CN103424753A - 一种海面溢油及悬浮物遥感监测***及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海面溢油及悬浮物遥感监测***，包括：连续发射多个不同工作波段的直射微波信号的通信卫星；遥感平台；安装在所述遥感平台上的反射信号接收机，其接收所述多个不同工作波段的直射微波信号经海面区域反射后的反射微波信号，并根据所述不同工作波段对所述反射微波信号进行分离、放大、模数转换和数字处理后，得到用于海面遥感监测的所述不同工作波段下的实测波形图；安装在所述反射信号接收机顶端的铝板；以及与所述反射信号接收机连接的数据处理装置。本发明由于通信卫星为静止轨道卫星，因此观测几何不随时间变化，而且由于本发明中的通信卫星提供的工作波段较多，满足了全天时全天候监测海面溢油及悬浮物的要求。

Description

一种海面溢油及悬浮物遥感监测***及其监测方法

技术领域

本发明涉及海洋污染监测技术，尤其涉及一种海面溢油及悬浮物遥感监测***及其监测方法。

背景技术

海面溢油及悬浮物会严重污染沿海海域，破坏水环境的生态平衡，使动植物界受到极大的危险，对沿海经济活动造成重大影响，从而已引起各国政府的高度重视。为此，需要采取必要的措施对海面溢油及悬浮物进行监测和控制。

遥感技术是海面溢油及悬浮物监测的有效手段。常规的监测方法有激发荧光、紫外、光学、红外和微波遥感。但是这些遥感手段存在各自的局限性，例如，光学和红外遥感受限于天气情况，不能全天时、全天候的进行工作；而微波遥感的波长较长，穿透性强，可以全天时、全天候进行工作，但其时空分辨率还无法满足实际应用需求，且传感器造价较高。

新兴的全球导航卫星***反射信号GNSS-R（Global Navigation SatelliteSystem—Reflection）遥感技术是利用导航卫星的反射信号对地物进行遥感。与现有的散射计、雷达高度计、合成孔径雷达等海洋、陆面微波遥感手段相比，导航卫星群GNSS可以源源不断的提供L波段的信号，而不需要研制专门的发射机，GNSS-R的一台接收机可以同时接收视场中的多个卫星信号，在遥感探测机理方面属于双站/多站雷达模式，这种工作模式可以大大提高时空分辨率；同时，由于工作在穿透性较强的L波段，所以可以全天时全天候的监测。另外，GNSS-R接收机属于被动接收，本身不需要发射信号，所以体积和重量都很小，所需要的功耗也小，因此，在地物监测上具有便捷、灵活的特点。GNSS导航卫星将在未来几十年为人类提供精确、无偿的探测信号，且该探测信号具有长期的稳定性，因此，该项技术为监测地物、分析地物变化规律等提供了非常理想的手段。

如图1所示，现有技术中的GNSS-R遥感***基本包括多个GNSS卫星1'以及一个GNSS-R接收机2'，其中，各个GNSS卫星1'源源不断的发射L波段直射信号，经地表反射后，被专门的GNSS-R接收机2'所接收，形成双站/多站雷达工作模式。然而，这种GNSS-R遥感***的一个特点是不断变化的观测几何，而且其工作波段只有L波段，使其在其遥感应用上受到限制。由此可见现有的GNSS-R遥感***仍无法完全满足监测需要。

通信卫星（communications satellite）是用作无线电通信中继站的人造地球卫星，通信卫星用于转发无线电信号，以实现卫星通信地球站之间或地球站与航天器间的通信。

由于通信卫星工作在多个微波波段（C、Ku和S波段），这些微波波段适用于海面溢油及悬浮物监测，且信号功率更大，因此可以成为有效的微波发射源，目前只利用了通信卫星的直射信号，而其直射信号经地物反射的反射信息却没有被利用过，因此，鉴于与GNSS-R遥感原理相似，可以研发一种将通信卫星作为有效发射源的海面溢油及悬浮物遥感监测***，以实现对海面溢油及悬浮物的多波段（微波波段）遥感监测。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种海面溢油及悬浮物遥感监测***及其监测方法，以克服观测几何变化的缺点，并提供多种工作波段，以全天时全天候监测海面溢油及悬浮物。

