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方案

本发明专利技术公开了一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法及系统。其中，本发明专利技术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。

Sea ice detection method and system based on coherent time of GNSS reflected signal

【技术实现步骤摘要】
一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法及系统
本专利技术涉及海冰检测
，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。
技术介绍
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(GlobalNavigationSatellitesystem-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，本专利技术提出一种基于GNSS反射信号相干时间的海冰检测方法及系统。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术将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、本专利技术使用的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、本专利技术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专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/nS1.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；/nS2.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；/nS3.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；/nS4.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；/nS5.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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，杨东凯，张井合，
申请(专利权)人：金华航大北斗应用技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33