一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法，包括以下步骤：步骤1：设置波形参数，根据Brown模型计算参考回波波形；步骤2：从所述参考回波波形中选取包含波形前缘的子波形；步骤3：对选取的所述子波形与测得的实际回波波形进行相关分析，确定实际回波波形的波形前缘；步骤4：在滤波平滑的基础上，从确定的所述波形前缘中提取出两个子波形；步骤5：设定阈值水平，采用阈值法计算两个子波形的波形前缘中心；步骤6：将两个子波形的波形前缘中心转换为湖冰厚度。本发明专利技术直接通过回波波形精确估算淡水湖泊湖冰厚度，且可运用连续多颗卫星测高数据，可获取淡水湖泊的湖冰厚度长期变化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法
本专利技术属于水资源遥感监测
，具体涉及一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法。
技术介绍
1969年美国学者Kaula在Williamstown的研讨会上首次提出了卫星测高的概念，上世纪70年代先后发射了Skylab(SkyLaboratory)、Geos–3(GeodynamicsExperimentalOceanSatellite)和Seasat(SeaSatellite)等测高卫星。1985年发射的Geosat(GeodeticSatellite)测高卫星，首次提供了长期具有重复周期高质量的全球海面高数据，标志着卫星测高技术进入成熟阶段。上世纪90年代以来，美国和欧空局研制了高精度的高度计，目前形成了两大系列测高卫星，即T/P(Topex/Poseidon)系列(包括已发射的T/P、Jason–1/2/3测高卫星)和ERS(EuropeanRemoteSensingSatellite)系列(包括已发射的ERS–1/2和Envisat测高卫星)，其中T/P系列主要用于海洋的长期监测，进行海洋现象的研究，而ERS系列则用于地表长期监测。测高卫星运行时高度计向地面发射线性调频信号，信号到达地面反射至高度计，高度计接收到信号经过处理得到了与阀门或时间对应的一列能量，该能量序列通常被称为回波波形。对回波波形数据处理，直接计算得到波形前缘中点、波形前缘斜率和波形后缘斜率，进而获得卫星到地面的距离、海面有效波高及后向散射系数风速等。开阔海域的回波波形满足Brown模型，直接利用卫星测高数据提供的产品可满足要求。但对于其他反射面，回波波形偏离Brown模型，卫星测高在这些区域的测距精度无法满足实际的需要。为提高卫星测高的测距精度，需要重新计算回波波形的波形前缘中点，进而对卫星测高的测距进行改正，该过程称为波形重定。国内外学者们针对不同反射面，提出了多种波形重定算法，比如OCOG、Beta拟合法、阈值法和子波形阈值法。回波波形分成三部分，分别为热噪声、波形前缘和波形后缘。这三个部分中，波形前缘的精度最高，因此从回波波形中提取出精度最高的波形前缘，然后对波形前缘进行波形重定，进而提高卫星测高的测距精度是一种可靠和有效的方法。目前典型方法为子波形阈值法，该算法是通过选用理想的波形前缘，采用相关分析从实际回波波形中提取其波形前缘中点，然后计算距离改正量。监测海冰厚度是卫星测高的重要应用之一，其主要思路是根据卫星测高回波波形得到的波形参数，判断反射面为海洋或者海冰，然后获得计算得到出水高度(海冰高度与海水面高度的高度差)，根据流体静力学方程，输入积雪厚度、积雪密度和冰密度等参数，反演获得海冰厚度。需要指出的是，海水与海冰产生了不同类型的回波波形，不同反射面产生不同的回波波形，对应的回波波形分为两种(如图1所示)，一种为开阔海域的散射波形，另一种为海冰通常产生镜面波形。因此海冰厚度反演时，区分海冰和海水面是其基础，然后采用有效的波形重定得到高精度的海冰高度和海水面高度，进而获取出水高度，成为海冰厚度反演的关键因素之一。不同于海冰，淡水湖泊结冰，尤其是整个湖面结冰时，反射面并不存在湖水，无法获得出水高度，通过出水高度反演湖冰厚度在理论上行不通，因此需要寻找新的方法反演湖冰厚度。
技术实现思路
针对现有技术中存在的卫星测高技术无法获得湖冰厚度的缺陷，提出一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法。本专利技术的技术方案为：一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法，包括以下步骤：步骤1：设置波形参数，根据Brown模型计算参考回波波形；步骤2：从所述参考回波波形中选取包含波形前缘的子波形；步骤3：对选取的所述子波形与测得的实际回波波形进行相关分析，确定实际回波波形的波形前缘；步骤4：在滤波平滑的基础上，从确定的所述波形前缘中提取出两个子波形；步骤5：设定阈值水平，采用阈值法计算两个子波形的波形前缘中心；步骤6：将两个子波形的波形前缘中心转换为湖冰厚度。进一步地，步骤1中所述Brown模型的表达式如公式(1)所示：其中，P为反射能量，t表示采样时刻，τ表示波形前缘中点，σ与有效波高SWH相关，α与衰减参数有关，A表示振幅，σ的定义为其中σs＝SWH/4，σp与高度计参数有关；特定的测高卫星σp看成常数，波形形状为有效波高的函数。