基于船载微波遥感技术的海浪和溢油反演研究

摘要

随着世界航运的发展和溢油等海上污染事故的时有发生，有效获取船舶航行有效波高等海洋动力环境要素和溢油分布等突发海上污染信息，对保障海上交通安全和海事应急监管十分重要。而基于船载平台的微波传感器系统可弥补其他遥感监控平台在空间延展性、时间连续上的不足，在海上环境信息监测（尤其是远洋重点航线）领域具有特殊意义。故针对微波遥感技术的独特优势，以及海上探测传感体系在船载平台的创新性需求，本文选取了X波段航海雷达和GNSS-R新兴微波遥感技术，探究了二者在船载平台下的海浪及溢油信息反演。
　　在海浪信息反演方面，本文利用育鲲轮，设计了国内首次基于GNSS-R和X-波段航海雷达的船载有效波高测量实验。利用实测X波段航海雷达图像和GNSS-R信号作为有效数据源，采用海浪谱信噪比方法和干涉复数场相关时间算法，反演海浪有效波高信息。测量实验发现，二者具有很强的一致性，平均偏差和均方根误差均可达到测量需要，最终验证了船载平台下GNSS-R有效波高测量的可行性。
　　在溢油信息反演研究中，本文通过构建噪声判断图像，设置新滤波邻域窗口，提出了一种改进的自适应中值滤波算法，对大连“7.16”溢油事故中的X-波段航海雷达图像进行了同频干扰噪声消除;并为抵消回波信号随距离的增加而严重衰减的问题，提出了一种有效的雷达回波功率衰减校正方法，通过对同时段多幅雷达图像进行统计拟合，在去除雷达回波背景功率的基础上获得溢油区域，并与该海域同时段获取的热红外数据进行了对比验证。而在GNSS-R溢油反演方面，国外学者只研究了星载条件下的相关理论，而国内在该领域尚处于空白，本文通过探究船载镜面反射点和海面均方坡度模型，构建了船载GNSS-R海面双基散射几何模型，运用雅克比行列式方法等构建了GNSS-R延迟多普勒图像生成算法，利用航海雷达溢油图像生成溢油延迟多普勒图像，通过与同条件下的干净海面进行对比，分析延迟多普勒图像中信号特征与溢油信息耦合关系，以及不同风速下的溢油信息提取效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 X-波段航海雷达遥感技术研究现状

1．3．2 GNSS-R海洋遥感技术研究现状

1．4 论文主要研究内容及结构安排

1．5 本章小结

第2章 航海雷达和GNSS-R海洋微波遥感理论基础

2．1 航海雷达遥感理论基础

2．1．1 雷达微波遥感散射特性描述

2．1．2 布拉格散射

2．1．3 雷达回波调制机理

2．1．4 影响海面雷达回波特性的因素

2．2 GNSS-R海洋遥感理论基础

2．2．1 GNSS-R海洋遥感技术特点及优势

2．2．2 GNSS-R几何结构

2．2．3 菲涅尔反射系数

2．2．4 GNSS直射信号数学描述

2．2．5 GNSS反射信号数学描述

2．3 本章小结

第3章 基于船载微波遥感技术的海浪信息反演

3．1 海浪信息反演基础

3．1．1 海浪谱模型

3．1．2 海面有效波高

3．2 基于航海雷达的有效波高反演算法

3．2．1 雷达图像时间序列

3．2．2 雷达图像波数频率谱估计

3．2．3 基于色散关系的图像谱带通滤波

3．2．4 建立调制传递函数

3．2．5 基于信噪比的有效波高反演

3．3 基于GNSS-R的有效波高反演方法

3．3．2 干涉复数场信号特征

3．3．3 干涉复数场函数的相关时间

3．3．4 干涉复数场相关时间与有效波高反演关系

3．4 基于航海雷达和GNSS-R的船载有效波高测量实验

3．4．1 实验设备及条件

3．4．2 有效波高反演过程

3．4．3 实验结果分析

3．5 本章小结

第4章 基于X-波段航海雷达图像的溢油信息反演

4．1 航海雷达溢油反演原理

4．2 X波段航海雷达数据采集

4．3 X-波段航海雷达图像预处理

4．3．1 雷达图像裁剪

4．3．2 改进的自适应中值滤波算法

4．4 X-波段航海雷达图像溢油信息提取

4．4．1 基于回波统计的功率衰减校正方法

4．4．2 溢油信息提取

4．5 与热红外传感器数据的验证分析

4．6 本章小结

第5章 基于船载GNSS-R的海面溢油信息反演方法研究

5．1 基于GNSS-R的溢油信息反演原理与研究现状

5．2 GNSS-R海面双基散射区域特性分析

5．2．1 基于Kirohoff近似几何光学极限的双基前向散射模型

5．2．2 等延迟区域

5．2．3 等多普勒线

5．3 船载镜面反射点位置估算

5．4．1 海面归一化双基雷达截面

5．4．2 溢油海面均方坡度模型

5．4 溢油海面散射特征建模

5．5 基于船载GNSS-R的延迟多普勒图像生成算法

5．5．1 基于雅克比行列式方法的空间域-延迟多普勒域转化

5．5．2 构建船载散射模型几何结构

5．5．3 约束最小二乘算法图像复原

5．6 船载溢油延迟多普勒图像生成与分析

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 研究展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

攻读学位期间参加的科研项目

致谢

作者简介