基于GNSS-R的反演海面風速技術(shù)的研究

袁國良，張衛(wèi)峰，衛(wèi)豪杰

(上海海事大學，上海 201306)

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基于GNSS-R的反演海面風速技術(shù)的研究

袁國良，張衛(wèi)峰，衛(wèi)豪杰

(上海海事大學，上海 201306)

對利用全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的海洋反射信號(GNSS-R)反演海面風速的方法進行了研究。GNSS-R技術(shù)作為一種新型的、低成本的海洋微波遙感測風技術(shù)，與其他測風技術(shù)相輔相成，彌補了某些測風手段的不足。文中還討論了散射信號相關(guān)功率模型中的散射截面、多普勒區(qū)、等延時區(qū)、天線覆蓋區(qū)四部分函數(shù)的定義和性質(zhì)。使用Elfouhaily海浪譜模型，數(shù)值模擬了機載高度下散射信號相關(guān)功率的理論波形，在此基礎(chǔ)上，又結(jié)合機載高度下獲得的實測數(shù)據(jù)反演得到海面風速，反演得到的風速的均值與試驗時浮標數(shù)據(jù)所對應的風速的均值比較相差1.4 m/s，誤差在可接受的范圍內(nèi)，反演得到的風速與浮標數(shù)據(jù)相一致。

GNSS-R；海面風速；反演

0 引言

GNSS-R可以用于反演海面風速、海面測高、海冰的探測、海洋鹽度的探測、土壤濕度的探測等。GNSS-R的技術(shù)特點是利用反射的導航衛(wèi)星偽隨機測距碼信號或者載波信號，提取目標反射面特征，對于海面風場及移動目標探測等應用，其工作模型為收發(fā)分置的雙基雷達模式，與傳統(tǒng)的后向散射單基工作模式的衛(wèi)星散射計和雷達高度計相比，其特點和優(yōu)勢集中體現(xiàn)為：(1)不用發(fā)射機，利用全球共享的GNSS星座為多元微波信號反射源；(2)大量的信號源，不僅利用目前已有的24顆GPS衛(wèi)星，還有Galileo衛(wèi)星、GLONASS衛(wèi)星、中國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)等；(3)采用擴頻通信技術(shù)帶來的增益使得導航衛(wèi)星反射信號接收機可以接收到低于背景噪聲的微弱信號；(4)實時性強、全球覆蓋、全天候等。

關(guān)于利用GNSS-R反演海面風速風向的研究，歐美國家起步較早。在過去的幾年中，此技術(shù)逐漸趨近成熟。1993年，Martin-Neria率先提出了利用GNSS-R反演海面波高的概念，并且對其概念進行了系統(tǒng)性的理論描述[1]；1996年，美國蘭利研究生中心研制出了用來測量反射信號的一種特殊的延時映像接收機(DMR),并用此接收機進行了機載實驗[2]，將機載實驗反演得到的風場和浮標數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行對比，最后得出GNSS-R反演海面風速精度在2 m/s，風向精度在10°左右[3]。2000年Zavorotny 和 Voronovich[4]對雙基結(jié)構(gòu)的反射信號與海面風場的關(guān)系進行了理論分析，并建立了Z-V模型。為了驗證GNSS-R與海面風場的關(guān)系，西班牙研究機構(gòu)、美國國家海洋大氣管理局、英國國家空間中心、歐洲空間局等機構(gòu)均開展了關(guān)于機載、氣球、星載的大量試驗。

1 GNSS-R遙感風場與其他技術(shù)的比較

GNSS-R遙感風場與其他技術(shù)的比較如表1所示。

表1 GNSS-R遙感風場與其他技術(shù)的比較

2 GNSS-R海面風速探測機理

根據(jù)2000年Zavorotny 和 Voronovich建立的針對雙基結(jié)構(gòu)的GPS信號的前向散射模型—Z-V模型，經(jīng)過幾何光學近似可以得到海面散射信號相關(guān)功率模型，它是時間延遲τ和多普勒頻移fc的表達式[5]：

(1)

其中，Rt(r)、Rr(r)分別是GPS衛(wèi)星和接收機到散射點之間的距離；D(r)是散射點r處到天線的增益；Λ為自相關(guān)函數(shù)；S為多普勒頻移函數(shù)；σ0(r)表示散射截面；Ti為相干積分時間。

