基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法，包括：根据测高精度公式变换原则，对镜面点处能量波形的不确定度进行转换，得到预估测高精度模型；根据预估测高精度模型，构建得到相干积分时间优化模型；根据相干积分时间优化模型，分别计算得到不同场景下预估测高精度随相干积分时间的变化曲线；从变化曲线中筛选得到极小值点，将极小值点对应的预估测高精度作为最优测高精度输出。本发明专利技术以提高iGNSS

【技术实现步骤摘要】
基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法


[0001]本专利技术属于卫星测高学、海洋测绘学等交叉
，尤其涉及一种基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法。

技术介绍

[0002]精确测量海面高度变化作为海洋生态系统监测的重要参数之一，对渔业、石油钻探、商业航行等应用具有重要意义。1993年提出的被动反射测量与干涉系统(PARIS)测高方法与传统的验潮站与卫星雷达测高相比具备独特优势：(1)接收机可以同时捕获多颗GNSS卫星信号从而极大提高了空间覆盖率；(2)作为新型双基无源遥感手段具备低成本、低功耗、全天候及高时间重访率等优点可在较大程度上弥补现有海洋遥感技术的缺陷。自该技术提出以来，通过岸基、机载、星载的测高实验相继验证了其有效性。
[0003]现有卫星测高技术也存在一系列问题：(1)在测高精度方面，传统卫星天线只考虑对直射信号的接收增益，导致接收的海面反射信号的信噪比较低。且与专用的单站雷达高度计相比，民用调制码传输带宽较窄，导致能量波形峰值前沿的斜率较小。(2)在沿轨空间分辨率方面，以GPS信号为例，传统GNSS
‑
R测高方式是利用GPS反射信号相对于直射信号的C/A码相位延迟反演海面高度(CGNSS)。该方法将第一等延迟线与第一等多普勒线的相交区域作为测高的主要观测区，该区域所对应的足印大小约10km。为了进一步减小热噪声和斑点噪声对测高精度的影响，常采用毫秒级的相干积分以及秒级的非相干累加过程来处理信号以提高信噪比。考虑卫星星下点运动速度(km/s)，实际测得的单个海面高度将代表更大区域内的高度平均，这进一步降低了沿轨的空间分辨率。研究表明在星载测高场景下，为达到优于20cm的测高精度，信号处理时间约为10s，沿轨空间分辨率约65km。实现高精度与高沿轨空间分辨率的海面高度观测，将为中小尺度海洋现象监测、高时空分辨率海洋重力场模型建立、全球或区域海潮模型等地球科学研究提供重要数据信息资源。
[0004]GNSS
‑
R的主要观测量是反射信号经过处理后的时延多普勒图(DDM)，Fernando详细说明了DDM图与其空间位置的对应关系。卫星测高通常只利用0多普勒处的波形，反射信号的时延信息需要从该波形中反演。常用的反演算法包括DER、MAX、HALF。DER算法定义镜面点时延位于波形的导数最大值点处，Rius给出了算法具体的推导过程；MAX算法定义镜面点时延位于波形峰值点处，该算法在粗糙海面的情况下会带来较大误差；HALF法将波形上75％峰值相关功率对应的点作为镜面反射点，该算法是由传统的单静态雷达技术推导出来。Mashburn考虑了反演的时延信息中的误差项包含发射机和接收机轨道、电离层和对流层延迟模型、天顶到最低点天线基线偏移并对其进行误差校正。对于测高结果的评估，Li分别从测高精度与测高准确度两方面进行考虑。测高准确度是由系统误差引起，测高精度主要是由热噪声和散斑噪声导致的接收信号的随机性引起。从理论上来说，信号的信噪比越高，提取的镜面点时延信息越准确，测高精度结果越好。
[0005]为提高测高精度，可以从负载与信号的后处理两方面进行优化。前者提高精度的方法包括提高天线的增益，优化天线指向与接收机带宽等。对于信号的后处理，提高信噪比
的方法是增加信号的相干积分时间和非相干累加次数，两者对不同途径引入的噪声具有削弱作用。前者为抑制接收机端引入的热噪声，后者是为抑制在镜面反射点附近的闪耀区引入的斑点噪声。信号处理的总积分时间是相干积分时间和非相干累加次数的乘积，理论上来说积分时间越长，信噪比越高，得到的测高精度越高。然而，测高的沿轨分辨率与积分时间的反比关系导致后者不能无限增加，对于测高沿轨分辨率要求较高的测高任务中通常需要牺牲一定的测高精度。在给定的空间分辨率需求下获得最高的测高精度，关键在于对相干积分与非相干累加参数组合进行最优化。据此，Martin
‑
Neira等构建了以相干积分时间为变量的测高精度转换公式，但是其并没有考虑波形之间相关性的影响。You等分别从时域与频域中构建了波形相关性模型用于预测波形相干时间的上限。Li等考虑波形相关性构建的测高精度模型与实测结果具有较好的一致性，但并没有详细讨论相干积分时间对测高精度的影响。现阶段对于中频数据的处理常采用经验化的参数(机载情况下相干积分时间取10s，星载场景下相干积分时间取1ms)。

