本發(fā)明涉及船舶航行環(huán)境感知技術(shù)，尤其涉及一種船載gnss-r(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射測量)極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測方法。

背景技術(shù)：

1、目前gnss-r作為全球?qū)Ш叫l(wèi)星在20世紀(jì)80年代發(fā)展起的新分支，通過gps、galleo、glonass、compass和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等上百顆gnss衛(wèi)星的海洋反射信號，為全球提供了覆蓋范圍廣、成本低、信號多源、高度穩(wěn)定、可長期使用的微波遙感信息，在海洋事故監(jiān)測等方面具有優(yōu)勢。當(dāng)gnss-r信號入射到兩種媒質(zhì)分界面時會產(chǎn)生透射和反射現(xiàn)象，這主要與gnss-r信號的波長、入射角、分界面的電特性及表面粗糙度有關(guān)。早期人們通過測量延遲多普勒圖(ddm)繪制了延遲多普勒域中表面散射系數(shù)的模糊圖像，提出了基于gnss-r星載接收機的海洋表面的成像技術(shù)，提高了海表面溢油的探測能力。2000年前后開始應(yīng)用空間積分方法(sia)從gnss-r信號中提取海面浮油探測散射系數(shù)的方法，提高了溢油監(jiān)測的精度。國內(nèi)學(xué)者大連海事大學(xué)李穎等人在多源衛(wèi)星遙感環(huán)境下，多次利用tm數(shù)據(jù)、modis數(shù)據(jù)和avhrr數(shù)據(jù)實現(xiàn)了溢油的識別和監(jiān)測。大連海事大學(xué)朱雪媛等人建立船載gnss-r雙基海面散射信息幾何模型，探索船載鏡面反射點和平均表面斜率(mss)模型，開發(fā)了基于雅可比行列式方法的gnss-r的ddm生成算法，以此開展溢油ddm模擬，建立信號特征與溢油信息的關(guān)系。

2、在船舶航行環(huán)境感知方面，現(xiàn)有星基、機載平臺溢油探測方法存在空間分辨率低、監(jiān)測頻次低、識別準(zhǔn)確率低等問題，而gnss-r探測技術(shù)具有信號多源、實時性好、探測范圍廣、分辨率高等優(yōu)點，激光誘導(dǎo)熒光具有全天時、探測冰雪表面油膜、識別不同背景中的油種等優(yōu)點。gnss-r作為微波成像傳感器，以獲取后向散射、反射信號的方式探測海上目標(biāo)。從物理化學(xué)和流體力學(xué)的角度看，海面油膜的存在會使得海水表面張力變小，阻尼海面毛細(xì)波和短重力波對入射電磁波的布拉格散射作用，降低海面粗糙度，導(dǎo)致雷達接收到的回波信號減弱，進而與其他目標(biāo)表現(xiàn)出不同的散射特性。不同物質(zhì)干擾的海面調(diào)制作用不同，特征參數(shù)貢獻度水平存在差異，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建冰區(qū)溢油檢測精簡特征體系能夠辨識復(fù)雜背景環(huán)境中的海冰、海水等干擾目標(biāo)，精準(zhǔn)高效地識別極地航行冰區(qū)環(huán)境中的油膜。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明公開了一種船載gnss-r極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測方法，一種船載gnss-r極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測方法，包括以下步驟：

2、建立基于gnss-r信號極地冰區(qū)在海水、海冰、油膜表面的散射傳輸模型；

3、基于相干信號及非相干信號積累處理方法，識別油膜存在區(qū)域；

4、對海面冰油混合物gnss-r信號進行特征提取，確定極地冰區(qū)環(huán)境是否溢油。

5、進一步地：所述確定基于gnss-r信號極地冰區(qū)在海水、海冰、油膜表面的散射傳輸模型包括庫貝爾卡-蒙克模型、柯克-蒙克模型或高斯混合模型；或以上三種模型中的其中任意兩個模型的結(jié)合。

6、進一步地：所述對相干信號及非相干信號采用積累處理方法進行優(yōu)化處理的過程如下：

7、對于相干信號，對噪聲通用模型進行優(yōu)化；

8、將相干信號分解成不同尺度的頻域信息；

9、采用高斯濾波器去除高頻分量中的噪聲；

10、對于非相干信號，通過平方和計算積累提升信號強度，忽略信號的相位信息，只保留模值，通過累加處理并減去重疊部分來消除相位誤差和頻率偏移的影響。

11、進一步地：所述對海面冰油混合物gnss-r信號進行特征提取，確定極地冰區(qū)環(huán)境是否溢油的過程如下：

12、差異化信號特征分析：對gnss信號經(jīng)油膜、海水和海冰的反射后與直射信號的差異化信號特征進行分析，通過相位分析和幅度比較，識別由介質(zhì)變化引起的信號擾動；通過比較海水表面的復(fù)介電常數(shù)和覆蓋有強散射體海面的區(qū)域的復(fù)介電常數(shù)之間的差異，從海面反射的gnss信號中區(qū)分出海水散射區(qū)與海冰散射區(qū)；

13、特征集構(gòu)建與優(yōu)化：基于差異化信號特征分析，構(gòu)建基于包含介電常數(shù)、反射率、信噪比和極化特性參數(shù)的綜合特征集；采用變量場分解的方法調(diào)整和確定綜合特征集數(shù)據(jù)中特征參數(shù)的最優(yōu)取值范圍；

14、特征參數(shù)的貢獻度定量分析：應(yīng)用統(tǒng)計分析和模型預(yù)測控制方法，通過建立多變量回歸模型定量評估各特征參數(shù)在極地冰區(qū)油膜探測中的貢獻度和敏感度。

