基于GPS反射信號(hào)的岸基海冰探測(cè)研究

張?jiān)?郭建京 洪中華 韓彥嶺

0 引言

海冰作為全球海洋與大氣系統(tǒng)的一員，與海洋和大氣相互作用，對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生了重大影響。海冰的生成、發(fā)展和消融過(guò)程，反映并影響了海洋與大氣的交換過(guò)程，進(jìn)而影響海洋與大氣的環(huán)流模式。

中國(guó)渤海和黃海北部歷年來(lái)出現(xiàn)了不同程度的凍結(jié)，其冰情變化與全球氣候變化有密切關(guān)系。自1969年出現(xiàn)特大冰封以來(lái)，中國(guó)已全面開(kāi)展了海冰監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和研究工作。在海冰常規(guī)觀(guān)測(cè)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了衛(wèi)星和航空遙感技術(shù)的應(yīng)用研究。2010年，國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心和國(guó)家海洋局第一海洋研究所針對(duì)渤海海冰和MODIS（中分辨率成像光譜輻射計(jì)）數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，構(gòu)建了基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰遙感探測(cè)系統(tǒng)［1］。2011年，中國(guó)海事局煙臺(tái)溢油應(yīng)急中心利用SAR（衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)）數(shù)據(jù)分析2010年渤海海域海冰冰緣線(xiàn)、海冰類(lèi)型以及探測(cè)海冰運(yùn)動(dòng)過(guò)程，為有效應(yīng)對(duì)海冰災(zāi)害提供了科學(xué)參考［2］。

傳統(tǒng)的遙感手段如MODIS和SAR雖然具有較高的時(shí)空分辨率但是可用的信號(hào)有限，而且是單基工作模式，反射信號(hào)接收機(jī)復(fù)雜度高，遙感成本高。GNSS-R（Global Navigation Satellite Systems-Reflectometry）遙感技術(shù)是20世紀(jì)90年代以來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的GNSS的一個(gè)新型分支，是國(guó)內(nèi)外遙感探測(cè)和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一［3］。國(guó)外采用GNSSR技術(shù)進(jìn)行海冰探測(cè)相關(guān)研究有如下幾個(gè)方面。2000年，Kom jathy等［4］利用 GNSS反射信號(hào)的峰值功率獲得海冰表面有效介電常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值（Permittivity by peak-power）。2007年 Belmonte［5］擬合反射信號(hào)波形得到了海冰表面的粗糙度。2012年，F(xiàn)abra等［6］用歐洲空間局于2008—2009年在格林蘭島迪斯科海岸采集的數(shù)據(jù)，采用雙極化相位測(cè)高的方法反演了海冰表面的絕對(duì)橢球高，取得了很好的測(cè)量精度。

目前，國(guó)內(nèi)使用GNSS-R技術(shù)研究的方向有：海面?zhèn)蕊L(fēng)、海面測(cè)高、海洋鹽度探測(cè)、土壤濕度探測(cè)、海冰探測(cè)和移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)，而基于GNSS-R的海冰探測(cè)技術(shù)研究還處于起步階段，目前還沒(méi)有GNSS-R的海冰遙感實(shí)驗(yàn)，因此我們采用歐空局網(wǎng)站［7］上公布的海冰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論方法的驗(yàn)證和結(jié)果分析。

1 GNSS-R技術(shù)特點(diǎn)

歐空局科學(xué)家Martin-Neira于1993年首次提出對(duì)GNSS反射信號(hào)進(jìn)行利用的概念——PARIS（Passive Reflectometry and Interferometry System）［8］；1994年法國(guó)科學(xué)家Auber在進(jìn)行機(jī)載飛行實(shí)驗(yàn)時(shí)意外的發(fā)現(xiàn)了反射信號(hào)，證明反射信號(hào)是可以被接收并檢測(cè)的［9］。

GNSS接收機(jī)在接收導(dǎo)航衛(wèi)星直射信號(hào)的同時(shí)，也將接收反射面的反射信號(hào)。從電磁波傳播基本理論看來(lái)，該反射信號(hào)中攜帶反射面的特性信息，反射信號(hào)波形的變化、極化特征的變化，幅值、相位和頻率等參量的變化都直接反應(yīng)了反射面的物理特性，或者說(shuō)直接與反射面相關(guān)。對(duì)反射信號(hào)的精確估計(jì)和接收處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射面物理特性的估計(jì)與反演。

