gnssr信号测量海面有效波高的应用

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1、独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名：至盟： 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的 y 。，罗 ， R t P 图2 - 11G N S S - R 海面反射几何结构( 镜面反射点位置在原点) 海面散射几何结构如图2 1 1

2、所示，通常认为海面颠簸反射面的坡度很小， 散射主要发生在镜面反射点附近的海面，得到I C F 表达式为附刀： E0 1 ：R “) E “) 琥- e - 跎- 埘 7 血- - - 。阢吸P 垅l b 咖H - 毋争F 1 矿( 2 - 2 5 ) d S c ( f ) = 昂( f ) 最( f ) 琥e ，- 弘吸P 奠啦矗锄一1 缈费剀 式中，M = g 伍，z ) z 伍，z ) ，g ( P ，z ) 是天线增益，z ( 面，z ) 是W o o d w a r d 模糊函数， 吼是菲涅尔反射系数；k 为G P S 载波波数，定义为k = 2 7 t 1 2 ，载波波长2 = 1

3、 9 c m ； ，( J ) 是接收机( 发射机) 到海面上每个点的距离；元为表面的法向；面= 嫡上，吼) 为 反射矢量，它是入射和出射单位矢量露和觅的函数，即面= 七( 霉- s , ) 。 南京信息工程大学硕士学位论文 2 3 2 2I C F 函数的相关时间 I C F 函数的相关时间砟定义为I C F 自相关函数的时间宽度： r ( & ) = ( E ( f ) E ( H 缸) ) ： ( 2 - 2 6 ) 在剥离载波和伪码后，用菲涅尔积分近似散射场： F R ( O = 等脚等) 劣 ( 2 - 2 7 ) 式中，A w 为残留载波频率，腼为导航比特，9 1 为菲涅尔反射系数

4、，k 为波数， ，( s ) 为接收机( 发射机) 到海面上每个点的距离，：i i 为表面法向，面= ( 丽上，吼) 为散 射矢量，是入射和出射单位矢量羁和厦的函数，即面= 七( 绣一绣) ，并且假设 q 一- 元七。被积函数的指数可以在表面高度z 处展开为幂级数，并且高次项被抑 制，可近似仅保留第一级项。 计算r ( ) ，为表面高度设定一个高斯概率分布函数嘲： z = 一矿甜硼州瓴M 1 ( 2 2 8 ) 式中，面= O ，力是镜面反射点到散射点的水平位移向量，吒是表面高度的标准 差，占是反射仰角，c ( 历址) 是表面的时空自相关函数，用各向同性抛物线近 似表示c ( 声，A t )

5、： c ( 邸，A t ) l 一( 卸) 2 Z A t 2 2 t ； ( 2 2 9 ) 式中乞和t 分别为相关长度和相关时间。 假定相关时间和海浪方向无关，得到r ( ) 的近似表达式为哪! ： r ( f ) 彳( 吒，乞，占，G ，) P 。2 孑 ( 2 3 0 ) _ 4 P Z 篓咖2 第二章G N S S - R 反射信号应用原理 式中，占是卫星仰角。I c F 自相关函数是f 的高斯函数，与函数彳( 吒，乞，占，G ，) 成 正比例，其中吒为表面高度偏差，之为表面相关长度，G ，为天线增益。I C F 的 相关时间可以看作此高斯函数的二阶矩【4 5 1 ： 砟= 磊l -

6、 z = 熹南 ( 2 - 3 1 ) P 一一一 I 二- j 工- 一 2 后a - - s i n 占万s i n 占S 玩V 、一。- ， 可以看出，知依赖于表面相关时间，有效波高的比值以及电磁波长。 2 3 2 3I C F 相关函数时间宽度和有效波高s W H 的关系 在远海海域，海浪可以充分生长，因此可以根据海浪谱推导海面相关时间 和有效波高s 孵之间的关系式。S o u l a t 4 5 1 基于E l f o u l l a j l y 等提出的统一海浪谱推 导了。和S W H 之间的关系式，是一个半经验公式。 假设表面相关时间是有效波高的函数，并定义有效相关时间为： 印-

