GNSS-R海冰遙感的模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證

尹 聰， 曹云昌， 朱 彬， 楊東凱， 柯福陽(yáng)， 王 煒， 高 強(qiáng)

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院， 南京 210044; 2.中國(guó)氣象局 氣象探測(cè)中心， 北京 100081；3.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100081； 4.南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院， 南京 210044;5.天津市氣象科學(xué)研究所， 天津 300074； 6.天津市濱海新區(qū)氣象局， 天津 300480)

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GNSS-R海冰遙感的模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證

尹 聰1， 曹云昌2*， 朱 彬1， 楊東凱3， 柯福陽(yáng)4， 王 煒5， 高 強(qiáng)6

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院， 南京 210044; 2.中國(guó)氣象局 氣象探測(cè)中心， 北京 100081；3.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100081； 4.南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院， 南京 210044;5.天津市氣象科學(xué)研究所， 天津 300074； 6.天津市濱海新區(qū)氣象局， 天津 300480)

介紹了利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星的反射信號(hào)(GNSS-R， Global Navigation Satellite System reflected signals )進(jìn)行海冰遙感的技術(shù)原理，通過(guò)對(duì)輻射傳輸模型的分析，得到GNSS反射信號(hào)的功率與海冰厚度關(guān)系的模擬.分析了2013年天津渤海灣海冰實(shí)地觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中利用一個(gè)垂直向上的右旋圓極化天線負(fù)責(zé)接收直射信號(hào)，同時(shí)另一個(gè)45°朝向海面的左旋圓極化天線接收反射信號(hào)，將觀測(cè)得到的反射信號(hào)信噪比和GNSS衛(wèi)星的鏡像點(diǎn)軌跡相結(jié)合，得到冰面和水面的反射信號(hào)空間分布，相對(duì)于直射信號(hào)只與衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和天線增益相關(guān)，反射信號(hào)則比較復(fù)雜，除了衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)和天線增益，還受到反射面的影響，分析結(jié)果表明GNSS反射信號(hào)用于海冰觀測(cè)具有較高的敏感性，可用于海冰密度的反演.

GNSS-R； 海冰； 輻射傳輸模型； 微波遙感； 介電常數(shù)； 菲涅爾定律

海冰是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，它通過(guò)影響海洋表面的輻射平衡和能量交換，與海洋、大氣相互作用，對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生重要的影響[1].我國(guó)渤海灣和黃海北部每年都出現(xiàn)不同程度的凍結(jié)冰層，海冰的形成不僅對(duì)海洋環(huán)流和大氣環(huán)流產(chǎn)生巨大的影響[2]，而且直接影響人類(lèi)的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，阻礙海上交通，破壞海洋平臺(tái)設(shè)施，產(chǎn)生嚴(yán)重的人員傷亡和極大的經(jīng)濟(jì)損失[3].