本发明之一所述的一种海面溢油及悬浮物遥感监测***，包括：

连续发射多个不同工作波段的直射微波信号的通信卫星；

遥感平台；

安装在所述遥感平台上的反射信号接收机，其接收所述多个不同工作波段的直射微波信号经海面区域反射后的反射微波信号，并根据所述不同工作波段对所述反射微波信号进行分离、放大、模数转换和数字处理后，得到用于海面遥感监测的所述不同工作波段下的实测波形图；

安装在所述反射信号接收机顶端的铝板，其对直接接收到的所述直射微波信号进行反射，并将从所述海面区域直接接收到的所述反射微波信号传输至所述反射信号接收机；以及

与所述反射信号接收机连接的数据处理装置，其根据所述海面区域的海况信息获取不同工作波段下的仿真波形图，并将各工作波段下的仿真波形图与所述反射信号接收机输出的相应工作波段下的实测波形图进行匹配，以获取所述海面区域中海面溢油及悬浮物的特性信息。

在上述的海面溢油及悬浮物遥感监测***中，所述反射信号接收机包括：

多个分别接收所述不同工作波段下的反射微波信号的天线模块；

多个分别与所述天线模块连接的射频前端模块，每个所述射频前端模块接收相应的所述天线模块输出的所述反射微波信号，并对该反射微波信号进行放大滤波后输出相应的射频信号；

多个分别与所述射频前端模块连接的多通道射频接收模块，每个所述多通道射频接收模块对相应的所述射频信号进行放大滤波后输出相应的中频信号；

多个分别与所述多通道射频接收模块连接的高速A/D模块，每个所述高速A/D模块对相应的所述中频信号进行模数转换后输出相应的采样信号；

多个分别与所述高速A/D模块连接的数字处理模块，每个所述数字处理模块对相应的所述采样信号进行数字处理后输出相应的原始采样数据；以及

多个分别与所述数字处理模块连接的波形成形模块，每个所述波形成形模块根据相应的原始采样数据形成所述不同工作波段下的实测波形图。

在上述的海面溢油及悬浮物遥感监测***中，每个所述天线模块包括分别用于接收所述反射微波信号中的水平极化子信号和垂直极化子信号的水平极化天线和垂直极化天线。

在上述的海面溢油及悬浮物遥感监测***中，每个所述射频前端模块包括依次连接的：

发射通路单元，其用于对所述反射微波信号进行功率放大和滤波；以及

接收通路单元，其用于对已经过功率放大和滤波的所述反射微波信号进行低噪音放大和再次滤波，并输出所述射频信号。

在上述的海面溢油及悬浮物遥感监测***中，所述发射通路单元包括依次连接的功率放大器和第一滤波器。

在上述的海面溢油及悬浮物遥感监测***中，所述接收通路单元包括依次连接的低噪音放大器和第二滤波器。

在上述的海面溢油及悬浮物遥感监测***中，所述数字处理模块包括相连的DSP芯片和FPGA芯片。

在上述的海面溢油及悬浮物遥感监测***中，所述铝板通过一支架安装在所述反射信号接收机的顶端。

本发明之二所述的一种上述的海面溢油及悬浮物遥感监测***的监测方法，包括以下步骤：

步骤S1，所述通信卫星连续发射多个不同工作波段的直射微波信号；

步骤S2，所述铝板对直接接收到的所述直射微波信号进行反射，并将从所述海面区域直接接收到的所述多个不同工作波段的直射微波信号的反射微波信号传输至所述反射信号接收机；

步骤S3，所述反射信号接收机接收所述多个不同工作波段的直射微波信号经海面区域反射后的反射微波信号，并根据所述不同工作波段对所述反射微波信号进行分离、放大、模数转换和数字处理后，得到用于海面遥感监测的所述不同工作波段下的实测波形图；

