GNSS反射信號海面溢油回波DDM仿真研究

陳閃閃,張?jiān)?洪中華,韓彥嶺,謝向芳

(上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院,上海 201306)

GNSS反射信號海面溢油回波DDM仿真研究

陳閃閃,張?jiān)?洪中華,韓彥嶺,謝向芳

(上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院,上海 201306)

海上溢油已成為影響海洋生態(tài)環(huán)境的重要污染物之一,我國近40年發(fā)生約3200起海上溢油事故。當(dāng)今用于監(jiān)測海上溢油的遙感主要是光學(xué)和雷達(dá)衛(wèi)星,衛(wèi)星遙感往往重訪周期長,而海上溢油事件時(shí)常發(fā)生，給海洋帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染,需要快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測其狀況。GNSS-R技術(shù)具有全天候監(jiān)測海洋的特點(diǎn),因此更適合用于海面溢油檢測。為了驗(yàn)證GNSS-R技術(shù)在檢測海面溢油的可行性,利用2013年中國青島海洋溢油事故的遙感圖像的溢油結(jié)果,作為仿真實(shí)驗(yàn)檢測目標(biāo),進(jìn)行岸基的GNSS-R海面溢油檢測仿真研究。利用Z-V散射模型和海水/溢油的均方坡度(MSS)模型結(jié)合,建立了能反映海面狀況GNSS散射信號特征的時(shí)延-多普勒圖(DDM)。仿真得到DDM中檢測到海面溢油區(qū)域,驗(yàn)證了利用GNSS反射信號進(jìn)行海面溢油檢測的可行性。

GNSS-R;海洋;溢油檢測;時(shí)延-多普勒圖

0 引 言

海上溢油事故的發(fā)生會對海洋、陸地生態(tài)環(huán)境及其人類的經(jīng)濟(jì)造成惡劣的影響。據(jù)國家海洋局統(tǒng)計(jì)稱,在中國沿岸及近海地區(qū),平均每四天就會發(fā)生一次溢油事故[1]。2011年渤海蓬萊19-3油田發(fā)生溢油事故,造成約5 500 km2的海水在這次事故中受到嚴(yán)重污染,損失價(jià)值總計(jì)16.83億元[2]。2013年11月22日發(fā)生在山東省青島輸油管破裂爆炸溢油事故,造成約3 000 m2的海面受到嚴(yán)重污染,直接經(jīng)濟(jì)損失約7.5億元[3]。為了減輕海面溢油災(zāi)害的影響,能否實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測海面溢油對于保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)意義。傳統(tǒng)海面溢油檢測主要有兩大類,一類是基于可見光的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)(光學(xué)傳感器等),但存在受天氣的影響,不能全天候的檢測海面溢油狀況。另一類是基于微波遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)(SAR)具有全天候檢測能力,但由于其觀測模式往往是側(cè)視掃描,因此成像存在大量噪點(diǎn)影響溢油檢測精度。而全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號(GNSS-R)技術(shù)以其豐富的信號源,在大部分海域都能接收到信號,具有低成本、不受天氣環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn),并且能夠提供全天候長期穩(wěn)定的高實(shí)時(shí)性觀測,可以成為海面溢油監(jiān)測技術(shù)手段。

自1993年,歐空局科學(xué)家Manuel Martin-Neira首次提出了利用海面散射的GPS信號進(jìn)行測高的可行性以來[4],GNSS-R技術(shù)迅速地發(fā)展成為一種新興的海洋遙感技術(shù)。該技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)成功地應(yīng)用于海面測風(fēng)[5-7]、海面測高[8-9]、海冰檢測[10]、土壤濕度[11]等。在用GNSS-R技術(shù)進(jìn)行海面溢油檢測仿真方面,國外西班牙Valencia等人提出了利用星載的GNSS-R技術(shù)對海面溢油進(jìn)行模擬檢測[12-13]。Li and Huang等人將空間整合的方法(SIA)利用在GNSS-R信號對海面溢油進(jìn)行仿真檢測技術(shù)上[14]。國內(nèi)對GNSS-R檢測海面溢油的研究還在起步階段,且GNSS-R海面溢油的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少。為了驗(yàn)證GNSS-R技術(shù)在海面溢油檢測的可行性,本文以2013年11月中國青島發(fā)生的溢油事故作為溢油輸入數(shù)據(jù),以時(shí)延-多普勒二維相關(guān)功率模型為基礎(chǔ),進(jìn)行岸基的GNSS-R海面溢油檢測仿真研究。

