本文關鍵詞：基于GNSS反射信號的海冰檢測的研究

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【摘要】：海冰作為一種海洋災害,常常出現在極地海域,并且可能出現在一些高緯度的海域�？赡軙䲟p害近岸海域的航道或者是港口設施、威脅來往船只的航行安全、影響海洋捕撈業(yè)以及海洋中的油氣資源采集。對于遙感檢測海冰災害主要采用可見光的遙感手段或者是微波的遙感手段。由于前一種方法受到空中云霧遮擋的影響,無法連續(xù)不間斷地檢測海冰;后一種方法如果實時檢測海冰,又存在成本比較高之類的問題。目前,需要一種能夠低成本、大范圍以及全天候檢測海冰的新手段。隨著全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,簡稱為GNSS)的不斷發(fā)展,國外科學家發(fā)現GNSS的直射信號可以連續(xù)提供精準的時間信息、精準的位置信息、精準的導航信息,傳統(tǒng)被認為是需要抑制或消除的多徑信號(也就是經過反射面反射回來的反射信號)攜帶了反射面的大量物理特性信息,可以加以利用。上述的GNSS反射信號的技術(Global Navigation Satellite SystemReflection,簡稱為GNSS-R)已經可以應用在海表面高度參數的反演、海表面風速風向參數的反演、土壤濕度參數的反演、干雪厚度反演等領域。自從2000年起,國外的科學家Komjathy等人發(fā)現GNSS反射信號技術對于檢測海冰有潛在的可能性。經過不斷的研究,直到2012年,歐空局科學家Fabra等人采用GPS反射信號的數據,基于菲涅爾反射系數的原理,建立了偏振比海冰反演模型(Polarization Ratio Model),在低仰角(5°至15°)偏振比海冰反演模型的范圍下,反演了海冰的變化趨勢。國內研究學者利用GNSS反射信號技術檢測海冰才剛剛開始起步,直到2013年,才開始有學者開展對于偏振比海冰反演模型的研究。國內的研究也多集中在偏振比海冰反演模型的可行性研究,幾乎沒有開展過自主實驗。對于國內外而言,基于GNSS反射信號技術的海冰反演模型較少,比較成熟的偏振比海冰反演模型又受到衛(wèi)星低仰角范圍的限制,故此,兼顧菲涅爾反射系數的原理,本文提出了適用于高仰角范圍的極化比海冰反演模型(Reflected Power Ratio Model),針對在渤海海域分別開展了兩次海冰的實驗。其中,GPS渤海實驗是中國第一次采用GPS反射信號技術(也稱為GPS-R技術)區(qū)分海水和海冰,北斗渤海實驗則是國際第一次利用北斗反射信號技術(也稱為Bei Dou-R技術)來反演海冰趨勢。通過對實驗結果的分析,驗證了海水的極化比值遠大于海冰的極化比值,也驗證了極化比模型適用于高仰角范圍以及極化比模型的有效性,同時也拓寬了北斗導航系統(tǒng)信號的應用范圍。本文的主要內容如下:1.本文首先針對海冰檢測的研究背景與意義做了闡述,其次分析了傳統(tǒng)遙感技術在檢測海冰時的不足,接著綜述了國內外GNSS反射信號技術在海冰檢測方向的研究現狀。并在此基礎之上,分析了偏振比海冰反演模型(Polarization Ratio Model)尚且存在的問題。2.本文詳細介紹了海冰檢測的電磁波性質以及左旋和右旋極化性質;論述了GNSS反射信號技術的幾何關系、菲涅爾反射系數原理、以及海冰檢測的數據處理過程等;計算了針對渤海海域的菲涅爾反射系數,并結合菲涅爾反射原理,提出了極化比海冰反演模型(Reflected Power Ratio Model),最后結合傳統(tǒng)的偏振比海冰反演模型(Polarization Ratio Model),做了對比分析,利用極化比海冰反演模型來彌補偏振比海冰反演模型在高仰角情況下的不穩(wěn)定。3.在2013年以及2015年,分別以GPS和北斗反射信號為例,在渤海海域開展了自主岸基實驗,通過對實驗數據的定性分析,對比了海水與海冰的極化比值大小,并反演了海冰凍結/融化的趨勢,驗證了極化比海冰反演模型的可行性。為將來的定量反演海冰區(qū)域的海冰密集度的研究打下了良好的基礎,也為海冰災害預警提供了一種新的手段。
【學位授予單位】：上海海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P715.6;P731.15

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