目前GNSS-R在理論、技術(shù)和數(shù)據(jù)反演等方面逐步完善，GNSS衛(wèi)星可以在未來(lái)幾十年為人類(lèi)提供精確、無(wú)償?shù)奶綔y(cè)信號(hào)。該信號(hào)具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，而且測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)單，設(shè)備費(fèi)用低，易于推廣。因此，這項(xiàng)技術(shù)為監(jiān)測(cè)海平面的變化提供了一種非常理想的手段。如圖1所示，如果只有一顆大型衛(wèi)星進(jìn)行觀(guān)測(cè)，能夠檢測(cè)到的海面面積相對(duì)來(lái)說(shuō)非常狹窄，所以存在時(shí)間分解能力不高的問(wèn)題。如圖2所示，GNSS反射信號(hào)接收機(jī)同時(shí)可以接收多個(gè)GNSS衛(wèi)星的信號(hào)，所以相對(duì)于傳統(tǒng)的單個(gè)觀(guān)測(cè)衛(wèi)星，使用GNSS反射信號(hào)可以觀(guān)測(cè)到更大范圍的海面，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高時(shí)間分辨率的海洋觀(guān)測(cè)。

圖1 單顆大衛(wèi)星海面檢測(cè)概圖Fig.1.Sea surface observation using single LEO（Low Earth Orbit）satellite

圖2 GNSS反射信號(hào)海面檢測(cè)概圖Fig.2.Sea surface observation using GNSS satellite reflected signal

2 GNSS信號(hào)特征

GNSS信號(hào)自導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射后成為在空間傳輸?shù)碾姶挪?。在時(shí)變電磁場(chǎng)中，場(chǎng)矢量和場(chǎng)源既是空間位置的函數(shù)，又是時(shí)間的函數(shù)。在正弦穩(wěn)態(tài)條件下，由場(chǎng)源所激勵(lì)的場(chǎng)矢量的各個(gè)分量仍是同頻率的正弦時(shí)間函數(shù)［10］。

時(shí)變電磁場(chǎng)中的任一坐標(biāo)分量隨時(shí)間做正弦變化時(shí)，其振幅和初始相位也都是空間坐標(biāo)的函數(shù)。以電場(chǎng)強(qiáng)度E為例，以一定的頻率ω隨時(shí)間t和空間r按正弦規(guī)律變化，可表示為

由于電場(chǎng)強(qiáng)度E、磁場(chǎng)強(qiáng)度H和傳播方向K三者之間的關(guān)系是確定的，所以一般用電場(chǎng)強(qiáng)度E的矢量端點(diǎn)在空間任意固定點(diǎn)上隨時(shí)間變化所描述的軌跡來(lái)表示電磁波的極化［11］。

假設(shè)均勻平面波沿著z軸方向傳播，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度均在垂直于z軸的平面內(nèi)，令電場(chǎng)強(qiáng)度E分解為兩個(gè)相互正交的分量Ex和Ey，其頻率和傳播方向均相同，

E矢量端點(diǎn)的軌跡方程可以經(jīng)由三角運(yùn)算獲得，

這是半徑為E0的圓的方程，故而稱(chēng)為圓極的傳播方向滿(mǎn)足右手螺旋關(guān)系，稱(chēng)為右旋圓極化（RHCP）；反之稱(chēng)為左旋圓極化（LHCP）。GNSS的導(dǎo)航信號(hào)（直射信號(hào)）是右旋圓極化的，當(dāng)直射信號(hào)照射到物體表面時(shí)極化方式會(huì)發(fā)生改變，部分轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A極化信號(hào)。研究反射信號(hào)的極化類(lèi)型的變化可以提取出反射物體的物質(zhì)特性信息，這是GNSS-R技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 GPS開(kāi)環(huán)實(shí)時(shí)差分接收機(jī)

本文分析的海冰數(shù)據(jù)是歐洲空間局（ESA）于2009年1—5月在格林蘭島迪斯科海岸，采用ICE／IEEC-CSIC制造的GPS開(kāi)環(huán)實(shí)時(shí)差分接收機(jī)（GPS Open Loop Differential Real-Time Receiver，GOLDRTR）采集。接收機(jī)原理如圖3所示。