我國(guó)傳統(tǒng)的海冰觀測(cè)有臺(tái)站測(cè)量、海洋平臺(tái)觀測(cè)、破冰船觀測(cè)等， 還有通過(guò)機(jī)載監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感等觀測(cè)手段.傳統(tǒng)的觀測(cè)方法由于環(huán)境條件的限制，實(shí)施與操作都比較困難，只能對(duì)有限的海冰進(jìn)行測(cè)量；衛(wèi)星遙感能夠獲得全球范圍的海冰信息，然而時(shí)間、空間分辨率難以滿足需求，且受云、霧等天氣條件制約[4].GNSS-R探測(cè)技術(shù)由于其信號(hào)源豐富，在任何時(shí)間地點(diǎn)都能接收到信號(hào)，成本低廉并且不受天氣條件影響，能夠提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越多的關(guān)注，成為新的研究方向和熱點(diǎn)[5].利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星的反射信號(hào)(Global Navigation Satellite System Reflected signal， GNSS-R) 的遙感技術(shù)始于90年代初，歐空局的Manuel Martin-Neira提出海面反射的GPS多路徑信號(hào)可用于海面高度的遙感[6]. 2000年，Attila Komjathy首次將GNSS-R遙感技術(shù)用于機(jī)載的海冰觀測(cè)， 分析了GNSS信號(hào)的反射功率峰值與雷達(dá)衛(wèi)星的后向散射的相關(guān)性， 指出GNSS反射信號(hào)能夠識(shí)別海冰[7].Valery Zavorotny 在美國(guó)地球物理協(xié)會(huì)2002秋季會(huì)議上指出，GNSS-R垂直極化和水平極化的相位差與海冰厚度之間有很好的相關(guān)性[8].Wiehl等對(duì)由冰層反射的GNSS-R信號(hào)進(jìn)行了理論的分析，并利用軟件進(jìn)行了機(jī)載、星載測(cè)量冰雪覆蓋層的模擬[9].Maria Belmonte Rivas利用機(jī)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)GNSS不僅可以通過(guò)介電常數(shù)分辨海冰覆蓋區(qū)域和冰厚，還能提供厚冰層的粗糙度和北極冰蓋變形過(guò)程的信息[10].Gleason將空間探測(cè)到的GNSS海冰反射信號(hào)與被動(dòng)微波輻射計(jì)(AMSR-E)以及美國(guó)國(guó)家冰雪中心的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)與其他觀測(cè)手段有良好的一致性[11].2008年～2009年，歐空局在格陵蘭島進(jìn)行了7個(gè)月的機(jī)載和岸基觀測(cè)試驗(yàn)[12]，F(xiàn)ran Fabra利用雙極化GNSS-R信號(hào)的相位延遲測(cè)量海冰厚度變化，記錄了海冰的生成和融化過(guò)程[13].

國(guó)內(nèi)對(duì)GNSS-R測(cè)量海冰的研究還在起步階段，2013年，張?jiān)频壤脷W空局格陵蘭島的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了GNSS反射信號(hào)的極化比與海冰密集度的關(guān)系，論證了GNSS-R用于海冰觀測(cè)的可行性[14].本文記錄了國(guó)內(nèi)首次利用GNSS-R測(cè)量渤海海冰的岸基試驗(yàn)，通過(guò)模擬GNSS-R信號(hào)在海水和海冰表面分別進(jìn)行反射的三層輻射傳輸模型，得到了GNSS信號(hào)的反射率和海冰厚度及入射角度的關(guān)系；通過(guò)對(duì)2013年2月19日～2月22日天津海冰消融過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，將觀測(cè)得到的反射率和GNSS衛(wèi)星的鏡像點(diǎn)軌跡相結(jié)合，驗(yàn)證了GNSS-R信號(hào)對(duì)于海冰的監(jiān)測(cè)的敏感性.

1 輻射傳輸模型

(1)

其中，Ti是相關(guān)積分時(shí)間，GR和GT分別是接收天線和衛(wèi)星發(fā)射天線的增益，R0和R分別是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)對(duì)地面的高度，σ0是海面的鏡像散射系數(shù).影響反射信號(hào)的因子有GNSS衛(wèi)星直射信號(hào)發(fā)射功率、反射信號(hào)接收天線的增益，接收機(jī)的位置(對(duì)于岸基試驗(yàn)保持不變)和海面的散射系數(shù).信號(hào)發(fā)射功率通過(guò)直射信號(hào)功率的測(cè)量獲得，在天線增益等其他要素已知的條件下，海面的散射系數(shù)是重要的決定性因素.有冰層覆蓋的海面，散射系數(shù)可通過(guò)分層的輻射傳輸模型模擬.

對(duì)于微波輻射，海水是近似于不能穿透的，而一年冰可認(rèn)為是均勻介質(zhì)，所以海冰的輻射模型是一個(gè)三層模型，如圖1[16]．

圖1 海冰輻射傳輸模型Fig.1 Radiative transfer model of sea ice

假設(shè)入射能量為1，一部分在空氣與海冰界面發(fā)生反射，最終到達(dá)接收機(jī)的能量：

U0=R01.

(2)

其余入射到海冰內(nèi)部然后從海水與海冰交界面再次反射，最終到達(dá)接收機(jī)的能量：

U1=T01*e-α1d1*R12*e-α1d1*T10.

(3)

其中，T01表示在空氣到海冰的透射率(T01=1-R01)， T10表示海冰到空氣的透射率，約為1；α1是介質(zhì)1(海冰)的吸收因子：

(4)

d1是輻射在介質(zhì)1(海冰)中的單程路徑：

d1=h/cos θ2.