步骤S4，所述数据处理装置根据所述海面区域的海况信息获取不同工作波段下的仿真波形图，并将各工作波段下的仿真波形图与所述反射信号接收机输出的相应工作波段下的实测波形图进行匹配，获取所述海面区域中海面溢油及悬浮物的特性信息。

在上述的海面溢油及悬浮物遥感监测方法中，所述步骤S3包括：

步骤S31，分别接收所述不同工作波段下的反射微波信号；

步骤S32，分别对所述不同工作波段下的反射微波信号进行放大滤波，并输出相应的射频信号；

步骤S33，分别对相应的所述射频信号进行放大滤波，并输出相应的中频信号；

步骤S34，分别对相应的所述中频信号进行模数转换，并输出相应的采样信号；

步骤S35，分别对相应的所述采样信号进行数字处理，并输出相应的原始采样数据；以及

步骤S36，分别根据相应的原始采样数据形成所述不同工作波段下的实测波形图。

在上述的海面溢油及悬浮物遥感监测方法中，所述步骤S4包括：

步骤S41，接收并将所述海况信息输入预设的海面油膜散射模型，并得到油区的散射系数；

步骤S42，将所述油区的散射系数以及***输入的观测几何信息和频率信息输入预设的DDM信号仿真模型，并得到所述不同工作波段下的仿真波形图；

步骤S43，利用最小二乘法将所述各工作波段下的仿真波形图与实测波形图进行匹配，并获取所述海面区域中海面溢油及悬浮物的特性信息。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明充分利用现有的通信卫星发射的微波信号作为有效信号源，该信号经地表反射后被反射信号接收机所接收，从而实现对海面区域的遥感监测。与现有的GNSS-R遥感监测方式不同的是，由于通信卫星为静止轨道卫星，因此观测几何不随时间变化，从而可以克服GNSS-R的观测几何变化的缺点，而且相较于仅提供L波段的GNSS-R遥感***而言，本发明中的通信卫星（如鑫诺六号）提供的工作波段较多（如C波段、Ku波段和S波段），而由于纯净海面、海面溢油区以及海面悬浮区的粗糙度不同，散射特性不同，从而可导致反射信号接收机中产生的各工作波段下的实测波形图不同，因此利用这些不同工作波段下的波形数据即可对海面溢油和海面悬浮物进行研究。

附图说明

图1是现有技术中的GNSS-R遥感***的结构示意图；

图2是本发明的一种海面溢油及悬浮物遥感监测***的结构示意图；

图3是本发明的一种海面溢油及悬浮物遥感监测***中的反射信号接收机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图2、3所示，本发明，即一种海面溢油及悬浮物遥感监测***，包括：

连续发射多个不同工作波段的直射微波信号的通信卫星1，该通信卫星1采用现有的数字通信卫星（例如鑫诺六号数字通信卫星）作为有效发射源将直射微波信号入射到海面区域（含海面溢油和海面悬浮物区）；在本实施例中多个不同的工作波段包括C波段、Ku波段和S波段；

遥感平台2，该遥感平台2可以是地面、飞机、气球或者卫星；

安装在遥感平台2上的反射信号接收机3，其接收多个不同工作波段的直射微波信号经海面区域反射后的反射微波信号（该反射微波信号中携带有该海面区域的地物特性），并根据不同工作波段对反射微波信号进行分离、放大、模数转换和数字处理后，得到用于海面遥感监测的不同工作波段下的实测波形图；

通过支架5安装在反射信号接收机3顶端的铝板4，其对直接接收到的直射微波信号进行反射，并将从海面区域直接接收到的反射微波信号传输至反射信号接收机3，从而使反射信号接收机3中只包含研究海区的反射能量；

与反射信号接收机3连接的数据处理装置6，其根据海面区域的海况信息获取不同工作波段下的仿真波形图，并将各工作波段下的仿真波形图与反射信号接收机3输出的相应工作波段下的实测波形图进行匹配，以获取海面区域中海面溢油及悬浮物的特性信息。

