基于阵列GPS反射信号的海浪多参数反演方法研究

Aiming at the limitation that GPS-R technique only estimates significant wave height using only single reflection, the project is focused on the research on the delay-doppler characteristics and model of array GPS reflections from sea surface, and establishes the model and algorithms of estimating wave direction, wave period and significant wave heights based on array GPS reflections which may improve the estimation accuracy. Based on radar system theory, the characteristics of signal correlations of GPS C/A code, the scattering characteristics of GPS signals, the relation of array GPS reflections with wave directions, wave period and significant wave heights is modeled. With the assisted information of direct GPS signals, the method of delay-doppler mapping of array GPS reflections is investigated. The model and algorithms of estimating wave direction and wave period using single reflection is researched, and then the multi-parameter estimating model and algorithm using array reflections is established. Preliminary estimating software is developed as well, integrated with significant wave height estimating method. Finally, an experiment is carried out to validate the results. The research results of this project would have significant academic value and important strategic significance for new technology research and new equipment manufacture of ocean monitoring, the applications to Beidou Navigation Satellite System and other application fields.

针对当前GPS-R技术仅用单个反射信号反演有效波高一个参数的不足，本项目通过研究阵列GPS海面反射信号的时延-多普勒成像特性及其模型,建立阵列GPS海面反射信号反演波向、波周期和有效波高参数的模型和算法，并提高反演精度。基于雷达系统理论和GPS信号C/A码相关特性，结合GPS信号海面散射特性，建立阵列GPS海面反射信号与波向、波周期和有效波高之间的数学模型；利用直射信号的辅助信息，研究阵列GPS海面反射信号时延-多普勒特征成像方法；研究单个GPS反射信号反演波向和波周期的模型和算法，建立阵列GPS海面反射信号反演海浪的多参数反演优化模型和算法，验证有效波高反演方法，研发基于阵列GPS海面反射信号的海浪参数反演软件，并进行实验验证。其研究成果对海洋观测新技术研究和新装备制造，及其在我国北斗系统中的应用等扩展领域，都具有明显学术价值和重要的战略意义。

项目围绕岸基阵列GPS海面反射信号的时延-多普勒-功率信息提取及波浪参数反演的方法和理论进行了深入的研究，各项研究内容均已完成，截止2015年12月31日，项目负责人和课题组成员已发表与本项目相关的论文9篇，申请专利8项，其中授权5项。项目经过三年的研究，取得了以下主要成果：.(1)、深入研究了微弱GPS反射信号处理方法，并结合小麦岛实测数据对相干积分、非相干积分算法的性能进行了研究和评估，结果表明相干积分算法的处理增益最高，但处理时间较长且受导航数据位跳变的影响；非相干积分算法具有计算速度快、不受导航数据位的影响，但存在平方损失。鉴于散射信号及其微弱及GPS-R技术特点，且随着计算技术的发展，认为相干积分是最好的选择。.(2) 针对GPS海面反射信号信号特征提取问题，提出了基于直射信号辅助的微弱GPS反射信号处理算法，并给出了实测数据处理的结果，表明该算法不但可以减小频率和码相位的搜索范围，提高运算速度，还能预测反射通道的导航数据位的符号，从而克服导航数据对相干积分的限制，因此可以进一步的延长相干积分时间来处理更加微弱的GPS信号。同时给出了时延-功率波形提取方法和时延-多普勒(DDM)方法。.(3)、深入系统的研究了Elfouhaily海谱模型以及Soulat给出的复相干场模型，并针对项目的具体应用需求对该模型进行了改进，建立了适于利用GPS反射信号遥感反演有效波高、平均波周期和波向的理论模型。同时提出了基于GPS-R技术的波浪反演方法。.(4)、利用实验数据分析了海面反射信号特征，统计分析了反射信号特性，结果表明反射信号特征提取方法是可行的、有效的，两次连续测量的反射信号变化有90%的概率超过6 dB，为下一步工程样机的研制奠定了基础。.(5)、提出多波浪参数反演的方法，建立了最小二乘评价准则。通过对15组有效数据的反演结果进行分析，结果表明，有效波高反演结果的均方误差为0.1m，平均波周期反演结果的均方误差为0.61s。