星载GNSS-S雷达多维信息的大范围海面风场反演系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于星载GNSS

【技术实现步骤摘要】
星载GNSS
‑
S雷达多维信息的大范围海面风场反演系统及方法


[0001]本专利技术涉及微波遥感
，尤其涉及一种基于星载GNSS
‑
S雷达多维信息的大范围海面风场反演系统及方法。

技术介绍

[0002]长期以来，海面风场信息是关乎海洋安全与舰船远洋的重要海洋环境参数。但是，获得近实时的全球海面矢量风场信息一直是难以攻克的问题。全球化海面风场获取方式主要依靠卫星对海面风场进行探测反演，主要手段包括散射计、全球导航卫星系统反射(Global Navigation Satellite Systems
‑
Reflectometry，GNSS
‑
R)、合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)等。
[0003]星载散射计需要主动发射电磁波、并利用环扫波束实现多角度海面观测提升海面风场反演能力，可靠性高、分辨率高、反演精度高，但系统复杂且成本高，难以形成组网星座实现全球海面风场的近实时探测。星载GNSS
‑
R仅能获得一个区域的低纬度反射信息，可以反演出海面风速，而难以获得稳健的风向信息，但星载GNSS
‑
R仅利用导航卫星信号的反射信号进行风速反演，无需主动发射大功率电磁波，具有小型化与低成本优势，具备星群组网优势。星载SAR通过海浪波纹或双极化散射信息联合等方式，反演海面风场，但SAR卫星造价较高。
[0004]所以，亟待开展新体制海面矢量风场探测方法，便于形成小规模组网星座，实现大范围海面风场的连续探测与反演，并实现全球海面矢量风场的近实时探测与反演，为构建全球实时动态海洋环境信息奠定基础。
[0005]随着我国北斗卫星导航系统的完善与全面开放利用，借助多颗导航卫星的多维电磁信号进行海面风场联合探测反演将成为重要解决途径之一，特别是联合同一海面区域多个频段、多个极化、多个角度的全球导航卫星系统散射信号(GNSS
‑
S)。因此，如何获得大范围海面同一时刻的多维GNSS
‑
S信号，以及建立多维GNSS
‑
S信号与海面风场的统计关系，将成为大范围海面风场反演的关键，如何利用多维GNSS
‑
S信息对大范围海面风场进行协同反演也将成为未来重要发展趋势之一。传统星载GNSS
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R的海面风场反演方法需要估计镜面反射区，只能反演出镜面反射区的海面风速，难以直接反演风向。

