一种宽刈幅海面风场反演方法、装置、设备和介质制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供了一种宽刈幅海面风场反演方法、装置、设备和介质，所述方法包括：获取DDM观测值和每个DDM观测值对应的观测参数；设置海面观测区域的初始化风场；根据所述初始化风场和所述DDM观测值对应的观测参数，计算所述DDM观测值对应的DDM模型值；利用所述DDM观测值和所述DDM模型值进行联合反演，得到最终反演风场。本发明专利技术实施例中，利用全部的DDM观测值进行反演，在保证空间分辨率的情况下反演的得到观测刈幅内的网格化风场，相比于现有技术仅能反演镜像点处风速，本实施例的宽刈幅海面风场反演更能发挥GNSS

【技术实现步骤摘要】
一种宽刈幅海面风场反演方法、装置、设备和介质


[0001]本专利技术涉及GNSS反射信号遥感
，特别涉及一种宽刈幅海面风场反演方法、装置、设备和介质。

技术介绍

[0002]全球导航卫星反射信号遥感(GNSS Reflectometry，GNSS
‑
R)是一种利用地球表面反射的全球导航卫星信号的新型遥感技术。GNSS
‑
R技术使用导航卫星的L波段信号(～1.5GHz)，不受强降雨影响，测量风速范围大，可观测台风中心区域高风速。同时GNSS
‑
R技术无需主动发射信号，具有信号源充足、功耗小、成本低的特点，便于形成星座组网观测，可提供高时间分辨率的观测数据。
[0003]GNSS
‑
R观测的L1时延多普勒图(DDM)是一种在时延和多普勒方向的二维相干功率波形，每一个时延和多普勒频率对应一个DDM功率观测值。然而受限于空间分辨率的要求，目前的星载GNSS
‑
R风速反演算法仅能利用原始DDM观测值的中很小的一部分建立观测量来反演镜像点处的风速，丢失了大量的信息，且仅能反演风速，无风向信息。