(5)

根據(jù)斯奈爾定律[17]，可由衛(wèi)星仰角(El=90°-θ1)和海冰的介電常數(shù)推算出折射角θ2：

(6)

根據(jù)菲涅爾原理，GNSS信號(hào)在空氣和海冰界面發(fā)生反射，垂直反射系數(shù)和水平反射系數(shù)分別為[18]：

(7)

(8)

左旋圓極化天線接收到的反射系數(shù)：

(9)

反射率是反射系數(shù)的平方：

(10)

界面2(海冰與海水界面)反射同理.

接收機(jī)收到的總反射率：

R=R01+(1-R01)·R12·e-2α1d1,

(11)

其中，R01和R12是分別是海冰和海水界面的反射率，可根據(jù)菲涅爾定律，由公式(6)～(10) 得出.海冰的介電常數(shù)比較復(fù)雜，由于海冰可以看做冰、空氣泡、鹽水溶液的混合物，介電常數(shù)受到溫度和含鹽量的影響，這里我們采用一年冰的介電常數(shù) ε1=3.3-0.25j ，海水的介電常數(shù)是 ε2=69.76-36.70j[16].R即菲涅爾反射率，由冰的厚度和入射角度決定(如圖2).

圖2模擬了完全海水狀態(tài)(SW)和海面有5～30 cm海冰(SI)的情況下，不同極化條件(垂直極化Rvv、水平極化Rhh、左旋圓極化Rrl、右旋圓極化Rrr)的菲涅爾反射率.當(dāng)海水表面有冰層時(shí)，由于電磁波在“海水—海冰分界面”的反射率低于在“海水—空氣界面”的反射率，所以即使海冰厚度只有幾厘米，總的菲涅爾反射率也明顯低于無(wú)結(jié)冰純海水的狀態(tài).不同厚度海冰所表現(xiàn)出的反射率的差異，則由海冰對(duì)電磁波的衰減路徑?jīng)Q定，冰層越厚，即衰減路徑越長(zhǎng)，最終到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)功率值就越低.

圖2 反射率與海冰厚度、衛(wèi)星仰角的關(guān)系理論模型Fig.2 Simulation of relationship between reflectivity and sea ice thickness on different elevations

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

2.1實(shí)驗(yàn)觀測(cè)過(guò)程

2013年2月19日～2月22日，中國(guó)氣象局探測(cè)中心與天津氣象局、中國(guó)科學(xué)院空間中心、北京航空航天大學(xué)、上海海洋大學(xué)合作，在天津?yàn)I海新區(qū)大神堂(如圖3)進(jìn)行了連續(xù)4 d的GNSS-R海冰監(jiān)測(cè)試驗(yàn)[19].

圖3 天津GNSS-R海冰監(jiān)測(cè)站位置示意圖Fig.3 Image of Tianjin GNSS-R sea ice monitoring station

GNSS-R天線安裝在海邊平臺(tái)的天線架上，天線架高5 m，平臺(tái)到海面距離約2 m.右旋圓極化天線垂直向上接收GNSS直射信號(hào)，左旋圓極化天線45°角面對(duì)海面，接收海面反射的GNSS-R信號(hào).由于天津漢沽的海冰基本是浮冰，隨潮汐漲落，所以從2013年2月19日開(kāi)始到2月22日，每天選取潮位最高值的2 h進(jìn)行觀測(cè)，每5 min采集一組數(shù)據(jù)，采集時(shí)間為20 s.

2.2數(shù)據(jù)處理過(guò)程

2.2.1接收機(jī)工作流程 試驗(yàn)用的是東方聯(lián)星的New Star 210M GPS接收機(jī)，同時(shí)接收GPS L1波段的直射信號(hào)和左旋反射信號(hào)，通過(guò)前置放大器和GPS信號(hào)濾波，下變頻到頻率為16.367 667 MHz的中頻信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理主機(jī)接口存入計(jì)算機(jī)，再由Matlab編寫(xiě)的軟件接收機(jī)對(duì)接收到的每顆GNSS衛(wèi)星信號(hào)與本地碼進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，處理成為相關(guān)信號(hào)波形，再進(jìn)行下一步分析(如圖4).