圖3 GPS開(kāi)環(huán)實(shí)時(shí)差分接收機(jī)原理框圖［12］Fig.3.Diagram of GPSopen-loop differential real-time receiver

GOLD-RTR接收機(jī)的Link-1接口與射頻前端的天頂右旋圓極化（RHCP）天線(xiàn)連接收集直射信號(hào)，用來(lái)提供時(shí)間、衛(wèi)星仰角和接收機(jī)姿態(tài)等參數(shù)。另外的兩個(gè)射頻前端可以連接其他任意方向的左旋圓極化（LHCP）和右旋圓極化（RHCP）天線(xiàn)，接收反射信號(hào)。接收機(jī)有10個(gè)可編程的相關(guān)通道，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要用多個(gè)通道以不同的多普勒頻移處理同一顆衛(wèi)星信號(hào)，也可以用單個(gè)相關(guān)通道以不同的幾何參數(shù)處理多達(dá)10個(gè)不同的衛(wèi)星。

GOLD-RTR接收機(jī)的原始數(shù)據(jù)采樣頻率為40 MHz，相關(guān)通道采樣頻率為20 MHz，內(nèi)置的FPGA芯片可以實(shí)時(shí)地在每個(gè)通道每毫秒產(chǎn)生64個(gè)復(fù)數(shù)相關(guān)值，波形序列的延遲間隔為50 ns（約15 m），相關(guān)波形采用1 bit量化。

3.2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

本次實(shí)驗(yàn)是歐空局在格林蘭島開(kāi)展的GNSSSIDS（Sea Ice and Dry Snow）項(xiàng)目的一部分，實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證星載接收機(jī)接收GNSS反射信號(hào)研究海冰和積雪物理特性的可行性。如圖4所示，接收機(jī)天線(xiàn)架設(shè)在迪斯科海岸懸崖邊的一個(gè)電信信號(hào)塔上，距離海面高度約650 m，直射天線(xiàn)朝向天頂，兩個(gè)反射天線(xiàn)水平放置朝向海面，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)從2008年10月下旬開(kāi)始，到2009年5月初結(jié)束，連續(xù)觀(guān)測(cè)7個(gè)月，采集到了觀(guān)測(cè)海域的海冰從開(kāi)始形成到完全結(jié)冰再到消融過(guò)程的全部數(shù)據(jù)。但是2008年10月下旬至當(dāng)年底的數(shù)據(jù)由于設(shè)備等原因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)不能夠使用，所以本文分析的是自2009年1月1日起的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 GNSS反射信號(hào)極化比

GNSS反射信號(hào)的不同極化類(lèi)型提供了反射面的物理特性信息。為了序列除以直射右旋圓極化信號(hào)的峰值序列，并對(duì)處理結(jié)果取平均值，得到了如圖5所示的極化比均值。如圖5所示，反射LHCP／直射RHCP的極化比值有一個(gè)逐漸減小，然后逐漸增加的過(guò)程。

4.2 模擬海冰表面復(fù)介電常數(shù)

海水在結(jié)冰之初，鹽分來(lái)不及完全排出，有一部分被凍結(jié)在海冰中；在形成海冰后，鹽分會(huì)逐漸排出去。如初生海冰的鹽度可以達(dá)到20左右，經(jīng)過(guò)一個(gè)冬天，一年冰的鹽度降到4—6［14］。由于海冰在形成過(guò)程中表面包含海水，因此可以用海水介電常數(shù)估計(jì)海冰表面的介電常數(shù)。海水介電常數(shù)通常用德拜（Debye）公式表示為：

其中：ε0＝8.854×10－12F／m，為自由空間介電常數(shù)；頻率無(wú)限大時(shí) ε∞＝4.9；ω＝2πf為電磁波角頻率；S，T分別為海水的鹽度和溫度（℃）；電導(dǎo)率σ；靜態(tài)介電常數(shù)ε1和弛豫時(shí)間τ隨溫度T和鹽度S變化。

