海面反射信号最大相关值对应的复数相关值时间序列。
进一步的，所述步骤S4中对干涉复数场ICF函数进行处理具体包括：
A1.利用平均算子去除ICF函数的直流分量，得到去除直流分量的ICF函数；
A2.计算去除直流分量的ICF函数的自相关函数；
A3.计算ICF自相关函数的绝对值函数，并对自相关函数的绝对值函数进行归一化处理；
A4.归一化处理后的ICF自相关函数进行插值处理，并通过高斯函数拟合估计ICF自相关函数的相干时间；
A5.将GNSS的信号波长和入射高度角输入至得到ICF自相关函数的相干时间中，得到有效相干时间。
进一步的，所述步骤A1中得到去除直流分量的ICF函数表示为：
其中，<·>表示平均算子；表示去除直流分量的ICF函数。
进一步的，所述步骤A2中ICF函数的自相关函数表示为：
其中，Γ(Δt)表示ICF函数的自相关函数；Δt表示时间偏移量；t表示时间。
进一步的，所述步骤A3中对自相关函数的绝对值函数进行归一化处理表示为：
其中，max{·}为求最大值算子。
进一步的，所述步骤A4中通过高斯函数拟合估计ICF自相关函数的相干时间表示为：
其中，分别表示拟合的高斯函数的均值和方差，且/>即为估计的ICF相干时间τF。
进一步的，所述步骤S5中有效相干时间表示为：
其中，τeff表示有效相干时间；τF表示ICF相干时间；λ表示GNSS的信号波长；∈表示GNSS的信号入射高度角。
进一步的，所述步骤S2中对直射信号进行捕获、跟踪处理后还包括对直射信号进行位同步、帧同步，得到导航电文以及伪距信息实现定位解算。
相应的，还提供一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测系统，包括：
接收模块，用于利用GNSS右旋圆极化天线接收直射信号，GNSS左旋圆极化天线接收反射信号，并将接收到的直射信号、反射信号由GNSS采集器进行下变频、量化处理，得到数字中频信号；
处理模块，用于对直射信号进行捕获、跟踪处理，并将跟踪的直射信号的码相位、载波多普勒信息传递给反射通道，得到反射信号同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
输出模块，用于输出直射信号和反射信号的同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
计算模块，用于将输出的序列I和Q作为输入，计算干涉复数场ICF函数，并对干涉复数场ICF函数进行处理，得到有效相干时间；
判断模块，用于判断得到的有效相干时间是否大于相干时间阈值，若是，则输出为海冰的结果；若否，则输出为海水结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明将GNSS反射信号技术用于海冰检测，根据海冰与海水在相干时间上的差异，实现海冰检测，算法复杂度低，检测精度高；
2、本发明使用的GNSS反射信号技术，具有信号资源丰富，全球全天时、全天候覆盖、探测范围广、成本低的优点；
3、本发明基于反射信号的相干时间判别反射面是海水或海冰，不受卫星高度角变化的影响，不受接收机模式等限制，算法复杂度低，检测精度高，能够有效检测到海面是否结冰。
附图说明
图1是实施例一提供的一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法流程图；
图2是实施例一提供的基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测的几何构型示意图；
图3是实施例一提供的GNSS直射与反射信号接收与处理流程图；
图4是实施例一提供的基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测流程示意图；
图5是实施例二提供的一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测系统结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法及系统。
实施例一
本实施例提供一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法，如图1所示，包括步骤：
S1.利用GNSS右旋圆极化天线接收直射信号，GNSS左旋圆极化天线接收反射信号，并将接收到的直射信号、反射信号由GNSS采集器进行下变频、量化处理，得到数字中频信号；
S2.对直射信号进行捕获、跟踪处理，并将跟踪的直射信号的码相位、载波多普勒信息传递给反射通道，得到反射信号同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
S3.输出直射信号和反射信号的同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
S4.将输出的序列I和Q作为输入，计算干涉复数场ICF函数，并对干涉复数场ICF函数进行处理，得到有效相干时间；
S5.判断得到的有效相干时间是否大于相干时间阈值，若是，则输出为海冰的结果；若否，则输出为海水结果。
本实施例接收导航卫星直射信号与反射信号，经信号处理得到反射信号的相干时间，通过与已设定的相干时间阈值进行比较，对反射面是水还是冰做出判断。
如图2所示为基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测的几何构型示意图。GNSS天线固定在岸基平台上，岸基平台距离海面的高度为Hr，接收来自GNSS导航卫星的直射信号和经海面反射后的回波信号。其中，直射信号天线的极化方式为右旋圆极化，反射天线的极化方式为左旋圆极化。
