基于单个左旋圆极化天线的海面风速反演方法及设备与流程

本发明涉及大气科学与遥感应用领域，尤其涉及一种基于单个左旋圆极化天线的海面风速反演方法、系统及设备。

背景技术：

1、海面状况是由风浪和涌浪引起的海面外貌特征，是对风力产生和海洋涌浪强度的统计描述，从海岸到海上的基础设施设计安全等许多领域都需要它。因此，准确监测海况对海洋灾害预警、海洋经济快速发展和海上运输安全具有重要意义。海况通常以距离海面十米高度的风速或者swh(significant wave height)来作为参数。风速和swh的传统测量方式都是通过气象站和浮标。近几十年来，如高度计、散射计、合成孔径雷达等基于微波的遥感技术得到广泛推广。这些仪器装备在卫星上时对于监测全球范围内的海面风速和swh起到重要作用，但由于时空分辨率较低，故难以检测沿海地区。此外，由于成本和功率较高的原因，也难以安装在岸上提供现场观测。

2、随着空间技术的发展，越来越多来自导航、通信和遥感卫星的电磁波进入空间，并且产生一些次生应用。此类技术只有接收机，具有成本低、功率小等优点，正在迅速发展并显示出了巨大潜力。gnss-r(global navigation satellite system-reflected)就是此类技术的一种典型。目前已用于测风速、swh、海面高度、海冰、土壤湿度、植被、积雪深度等，正在成为一项覆盖全球观测地球参数的成熟技术。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

2、为此，本发明的目的在于提供一种基于单个左旋圆极化天线的海面风速反演方法及设备，其不仅能够解决有源遥感设备成本过高、功率过大的问题，并进一步降低现有gnss-r接收机方法的处理复杂度、成本以及功耗。

3、为实现上述目的，本发明第一方面的技术方案提供了一种基于单个左旋圆极化天线的海面风速反演方法，包括以下步骤：

4、利用lhcp反射天线接收经海面反射的卫星反射数据；

5、对接收到的卫星反射数据进行预处理；

6、基于非相干平均时间计算预处理后的卫星反射数据的观测值iap；

7、基于经验模态分解算法导出观测值iap的交流分量aiap；

8、根据交流分量aiap的相干时间平均值，计算出对海况敏感观测值的相干时间以及频谱宽度；

9、根据相干时间以及频谱宽度结合海面风速真值建立海面风速反演模型。

10、在上述技术方案中，优选地，卫星反射数据表示为：

11、srr(t)＝sr(t)+nt(t)+nra(t)；

12、

13、其中，srr(t)为带噪声的卫星反射数据，nt(t)为接收机热噪声，nra(t)为热噪声，sr(t)是所有散射单元的散射信号的积分；g(r)为lhcp天线在散射单元r处的增益；rts(r)和rrs(r)是gnss卫星和接收机到散射单元的几何距离，j是虚部，k信号波数，e是自然常数，f是信号频率，t是时间，a是伪随机码，r是指离镜面反射点的距离，c是光速，dr是对距离进行积分。

14、在上述任一技术方案中，优选地，观测值iap表示为：

15、

16、其中，tinc为非相干平均时间，i(t1)为时刻t1的观测值iap，i(t1)由反射信号的平均功率、接收机噪声和天线噪声组成；假设接收机噪声和天线噪声仅由热噪声组成，则接收机噪声和天线噪声的功率可表示为kctrbr和kctrabr，其中kc为玻尔兹曼常数，tr和tra分别是接收机温度以及大气温度，br是接收机带宽。