2.2.2數(shù)據(jù)選取與處理 根據(jù)圖3 中天線平臺(tái)的位置，初步選取方位角在0°～240°(順時(shí)針)，仰角20°～90°范圍內(nèi)的衛(wèi)星，計(jì)算鏡面反射點(diǎn)的位置.反射天線的增益投影在圖5中顯示，試驗(yàn)中反射天線45°朝向海面，反射天線的增益在入射信號(hào)與天線中線夾角40°時(shí)降低3dB，觀測(cè)范圍設(shè)置為反射天線波束覆蓋范圍，鏡像反射點(diǎn)在此范圍內(nèi)即為有效數(shù)據(jù).

(a) NS210M接收機(jī)工作流程圖

(b) 軟件接收機(jī)工作流程圖[20]圖4 NS210M接收機(jī)與軟件接收機(jī)工作流程圖Fig.4 Flow diagram of NS210M reciver and Soft receiver

圖5 左旋反射天線增益投影Fig.5 LHCP antenna pattern on Google earth

軟件接收機(jī)根據(jù)仰角方位角信息選擇有效區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，生成直射信號(hào)和反射信號(hào)的復(fù)數(shù)場(chǎng)波形，直射信號(hào)為：Id+Qd， 反射信號(hào)為：Ir+Qr. 直射信號(hào)和反射信號(hào)的功率波形分別為:

(12)

(13)

圖6分別是直射相關(guān)功率和反射相關(guān)功率的20 s波形，x坐標(biāo)表示碼片延遲，y坐標(biāo)表示時(shí)間，z坐標(biāo)表示功率的相關(guān)值.直射功率的相關(guān)值比較平穩(wěn)，而反射信號(hào)受到海面波動(dòng)的影響，有較大的起伏.

圖6 直射信號(hào)(左)與反射信號(hào)相關(guān)功率(右)波形Fig.6 Correlation power waveform of direct(left) and reflected(right) signals

2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

2013年2月19日～2月20日，觀測(cè)點(diǎn)附近的海面覆蓋了流冰，厚度約為10cm；2月21日～22日海冰已經(jīng)融化，完全是海水.圖8中，(a)、(c)分別是是19～20日接收到的直射信號(hào)和反射信號(hào)信噪比，(b)、(d)分別是21～22日接收到的直射信號(hào)和反射信號(hào)信噪比，海冰與海水狀態(tài)時(shí)，接收機(jī)接收到的直射信號(hào)功率的信噪比(a)、(b)是相似的，而反射信號(hào)的信噪比差別明顯，海水狀態(tài)(d)的反射信號(hào)信噪比明顯高于海冰狀態(tài)(c).

圖7 2013年2月19日～2月22日GNSS-R觀測(cè)點(diǎn)冰情Fig.7 Ice conditions from 19th to 22th，F(xiàn)ebruary, 2013

圖8 海冰與海水狀態(tài)，直射與反射信號(hào)的信噪比空間分布Fig.8 GNSS-R SNR spatial distribution for sea ice and sea water

圖9 海冰與海水的實(shí)測(cè)信號(hào)相關(guān)功率對(duì)比Fig.9 Comparison between measured correlation power from sea ice and sea water

2013年2月20日海冰狀態(tài)與2月21日海水狀態(tài)下GPS天線接收到的26號(hào)星的直射、反射信號(hào)功率對(duì)比如圖9所示.橫坐標(biāo)是衛(wèi)星仰角變化，縱坐標(biāo)表示直射、反射功率峰值的相關(guān)值，沒(méi)有單位.其中，海冰與海水狀態(tài)下，直射信號(hào)非常一致，隨著仰角的增加而增加，說(shuō)明直射信號(hào)的大小只受到衛(wèi)星發(fā)射功率和天線增益的影響，由于直射天線是垂直向上放置，高的仰角對(duì)應(yīng)較小的天線入射夾角，即仰角越高，增益越大.而反射信號(hào)則受到天線增益和海面狀態(tài)的影響，海水的反射信號(hào)相關(guān)功率明顯大于海冰的反射信號(hào)相關(guān)功率.由于20日海冰厚度約10 cm，來(lái)自海冰表面的散射與來(lái)自冰下海水表面的散射產(chǎn)生了干涉，所以數(shù)據(jù)的波動(dòng)大于純海水表面.經(jīng)過(guò)天線增益校準(zhǔn)后，30～60°仰角條件下，10 cm海冰的平均反射率約0.35，而海水的平均反射率為0.6，與模型符合.

