导航卫星反射信号的海冰特征模拟与分析

预防在我国北方寒冷冬季发生的海冰灾害,需要加强海冰的监测能力。作者为了探讨导航卫星反射信号监测海冰的能力,依据导航卫星反射信号的电磁波理论,尝试性地用FORTRAN90语言开发了模拟海冰反射信号的软件工具。本软件能够分析不同介电常数、不同介质厚度和不同卫星高度角下的海冰的反射信号特征。而且,为了验证模拟实验结果的可靠性,作者在天津海岸开展了1周的反射信号的海冰观测试验。通过观测实验和模拟结果对比分析,验证了反射信号模拟软件具有模拟海冰反射信号的能力。作者认为模拟软件可以用于解释观测试验数据的一些不确定性问题。     

基于GPS信噪比数据观测海平面变化研究

近年来,GPS-R技术已发展成为一项监测地球环境变化的新技术。首先推导了GPS-R技术观测海平面变化的原理公式,接着描述了利用GPS信噪比(SNR)数据反演水位变化的处理流程,最后利用IGS站SC02的数据,基于自主研发的数据分析软件,反演了该站长达14年的海平面变化时间序列。通过与该站附近的验潮站数据进行对比,两者表现出很好的一致性,相关系数高达0. 96,两者较差的RMS为8cm。研究结果进一步验证了基于GPS信噪比数据监测海平面变化的可行性和可靠性。     

基于SMAP卫星雷达资料的海冰检测技术

利用SMAP卫星雷达资料与美国国家冰雪数据中心(NSIDC)发布的近实时逐日极区网格化海冰密集度数据建立匹配数据集,分析了海冰和海水的L波段雷达后向散射特性差异,建立了基于线性判别分析算法的海冰检测算法。选择Sentinel-1A SAR极地地区的海冰影像对SMAP卫星雷达资料海冰检测产品进行实验验证,结果显示二者的海冰边缘线一致,说明SMAP海冰检测算法具有较高的精度。利用SMAP卫星雷达资料制作了北极和南极地区海冰覆盖图,计算了海冰覆盖面积,通过与美国国家冰雪数据中心(NSIDC)海冰覆盖面积比较发现,SMAP检测的北极地区海冰面积略大于NSIDC,相对偏差为3.3%,SMAP检测的南极地区海冰面积略小于NSIDC,相对偏差为1.8%,表明二者的覆盖面积基本一致,证实了SMAP海冰检测算法的精度。     

GPS卫星反射信号增强技术研究

本文根据GPS卫星反射信号在海洋参数测量、无源雷达目标探测以及大地测绘中的应用,从天线接收、信号处理运算和多路径信号抵消角度,详细地研究了GPS卫星反射信号增强技术,给出了相应天线和电路结构及信号处理方法,并进行了计算机仿真,结果表明所提出的技术能增强GPS卫星反射信号。     

GPS反射信号的海洋应用

本文描述了全球定位导航系统(GPS)的在海面的反射信号在海洋领域的应用，同时建立了利用GPS前向散射信号测量海面粗糙度和海面地形(Topography)的反演算法；海面粗糙度与风速和风向有直接的关系，回波功率的前缘形状及时延与海面地形相关；利用卫星主动雷达和国外机载数据的结果分析比较表明，GPS反射计作为遥感工具有两个优点：即比传统微波主动雷达高的空间分辨率和快速的时间分辨率。     

基于Argo浮标的南极海冰范围变化分析

南极海冰的生消冻融与全球气候变化息息相关,多年以来受到国际社会的高度关注。目前已有诸多关于南极海冰范围变化的研究,但大部分是基于卫星遥感影像来展开分析。Argo观测网遍布全球各大洋,为海冰范围研究提供了一种新的思路,即根据浮标GPS点的南部边界推算南极海冰边界,由浮标的年、月累积数据得到南极海冰范围的年际、月际变化规律。对于这种研究思路提出了三种实现方法:(1)绘制专题图,可以清晰直观地看到南极海冰在2—9月间的生消变化情况;(2)利用南极附近浮标GPS点数量占全球比例的变化情况来分析海冰变化规律,在月际变化趋势上与影像数据一致,在年际变化上稍显不足;(3)使用点密度分析方法估计海冰边界,建立基于浮标GPS点密度的海冰-海水分界模型,可得到南极海冰范围变化规律的定量分析结果。浮标数据与影像数据互为补充,可为全球气候变化研究提供更多参考。     