根據(jù)德拜公式和海冰形成過(guò)程中海冰表面鹽度和溫度的變化，GPS L1波段的頻率為1 575.42 MHz，溫度變化范圍－20—0℃，鹽度變化范圍4—20，近似計(jì)算出2009年格林蘭島迪斯科海域1—5月的海冰表面介電常數(shù)變化曲線(xiàn)（如圖6所示）。

圖6 海冰形成過(guò)程中復(fù)介電常數(shù)（實(shí)部）的變化趨勢(shì)Fig.6.Complex dielectric constant（real part）during sea ice freezing and melting

對(duì)比 GPS14、17、18、22、28號(hào)衛(wèi)星極化比均值（圖5）和海冰形成過(guò)程中復(fù)介電常數(shù)（實(shí)部）的變化趨勢(shì)圖（圖6）可知，海冰形成過(guò)程中海冰表面的復(fù)介電常數(shù)逐漸減小，而對(duì)應(yīng)的反射LHCP／直射RHCP極化比均值逐漸減小，反之，海冰融化過(guò)程中，表面的復(fù)介電常數(shù)逐漸增加，而對(duì)應(yīng)的反射LHCP／直射RHCP極化比均值逐漸增加，我們可以總結(jié)出反射LHCP／直射RHCP的極化比均值與海冰表面的介電常數(shù)具有相同的變化趨勢(shì)，隨著海冰的形成，反射LHCP／直射RHCP極化比均值會(huì)不斷減小，隨著海冰的消融，反射 LHCP／直射 RHCP極化比均值會(huì)不斷增加，所以我們可以通過(guò)GNSS-R技術(shù)觀(guān)測(cè)海面GPS反射信號(hào)的極化比值檢測(cè)海冰的形成和消融過(guò)程。

由于圖6是我們通過(guò)根據(jù)德拜公式模擬出的2009年1—5月海冰形成過(guò)程中復(fù)介電常數(shù)（實(shí)部）的變化趨勢(shì)，在以后的研究中，我們將利用該海域的遙感圖像分析等手段，更進(jìn)一步證實(shí)我們的研究理論。

5 結(jié)論

利用歐洲空間局（ESA）于2008年10月下旬開(kāi)始，到2009年5月初結(jié)束，在格林蘭島迪斯科海岸的GNSS反射信號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，討論了基于GNSS反射信號(hào)用來(lái)檢測(cè)海冰的形成和消融過(guò)程的基本方法。由于2008年10月下旬至2008年底的數(shù)據(jù)不能夠使用，所以著重分析了從2009年1月1日起的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。跟蹤了20°左右的GPS衛(wèi)星，并且計(jì)算出反射LHCP／直射RHCP的極化比值，并與德拜公式模擬的海冰形成過(guò)程中復(fù)介電常數(shù)（實(shí)部）的變化趨勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比，初步得出了利用GPS反射信號(hào)的極化比值與海冰表面介電常數(shù)變化關(guān)系。

我們將以此為基礎(chǔ)繼續(xù)研究海冰（厚度）增長(zhǎng)率或海冰生消速度和檢測(cè)海冰的厚度，為中國(guó)使用GNSS-R技術(shù)對(duì)渤海和黃海進(jìn)行海冰災(zāi)害預(yù)警做好充分準(zhǔn)備。未來(lái)我們將繼續(xù)分析歐空局的海冰數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證其他的海冰探測(cè)方法。

基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的GNSS-R技術(shù)以其全天候、全天時(shí)、多信號(hào)源、寬覆蓋、高時(shí)空分辨率等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在海冰遙感領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

致謝 感謝北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院楊東凱教授、李偉強(qiáng)博士在GNSS-R的學(xué)習(xí)中給予的幫助。同時(shí)，感謝歐空局地球觀(guān)測(cè)中心Fabra博士，在解析格林蘭島的海冰數(shù)據(jù)時(shí)提供的大力幫助。

1 王寧，紀(jì)永剛，張晣，等.基于MODIS數(shù)據(jù)的渤海海冰遙感探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).海洋預(yù)報(bào)，2011，28（1）：33—38.

2 舒遲.星載SAR在防抗海冰災(zāi)害中的應(yīng)用研究.中國(guó)水運(yùn)，2011，11（6）：71—73.

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