技术实现思路

[0006]为克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于星载GNSS
‑
S雷达多维信息的大范围海面风场反演系统及方法，可以同时反演海面的风速与风向，且不需要估计镜面反射区，实现大范围海面连续的矢量风场反演。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案是：
[0008]本专利技术提供一种基于星载GNSS
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S雷达多维信息的大范围海面风场反演方法，包括：
[0009]星载GNSS
‑
S雷达，用于接收多颗导航卫星的大范围海面多维散射信号；
[0010]GNSS
‑
S信号预处理模块，用于对多维散射信号进行预处理，采用数字波束形成方法恢复海面多个子波束区域的多维散射信号；
[0011]双站SAR成像处理模块，用于对多个子波束区域的多维散射信号进行并行双站SAR成像处理、二维多视处理与归一化处理，获得多维GNSS
‑
S雷达图像；
[0012]海面矢量风场反演模型，用于根据多维GNSS
‑
S雷达图像对多个子波束区域的海面矢量风场进行并行化反演。
[0013]有益效果：
[0014]根据本专利技术的方案，与现有技术相比，该基于星载GNSS
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S多维信息的大范围海面风场反演方法，利用双频段、双极化、多通道阵列天线对大范围海面的多维GNSS
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S信号进行同步接收，利用数字波束形成方法恢复出大范围海面的多个子波束区域的高信噪比GNSS
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S信号，为大范围海面风场反演提供高信噪比的多维GNSS
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S信号，利用卷积神经网络模型建立同一海面同一时刻的双频段、双极化、多角度GNSS
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S双站SAR图像信息与海面风场的统计关系，具备大范围海面风场连续反演能力，且能同时获得海面的风速与风向信息。并且无需主动发射大功率信号，仅需接收与处理多个导航卫星的海面散射信号，即可实现大范围海面风场反演，具有低成本、低功耗与轻量化等优势。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1示意性表示本专利技术实施例提供的基于星载GNSS
‑
S雷达多维信息的大范围海面风场反演系统的结构图；
[0017]图2示意性表示本专利技术实施例提供的星载GNSS
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S雷达多维信息的获取示意图；
[0018]图3示意性表示本专利技术实施例提供的多通道阵列天线数字波束形成的P个子测绘带示意图；
[0019]图4示意性表示本专利技术实施例提供的星载GNSS
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S雷达系统的组成图；
[0020]图5示意性表示本专利技术实施例提供的多维GNSS
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S信号的数字波束形成处理流程；
[0021]图6示意性表示本专利技术实施例提供的GNSS
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S双站SAR成像与归一化处理流程；
[0022]图7示意性表示本专利技术实施例提供的利用卷积神经网络反演海面矢量风场的处理流程。
具体实施方式
[0023]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本专利技术的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
[0024]图1示意性表示本实施例的基于星载GNSS
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S雷达多维信息的大范围海面风场反演系统的结构图。如图1所示，基于星载GNSS
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S雷达多维信息的大范围海面风场反演系统，包括：星载GNSS
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S雷达10，用于接收多颗导航卫星的大范围海面多维散射信号(多维GNSS
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S信号)；GNSS
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S信号预处理模块20，用于对多维散射信号进行预处理，采用数字波束形成方法
恢复海面多个子波束区域的多维散射信号；双站SAR成像处理模块30，用于对多个子波束区域的多维散射信号进行并行双站SAR成像处理、二维多视处理与归一化处理，获得多维GNSS
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S雷达图像；海面矢量风场反演模型40，用于根据多维GNSS
‑
S雷达图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于星载GNSS
‑
S雷达多维信息的大范围海面风场反演系统，其特征在于，包括：星载GNSS
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S雷达，用于接收多颗导航卫星的大范围海面多维散射信号；GNSS
‑
S信号预处理模块，用于对多维散射信号进行预处理，采用数字波束形成方法恢复海面多个子波束区域的多维散射信号；双站SAR成像处理模块，用于对多个子波束区域的多维散射信号进行并行双站SAR成像处理、二维多视处理与归一化处理，获得多维GNSS
‑
S雷达图像；海面矢量风场反演模型，用于根据多维GNSS
‑
S雷达图像对多个子波束区域的海面矢量风场进行并行化反演。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述星载GNSS
‑
S雷达包括：阵列天线、接收机和信号预处理与双站SAR成像子模块，所述阵列天线为一幅大口径、双频段、双极化、多通道阵列天线，沿距离向分布N个子阵天线形成N个接收通道，用于接收多颗导航卫星的大范围海面的多维散射信号，获得同一海面的多角度、双频段、双极化多维散射信号；所述接收机具有四个通道，用于对每个子阵天线输出的信号进行带通滤波、低噪声放大、下变频、低通滤波与采样接收；所述信号预处理与双站SAR成像子模块，用于对GNSS
‑
S的N路信号进行数字波束形成与双站SAR成像，获得P个子波束区域的多维SAR图像，第p个子波束区域包含M
p
个观测角、两个频段与两个极化的多维SAR图像。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述子阵天线包括：双频段接收通道和双极化接收通道，所述双频段为频段Lf1与频段Lf2，所述双极化为水平极化和垂直极化，使每个子阵天线输出四个维度信号。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述接收机包括：具有四个通道的射频接收机和信号采集与时序控制器，所述射频接收机，用于对每个子阵天线输出四个维度的散射信号进行带通滤波、低噪声放大、下变频、低通滤波，获得散射基带信号；所述信号采集与时序控制器，用于对四个维度的散射信号进行采样量化，获得四个维度的数字域散射基带信号。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述GNSS
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S信号预处理模块包括：数字波束形成器，用于对四个维度GNSS
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S的N路信号进行数字波束形成，生成P个高增益窄波束，每个窄波束对应大范围海面的一个子测绘带或子波束区域。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双站SAR成像处理模块包括：GNSS
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S双站SAR成像子模块，用于对子波束区域进行GNSS
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S双...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏正欢，张涛，刘新，赵志龙，张瑶，张可佳，李亚鹏，张庆君，王海涛，金世超，岳富占，彭涛，
申请(专利权)人：北京卫星信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：