北斗反射信號(hào)海面溢油檢測技術(shù)研究.pdf

1、海上溢油事故是海洋中最頻繁、最嚴(yán)重的污染災(zāi)害之一。一旦出現(xiàn)海上溢油事故不僅影響人們的生產(chǎn)生活以及人類的健康，同時(shí)也會(huì)破壞海洋的生態(tài)環(huán)境。當(dāng)今用于監(jiān)測海上溢油的手段主要是光學(xué)和微波遙感技術(shù)，由于光學(xué)遙感技術(shù)存在受天氣的影響，不能全天候的監(jiān)測海面溢油狀況；微波遙感技術(shù)具有全天候監(jiān)測海面溢油的能力，但由于其觀測模式往往是側(cè)視掃描，因此成像存在大量噪點(diǎn)影響溢油檢測精度且監(jiān)測成本高。GNSS-R技術(shù)（Global Navigation Satel

2、lite System-Reflection）以其豐富的信號(hào)源，在大部分海域都能接收到信號(hào)，具有低成本、大范圍、不受天氣環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠提供全天候長期穩(wěn)定的高實(shí)時(shí)性監(jiān)測，可以成為海面溢油監(jiān)測技術(shù)手段。
　　GNSS反射信號(hào)應(yīng)用是國內(nèi)外遙感探測領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)，其直射信號(hào)可以提供精確的位置信息、精確的時(shí)間信息、精確的導(dǎo)航信息，其反射信號(hào)即經(jīng)過反射面后的信號(hào)將會(huì)攜帶探測目標(biāo)表面大量的特征信息，其反射信號(hào)的波形、時(shí)延、多普勒頻移

3、都能在反射面上精確映射，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)反射面物理特性信息的度量和反演。目前，GNSS-R技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有土壤濕度檢測、海冰檢測、海面測波高、海面測高、海面測風(fēng)、移動(dòng)目標(biāo)探測等。
　　現(xiàn)存利用GNSS-R檢測海面溢油技術(shù)的研究還處于起步階段，并不十分成熟。國外學(xué)者西班牙 E.Valencia等人于2011年提出了利用 GNSS-R信號(hào)建立的時(shí)延-多普勒圖（DDM）對(duì)海面溢油進(jìn)行模擬檢測的可行性，國內(nèi)研究學(xué)者利用 GNSS反射信號(hào)技術(shù)

4、監(jiān)測海面溢油的研究尚少。
　　前期的研究主要基于GPS MEO軌道衛(wèi)星參數(shù)的反射信號(hào)海面溢油檢測仿真研究。與GPS等其他現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)不同，北斗系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行、開放兼容的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，且由獨(dú)特地IGSO、MEO和GEO三種不同混合星座構(gòu)成，利用北斗三種不同軌道衛(wèi)星的反射信號(hào)對(duì)海域進(jìn)行監(jiān)測可以形成穩(wěn)固的互補(bǔ)關(guān)系，且在中國海域內(nèi)北斗衛(wèi)星可見時(shí)間長，能為我國海洋環(huán)境的監(jiān)測提供長期有效的手段。
　　本文為了驗(yàn)證北斗反

5、射信號(hào)（BeiDou-R）技術(shù)在檢測海面溢油的可行性，針對(duì)一次真實(shí)海上溢油事故，利用北斗獨(dú)特的混合星座特性，構(gòu)建了北斗IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星岸基監(jiān)測海面溢油仿真技術(shù)體系。結(jié)合Z-V散射模型和海水/溢油的均方坡度MSS（Mean-Square Slope）模型，建立了能全面反映海面狀況GNSS散射信號(hào)特征的時(shí)延-多普勒圖DDM(delay-Dopplermap），通過對(duì)比分析仿真的結(jié)果，驗(yàn)證了利用 BeiDou-R技術(shù)可以對(duì)海上溢油事故

6、進(jìn)行檢測的可行性，并得出北斗MEO衛(wèi)星反演溢油的DDM結(jié)果比IGSO衛(wèi)星反演溢油的DDM結(jié)果能更好地反演海面溢油狀況，增補(bǔ)現(xiàn)存溢油探測手段，同時(shí)也擴(kuò)展北斗系統(tǒng)海洋應(yīng)用新領(lǐng)域。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　1、詳細(xì)介紹了北斗衛(wèi)星星座、信號(hào)以及反射信號(hào)相關(guān)函數(shù)；結(jié)合海面散射信號(hào)的電磁波海面特性，從延遲和多普勒頻移兩個(gè)角度分析了典型的時(shí)延-多普勒二維相關(guān)功率圖原理。
　　2、以導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)測量海面溢油的幾何關(guān)系為基

7、礎(chǔ)，分析海面散射信號(hào)與反射面不同時(shí)延與多普勒頻移間的映射關(guān)系，結(jié)合 Z-V模型和海面存在溢油和海水時(shí)的海面均方坡度（MSS）模型，詳細(xì)介紹DDM技術(shù)檢測海面溢油原理以及鏡面反射點(diǎn)的計(jì)算。
　　3、采用北斗混合星座的技術(shù)，詳細(xì)敘述設(shè)計(jì)北斗MEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星監(jiān)測真實(shí)地海上溢油仿真體系，并對(duì)MEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星場景下的DDM檢測溢油的結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明距離鏡面反射點(diǎn)一定范圍之內(nèi)可以有效地分辨出海面溢油污染的區(qū)域。