17、在上述任一技术方案中，优选地，基于经验模态分解算法导出观测值iap的交流分量aiap，包括：

18、基于时间尺度的内涵模态函数对观测值iap进行分解，得到模态时序分量和残余时序分量，表示为：

19、式中，imfi(t1)是第i个模态时序分量，res(t1)是残差，n为模态时序分量的数量；

20、设置残余时序分量表示为ri(t)、第i个模态时序分量表示为hi(t)为时序的第i个模态分量，时序x(t)的具体分解步骤如下：

21、<1>初始化r0(t)＝x(t)，i＝1，j＝1；

22、<2>令hj(t)＝ri(t)；

23、<3>利用3次样条拟合hj(t)的上下极值点的包络线emax(t)和emin(t)，以及上下极值包络线的平均值m(t)；

24、<4>在时序分量hj(t)中减去m(t)得到新的时序分量hj+1(t)，并判断hj+1(t)是否满足内涵模态分量的条件，若满足则令hj(t)＝hj+1(t)，执行步骤<5>；否则令hj(t)＝hj+1(t)并重复步骤<3>和步骤<4>；

25、<5>从残余时序分量ri(t)减去第i个模态时序分量hi(t)得到新的残余时序分量ri+1(t)，判断ri+1(t)中是否存在两个以上极值，若是重复步骤<2>-<5>，否则结束分解；

26、分解结束后形成若干内涵模态分量以及一个残余分量，将若干内涵模态分量加在一起形成交流分量aiap。

27、在上述任一技术方案中，优选地，内涵模态分量的条件为：极值点的个数和零点的数量相等或数量相差最多为一个；且在任意时刻，由局部极大值点形成的上包络线和由局部极小值点形成的下包络线的平均值为零。

28、在上述任一技术方案中，优选地，根据交流分量aiap的相干时间平均值，计算出对海况敏感观测值的相干时间以及频谱宽度，包括：

29、相干时间定义为交流分量aiap的自相关函数的宽度，自相关函数可表示为：

30、γ(δt)＝＜aiap(t1)aiap*(t1-δt)＞；式中，δt为时间差；

31、根据归一化自相关函数的拟合高斯函数计算得到观测值相干时间，表示为：

32、式中，σz是海面高度的标准差，τz是海面相干时间，θ是卫星高度角；

33、根据aiap频谱函数的拟合高斯函数计算得到频谱宽度，表示为：

34、

35、其中为aiap的估计谱，hswh为海面有效波高，fpeak是谱峰值，λ是波长，f是频率。

36、本发明第二方面的技术方案提供了一种基于单个左旋圆极化天线的海面风速反演系统，包括：

37、lhcp反射天线，被设置为用于接收经海面反射的卫星反射数据；

38、射频前端模块，被设置为用于对接收到的卫星反射数据进行预处理；

39、信噪比处理模块，被设置为用于基于非相干平均时间计算预处理后的卫星反射数据的观测值iap；

40、分解模块，被设置为用于基于经验模态分解算法导出观测值iap的交流分量aiap；

41、海况敏感数据计算模块，被设置为用于根据交流分量aiap的相干时间平均值，计算出对海况敏感观测值的相干时间以及频谱宽度；

42、模型建立模块，被设置为用于根据观测值相干时间以及频谱宽度结合海面风速真值建立海面风速反演模型。

43、本发明第三方面的技术方案提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器上存储有计算机程序，处理器执行程序时实现如本发明第一方面的任一技术方案提供的海面风速反演方法的步骤。

44、本发明第四方面的技术方案提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现如本发明第一方面的任一技术方案提供的海面风速反演方法的步骤。

45、本发明提供的基于单个左旋圆极化天线的海面风速反演方法和设备与现有技术相比的优点在于：

46、1、本发明提出基于单个左旋圆极化天线的海面风速测量方法，没有较高的软硬件需求，成本较低，功耗较小，能够实现普遍性，便于在全球各地实时监测海面风速等反映海况的海洋参数；

47、2、本发明仅需要一个lhcp反射天线，故基带处理器只需由反射信道组成，且反射信道是基于非相干平均而不是相关。实现功能计算iap所需要的乘法器和累加器也远小于常规方法计算icf(interferometric complex field)所需，故算法复杂度也大幅下降；

48、3、使用经验模态分解的方法代替直流信号在消除发射功率、传播损耗和射频信道变化引起差异的参考作用，并且效果更加，去除差异更彻底。