風作用于海面時，會使海面產(chǎn)生表面波，此時海面的粗糙度將會發(fā)生變化。GNSS海面散射信號相關(guān)功率模型中的σ0與海面粗糙度有關(guān)，它將會影響散射信號相關(guān)功率模型的后沿斜率，如圖1[6]所示。

圖1 不同海況條件下散射信號功率曲線

2.1 閃耀區(qū)

海面閃耀是與海面對太陽光反射相似的一種現(xiàn)象(如圖2)，GPS衛(wèi)星相當于太陽，接收機相當于人的眼睛。對于粗糙海面，一個更加寬廣的海面可以產(chǎn)生指向接收機的輻射，這個有明顯的微波反射的區(qū)域的海面被稱為閃耀區(qū)。閃耀區(qū)的形狀和大小受接收機的高度和海面粗糙度等因素的影響。閃耀區(qū)的定義如圖3所示。在圖3中，T、R、P分別為發(fā)射機、接收機、散射點的位置，PA為∠ZPR的角平分線，β為PA與Z軸的夾角，則定義鏡面反射點[7]

圖3 閃耀區(qū)的定義

O周圍滿足β≤β0的區(qū)域為閃耀區(qū)，其中β0=arctan(2σ/L)[8]，為描述海面粗糙度的常量，σ為海面高度標準偏差，L為波面相關(guān)長度[9]。

2.2 多普勒等值區(qū)

多普勒頻移是由GPS衛(wèi)星、接收機以及海面散射面之間的相對運動而產(chǎn)生的。觀測區(qū)域內(nèi)，具有相同多普勒頻移的點組成的集合稱為多普勒等值線。

對于在平均海面上，r端點處的多普勒頻移為：

fD(r)=[Vt·m(r)-Vr·n(r)]/λ

(2)

fc用來補償多普勒頻移fD的本振頻率，即鏡面反射點處的多普勒頻移為：

fc=[Vt·m(O)-Vr·n(O)]/λ

(3)

2.3 天線覆蓋區(qū)

函數(shù)D(r)表示的是天線的增益，由于機載接收機的高度較低，所以此處使用的是全向天線增益，G2=1。

2.4 等延遲區(qū)

GPS信號經(jīng)過海面反射到達接收機，觀測區(qū)域內(nèi)具有相同時延的點的集合稱作等延時線。如果以鏡面反射點O為參考點，就可以理解為Δτ=τ(r)-τ0=(Rt(r)+Rr(r))/c-τ0為常數(shù)的點的集合(τ0為鏡面反射點處的時延)。

表達式(1)中的偽隨機碼自相關(guān)函數(shù)Λ,事實上表示的是偽隨機碼的卷積過程，如下定義：

(4)

3 海面風場反演流程

海面風場反演的方法通常是首先找到與實測相關(guān)功率的波形相匹配的理論相關(guān)功率波形，然后此理論波形所對應的風速就是實測的風速。主要依據(jù)是：風速越大，海面傾斜變化越大，海面越粗糙，反射信號的功率譜峰值越小，波形越扁平；反之，功率譜的峰值越高，波形越陡峭。因此提出了這種測量反射信號相關(guān)功率波形的方法來反演海面風速。如圖(4)是海面風場反演的流程圖。步驟如下：

(1)將接收機高度與速度、相干積分時間、衛(wèi)星高度角等參數(shù)輸入到海面散射信號相關(guān)功率模型，即式(1)，生成不同風速條件下的相關(guān)功率理論波形。

(2)由于天線環(huán)境因素的影響，實測數(shù)據(jù)中有噪聲存在。因為鏡面反射點處的信號最先到達接收機，故可以將早于鏡面反射點2個碼片的輸出數(shù)據(jù)功率均值作為噪底。