本发明中的反射信号接收机3具体包括：

多个分别接收不同工作波段下的反射微波信号的天线模块31；具体来说，每个天线模块31包括分别用于接收反射微波信号中的水平（H）极化子信号和垂直（V）极化子信号的水平极化天线311和垂直极化天线312；

多个分别与天线模块31连接的射频前端模块32（射频前端模块32靠近天线模块31），每个射频前端模块32接收相应的天线模块31输出的反射微波信号，并对该反射微波信号进行放大滤波后输出相应的射频信号；具体来说，每个射频前端模块32包括依次连接的：发射通路单元321，其包括依次连接的功率放大器3211和第一滤波器3212，以用于对反射微波信号进行功率放大和滤波；以及接收通路单元322，其包括依次连接的低噪音放大器3221（LNA）和第二滤波器3222，以用于对已经过功率放大和滤波的反射微波信号进行低噪音放大和再次滤波，从而保证可以有效地向下级电路传输有用的射频信号；

多个分别与射频前端模块32连接的多通道射频接收模块33，每个多通道射频接收模块33对相应的射频信号进行放大滤波后输出相应的中频信号；

多个分别与多通道射频接收模块33连接的高速A/D模块34，每个高速A/D模块34对相应的中频信号进行模数转换后输出相应的采样信号；

多个分别与高速A/D模块34连接的数字处理模块35，每个数字处理模块35对相应的采样信号进行数字处理后输出相应的原始采样数据；具体来说，每个数字处理模块35包括相连的DSP芯片351和FPGA芯片352；以及

多个分别与数字处理模块35连接的波形成形模块36，每个波形成形模块36根据相应的原始采样数据形成不同工作波段下的实测波形图。

基于上述海面溢油及悬浮物遥感监测***的监测方法，包括以下步骤：

步骤S1，通信卫星1连续发射多个不同工作波段的直射微波信号；

步骤S2，铝板4对直接接收到的直射微波信号进行反射，并将从海面区域直接接收到的多个不同工作波段的直射微波信号的反射微波信号传输至反射信号接收机3；

步骤S3，反射信号接收机3接收多个不同工作波段的直射微波信号经海面区域反射后的反射微波信号，并根据不同工作波段对反射微波信号进行分离、放大、模数转换和数字处理后，得到用于地物遥感监测的不同工作波段下的实测波形图；

步骤S4，数据处理装置6根据海面区域的海况信息获取不同工作波段下的仿真波形图，并将各工作波段下的仿真波形图与反射信号接收机3输出的相应工作波段下的实测波形图进行匹配，获取海面区域中海面溢油及悬浮物的特性信息。

上述步骤S3具体包括：

步骤S31，通过多个天线模块31分别接收不同工作波段下的反射微波信号；

步骤S32，通过多个射频前端模块32分别对不同工作波段下的反射微波信号进行放大滤波，并输出相应的射频信号；

步骤S33，通过多个多通道射频接收模块33分别对相应的射频信号进行放大滤波，并输出相应的中频信号；

步骤S34，通过多个高速A/D模块34分别对相应的中频信号进行模数转换，并输出相应的采样信号；

步骤S35，通过多个数字处理模块35分别对相应的采样信号进行数字处理，并输出相应的原始采样数据；以及

步骤S36，通过多个波形成形模块36分别根据相应的原始采样数据形成不同工作波段下的实测波形图。

上述步骤S4具体包括：

步骤S41，通过数据处理装置6接收并将海况信息输入预设的海面油膜散射模型（该模型为本领域中已知的模型），并得到油区的散射系数；

步骤S42，数据处理装置6将油区的散射系数以及***输入的观测几何信息和频率信息输入预设的DDM信号仿真模型（该模型为本领域中已知的模型），并得到不同工作波段下的仿真波形图；

