【摘 要】
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海面高度变化对沿海城市的居民生产和生活产生了重要影响,因此,海面高度已成为监测海洋的重要参数之一。而利用全球导航卫星系统来监测海面高度变化是近年来新兴的监测方法。卫星信号经过反射面反射后,信号会发生部分变化,从而使卫星信号携带了反射面的一些物理信息,通过研究信号间的关系,可以将信号中的物理信息提取出来,这种技术即为GNSS（Global Navigation Satellite System,GN
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海面高度变化对沿海城市的居民生产和生活产生了重要影响,因此,海面高度已成为监测海洋的重要参数之一。而利用全球导航卫星系统来监测海面高度变化是近年来新兴的监测方法。卫星信号经过反射面反射后,信号会发生部分变化,从而使卫星信号携带了反射面的一些物理信息,通过研究信号间的关系,可以将信号中的物理信息提取出来,这种技术即为GNSS（Global Navigation Satellite System,GNSS）反射信号技术（GNSS-Reflection,GNSS-R）,而基于GNSS-R监测海面高度已成为研究热点。目前主要有基于信噪比数据干涉法测量、基于C/A码伪距测量、基于载波相位测量和基于载波频率测量4种测量方法。本文主要使用基于信噪比数据干涉法测量海面高度。由于本文采用单天线接收机采集信号,直射信号与反射信号会在接收机中发生干涉现象,生成一个新信号。根据GNSS-R的数学反演模型,海面高度的变化与信号中的频率相关。而生成的新信号中含有一个向上趋势项,该趋势项对反演海面高度没有任何作用,并且还会影响对信号频率提取的精度,本文提出利用小波变换算法去除趋势项。因为小波变换中的小波函数可任意伸缩性和平移,能较好地识别信号的局部特征。并且小波变换在对低频信号分离时不会丢失信号原有的高频信息,因此应用小波变换能有效地将生成的信号中的趋势项去除。基于干涉法测量海面高度,而海面高度变化与信号的频率相关,因此还需要从去除趋势项后的信号中提取出信号的频率,才能测量出海面高度。本文提出了改进Burg算法对信号进行功率谱分析,以提取信号中的频率。改进Burg算法对短数据分析时不仅分辨率高,而且能有效抑制峰值偏移或谱分裂现象,提高了谱分析精度。同时本文还应用瑞典Onsala空间天文观测站的GNSS接收机数据对海面高度进行反演,用距离接收机300m左右的验潮仪数据验证其反演的高度的正确性。最终证实基于改进Burg算法的反演误差相比于最小平方（Lomb-Scargle）谱分析法降低了20%,同时本文还对比了周期图法、自相关法、Burg算法三种功率谱分析,最终证实基于改进Burg算法功率谱分析反演误差最小,与验潮仪数据相关度可靠,反演出的有效高度点数较多,最接近实际测量值。本文主要研究内容如下:（1）阐述了基于GNSS-R的两种基本测高模型——平面反射模型和曲面反射模型,以及4种常用的海面测高方法——干涉法、C/A码伪距法、载波相位和载波频率法,并分别介绍了4种方法的测量原理以及优缺点。（2）详细介绍了GNSS-R基于信噪比数据干涉法测量海面高度的基本原理,以及针对本文介绍的干涉信号,对于信号的去除趋势项处理,本文提出小波变换算法去除趋势项。并详细介绍了小波变换原理,小波函数的选择以及小波离散变换时分解的层数选择,并通过实际数据选择了最优的小波函数和分解层数。同时还应用了最小二乘法与小波变换进行对比,证实了小波变换的去趋势效果优于最小二乘法。（3）去除信号中的趋势项后,根据建立的数学反演模型,海面高度与信号中的频率相关,因此需要将信号中的频率提取出来,以测量海面高度。本文提出采用改进Burg算法功率谱分析提取信号中的频率。详细介绍了改进Burg算法功率谱分析的原理,同时也介绍了常用的4种功率谱分析方法及每种方法的原理。为验证改进Burg算法谱分析的可靠性,应用了实际的接收机数据对该方法进行验证。首先介绍了实验数据来源,其次分别应用提出的算法处理实验数据得到反演高度,再将反演高度与实验场地附近水域的潮汐仪数据进行对比以验证反演得到的海面高度的正确性,最后再比较每种方法反演相同时间段内的信噪比信号的结果误差、反演的有效高度点数以及与验潮仪数据的相关度。
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