15、進一步地：所述采用變量場分解的方法調(diào)整和確定綜合特征集數(shù)據(jù)中特征參數(shù)的最優(yōu)取值范圍的過程如下：

16、將每個變量字段采用歸一化公式進行標(biāo)準(zhǔn)化；

17、通過計算的協(xié)方差矩陣來實現(xiàn)多變量場的正交分解；

18、賦予介電常數(shù)、反射率、信噪比和極化特性不同的權(quán)重，對綜合特征集進行優(yōu)化。

19、一種船載gnss-r極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測裝置，包括：

20、建立模塊：用于建立基于gnss-r信號極地冰區(qū)在海水、海冰、油膜表面的散射傳輸模型；

21、識別模塊：基于相干信號及非相干信號積累處理方法，識別油膜存在區(qū)域；

22、確定模塊：用于對海面冰油混合物gnss-r信號進行特征提取，確定極地冰區(qū)環(huán)境是否溢油。

23、一種可讀存儲介質(zhì)，存儲程序模塊，其特征在于，所述程序模塊在處理器中運行可實現(xiàn)如任一項所述的方法。

24、本申請一種船載gnss-r極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測方法，綜合了左右旋圓極化gnss(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))反射信號相位特性，利用雙極化法消除距離時延差相位提取了穿透海冰和溢油的殘差相位。進而可以開展溢油區(qū)域散射信號的集中度和約束性評估方法研究，歸納冰面、水面、油膜三類冰區(qū)主要目標(biāo)的典型散射模型特性，并基于散射點分布情況與典型散射模型的廣義似然比，確定目標(biāo)散射點所屬的散射模型，有效識別目標(biāo)屬性。在此基礎(chǔ)上，綜合gnss-r的各項測量結(jié)果，建立海表介電常數(shù)、散射功率、散射點分布特征等參數(shù)與冰區(qū)目標(biāo)間的多維度耦合模型，實現(xiàn)溢油多變量聯(lián)合決策判斷。

25、針對海面復(fù)雜環(huán)境目標(biāo)分布模式，研究優(yōu)化相干/非相干信號積累處理方法，有效提升信噪比，強化零散油膜探測能力，準(zhǔn)確識別油膜存在區(qū)域；研究基于先驗信息的散射信號自適應(yīng)時頻聯(lián)合處理方法，通過航行中采集的測量數(shù)，獲取海水反射率、粗超度、散射點分布等參數(shù)統(tǒng)計值，并將其作為先驗信息，自適應(yīng)調(diào)整時頻處理搜索區(qū)域，提升數(shù)據(jù)處理效率。

26、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的船載gnss-r極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景?；陔p極化天線的船載gnss-r極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測技術(shù)，可以突破海面冰塊或溢油等目標(biāo)識別難的問題，可提升極地航行冰區(qū)溢油探測識別準(zhǔn)確率，助力實現(xiàn)極地航行冰區(qū)溢油的常態(tài)化監(jiān)測與通航船只的自我監(jiān)測，為我國極地航運安全、冰區(qū)戰(zhàn)略資源開發(fā)及油氣儲運的綠色、安全發(fā)展提供技術(shù)保障，具有十分重要的研究價值與推廣意義。

技術(shù)特征：

1.一種船載gnss-r極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地冰區(qū)海表面散射模型構(gòu)建方法，其特征還在于：所述確定基于gnss-r信號極地冰區(qū)在海水、海冰、油膜表面的散射傳輸模型包括庫貝爾卡-蒙克模型、柯克-蒙克模型或高斯混合模型；或以上三種模型中的其中任意兩個模型的結(jié)合。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化相干/非相干信號積累處理方法，其特征還在于：所述對相干信號及非相干信號采用積累處理方法進行優(yōu)化處理的過程如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海面冰油混合物gnss-r信號特征提取方法，其特征還在于：所述對海面冰油混合物gnss-r信號進行特征提取，確定極地冰區(qū)環(huán)境是否溢油的過程如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的海面冰油混合物gnss-r信號特征提取方法，其特征還在于：所述采用變量場分解的方法調(diào)整和確定綜合特征集數(shù)據(jù)中特征參數(shù)的最優(yōu)取值范圍的過程如下：

6.一種船載gnss-r極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測裝置，其特征在于：包括：

7.一種可讀存儲介質(zhì)，存儲程序模塊，其特征在于，所述程序模塊在處理器中運行可實現(xiàn)如權(quán)利要求1-5任一項所述的方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種船載GNSS?R極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測方法，包括以下步驟：建立基于GNSS?R信號極地冰區(qū)在海水、海冰、油膜表面的散射傳輸模型；基于相干信號及非相干信號積累處理方法，識別油膜存在區(qū)域；對海面冰油混合物GNSS?R信號進行特征提取，確定極地冰區(qū)環(huán)境是否溢油。本發(fā)明提供的船載GNSS?R極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景?；陔p極化天線的船載GNSS?R極地冰區(qū)環(huán)境溢油探測技術(shù)，可以突破海面冰塊或溢油等目標(biāo)識別難的問題，可提升極地航行冰區(qū)溢油探測識別準(zhǔn)確率，助力實現(xiàn)極地航行冰區(qū)溢油的常態(tài)化監(jiān)測與通航船只的自我監(jiān)測，為我國極地航運安全、冰區(qū)戰(zhàn)略資源開發(fā)及油氣儲運的綠色、安全發(fā)展提供技術(shù)保障，具有十分重要的研究價值與推廣意義。

技術(shù)研發(fā)人員：李穎,白澤飛,何遒,袁靖懿
受保護的技術(shù)使用者：大連海事大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2