适用于Ku波段雷达高度计海冰干舷高度反演的积雪校正方法

工作在Ku波段的Cryo Sat-2和Sentinel-3A合成孔径雷达高度计是当前最先进的高度计。由于雷达回波信号的实际时间跟踪点较预设的时间跟踪点总发生偏移,而且Ku波段波长短,进行海冰探测时易受雪层干扰,造成雷达信号主散射面由海冰表面上移至雪层内,这两个因素都影响着海冰干舷高度的反演精度。针对这些问题,本文首先确定了Cryo Sat-2与Sentinel-3A雷达高度计反演北极海冰干舷高度的最优波形重跟踪阈值组合,然后分析了这两个Ku波段雷达信号的雪层穿透系数,发现Ku波段高度计的主散射面受雪层的影响显著,会高估海冰干舷高度。基于此,文中提出了一种改进的积雪校正方法,并以机载Operation Ice Bridge(OIB)为验证数据,将本文提出的方法与通用积雪校正法和欧洲空间局(European Space Agency,ESA)海冰干舷高度产品进行了对比验证。实验结果表明,本文提出的方法能够有效估计Ku波段电磁波穿透海冰表面积雪深度的比例系数,显著校正了通用积雪校正方法存在的高估海冰干舷高度的问题,提高了海冰干舷高度的估算精度。     

渤海海冰现场监测的数字图像技术及其应用

在渤海冰区油气开发中,海冰给平台结构、油气运输和施工作业带来很大影响.油气作业区海冰参数精确、连续、实时的现场监测对分析油气开发的可靠性、检验海冰数值模式、校正海冰卫星遥感数据具有重要意义.针对渤海油气作业区的海冰运动和分布特性,通过数字图像技术对海冰的厚度、运动速度和密集度三个参数的提取进行了算法开发和软件研制.在2...     

基于温度剖面特性的2016年南极普里兹湾海冰厚度变化分析

2016年4月至11月在南极中山站普里兹湾布设了A1、A2、A3 3套冰雪情检测传感器。传感器每隔1 h采集一次数据,实时获取了被测点空气、积雪、海冰和海水的剖面温度数据。通过对不同介质剖面温度的分析,系统可以有效反映出海冰、积雪在气温影响下的温度变化差异,即空气、积雪、海冰和海水的热传导特性差异。通过寻找合理的温度阈值,编写MATLAB程序分别对积雪、海冰上下界面位置进行了自动判断,从而得到整个观测期间海冰厚度和积雪深度的变化过程。并与人工观测进行比较,结果表明:从传感器安装时间开始,海冰持续增长,10月开始海冰增长速度放慢,直至10月末达到最大海冰厚度170 cm左右。A1、A2、A3传感器采集的冰厚值与人工观测值之间平均误差分别为5.1 cm(A1)、3.4 cm(A2)、3.6 cm(A3);积雪深度的平均误差分别为3.2 cm(A1)、3.5 cm(A2)、2.7 cm(A3),传感器测得的积雪、海冰厚度结果可以较好的反映出被测地点冰雪情的演变过程,是一种可以应用于条件恶劣地区的冰雪环境有效检测手段。     

基于HY-2A/SCAT数据极地海冰检测方法研究

本文基于HY-2A/SCAT数据,采用贝叶斯算法、线性判别算法、支持向量机算法、基于主成分分析(Principal component Analysis,PCA)的BP神经网络算法对极地地区的海冰进行检测,并将检测结果与SSMIS海冰密集度数据进行比较。结果表明:四种检测算法得到的海冰边界介于SSMIS 0%～30%海冰密集度边界之间。在高风速条件下,海冰和海水的后向散射特征区分不明显可能造成冰水误判,以2013年9月16日北极海冰检测为例,贝叶斯算法检测结果误判最少,其次为基于PCA的BP神经网络算法,线性判别和支持向量机两种算法误判率较高。考虑到检测算法的运行效率和冰水误判率,选择贝叶斯算法和支持向量机算法进行海冰面积的季节趋势分析,两种算法得到的海冰面积变化趋势都能反映季节性变化,且在海冰生长季支持向量机算法探测的海冰面积与SSMIS 15%密集度海冰范围保持较好的一致性。     

Study on the New Methods of Ship Object Detection Based on GNSS Reflection

This paper presents a study on the new methods of ship object detection based on GPS-R correlation power spectra. Both the principle and the algorithms for recognition are given in detail. The architecture of Doppler Delay Mapping Receiver (DDMR), signal-processing chain, and correlation power spectra discriminant of the reflected signals from the ship object are discussed. Real-time data collection campaigns were done near the sea at Sanya with the Doppler delay mapping receiver mounted on an airplane. Some preliminary experiment results show that the DDMR could work well and can be used in ship object detecting.     

星载SSM/Ⅰ微波遥感渤海海冰的辐射特征分析

根据我国渤海区域星载微波遥感ＤＭＳＰＳＳＭ／Ｉ１９９４～１９９６年的观察数据的研究,指出现有的星载微波遥感海冰的数据标定和验证ＴＢＩ和ＯＳＩ算法是不适用的。用２２和８５ＧＨｚ的散射指数ＳＩ和１９ＧＨｚ的极化指数ＰＩ,讨论了渤海区域海冰的主要辐射特征,用矢量辐射传输理论数值模拟了ＳＩ、ＰＩ与海冰覆盖及其厚度变化的定量关系,用ＳＩ－ＰＩ图规划了渤海区域性海冰的识别方法,给出了渤海海冰的空间分布及其辐射特征的时间序列变化。     

