星载合成孔径雷达海浪遥感测量

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1、万方数据GNSS—R地基实验张训械1，邵连军2，王鑫3，孙强4，胡雄5(1．中国科学院武汉物理与数学研究所，武汉430071；2．武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉430072；3．中国科学院大气物理研究所，北京100029；4．国家海洋局第三研究所．SOA，厦门361005；5．中国科学院空间科学与应用中心，北京100081)摘要：讨论了GNSS—R地基实验。计划在海岸附近选择一个固定观测平台，利用GPS单频接收机接收从GPS到观测点的直接和海面反射信号，从接收信号分析得到海面平均高度、有效浪高和潮位等海洋参数。并讨论实验原理，观测设备、以及从0级到2

2、级的数据反演。关键词：GNSS—R；GPS；海洋高度计；海面遥感；声学波浪仪中图分类号：P228文献标识码：A文章编号：1008—9268(2006)05—0004—05●—14——～l刖【百最近10年，全球导航卫星系统(GlobalNavi—gationSatelliteSystem，GNSS)的反射信号作为遥感地面和海洋技术已经日益受到关注，已经成功地应用到海洋高度测量，提供海面平均高度，类似于传统卫星雷达高度计。另外一个重要应用是海洋散射计，测量海面粗糙度和海面风场。这项新技术诱人之处在于，未来的几十年内人们可以充分、免费利用GPS、GLONASS和G

3、ALILEO提供的50多颗卫星L波段信号，且信号质量不断更新，民用码频率不断增加，为观测海洋提供了丰富、稳定和无需定标的探测信号资源，为空间对地观测海洋提供了一种崭新的技术。它也是目前提供研究全球海洋中尺度(50一lOOkm)变化的有效手段[4’5]。目前，国外已经完成了地基和机载的实验，正紧张地制定空基观测计划[6]，发展GNSS—R的卫星对海洋观测技术。GNSS信号经过海面反射以后，电波的极化发生改变。GNSS发射一个右旋极化信号，经过海面反射后，信号的极化从右旋逐步变为左旋，极化改变程度与海面介质特性，电波入射角度等因素有关。因此，GNSS—R观测技术

4、特点是需要两副天线。一副是方向朝天顶的接收右旋极化信号，用于接收直达波信号和定位。另外一副是方向朝下，接收海面反射的左旋极化信号。4GNSS—R地基观测数据分成三级，0级、一级和2级。0级资料是指接收机输出的直达波和反射波的复数波形。一级数据是利用0级数据计算复数场相关函数，然后对函数进行高斯拟合，提供相关时间估计，得到一级资料。二级数据是从相干场的相关时间计算海面高度、海面有效高度(SWH)和潮位等。实验目的就是得到二级数据。GNSS-R是掩星技术的重要应用。掩星观测中就包含了海洋反射信号。我们曾经利用CHAMP掩星观测的中高纬地区的数据进行频谱分析，结果

5、指出，60％的掩星观测中存在海洋反射信号。因此，掩星观测中的许多技术可以移植到这个研究领域来。例如双频GNSS接收机、精确定位技术和算法，数据反演等方面[2’3]。虽然，我国GNSS-R研究起步较晚[1]，但是，在发展GNSS—R技术方面，我们应该充分发挥我们己有的技术积累，开展GNSS-R技术研究。我国发展GNSS-R技术需要解决三方面技术问题。第一是修改双频GNSS接收机，使它能够适合接收直接和海洋反射信号处理，既用它满足定位要求，以及满足海洋反射要求。接收机不必采用软件接收机体制，而全部采用硬件实现，结构简单、运算速度快。因为这个接收机可能需要满足同时

6、接收16颗卫星信号的直接和反射信号要求，运算速度是一个重要问题。第二是左旋极化的天线阵研制，需要根据GNSS—R需要，进行适当修改。海收稿日期：2006—07—20基金项目：国家自然科学基金No．40505007资助项目GNSSWorldofChina／2006．5万方数据洋反射信号比直接信号低20—30db。反射信号幅度与海面特性、电波人射角度等因素有关。利用计算机仿真研究反射功率，对于确定天线增益是非常重要的一项研究内容。为了能够克服海洋强烈起伏影响，以便对反射信号进行有效跟踪、相关计算、提供一定要求的信号噪声比是至关重要的。第三是开发数据反演技术，即将

7、GNSS—R反射观测数据从0级到2级数据，并将结果与其它手段观测的进行比较和验证。经过一年多时间酝酿，我们计划在近期进行一次GNSS—R的地基实验。这次实验是与国外合作的。这篇文章主要是讨论上面提出的第三个问题，利用低高度和固定的观测平台监测海况，从反射信号中精确地反演海洋表面高度、有效浪高和潮位。本文第二部分是讨论实验原理。第三部分是讨论实验设备和安排。第四部分是数据分析。最后是初步结论。2实验原理正如前面指出的，GNSS信号经过海面反射后，信号极化特性逐步改变。在菲涅尔假定下，反射信号写成极化矩阵与入射信号形式如下‘6

8、：『-E蠢]一『uRRuLR]『E

9、盖](1)LEi_JLUvzuu．JkRi_J其中，