(3)計算每個實測波形相對于鏡面反射點的碼延時，以確保實測波形與理論波形的時間延遲軸一致。

(4)分別對實測波形和理論波形進行歸一化處理。歸一化因子是總的反射信號功率，因為總的反射信號功率與海面統(tǒng)計特性無關(guān)，可近似為常量。

(5)采用最小二乘法將實測波形和散射信號相關(guān)功率的理論波形進行匹配，當兩波形的后延的均方偏差達到最小時，理論波形對應的風速即為所求的海面風速。

圖4 風速反演流程

4 風速反演實例

本文以2004年9月11日的實驗數(shù)據(jù)為例來進行海面風場反演。試驗中，接收機的高度為4 000m，飛行速度為300m/s，該接收機是有6個反射通道的并行延時映像接收機，其采樣頻率是1Hz，每秒可記下32個離散時間延時下的相關(guān)功率值。

圖5是接收機在17:00時采集到的PRN02衛(wèi)星的反射信號功率和該時間的平均數(shù)據(jù)。此時，接收機的平均高度是3 942m，接收機的平均速度是293m/s，衛(wèi)星的平均仰角是60.05°。

圖5 實測PRN02衛(wèi)星1 min的反射數(shù)據(jù)及平均值

圖6是將測得的反射信號功率轉(zhuǎn)化成分貝形式，并且與風速從5～14m/s的具有幾何結(jié)構(gòu)的理論波形進行比較。因為某些延時點的信噪比小于1，所以在減去噪聲后再求對數(shù)時，結(jié)果為虛數(shù)，這就造成了數(shù)據(jù)不均勻的情況。但是，這并不影響風速的反演。從圖中可以看出，實測數(shù)據(jù)的散射信號功率曲線與風速為5m/s的理論散射信號功率曲線較一致。因此通過實測數(shù)據(jù)反演得到的海面風速為5m/s。

圖6 實測波形與理論波形對比

5 結(jié)果檢驗

使用上述的風速反演方法和流程，以1min平均相關(guān)功率波形為實測值反演得到的海面風速值與試驗所記錄的浮標值得到的風速相對應，如圖7所示。由圖可看出浮標測得的風速值與GNSS反演得到的風速值有較好的吻合，在測量的這段時間里，反演風速的均值為5m/s，浮標得到的風速均值為6.4m/s，相差1.4m/s。誤差在可接受的范圍內(nèi)。

圖7 浮標風速值與反演得到的風速值的比較

6 結(jié)束語

GNSS-R作為一種新型的遙感技術(shù)，用來反演海面風速在理論上和實踐上都是可行的。由于海浪譜模型[10]對風速的局限性，GNSS-R反演海面風速技術(shù)只適應于中低風速的條件(≤20 m/s)，當風速超過這個范圍時，反演較困難。接收機收到的經(jīng)過海面散射后的GNSS信號非常微弱，這對接收機的增益和噪聲處理要求較高。因此研制更好的接收機非常關(guān)鍵。

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Sea surface wind speed measurement using GNSS reflection signal

Yuan Guoliang, Zhang Weifeng, Wei Haojie

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

This paper introduces the mechanism of sea surface wind speed measurement using GNSS reflection signal. GNSS-R technology is a new, low-cost microwave remote sensing technology of ocean wind measurement.This technology complementarity with other wind measurement technology and make up for the shortcomings of some wind measurement technology. This article also discusses the definition and natures of the scattering cross section, Doppler area, peer delay area, the antenna coverage area four parts function in the scattering signal correlation power model. This paper uses Elfouhaily wave spectrum model to simulate the theoretical waveform of the scattering signal power under the airborne height. On this basis and also combined the measured data obtained from the airborne height to get the inversion wind speed whose mean value has a difference of 1.4 m/s compared with the buoy data of wind speed when in testing.The difference is in the range of acceptable error and the inversion wind speed is consistent with the buoy data.

GNSS-R; sea surface wind speed; retrieval

TP79； P228.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.027

袁國良，張衛(wèi)峰，衛(wèi)豪杰.基于GNSS-R的反演海面風速技術(shù)的研究[J].微型機與應用，2017,36(13)：88-90，93.

2017-01-10)

袁國良(1963-)，男，副教授，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)化、光電通信。

張衛(wèi)峰(1991-)，男，碩士，主要研究方向：基于GNSS-R的反演海面風速技術(shù)的研究、人體摔倒狀態(tài)識別。

衛(wèi)豪杰(1990-)，男，碩士，主要研究方向：基于GNSS-R的反演海面風速技術(shù)的研究。