步骤S43，数据处理装置6利用最小二乘法将各工作波段下的仿真波形图与实测波形图进行匹配，并获取海面区域中海面溢油及悬浮物的特性信息。

下面以现有的“鑫诺六号”通信卫星为例，再次对本发明的工作原理进行说明。

“鑫诺六号”源源不断地发射C波段、Ku波段和S波段下的直射微波信号，这些直射微波信号经海面区域反射后被搭载于遥感平台2上的反射微波信号接收机3接收，***中的铝板4由于可以发生全反射，因此直接入射至铝板4表面的直射微波信号会被完全反射，进而不会被反射信号接收机3所接收，同时，直射微波信号经海面区域反射后的反射微波信号如果被铝板4直接接收到，则也可以经铝板4反射后被反射信号接收机3所接收，从而确保了反射信号接收机3仅接收经海面区域反射的反射微波信号，而不会接收直射微波信号。反射信号接收机3通过三个天线模块31可以同时接收到“鑫诺六号”的C、Ku和S波段的反射微波信号，并在接收到反射微波信号后，通过反射信号接收机3中的其他模块将三种工作波段下的反射微波信号进行分离、放大、模数转换和数字处理后，得到C波段、Ku波段和S波段的实测波形图；数据处理装置6将海况信息输入到海面油膜散射模型中，计算出油区的散射系数，然后将油区散射系数、观测几何、频率等信息输入到DDM信号仿真模型中，通过计算可以得到C波段、S波段和Ku波段的仿真波形图，最后利用反射信号接收机3获得的C波段、S波段和Ku波段的实测波形图，将各波段的仿真波形数据与实测波形数据，利用最小二乘法进行匹配，从而得到海面溢油或悬浮物的特性，进而实现对海面溢油和悬浮物的监测。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用现有的数字通信卫星作为发射源，而无需研制专门的发射机，并且只需要采用一个反射信号接收机接收通信卫星的反射信号，因此，本发明成本低、功耗小、操作便捷、机动灵活；

2、与现有的GNSS-R监测***相比，由于通信卫星为静止轨道卫星，因此采用本发明的反射信号接收机所形成的遥感***观测几何固定，对于监测和反演结果相对容易；

3、与现有的GNSS-R遥感监测***的L波段相比，本发明的遥感监测***的工作波段较多（例如包括C、Ku和S波段等通信卫星的微波波段），因此，可以获得多个波段的波形数据，从而有利于海面溢油和悬浮物的监测。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (11)

1.一种海面溢油及悬浮物遥感监测***，其特征在于，所述***包括：

连续发射多个不同工作波段的直射微波信号的通信卫星；

遥感平台；

安装在所述遥感平台上的反射信号接收机，其接收所述多个不同工作波段的直射微波信号经海面区域反射后的反射微波信号，并根据所述不同工作波段对所述反射微波信号进行分离、放大、模数转换和数字处理后，得到用于海面遥感监测的所述不同工作波段下的实测波形图；

安装在所述反射信号接收机顶端的铝板，其对直接接收到的所述直射微波信号进行反射，并将从所述海面区域直接接收到的所述反射微波信号传输至所述反射信号接收机；以及

与所述反射信号接收机连接的数据处理装置，其根据所述海面区域的海况信息获取不同工作波段下的仿真波形图，并将各工作波段下的仿真波形图与所述反射信号接收机输出的相应工作波段下的实测波形图进行匹配，以获取所述海面区域中海面溢油及悬浮物的特性信息。

