星载相控阵GNSS-R测高系统设计与实验

星载GNSS-R测高系统采用多波束相控阵天线和干涉互相关处理方式,接收北斗导航卫星和GPS导航卫星发射的L波段导航直射信号与海面反射信号,进行海面高度探测。详细介绍GNSS-R测高系统设计与实现、集成和外场试验等,外场试验不仅验证了相控阵GNSS-R测高系统功能,更重要的是验证了核心软件算法的正确性。GNSS-R测高系统适用于中尺度海洋现象的观测,可在时间和空间尺度上扩展雷达高度计的观测能力,并与之相互补充,有利于对复杂海面的中尺度结构进行较高时间分辨率的观测。GNSS-R测高仪为星载高精度海面高度探测提供了新型载荷。     

基于北斗GEO卫星反射信号的海冰反演技术研究

海冰检测已成为GNSS(全球导航卫星系统)反射信号技术的重要应用方向。为改善极化比海冰反演模型在海冰检测中的准确性,对极化比海冰反演模型的适用仰角范围进行了研究。根据菲涅尔原理,针对渤海海域的菲涅尔反射系数进行了模拟仿真,对极化比海冰反演模型的适用范围进行了理论分析,并开展海冰实验。通过对实验数据的分析,成功反演了渤海海冰的变化趋势,验证了利用北斗反射信号反演海冰的可行性,同时,验证了两种模型的仰角适用范围。实验结果表明:用极化比海冰反演模型弥补偏振比海冰反演模型在高仰角情况下的不稳定性可行。     

微小型GNSS-R测高仪测高精度评估及地面验证

GNSS-R是基于双基雷达散射机理的无源微波遥感技术,可同时接收多个镜面反射点的反射信号,实现海面高度、有效波高、海面风场、海冰等海态参数的宽刈幅探测。针对微纳卫星观测计划,研制国内首个星载微小型GNSS-R测高仪,开展外场实验,处理实验数据,采用基于本地码相关的Clean replica算法、干涉式互相关的Interferometric算法,根据曲线平滑算法对相延多普勒测图(DDM)曲线进行拟合,进而通过最大倒数点法(DER)、峰值半功率法(HALF)等镜点跟踪算法得到测高误差,对实验结果的预期和实测值进行分析,并提出改进方法。     

星载双面多波束相控阵GNSS-R海洋微波遥感器设计

为实现对多个海面区域覆盖,对星载全球导航定位系统反射信号(GNSS-R)海洋微波遥感器设计进行了研究。遥感器采用层叠式双面多波束高增益相控阵天线,通过在轨镜面反射点快速搜索和波束调度,接收北斗或GPS系统发射的直射信号和海面反射信号,经原始信号采样、时延多普勒相关功率计算等处理,为全球海面风场反演和海面高度测量提供高时效微波遥感数据。给出了系统指标和组成、工作模式,以及星载层叠式双面多波束相控阵天线、星载镜面反射点预测和星载GNSS-R高精度海面测高等关键技术及实现途径。仿真和计算结果表明:系统测高精度22cm,可满足系统指标要求。实际测高精度待飞行试验验证。     

粗糙海面激光透射特性研究

为改善激光在粗糙海面上透射特性仿真结果的准确性以提高卫星海洋水色遥感应的效率,对不同海况下激光在粗糙海面的透射特性进行了研究。根据激光海面透射原理,用基尔霍夫近似(KA)原理求解激光海面透射场,给出了计算模型。基于Gaussian随机模型对三、四级海况的粗糙海面进行了三维模拟仿真,用解析法计算了激光在海面上的透射特性。结果发现:波长0.532μm的绿激光对海水有高透射率,入射角小于40°时透射率大于94%;海况对激光的透射率影响较小;与下行透过率相比,上行透射率受入射角的影响较大,入射角大于40°时激光的上行透射率迅速衰减,入射角大于50°时上行透射率几乎为0。     

基于数值方法的三维激光海面漫反射特性研究

为提高卫星海色遥感技术在实际应用中的效率,对不同海况下不同入射角度的三维激光海面漫反射特性进行了建模仿真计算,并在实验室条件下对激光入射波动水面后产生的散射场能量分布特性进行了研究。根据麦克斯韦尔方程和边界条件分析了散射场在各向分量间的耦合关系,矢量分解后得到了6个标量方程并用矩量法进行离散,给出了离散后的矩阵方程。用稀疏矩阵规则网格法(SMCG)求解矩阵方程,求解时采用共轭梯度法(CGM)计算。在对有限照射区域进行计算时,为减少边界效应产生的误差,用能量强度服从高斯分布的三维锥形波模拟入射激光束。仿真计算了不同粗糙度海面的三维双站散射系数,结果发现:对相同粗糙度海面模型,入射角度越小,粗糙面对激光的漫反射就越大,散射场的能量分布也越均匀。用实验对仿真结果进行验证,结果表明:与基尔霍夫近似(KA)和二维前后向迭代法(FBM)相比,该方法能准确表示波动水面的三维激光漫反射特性,为进一步研究三维激光海面漫反射特性奠定了基础。