技术实现思路

[0004]鉴于上述问题，本专利技术实施例提供了一种宽刈幅海面风场反演方法、装置、设备和介质，以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
[0005]本专利技术实施例的第一方面，公开了一种宽刈幅海面风场反演方法，所述方法包括：
[0006]获取DDM观测值和每个DDM观测值对应的观测参数；
[0007]设置海面观测区域的初始化风场；
[0008]根据所述初始化风场和所述DDM观测值对应的观测参数，计算所述DDM观测值对应的DDM模型值；
[0009]利用所述DDM观测值和所述DDM模型值进行联合反演，得到最终反演风场。
[0010]可选地，所述利用所述DDM观测值和所述DDM模型值进行联合反演，得到最终反演风场，包括：
[0011]设置反演初始化参数；
[0012]计算所述DDM模型值对应的线性化矩阵；
[0013]利用所述DDM观测值、所述DDM模型值、以及所述DDM模型值对应的线性化矩阵进行联合反演，得到最终反演风场。
[0014]可选地，所述利用所述DDM观测值和所述DDM模型值进行联合反演，得到最终反演风场，包括：
[0015]根据第k
‑
1次的反演风场和第k个DDM观测值对应的观测参数，计算第k个DDM观测值对应的第k个DDM模型值，其中，第1次的反演风场为所述初始化风场；
[0016]利用所述第k个DDM观测值和所述第k个DDM模型值进行第k次联合反演，得到第k次的反演风场；
[0017]满足反演结束条件，输出最后一次的反演风场为最终反演风场。
[0018]可选地，所述方法还包括：
[0019]基于同一个海面观测区域的多个连续的DDM观测值和每个DDM观测值的观测参数进行多次联合反演，得到该海面观测区域的最终反演风场；
[0020]获取下一个海面观测区域的多个连续的DDM观测值和每个DDM观测值的观测参数进行多次联合反演，得到下一个海面观测区域的最终反演风场；
[0021]依次对不同海面观测区域进行联合反演，以得到整个海面区域的最终反演风场。
[0022]可选地，所述根据所述初始化风场和所述DDM观测值对应的观测参数，计算所述DDM观测值对应的DDM模型值，包括：
[0023]对海面观测区域进行网格化处理，得到网格化的初始化风场；
[0024]基于所述网格化的初始化风场和所述DDM观测值对应的观测参数，计算所述DDM观测值对应的DDM模型值，所述观测参数包括：卫星的几何信息和功率信息。
[0025]可选地，所述对海面观测区域进行网格化处理，得到网格化的初始化风场，包括：
[0026]以镜面反射点为中心，以GNSS卫星和接收机为参考，建立局部坐标系；
[0027]基于所述局部坐标系对海面观测区域以目标分辨率进行网格划分，得到网格化的初始化风场。
[0028]可选地，所述以镜面反射点为中心，以GNSS卫星和接收机为参考，建立局部坐标系，包括：
[0029]以地心为局部坐标系原点，X轴与反射面在地球表面的投影方向平行，指向接收机方向，以地心指向镜面反射点的方向为Z轴，按照右手螺旋定则确定Y轴。
[0030]可选地，所述基于所述网格化的初始化风场和所述DDM观测值对应的观测参数，计算出所述DDM观测值对应的DDM模型值，包括：
[0031]基于网格化风场、二维海面坡度模型、海面电磁散射模型，构建观测方程；
[0032]基于所述观测方程，利用所述网格化的初始化风场和所述DDM观测值对应的观测参数计算DDM模型值。
[0033]可选地，所述观测方程表示为：
[0034][0035]其中，为DDM模型值，M为向量化的网格化海面风场，m为一个网格处的风速分量，P
t
G
t
为GNSS信号的等效全向辐射功率，G
r
为GNSS反射信号接收天线增益，R
t
和R
r
分别为GNSS卫星和反射信号接收机到反射网格ΔA的空间距离，χ2()为GNSS信号的模糊度函数，ΔA为每个网格的面积，λ为GNSS信号的波长，σ0为归一化双基雷达散射截面，τ
n
和f
n
分别为时延和多普勒频率，为镜面反射点到第i个反射网格ΔA的向量。
[0036]可选地，所述归一化双基雷达散射截面σ0表示为：
[0037][0038]其中，m为一个网格处的风速分量，为菲涅尔散射系数，q,q
z
均为与几何位置有
关的量，p为海面坡度的概率密度分布函数，为镜面反射点到反射网格ΔA的向量，s为海面坡度向量。
[0039]可选地，所述海面坡度的概率密度分布函数是二维非均匀性正态函数，用于描述海面坡度和引入海面风向信息，所述海面坡度的概率密度分布函数表示为：
[0040][0041]其中，D为海面坡度的二阶矩阵，s为海面坡度向量，。
[0042]可选地，所述设置反演初始化参数，包括：
[0043]设置初始化风场的误差协方差矩阵，所述初始化风场的误差矩阵协方差为单位矩阵；
[0044]设置DDM的误差协方差矩阵，所述DDM的误差矩阵协方差为对角矩阵。
[0045]可选地，所述计算所述DDM模型值对应的线性化矩阵，包括：
[0046]对DDM模型值不同时延和不同多普勒的功率点进行求导，得到线性化矩阵。
[0047]可选地，所述线性化矩阵H表示为：
[0048][0049]其中，为功率点在风场M1下的导数，为功率点在风场M
2M
下的导数，为功率点在风场M1下的导数，为功率点在风场M
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽刈幅海面风场反演方法，其特征在于，所述方法包括：获取DDM观测值和每个DDM观测值对应的观测参数；设置海面观测区域的初始化风场；根据所述初始化风场和所述DDM观测值对应的观测参数，计算所述DDM观测值对应的DDM模型值；利用所述DDM观测值和所述DDM模型值进行联合反演，得到最终反演风场。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述DDM观测值和所述DDM模型值进行联合反演，得到最终反演风场，包括：设置反演初始化参数；计算所述DDM模型值对应的线性化矩阵；利用所述DDM观测值、所述DDM模型值、以及所述DDM模型值对应的线性化矩阵进行联合反演，得到最终反演风场。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述DDM观测值和所述DDM模型值进行联合反演，得到最终反演风场，包括：根据第k
‑
1次的反演风场和第k个DDM观测值对应的观测参数，计算第k个DDM观测值对应的第k个DDM模型值，其中，第1次的反演风场为所述初始化风场；利用所述第k个DDM观测值和所述第k个DDM模型值进行第k次联合反演，得到第k次的反演风场；满足反演结束条件，输出最后一次的反演风场为最终反演风场。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于同一个海面观测区域的多个连续的DDM观测值和每个DDM观测值的观测参数进行多次联合反演，得到该海面观测区域的最终反演风场；获取下一个海面观测区域的多个连续的DDM观测值和每个DDM观测值的观测参数进行多次联合反演，得到下一个海面观测区域的最终反演风场；依次对不同海面观测区域进行联合反演，以得到整个海面区域的最终反演风场。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述初始化风场和所述DDM观测值对应的观测参数，计算所述DDM观测值对应的DDM模型值，包括：对海面观测区域进行网格化处理，得到网格化的初始化风场；基于所述网格化的初始化风场和所述DDM观测值对应的观测参数，计算所述DDM观测值对应的DDM模型值，所述观测参数包括：卫星的几何信息和功率信息。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对海面观测区域进行网格化处理，得到网格化的初始化风场，包括：以镜面反射点为中心，以GNSS卫星和接收机为参考，建立局部坐标系；基于所述局部坐标系对海面观测区域以目标分辨率进行网格划分，得到网格化的初始化风场。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述以镜面反射点为中心，以GNSS卫星和接收机为参考，建立局部坐标系，包括：以地心为局部坐标系原点，X轴与反射面在地球表面的投影方向平行，指向接收机方向，以地心指向镜面反射点的方向为Z轴，按照右手螺旋定则确定Y轴。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述网格化的初始化风场和所述DDM观测值对应的观测参数，计算出所述DDM观测值对应的DDM模型值，包括：基于网格化风场、二维海面坡度模型、海面电磁散射模型，构建观测方程；基于所述观测方程，利用所述网格化的初始化风场和所述DDM观测值对应的观测参数计算DDM模型值。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述观测方程表示为：其中，为DDM模型值，M为向量化的网格化海面风场，m为一个网格处的风速分量，P
t
G
t
为GNSS信号的等效全向辐射功率，G
r
为GNSS反射信号接收天线增益，R
t
和R
r
分别为GNSS卫星和反射信号接收机到反射网格ΔA的空间距离，χ2()为GNSS信号的模糊度函数，ΔA为每个网格的面积，λ为GNSS信号的波长，σ0为归一化双基雷达散射截面，τ
n
和f
n
分别为时延和多普勒频率，为镜面反射点到第i个反射网格ΔA的向量。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述归一化双基雷达散射截面σ0表示为：其中，m为一个网格处的风速分量，为菲涅尔散射系数，q,q
z
均为与几何位置有关的量，p为海面坡度的概率密度分布函数，为镜面反射点到反射网格ΔA的向量，为海面坡度向...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄飞雄，夏俊明，尹聪，白伟华，孙越强，李伟，曹光伟，杜起飞，王先毅，蔡跃荣，刘黎军，孟祥广，柳聪亮，谭广远，胡鹏，吴汝晗，仇通胜，刘成，李福，王冬伟，王卓焱，张浩，
申请(专利权)人：极诺星空北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：