2.根据权利要求1所述的海面溢油及悬浮物遥感监测***，其特征在于，所述反射信号接收机包括：

多个分别接收所述不同工作波段下的反射微波信号的天线模块；

多个分别与所述天线模块连接的射频前端模块，每个所述射频前端模块接收相应的所述天线模块输出的所述反射微波信号，并对该反射微波信号进行放大滤波后输出相应的射频信号；

多个分别与所述射频前端模块连接的多通道射频接收模块，每个所述多通道射频接收模块对相应的所述射频信号进行放大滤波后输出相应的中频信号；

多个分别与所述多通道射频接收模块连接的高速A/D模块，每个所述高速A/D模块对相应的所述中频信号进行模数转换后输出相应的采样信号；

多个分别与所述高速A/D模块连接的数字处理模块，每个所述数字处理模块对相应的所述采样信号进行数字处理后输出相应的原始采样数据；以及

多个分别与所述数字处理模块连接的波形成形模块，每个所述波形成形模块根据相应的原始采样数据形成所述不同工作波段下的实测波形图。

3.根据权利要求2所述的海面溢油及悬浮物遥感监测***，其特征在于，每个所述天线模块包括分别用于接收所述反射微波信号中的水平极化子信号和垂直极化子信号的水平极化天线和垂直极化天线。

4.根据权利要求2所述的海面溢油及悬浮物遥感监测***，其特征在于，每个所述射频前端模块包括依次连接的：

发射通路单元，其用于对所述反射微波信号进行功率放大和滤波；以及

接收通路单元，其用于对已经过功率放大和滤波的所述反射微波信号进行低噪音放大和再次滤波，并输出所述射频信号。

5.根据权利要求4所述的海面溢油及悬浮物遥感监测***，其特征在于，所述发射通路单元包括依次连接的功率放大器和第一滤波器。

6.根据权利要求4或5所述的海面溢油及悬浮物遥感监测***，其特征在于，所述接收通路单元包括依次连接的低噪音放大器和第二滤波器。

7.根据权利要求2所述的海面溢油及悬浮物遥感监测***，其特征在于，所述数字处理模块包括相连的DSP芯片和FPGA芯片。

8.根据权利要求1或2所述的海面溢油及悬浮物遥感监测***，其特征在于，所述铝板通过一支架安装在所述反射信号接收机的顶端。

9.一种基于权利要求1所述的海面溢油及悬浮物遥感监测***的监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，所述通信卫星连续发射多个不同工作波段的直射微波信号；

步骤S2，所述铝板对直接接收到的所述直射微波信号进行反射，并将从所述海面区域直接接收到的所述多个不同工作波段的直射微波信号的反射微波信号传输至所述反射信号接收机；

步骤S3，所述反射信号接收机接收所述多个不同工作波段的直射微波信号经海面区域反射后的反射微波信号，并根据所述不同工作波段对所述反射微波信号进行分离、放大、模数转换和数字处理后，得到用于海面遥感监测的所述不同工作波段下的实测波形图；

步骤S4，所述数据处理装置根据所述海面区域的海况信息获取不同工作波段下的仿真波形图，并将该各工作波段下的仿真波形图与所述反射信号接收机输出的相应工作波段下的实测波形图进行匹配，获取所述海面区域中海面溢油及悬浮物的特性信息。

10.根据权利要求9所述的海面溢油及悬浮物遥感监测方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S31，分别接收所述不同工作波段下的反射微波信号；

步骤S32，分别对所述不同工作波段下的反射微波信号进行放大滤波，并输出相应的射频信号；

步骤S33，分别对相应的所述射频信号进行放大滤波，并输出相应的中频信号；

步骤S34，分别对相应的所述中频信号进行模数转换，并输出相应的采样信号；

步骤S35，分别对相应的所述采样信号进行数字处理，并输出相应的原始采样数据；以及

步骤S36，分别根据相应的原始采样数据形成所述不同工作波段下的实测波形图。

11.根据权利要求9所述的海面溢油及悬浮物遥感监测方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

步骤S41，接收并将所述海况信息输入预设的海面油膜散射模型，并得到油区的散射系数；

步骤S42，将所述油区的散射系数以及***输入的观测几何信息和频率信息输入预设的DDM信号仿真模型，并得到所述不同工作波段下的仿真波形图；

步骤S43，利用最小二乘法将所述各工作波段下的仿真波形图与实测波形图进行匹配，并获取所述海面区域中海面溢油及悬浮物的特性信息。

Images