Monitoring regional sea ice of China's Bohai Sea by SSM/Iscattering indexes

The Specific Sensor Microwave/Imager (SSM/I) data over China's Bohai Sea from 1993 to 1996 has been studied. Some empirical algorithms of data calibration/validation for sea ice, such as the method of the Atmospheric Environment Science/York University temperature brightness index (AES/YORK TBI) and ocean scattering index (OSI), are not well applicable to detection of regional sea ice such as the midlatitude Bohai Sea area. This paper presents a method of the scattering index (SI) and polarization index (PI) to identify regional Bohai Sea ice. Numerical results of vector radiative transfer for a model of a layer of sea ice over ocean simulate the relationship between SIs/PIs and sea ice depth and other variations. It is employed to categorize the graph of SIs/PIs for detection of sea ice     

Landsat-8 与GF-1 卫星渤海海冰探测能力对比研究

为更有效地利用Landsat-8和GF-1卫星进行渤海海冰监测,从海冰检测和海冰类型识别两方面,开展Landsat-8与GF-1卫星的渤海海冰探测能力对比分析研究。实验研究表明,在海冰检测方面,GF-1区分海冰与海水的能力强于Landsat-8;在海冰类型识别方面,Landsat-8识别海冰类型的能力要强于GF-1影像。初步讨论了综合利用Landsat-8与GF-1卫星监测渤海海冰的方案。     

基于混合损失U-Net的SAR图像渤海海冰检测研究

渤海是我国重要的经济区,海冰灾害严重威胁着人类生产活动。合成孔径雷达具有全天候成像能力,研究渤海区域的SAR图像海冰检测具有重要意义。传统海冰检测方法受限于特征提取方法和建模方式,检测精度有待提升。深度学习具有极强的特征自学习能力,适用于图像检测问题。本文基于深度学习框架U-Net,以Sentinel-1双极化（VV和VH）合成孔径雷达图像为输入信息,设计混合损失函数优化传统U-Net模型,形成了基于混合损失U-Net的渤海海冰检测模型。将本文模型与传统海冰检测方法[脉冲耦合神经网络（PCNN）、马尔科夫随机场（MRF）和分水岭算法]和基于深度卷积神经网络（CNN）的深度学习方法进行了对比。实验结果表明:本文基于混合损失U-Net的海冰检测模型在重叠度、F1分数、精确度和召回率4项度量指标上分别达到了97.567%、98.769%、98.767%和98.771%,检测效果明显优于对比方法;双极化信息输入的检测结果比VV单极化输入的检测结果在F1分数、精确度、召回率和重叠度上分别提高了0.375%、0.111%、0.639%和0.740%;混合损失函数的检测结果比非混合损失函数的检测结果在F1分数、精确度、召回率和重叠度上分别提高了1.129%、0.947%、1.794%和2.231%;模型能对冰水沿线、冰间水道、冰间隙等细节进行有效检测;可应用于渤海区域整幅SAR图像的海冰检测,为海冰监测、海冰变化分析、海冰预报提供技术支撑。     

Monitoring regional sea ice of the Bohai Sea by SSM/I scattering index

ＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｒｅｇｉｏｎａｌｓｅａｉｃｅｏｆｔｈｅＢｏｈａｉＳｅａｂｙＳＳＭ／ＩｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｉｎｄｅｘＪｉｎＹａｑｉｕ（ＲｅｃｅｉｖｅｄＪａｎｕａｒｙ６,１９９７;ａｃｃｅｐｔｅｄＭａｒｃｈ３０,１９９７）Ａｂｓｔｒａｃｔ──ＳＳＭ／...     

Monitoring regional sea ice of the Bohai Sea by SSM/I scattering index

SSM/I data on the Bohai Sea of China from 1994 to 1996 have been studied.The sea ice algorithms of calibration/validation such as the brightness temperature index [AES/YORK TBI (Hollinger et al.,1992)] and ocean scattering index [OSI (Ferraro et al.,1996, The Bulletin of the American Meteorological Society, 77(5), 891-905)] are not applicable to the detection of regional sea ice of mid-latitude Bohai area.This paper presents a method of the scatfeting index SI and polarization index PI to identify regional Bohai Sea ice.Numerical results of vector radiative transfer for a model of a layer of sea ice over ocean simulate the relationship between SI/PI and sea ice depth, and others.It is employed to categorize the SI/PI indexes for the detection of sea ice.     

MODIS渤海海冰遥感资料反演

鉴于渤海海冰监测和预报对海冰卫星遥感数字化产品的迫切需求,本文利用MODIS的1B级数据进行渤海海冰参数反演,提供海冰遥感图像和海冰密集度、冰厚数值产品,作为渤海海冰监测和海冰数值预报初始场的重要信息来源,以及海冰预报质量检验的参考依据之一。反演结果表明,其各通道对海冰性质有很好的反映,资料信号比较稳定,对不同密集度和厚度的冰有较好的区分,相对NOAA/AVHRR和HY-1A资料有更好的实际应用价值;Terra/MODIS和HY-1A/COCTS海冰遥感反演结果对比也为HY-1A系列卫星海冰遥感的改进和提高提供有益的启示。