如图3所示为GNSS直射与反射信号接收与处理流程图。
在步骤S1中，利用GNSS右旋圆极化天线接收直射信号，GNSS左旋圆极化天线接收反射信号，并将接收到的直射信号、反射信号由GNSS采集器进行下变频、量化处理，得到数字中频信号。
首先右旋圆极化天线接收直射信号，并将直射电磁信号转换为电压信号；左旋圆极化天线接收反射信号，并将反射电磁信号转换为电压信号；然后通过GNSS采集器将电压信号进行下变频、量化处理，得到数字中频信号。
本实施例使用的圆极化天线在雨、雪天气中的衰减小，穿透电离层能力强，不受地球两极磁场产生的法拉第效应影响，且安装调试简单。
在步骤S2中，对直射信号进行捕获、跟踪处理，并将跟踪的直射信号的码相位、载波多普勒信息传递给反射通道，得到反射信号同相和正交之路的复数相关值序列I和Q。
本实施例对直射信号进行捕获、跟踪，进而实现直射信号的同步，得到反射信号的同相和正交之路的复数相关值序列(Id，Qd)，同时进行位同步、帧同步得到导航电文以及伪距信息实现定位解算；将跟踪的直射信号的码相位、载波多普勒信息传递给反射通道，通过多路相关处理得到反射信号的同相和正交之路的复数相关值序列(Ir，Qr)。
在步骤S3中，输出直射信号和反射信号的同相和正交之路的复数相关值序列I和Q。
输出的直射信号的复数相关值序列(Id，Qd)、反射信号的复数相关值序列(Ir，Qr)，同时对直射信号进行定位解算。
如图4所示为基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测流程示意图，具体设计步骤S4-S5。
在步骤S4中，将输出的序列I和Q作为输入，计算干涉复数场ICF函数，并对干涉复数场ICF函数进行处理，得到有效相干时间。
将图2中输出的直射信号的复数相关值序列(Id，Qd)、反射信号的复数相关序列(Ir，Qr)作为输入，计算干涉复数场ICF(Interferometric Complex Feild)函数。
本实施例假设将FD(t)定义为GNSS直射信号最大相关值对应的复数相关值时间序列，FR(t)定义为海面反射信号最大相关值对应的复数相关值时间序列，则ICF函数表示为：
FI(t)＝FR(t)/FD(t)
其中，FI(t)表示ICF函数；FD(t)表示直射信号最大相关值对应的复数相关值时间序列；FR(t)表示海面反射信号最大相关值对应的复数相关值时间序列。
在本实施例中，步骤S4中对干涉复数场ICF函数进行处理具体包括：
A1.利用平均算子去除ICF函数的直流分量，得到去除直流分量的ICF函数，表示为：
其中，<·>表示平均算子；表示去除直流分量的ICF函数。
A2.计算去除直流分量的ICF函数的自相关函数，表示为：
其中，Γ(Δt)表示ICF函数的自相关函数；Δt表示时间偏移量；t表示时间。
A3.计算ICF自相关函数的绝对值函数，并对自相关函数的绝对值函数进行归一化处理，表示为：
其中，max{·}为求最大值算子。
A4.归一化处理后的ICF自相关函数进行插值处理，并通过高斯函数拟合估计ICF自相关函数的相干时间，表示为：
其中，分别表示拟合的高斯函数的均值和方差，且/>即为估计的ICF相干时间τF。
A5.将GNSS的信号波长和入射高度角输入至得到ICF自相关函数的相干时间中，得到有效相干时间，表示为：
其中，τeff表示有效相干时间；τF表示ICF相干时间；λ表示GNSS的信号波长；∈表示GNSS的信号入射高度角。
在步骤S5中，判断得到的有效相干时间是否大于相干时间阈值，若是，则输出为海冰的结果；若否，则输出为海水结果。
将得到的有效相干时间τeff与相干时间阈值τth进行比较，判断反射面是海水还是海冰，若τeff>τth，则判定为海冰，否则判定为海水，最终输出海冰的判定结果。
与现有技术相比，本实施例的有益效果为：
1、将GNSS反射信号技术用于海冰检测，根据海冰与海水在相干时间上的差异，实现海冰检测，算法复杂度低，检测精度高；
2、使用的GNSS反射信号技术，具有信号资源丰富，全球全天时、全天候覆盖、探测范围广、成本低的优点；
3、基于反射信号的相干时间判别反射面是海水或海冰，不受卫星高度角变化的影响，不受接收机模式等限制，算法复杂度低，检测精度高，能够有效检测到海面是否结冰。
实施例二
本实施例提供一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测系统，如图5所示，包括：
接收模块11，用于利用GNSS右旋圆极化天线接收直射信号，GNSS左旋圆极化天线接收反射信号，并将接收到的直射信号、反射信号由GNSS采集器进行下变频、量化处理，得到数字中频信号；
处理模块12，用于对直射信号进行捕获、跟踪处理，并将跟踪的直射信号的码相位、载波多普勒信息传递给反射通道，得到反射信号同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
输出模块13，用于输出直射信号和反射信号的同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
计算模块14，用于将输出的序列I和Q作为输入，计算干涉复数场ICF函数，并对干涉复数场ICF函数进行处理，得到有效相干时间；
判断模块15，用于判断得到的有效相干时间是否大于相干时间阈值，若是，则输出为海冰的结果；若否，则输出为海水结果。
需要说明的是，本实施例提供的一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测系统与实施例一类似，在此不多做赘述。
与现有技术相比，本实施例的有益效果为：