更进一步地，选取5m有效波高并根据Brown模型计算得到回波波形作为参考波形。进一步地，步骤2中所述子波形是从参考回波波形中选取的包含波形前缘的多个连续采样点组成的波形。进一步地，步骤3包括：步骤31：计算参考回波波形以及任意实际回波波形之间的相关性，计算公式(2)如下所示，其中，和是参考波形与任意波形的平均能量；S和Sr是参考波形与任意波形的标准差；Srr是两波形的方差；Pr(i)表示参考波形，i＝1,…,k；P(i)表示任意有效波高的实际回波波形，i＝1,…,k；r表示波形相关系数；步骤32：在步骤2中选取的所述子波形作为参考回波波形中的一部分，在与测得的实际回波波形进行相关分析时，会产生相关系数序列，根据最大相关系数选取实际波形的波形前缘。进一步地，步骤4具体为：对步骤3中所述实际回波波形的波形前缘采用移动平均，消除采样误差影响同时提高精度，然后由第一个极大值和第二个极大值确定并提取出两个子波形。进一步地，步骤5中两个子波形的波形前缘中心的具体计算如公式(3)所示：Tl＝(A-DC)·Th+DC其中，DC表示热噪声，由子波形前5个采样值取平均得到；P(i)表示回波波形的第i个采样点的采样值即反射能量；Th表示选取的阈值水平；Tl表示与阈值水平对应的阈值；Gk表示采样值大于阈值Tl的采样点，Tl介于P(k–1)和P(k)之间，Gr表示波形前缘中点；当P(k–1)等于P(k)，波形前缘中点向后延迟一个点；分别对两个子波形进行波形重定，得到的两个子波形的波形前缘中点G1和G2，即信号到底雪/冰交界面和冰/水交界面的时刻。进一步地，步骤6中湖冰厚度的具体计算如公式(4)所示：其中，D表示湖冰厚度，单位为m；c为光速在真空中传播速度，const为阀门转换为距离的常数；nm为假定信号在雪冰中的折射率；G1和G2分别表示两个子波形的波形前缘中心。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术针对淡水湖泊在结冰期生成双波峰的回波波形，从实际回波波形的波形前缘中提取了湖水面和冰/水面反射的两个子波形，对提取的子波形进行阈值法分析得到两个波形前缘中点，再将两个波形前缘中点的差值转换为湖冰厚度。(2)本专利技术针对淡水湖泊结冰的回波波形的波形特征，提供的湖冰厚度测量方法能够直接通过回波波形精确估算淡水湖泊湖冰厚度，计算得到的卫星测高与实测数据一致，统计发现其精度为17cm。(3)运用连续多颗卫星测高数据，可获取淡水湖泊的湖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：设置波形参数，根据Brown模型计算参考回波波形；/n步骤2：从所述参考回波波形中选取包含波形前缘的子波形；/n步骤3：对选取的所述子波形与测得的实际回波波形进行相关分析，确定实际回波波形的波形前缘；/n步骤4：在滤波平滑的基础上，从确定的所述波形前缘中提取出两个子波形；/n步骤5：设定阈值水平，采用阈值法计算两个子波形的波形前缘中心；/n步骤6：将两个子波形的波形前缘中心转换为湖冰厚度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置波形参数，根据Brown模型计算参考回波波形；
步骤2：从所述参考回波波形中选取包含波形前缘的子波形；
步骤3：对选取的所述子波形与测得的实际回波波形进行相关分析，确定实际回波波形的波形前缘；
步骤4：在滤波平滑的基础上，从确定的所述波形前缘中提取出两个子波形；
步骤5：设定阈值水平，采用阈值法计算两个子波形的波形前缘中心；
步骤6：将两个子波形的波形前缘中心转换为湖冰厚度。


2.如权利要求1所述的一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法，其特征在于，步骤1中所述Brown模型的表达式如公式(1)所示：



其中，P为反射能量，t表示采样时刻，τ表示波形前缘中点，σ与有效波高SWH相关，α与衰减参数有关，A表示振幅，σ的定义为其中σs＝SWH/4，σp与高度计参数有关；特定的测高卫星σp看成常数，波形形状为有效波高的函数。


3.如权利要求2所述的一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法，其特征在于，选取5m有效波高并根据Brown模型计算得到回波波形作为参考波形。


4.如权利要求1所述的一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法，其特征在于，步骤2中所述子波形是从参考回波波形中选取的包含波形前缘的多个连续采样点组成的波形。


5.如权利要求1所述的一种基于卫星测高回波波形监测湖冰厚度的方法，其特征在于，步骤3包括：
步骤31：计算参考回波波形以及任意实际回波波形之间的相关性，计算公式(2)如下所示，









其中，和是参考波形与任意波形的平均能量；S和S...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨元德，李振洪，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61