1 GNSS-R海面溢油檢測原理

1.1 仿真技術(shù)流程

本文根據(jù)一次真實(shí)溢油事故造成海面污染為GNSS衛(wèi)星監(jiān)測的目標(biāo)。根據(jù)觀測溢油發(fā)生區(qū)域,設(shè)置接收機(jī)位置和選擇GNSS衛(wèi)星,計(jì)算鏡面反射點(diǎn)和散射點(diǎn)的位置,由基爾霍夫散射近似理論的 GNSS 信號海面散射 Z-V 模型,結(jié)合Cox&Munk的溢油和海水的MSS模型,建立在觀測真實(shí)溢油區(qū)域條件下 GNSS 海面散射信號的相關(guān)功率和時(shí)間延遲、多普勒頻移的關(guān)系,再通過DDM技術(shù)從時(shí)延和多普勒兩個(gè)角度提取帶有溢油信息的海面散射信號,進(jìn)而反演針對鏡面反射點(diǎn)周圍區(qū)域海面溢油狀況。設(shè)計(jì)的GNSS-R檢測海面溢油DDM仿真流程圖如圖1所示。

圖1 GNSS-R仿真海面溢油DDM流程圖

1.2 仿真原理

GNSS衛(wèi)星、反射面和接收機(jī)構(gòu)成GNSS 反射信號監(jiān)測系統(tǒng),接收機(jī)收到的GNSS海面散射信號是由海面不同散射單元的信號共同作用的結(jié)果,表現(xiàn)為信號幅度的衰減以及不同時(shí)延和不同多普勒信號的疊加,其不同的時(shí)延與多普勒頻移又與反射面不同的散射單元相對應(yīng),如圖2所示。圖中,中心點(diǎn)為鏡面反射點(diǎn),同心橢圓是一系列的等延遲線,曲線是一系列的等多普勒頻移線,等延遲線和等多普勒線分別從時(shí)延和多普勒頻移對海面散射區(qū)域進(jìn)行劃分。根據(jù)基爾霍夫散射近似理論建立 GNSS 信號海面散射 Z-V 模型可知,海面散射信號由具有不同時(shí)間延遲和多普勒頻移信號分量組成,在海面溢油存在下,這些信號分量會產(chǎn)生變化,可以通過散射信號在不同碼延遲和多普勒頻移下的相關(guān)功率來描述。

圖2 反射面單元與時(shí)延-多普勒單元的對應(yīng)關(guān)系

在2000年,Zavortny和Voronovich在雙基雷達(dá)方程的基礎(chǔ)上利用Kirchhoff近似的幾何光學(xué)方法建立了GNSS海面散射信號的時(shí)延-多普勒二維相關(guān)功率模型[15],目前Z-V模型廣泛適用于GNSS-R的各種海洋遙感應(yīng)用研究,譬如海面測風(fēng)、海冰檢測、海面溢油檢測等,相應(yīng)的表達(dá)式為

〈|Y(Δτ,Δf)|2〉=

(1)