3 結(jié)論

本文分析了GNSS-R信號(hào)測(cè)量海冰的三層輻射傳輸模型，利用公式(11)， 可通過(guò)觀測(cè)的反射率和衛(wèi)星仰角來(lái)推算海冰的厚度.當(dāng)一年冰的厚度在0～20 cm范圍內(nèi)，反射率隨冰厚的變化非常明顯，而當(dāng)海冰厚度超過(guò)30 cm，反射率不再隨海冰厚度的增加而有明顯減小，因?yàn)橐呀?jīng)近于初年冰的穿透深度.

通過(guò)對(duì)天津渤海灣海冰的觀測(cè)試驗(yàn)，得到的反射信號(hào)功率信噪比與衛(wèi)星反射的鏡像點(diǎn)模擬相結(jié)合，證實(shí)了GNSS-R信號(hào)對(duì)于區(qū)分海水和海冰的敏感性，GNSS-R測(cè)量海冰，原理與雙基雷達(dá)的配置相同，根據(jù)雷達(dá)方程，反射功率由衛(wèi)星發(fā)射功率、接收天線增益和表面散射介質(zhì)特性決定，通過(guò)測(cè)量GNSS-R信號(hào)經(jīng)過(guò)海水和海冰表面反射后接收到的反射信號(hào)功率的差異，能夠區(qū)分海冰與海水；后續(xù)試驗(yàn)中，將對(duì)反射信號(hào)功率與海冰厚度的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證.

致謝 感謝李黃局長(zhǎng)的悉心指導(dǎo)，感謝夏青老師在外場(chǎng)試驗(yàn)中的協(xié)調(diào)，感謝天津漢沽氣象局對(duì)試驗(yàn)的大力支持，感謝中國(guó)科學(xué)院空間中心、北京航空航天大學(xué)、上海海洋大學(xué)等合作單位對(duì)試驗(yàn)的貢獻(xiàn).

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Simulation and experimental verification of sea ice Remote Sensing using GNSS-R

YIN Cong1, CAO Yunchang2, ZHU Bin1, YANG Dongkai3, KE Fuyang4, WANG Wei5, GAO Qiang6

(1.School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044；2.Meteorological Observation Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081；3.School of Electronic and Information Enginearing, Beihang University, Beijing 100081;4.School of Geography and Remote Sensing, Nanjing University of Information Science&Technology, Nanjing 210044；5.Tianjing Institute of Meteorological Science, Tianjing 300074；6.Meteorological Administration of Tianjing Binhai New Area, Tianjing 300480.)

In this paper, the principle of sea ice monitoring through reflected signal techniques of Global Navigation Satellite System (GNSS) was discussed. The relationship between sea ice thickness and reflectivity on different elevations was simulated based on the radiative transfer model. In Tianjin sea ice monitoring experiment, an up-looking antenna was applied for receiving direct signals from satellites, and another 45°down-looking antennas for receiving left-hand circular polarization (LHCP) reflected signals from the sea surface. The spatial distribution of reflected signals were obtained from the ice and water surface, respectively, through combined analysis on signal-to-noise ratio of the reflected signal and footprints of GNSS satellites. It is found that the direct signal only depends on the GNSS Satellite transmission power and antenna gain pattern, while the reflected signal also depends on the parameters of reflecting surface. The results indicate that GNSS reflected signals are highly sensitive and able to be utilized in sea ice monitoring.

GNSS-R; sea ice; Radiative transfer model; Microwave Remote Sensing; dielectric constant; Fresnel principle

2016-02-12.

中國(guó)人民解放軍總裝備部項(xiàng)目(GFZX03030303)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41304036).

1000-1190(2016)04-0612-07

P33；P237

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: caoyc@126.com.