7、 - z p s i n f = f ( S W H ) ( 2 3 2 ) 根据E l f o u h a i l y 在1 9 9 7 年提出的统一海浪谱，得到L 和S W H 之间的线性关系 式为： 乞= a s + 玩* S W H( 2 3 3 ) 式中q 和6 1 分别为适应实际测量地点的参数。这个关系式表明证明与波龄无 关，利用上述结论和假设得到如下关系式： 印2 丽a s + 吃) ( 2 - 3 4 ) 为了更准确的适应深海数据，设定S W H 偏移参数S W H o 和R 度参数7 ，得 蛩I ： s 聊娟吼+ 7 志 ( 2 - 3 5 ) 2 7 南京信息工程大学硕士学

8、位论文 在风区不够大而且海床低的海域，海浪不能充分生长，用海浪谱推导有效波高 与相关时间之间的理论关系就很困难，可利用数据拟合一个经验模型。 由于D C F 测量有效波高的方法仅适用于开阔海域，近岸G N S S - R 探测试验采 用的是第二种I C F 干涉复数场测量有效波高的方法。 第三章外场试验和结果分析 第三章外场试验和结果分析 3 1 试验环境及过程 3 1 1 试验位置选取 G N S S R 探测海风海浪系统站的选址遵循以下原则： ( 1 ) 海域观测条件良好 G N S S R 探测海风海浪原理是利用接收机接收的直射信号和反射信号之间 的差异来提取海风海浪信息，要求天线位置距

9、离海平面具备一定高度，例如安 装在海岛的建筑物、海上平台或风塔等上面，以保证与海面之间的高度差，并 且能接收到尽量多海面反射的卫星信号。因此在选址时尽量选择观测条件良好 的海域。 ( 2 ) 海域具有其他观测手段 作为一种新兴的遥感手段，G N S S - R 探测海风海浪反演算法需要有实测数据 的验证，因此要求观测海域具有其他观测手段，以提供丰富的比对源数据，例 如浮标、自动气象站等，以提供海面或岸边实测的海风、海浪等观测数据。 ( 3 ) 需求牵引原则 根据沿海各省市的需求和投入，选择重点经济区、台风路径、航道等海域进 行重点建设，使观测资料能够有效满足重点经济区、重要航线的预报需求，改

10、善对台风路径中气象要素的观测，为海上天气预报提供有效观测资料，为气候 预报预测积累资料，使项目效益快速发挥。 广东省集中了多家海洋科研院所，海洋观测条件较好，前期在多个项目的支 持下，建设了大型浮标观测系统，对海洋气象观测有较多需求，广东茂名的博 贺海洋气象试验基地和亚运会海上项目基地汕尾红海湾是比较理想的地点。 南京信息工程大学硕士学位论文 3 1 2 设备的安装 G N S S R 海风海浪探测系统主要由室外天线塔与室内G N S S - R 反射信号接 收机两部分组成，其中室外天线塔的架设，室外天线与室内G N S S 反射信号接 收机的连接电缆及室内电缆的布设，以及天线塔与相应设备的防

11、雷措施等的设 计与建设，是保证系统能够在恶劣天气条件下正常工作的一个充分必要条件。 ( 1 ) 室外天线塔的架设 室外天线塔的架设主要是选取合适的地点，对塔高提出一定的要求，选 择具有铁塔设计资质的相关单位进行专业设计，并由具有铁塔制作和安装资质 的单位进行安装。 考虑到反射信号的接收俯仰角问题，建立在岸边的用于接收导航卫星直 射与反射信号的天线塔的高度拟设计为3 0 米，建设位置应尽可能位于气象站的 附近，距离不超过1 0 0 米，距离海边不超过2 0 米。 由于铁塔位于海边相应位置，因此要求设计单位设计的铁塔应具有抗1 2 级台风的需求，同时在抗震设计方面也要满足国家相关要求。 天线塔顶部