式中:Ti為相干積分時(shí)間;D(r)為接收機(jī)的天線增益;Λ為自相關(guān)函數(shù);S為多普勒濾波函數(shù);RT(r)和RR(r)分別為GNSS衛(wèi)星和接收機(jī)到散射點(diǎn)的距離; Δf和Δτ分別表示反射面上各個(gè)散射點(diǎn)相對于鏡面反射點(diǎn)的多普勒頻移和時(shí)延;r為散射點(diǎn)的位置矢量,其中觀測區(qū)每個(gè)散射點(diǎn)的散射系數(shù)為[15]

(2)

式中:R為菲涅耳反射系數(shù),在本文中海水和溢油的菲涅爾反射系數(shù)采用了相同的值為1.0;q為散射矢量;q⊥為散射矢量的水平分量;qZ為散射矢量的Z向分量;Ppdf為海面坡度的概率密度函數(shù)(PDF)。在研究中采用ECXI (Earth-Centered,X-ZIncidence)坐標(biāo)系,假定風(fēng)向是沿著X軸方向,則海面坡度對于各個(gè)散射點(diǎn)的概率分布函數(shù)的表達(dá)式為[15]

(3)

(4)

當(dāng)海面為海水時(shí)MSS與風(fēng)速關(guān)系為

(5)

其中:MSS第二個(gè)下標(biāo)的s, c分別表示海面溢油和海水;U10為海面高度為10 m處的風(fēng)速。

由式(4)和式(5)可知,在特定風(fēng)速和風(fēng)向條件下,海面溢油和海水的MSS的不同導(dǎo)致觀測區(qū)內(nèi)各散射點(diǎn)的散射系數(shù)的變化,以此作為Z-V模型的輸入,再擴(kuò)展到整個(gè)DDM中進(jìn)行計(jì)算。

2 仿真實(shí)驗(yàn)場景

本文以2013年11月中國青島發(fā)生輸油管道泄漏爆炸造成膠州灣海面溢油事故為GNSS-R系統(tǒng)監(jiān)測海面目標(biāo),溢油遙感數(shù)據(jù)作為模型的輸入,并由QuickBird遙感數(shù)據(jù)圖像獲取了此次溢油污染的一塊區(qū)域,如圖3所示。

圖3 QuickBird獲取海面溢油區(qū)域的數(shù)據(jù)圖像(2013/11/27)

根據(jù)當(dāng)時(shí)海面溢油發(fā)生的場景,設(shè)計(jì) GNSS 反射信號監(jiān)測系統(tǒng)對其進(jìn)行監(jiān)測,圖3中箭頭為接收機(jī)監(jiān)測的位置,并接收到了北斗MEO C30衛(wèi)星信號,計(jì)算其鏡面反射點(diǎn)的位置如圖3中星號所示。根據(jù)觀測同時(shí)期的風(fēng)速數(shù)據(jù),取風(fēng)速為6.8 m/s并且假設(shè)均勻地分布在海洋表面上。具體的仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。本文采用ECXI坐標(biāo)系。

在模擬海面溢油檢測場景的實(shí)驗(yàn)中,由于散射區(qū)域面積較小,可忽略地球曲率的影響。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)

3 反演結(jié)果和分析

根據(jù)圖3海面溢油分布情況,由表1設(shè)計(jì)仿真監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的參數(shù),通過式(4)和式(5)計(jì)算海面溢油和海水的MSS值再代入式(3),最后通過式(2),仿真得到散射系數(shù)分布如圖4所示,其中橫坐標(biāo)代表X方向觀測范圍,縱坐標(biāo)代表Y方向觀測范圍,原點(diǎn)表示鏡面反射點(diǎn)。從圖4中可以看出海面溢油的散射系數(shù)高于海水的散射系數(shù),由于海面油膜能夠使海水表面張力變小,阻尼部分海面毛細(xì)波和重力波對入射電磁波的散射作用,導(dǎo)致GNSS前向散射變大,后向散射變小。

