论文总字数：23142字

摘 要

海水盐度是海洋学与气候学中十分重要的物理和化学参数，其变化对于海洋环流、气候变化以及碳循环都有不可忽略的影响。GNSS-R遥感技术近年来发展迅猛且能提供大量观测数据，能够满足我们对大范围、长时间海水盐度测量的需求。本文主要从GPS系统引出GNSS-R技术原理，并对目前已有的几种卫星微波遥感探测海水盐度的方法进行了简单介绍，最后采用GNSS-R卫星CYGNSS（Cyclone Global Navigation Satellite System）与SMOS（Soil Moisture and Ocean Salinity）卫星在相同时间、相同地点的数据进行海水盐度尝试性探测。分别建立均方斜率、归一化双基雷达截面、前缘坡度、风速与海面亮温、海水盐度的经验模型，发现风速具备一定的校正海面亮温的能力。并得出结论：CYGNSS观测数据能够有效估算海水盐度，其均方根误差为1.2941 psu，观测精度还有待提高。为了提高海水盐度探测精度，还需要考虑更多影响因素如大气辐射、接收机天线、法拉第旋转效应等。

关键词：海水盐度 GNSS-R 亮温 风速

Sea Surface Salinity detection of spaceborne GNSS-R

Abstract

Sea Surface Salinity is an important physical and chemical parameter in oceanography and climatology, and its changes have a non-negligible impact on ocean circulation, climate change, and carbon cycling. GNSS-R remote sensing technology has developed rapidly in recent years and can provide a large amount of observation data to meet our needs for large-scale, long-term Sea Surface Salinity measurements. This paper mainly introduces the principle of GNSS-R technology from GPS principle, and introduces several methods of satellite microwave remote sensing to detect Sea Surface Salinity and next, GNSS-R satellite CYGNSS (Cyclone Global Navigation Satellite System) and salinity satellites SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) data are adopted to complete Sea Surface Salinity tentative detection at the same time and location. The empirical models of MSS(Mean Square Slope),NBRCS( Normalized Bistatic Radar Cross Section), LES(Leading Edge Slope), Wind Speed and sea surface brightness temperature, and Sea Surface Salinity are established respectively. It is found that the Wind Speed has certain ability to correct the sea surface brightness temperature. And it is concluded that the CYGNSS observation data can effectively estimate the sea surface salinity, and the RMSE is 1.2941 psu, but the observation accuracy needs to be improved. In order to improve the accuracy of sea surface salinity detection, it is also necessary to consider more influencing factors such as atmospheric radiation, receiver antenna, and Faraday rotation effect.

Keywords: sea surface salinity; GNSS-R; bright temperature; wind speed

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 GNSS-R简介 1

1.2 GNSS-R发展过程与应用 1

1.3海水盐度探测意义与方法 2

1.3.1海水盐度探测意义 3

1.3.2海水盐度探测方法 3

第二章 GNSS-R基本原理与方法 5

2.1 GPS系统 5

2.2 GNSS-R技术 6

2.2.1 GNSS-R技术原理 6

2.2.2 GNSS-R信号特征 7

2.2.3 GNSS-R接收机 8

第三章 海水盐度探测 9

3.1 理论与相关模型 9

3.1.1 亮温模型 9

3.1.2 GNSS-R散射功率模型 10

3.2 L波段辐射亮温探测 10

3.3 L波段主被动联合探测 11

3.4 GNSS-R联合L波段探测 12

3.5 GNSS-R信号直接反演海水盐度 13

第四章 基于CYGNSS和SMOS卫星的海水盐度探测 14

4.1 实验数据 14

4.2 实验步骤 15

4.2.1 数据搜集 15

4.2.2 数据处理 19

4.2.3 经验模型的建立 20

4.2.4 基于CYGNSS和SMOS的海水盐度探测方法探讨 23

第五章 结论 28

参考文献 29

致谢 31

第一章 绪论

1.1 GNSS-R简介

经过多年的发展，组建多年的导航卫星系统GNSS逐渐成为国家空间信息基础设施建设的重要组成部分，具有覆盖面广、全天候工作、高精度和高自动化等特点。 GNSS不仅为移动用户提供准确的定位信息，导航信息和精确的授时服务，而且还发出极其稳定，可长期免费使用的L波段信号资源。随着对GNSS系统的深入研究，一些学者发现GNSS除了应用于导航、定位、测速和授时等方面外，其反射信号也可作为一种新的遥感手段被接收和利用，从而开辟了一个新的研究领域GNSS-R（GNSS-Reflectometry）^[1]。

GNSS-R遥感技术是把全球导航卫星发射的L波段信号当作信号发射源，把GNSS反射信号接收设备安装在地面、飞机、卫星或者其他一些平台上，通过接收从海洋表面、陆地表面或者其他移动物体反射的GNSS信号并对其进行加工处理，实现被测媒质的特征要素提取与移动目标探测的一种技术。根据接收机所处平台即地面、飞机和卫星各平台位置的差异，我们可以将GNSS-R遥感技术分为陆基GNSS-R、机载GNSS-R和星载GNSS-R。GNSS-R接收机除了可以接收GNSS直射信号外，还可以接收到反射的GNSS信号，该反射信号中包含着相应反射面的特征信息，具体说就是与该反射面的物理参数特性有关的反射信号波形变化、幅值变化、极化特征变化、相位变化和频率等参量的变化等^[2]。因此，对反射面物理特性的估计与反演可以从对GNSS反射信号进行接收处理和准确估计方面入手，运用相应的算法和模型就能达到预期目的。GNSS-R的基本技术特点就是充分利用现有的大量卫星导航定位信号，根据反射的导航卫星伪随机测距码或者载波信号，提取目标反射面特征，具有信号源多，应用面广，成本低等诸多优势。所以它迅速成为海洋遥感科学的一个分支方向，成为国内外导航定位技术领域以及遥感探测领域专家学者的研究重点。

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