12、要建立一个安装并利于工作人员检测G N S S 反射和直射信 号接收天线的平台，在平台上固定两根镀锌天线杆分别用来固定直射和反射信 号接收天线，天线固定杆的长度要大于1 5 米，天线固定杆与天线塔之间的固定 要采用焊接的方式，具有良好的接触，并满足避雷的要求。天线固定杆上要有 方便的避雷接地极，方便避雷接地的连接，天线的放置要处于避雷针4 5 度保护 范围之内。 天线方位角的设定必须要符合系统设计要求，最大允许偏差要小于5 度， 天线俯角设定必须要符合系统设计要求，最大允许偏差要小于l 度。 ( 2 ) 室内外电缆布设工程 电缆布设要选择具有资质的相应公司进行设计施工。 由于室外天线到室内G

13、N S S 反射信号接收机一般距离较长，因此在电缆 布设时要尽量走直线。 第三章外场试验和结果分析 室外电缆与天线连接位置在制作时不能划伤馈线外的导体，馈线内芯不 能遗留有任何物质，同时要安装密封橡胶圈。 电缆在布设过程中要利用线卡固定，线卡间距在竖直方向上要小于l 米， 在水平方向上要小于2 米。在距电缆与天线连接位置2 0 厘米范围内不要使用线 卡，安装完成后电缆表面不能留有划伤和明显扭曲。铁塔平台上的电缆要缠绕 平台的一边下线。 电缆拐弯进入室内时要留有防水弯，防水弯的半径一定要大于电缆规定 的最小转弯半径。 电缆在布设过程中一定要设有防雷接地。在电缆与接地线连接处要用防 水胶泥和防水胶

14、布做密封防水处理，放置雨水渗入。 ( 3 ) 天线塔及系统设备的防雷设计与建设 为防止所建设室外天线塔进出站的缆线引入雷害，达到确保气象站构筑 物、站区工作人员的安全，以及站内各种监测及通信设备的安全和正常工作， 需要具有相关资质的设计与施工单位进行系统设备的防雷设计及建设工作。 此项工作对于站内各种设备的防雷与接地设计，对于改建、扩建气象站 的防雷与接地设计亦可参照执行；对气象站的综合防雷与接地设计可按通信 局( 站) 接地设计暂行技术规定Y D 2 6 - - 8 9 执行。 由于气象站引入雷害的途径多并且遭受雷害机率高，所以气象站的防雷 与接地应进行全方位的综合治理。采取泄放、消峰、均压

15、等电位的联合接地设 计原理，全面系统地做好气象站的防雷与接地设计。 为气象站供电的电力电缆及其它进出缆线( 包括室外G N S S 直射与反射 接收信号天线与室内G N S S 反射信号接收机之间的连接电缆等) 必须具有金属 外护层或穿金属管道，并埋设于地下。 海风海浪探测系统各设备及供电设备的正常不带电的金属部件均应作 保护接地，其接地线截面积应不小于3 5 平方毫米，材料为多股铜线。 室外天线与室内接收机之间的电缆金属护套在入站处应作保护接地，电 缆内芯线在进站处应加装保安器，电缆内的空线对亦应作保护接地。站区严禁 3 l 南京信息工程大学硕士学位论文 布放架空缆线。 气象站内的电缆走线应

16、每隔5 米作一次接地。走线架、吊挂铁件、机架 ( 或机壳) 、金属通风管道、金属门窗，以及其它金属管线，均应良好接地并相 互妥善连通。 室外G N S S 反射及直射信号接收天线的馈线及塔顶航空障碍信号灯馈 线的金属外护层，应在顶端及进入室内入口处的外侧就近接地。经走线架上塔 的天线的馈线，应在其转弯处上方0 5 1 米范围内作良好接地；在进入室内入 口处应与地网就近引出的接地线妥善连通。塔灯控制线的每根相线均应在室内 入口处分别对地加装氧化锌无间隙避雷器，零线直接接地。 室外G N S S 直射及反射信号接收天线应在避雷针保护范围内。避雷针与 引下线应可靠焊接连通，引下线材料为4 0 毫米X 4 毫米镀锌扁钢。引下线在地 网上连接点与接地引入线在地网上连接之间的距离宜不小于1 0 米。 当室外G N S S 直射及反射信号天线铁塔位于气象站房屋旁边时，铁塔地 网与气象站地网之间，应每间隔3 5