在沒有考慮噪聲的條件下,以圖4實(shí)驗(yàn)場景的散射系數(shù)分布為基礎(chǔ),通過式(1),從時(shí)延和多普勒頻移兩個(gè)角度提取帶有溢油信息散射信號的DDM,其仿真得到的DDM如圖5所示,其中X軸代表碼延遲(單位碼片),Y軸代表多普勒頻移(單位Hz),不同顏色代表GNSS海面散射信號相關(guān)功率大小的不同。從圖5的DDM圖像中可以清晰地分辨出海面溢油的區(qū)域,驗(yàn)證了利用GNSS-R技術(shù)檢測海面溢油的可行性。

圖4 散射系數(shù)分布圖

圖5 反演溢油分布的DDM

4 結(jié)束語

本文論述了利用GNSS-R技術(shù)進(jìn)行海面溢油檢測的仿真研究,結(jié)合Z-V散射模型和海水/溢油的MSS模型,以2013年中國青島發(fā)生海面溢油事故為檢測目標(biāo),計(jì)算了能反映反射面GNSS散射信號特性的DDM.實(shí)施了GNSS衛(wèi)星仿真觀測實(shí)驗(yàn),在風(fēng)速分布相同的條件下,從實(shí)驗(yàn)仿真得到DDM結(jié)果表明在距離鏡面反射點(diǎn)一定范圍之內(nèi)可以有效地分辨出海面溢油污染的區(qū)域,驗(yàn)證了利用GNSS-R技術(shù)可以對海上溢油事故進(jìn)行檢測的可行性,另外本文研究成果為未來GNSS-R海面溢油實(shí)時(shí)監(jiān)測的星載、機(jī)載、岸基接收器的研制提供理論依據(jù)。

致謝:本文研究過程中,得到了北京航空航天大學(xué)楊東凱教授,李偉強(qiáng)博士和中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的白偉華研究員關(guān)于GNSS-R方面的悉心指導(dǎo),在此表示衷心的感謝。

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Sea Surface Slicked Oil Detection Using GNSS-R Simulation

CHEN Shanshan,ZHANG Yun,HONG Zhonghua,HAN Yanling,XIE Xiangfang

(ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

Oil spill has become one of the important effects of pollutants in the marine ecological environment, in the last 40 years, there have occurred about 3200 oil spill accidents in China. The remote sensing monitoring of ocean oil spill is the main optical and radar satellites, which generally exhibit shortcoming that a long revisited period, however oil spills often result in immediate and long-term serious environmental pollution, and it need to rapidly and accurately monitor oil spill conditions. Global Navigation Satellite System reflected signals (GNSS-R) technology has the characteristic of all-weather availability, hence, it is more suitable for the detection of oil spills. To assess the feasibility of the GNSS-R simulation in detecting the oil slicks, the GNSS-R coastal simulated experiment was performed on the oil slick distribution of an oil spill accident, which occurred in Qingdao, China, 2013. In this paper, the Delay-Doppler Map (DDM) is conducted by combining the Mean-Square Slope (MSS) model for oil slicked/clean surfaces and the Zavorotny-Voronovich (Z-V) scattering model, which can reflect the characteristics of the GNSS scattering signals of the sea surface condition. The simulation results show that oil slicks are clearly distinguishable from the Delay-Doppler Map, and therefore it can verify the feasibility of oil slicks detection by using GNSS-R technology.

GNSS-R; ocean; oil slicks detection; Delay-Doppler Map

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.004

2016-12-05

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:41376178,41401489,41506213)

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0015-05

陳閃閃 (1989-),女,碩士,主要研究方向?yàn)镚NSS-R技術(shù)海面溢油檢測的研究與應(yīng)用。

張?jiān)?(1974-),男,教授,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航定位和GNSS-R技術(shù)的研究與應(yīng)用。

洪中華 (1982-),男,講師,主要研究方向?yàn)闇y量和環(huán)境遙感領(lǐng)域。

聯(lián)系人: 陳閃閃 E-mail: chenshanshan_r@163.com