1、将GNSS反射信号技术用于海冰检测，根据海冰与海水在相干时间上的差异，实现海冰检测，算法复杂度低，检测精度高；
2、使用的GNSS反射信号技术，具有信号资源丰富，全球全天时、全天候覆盖、探测范围广、成本低的优点；
3、基于反射信号的相干时间判别反射面是海水或海冰，不受卫星高度角变化的影响，不受接收机模式等限制，算法复杂度低，检测精度高，能够有效检测到海面是否结冰。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法，其特征在于，包括步骤：
S1.利用GNSS右旋圆极化天线接收直射信号，GNSS左旋圆极化天线接收反射信号，并将接收到的直射信号、反射信号由GNSS采集器进行下变频、量化处理，得到数字中频信号；
S2.对直射信号进行捕获、跟踪处理，并将跟踪的直射信号的码相位、载波多普勒信息传递给反射通道，得到反射信号同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
S3.输出直射信号和反射信号的同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
S4.将输出的序列I和Q作为输入，计算干涉复数场ICF函数，并对干涉复数场ICF函数进行处理，得到有效相干时间；
S5.判断得到的有效相干时间是否大于相干时间阈值，若是，则输出为海冰的结果；若否，则输出为海水结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法，其特征在于，所述步骤S4中干涉复数场ICF函数表示为：
FI(t)＝FR(t)/FD(t)
其中，FI(t)表示ICF函数；FD(t)表示直射信号最大相关值对应的复数相关值时间序列；FR(t)表示海面反射信号最大相关值对应的复数相关值时间序列。
3.根据权利要求2所述的一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法，其特征在于，所述步骤S4中对干涉复数场ICF函数进行处理具体包括：
A1.利用平均算子去除ICF函数的直流分量，得到去除直流分量的ICF函数；
A2.计算去除直流分量的ICF函数的自相关函数；
A3.计算ICF自相关函数的绝对值函数，并对自相关函数的绝对值函数进行归一化处理；
A4.归一化处理后的ICF自相关函数进行插值处理，并通过高斯函数拟合估计ICF自相关函数的相干时间；
A5.将GNSS的信号波长和入射高度角输入至得到ICF自相关函数的相干时间中，得到有效相干时间。
4.根据权利要求3所述的一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法，其特征在于，所述步骤A1中得到去除直流分量的ICF函数表示为：
其中，<·>表示平均算子；表示去除直流分量的ICF函数。
5.根据权利要求4所述的一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法，其特征在于，所述步骤A2中ICF函数的自相关函数表示为：
其中，Γ(Δt)表示ICF函数的自相关函数；Δt表示时间偏移量；t表示时间。
6.根据权利要求5所述的一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法，其特征在于，所述步骤A3中对自相关函数的绝对值函数进行归一化处理表示为：
其中，max{·}为求最大值算子。
7.根据权利要求6所述的一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法，其特征在于，所述步骤A4中通过高斯函数拟合估计ICF自相关函数的相干时间表示为：
其中，分别表示拟合的高斯函数的均值和方差，且/>即为估计的ICF相干时间τF。
8.根据权利要求7所述的一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法，其特征在于，所述步骤S5中有效相干时间表示为：
其中，τeff表示有效相干时间；τF表示ICF相干时间；λ表示GNSS的信号波长；∈表示GNSS的信号入射高度角。
9.根据权利要求1所述的一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法，其特征在于，所述步骤S2中对直射信号进行捕获、跟踪处理后还包括对直射信号进行位同步、帧同步，得到导航电文以及伪距信息实现定位解算。
10.一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测系统，其特征在于，包括：
接收模块，用于利用GNSS右旋圆极化天线接收直射信号，GNSS左旋圆极化天线接收反射信号，并将接收到的直射信号、反射信号由GNSS采集器进行下变频、量化处理，得到数字中频信号；
处理模块，用于对直射信号进行捕获、跟踪处理，并将跟踪的直射信号的码相位、载波多普勒信息传递给反射通道，得到反射信号同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
输出模块，用于输出直射信号和反射信号的同相和正交之路的复数相关值序列I和Q；
计算模块，用于将输出的序列I和Q作为输入，计算干涉复数场ICF函数，并对干涉复数场ICF函数进行处理，得到有效相干时间；
判断模块，用于判断得到的有效相干时间是否大于相干时间阈值，若是，则输出为海冰的结果；若否，则输出为海水结果。
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