技术实现思路

[0006]本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法，以提高iGNSS
‑
R测高精度为目标，通过推导相干积分时间、波形相关性与测高精度三者之间的转换关系，构建了相干积分时间优化模型，进而应用该相干积分时间优化模型更准确地估计出精度随相干积分时间的变化规律，以优化最终的海面测高结果的精度。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法，包括：
[0008]根据测高精度公式变换原则，对镜面点处能量波形的不确定度进行转换，得到预估测高精度模型；
[0009]根据预估测高精度模型，构建得到相干积分时间优化模型；
[0010]根据相干积分时间优化模型，分别计算得到不同场景下预估测高精度随相干积分时间的变化曲线；
[0011]从变化曲线中筛选得到极小值点，将极小值点对应的预估测高精度作为最优测高精度输出。
[0012]在上述基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法中，得到的预估测高精度模型的表达式如下：
[0013][0014]其中，σ
h
(τ)表示预估测高精度，τ表示时延，c表示真空中的光速，i表示入射角，σ
Z
(τ)表示非相干平均能量波形的均方差，S
h
(τ)表示测高灵敏度，Z(τ)表示非相干平均能量波形，为Z(τ)的平均值，为的导数。
[0015]在上述基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法中，测高灵敏度S
h
(τ)的解算公式如下：
[0016][0017]在上述基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法中，通过如下方式确定和
[0018]将直射信号与反射信号采用信号成分与噪声成分进行表示，并进行相干积分处理，得到第n次相干积分的复功率波形y(nT
c
,τ)：
[0019]y(nT
c
,τ)＝y
s
(nT
c
,τ)+y
nd
(nT
c
,τ)+y
nr
(nT
c
,τ)+y
ndr
(nT
c
,τ)
…
(2)
[0020]其中，n表示相干积分次数，T
c
表示相干积分时间，nT
c
表示第n次相干积分的过程，y
s
(nT
c
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法，其特征在于，包括：根据测高精度公式变换原则，对镜面点处能量波形的不确定度进行转换，得到预估测高精度模型；根据预估测高精度模型，构建得到相干积分时间优化模型；根据相干积分时间优化模型，分别计算得到不同场景下预估测高精度随相干积分时间的变化曲线；从变化曲线中筛选得到极小值点，将极小值点对应的预估测高精度作为最优测高精度输出。2.根据权利要求1所述的基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法，其特征在于，得到的预估测高精度模型的表达式如下：其中，σ
h
(τ)表示预估测高精度，τ表示时延，c表示真空中的光速，i表示入射角，σ
Z
(τ)表示非相干平均能量波形的均方差，S
h
(τ)表示测高灵敏度，Z(τ)表示非相干平均能量波形，为Z(τ)的平均值，为的导数。3.根据权利要求2所述的基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法，其特征在于，测高灵敏度S
h
(τ)的解算公式如下：4.根据权利要求3所述的基于相干积分时间优化模型提高海面测高精度的方法，其特征在于，通过如下方式确定和将直射信号与反射信号采用信号成分与噪声成分进行表示，并进行相干积分处理，得到第n次相干积分的复功率波形y(nT
c
,τ)：y(nT
c
,τ)＝y
s
(nT
c
,τ)+y
nd
(nT
c
,τ)+y
nr
(nT
c
,τ)+y
ndr
(nT
c
,τ)
…
(2)其中，n表示相干积分次数，T
c
表示相干积分时间，nT
c
表示第n次相干积分的过程，y
s
(nT
c
,τ)表示有用信号项的互相关能量值，y
nd
(nT
c
,τ)表示直射信号噪声项与反射信号的互相关能量值，y
nr
(nT
c
,τ)表示直射信号与反射信号噪声项的互相关能量值，y
ndr
(nT
c
,τ)表示直射信号噪声项与反射信号噪声项互相关能量值；根据得到的y(nT
c
,τ)，确定第n次相干积分的单次能量波形z(nT
c
,τ)：z(nT
c
,τ)＝y(nT
c
,τ)y
*
(nT
c
,τ)
…
(3)其中，y
*
(nT
c
,τ)表示y(nT
c
,τ)的共轭；根据z(nT
c
,τ)，解算得到非相干平均能量波形Z(τ)：其中，N
I
表示非相干平均数，<>表示求取平均值；联立公式(2)、(3)和(4)，得到采用相干积分时间表达的Z(τ)：Z(τ)＝<|y
s
(nT
c
,τ)|2>+<|y
nr
(nT
c
,τ)|2>+<|y

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟，吴凡，孙学智，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：