北斗新應(yīng)用
——海風(fēng)海浪的遙感觀測

文/涂滿紅

海風(fēng)海浪的觀測對海洋氣象和防災(zāi)減災(zāi)都具有十分重要的作用。無論是對于臺風(fēng)等災(zāi)害性天氣的預(yù)報預(yù)測，還是海上生產(chǎn)作業(yè)、海洋研究、海航海運(yùn)等海上活動安全等諸多方面，準(zhǔn)確掌握海洋氣象信息，特別是海風(fēng)海浪的信息顯得尤為重要。

目前海洋浮標(biāo)觀測是海洋觀測中普遍采用的海風(fēng)海浪探測手段，但浮標(biāo)投資大，運(yùn)行維護(hù)成本較高。

近年來，隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其在提供傳統(tǒng)定位、導(dǎo)航及授時服務(wù)的同時，還提供了大量的電磁信號源。利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的反射信號（GNSS-R）反演海風(fēng)海浪技術(shù)作為一種非接觸式、無需發(fā)射源設(shè)備，具有全球域、全天時以及成本低等特點(diǎn)，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)浮標(biāo)投資大，運(yùn)行維護(hù)困難的不足。

超聲檢測法：以波動的形式在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動特性對試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測。以其適用范圍廣、穿透能力強(qiáng)、定位較準(zhǔn)確、靈敏度較高、對面積缺陷檢出率較高、檢測成本低等優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用在制造、石油化工、造船、航空航天、核能、軍事工業(yè)、醫(yī)療器械以及海洋探測等領(lǐng)域。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）作為中國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，已具備良好的亞太覆蓋能力，為導(dǎo)航衛(wèi)星海面反射信號實現(xiàn)海風(fēng)、海浪探測提供了可靠的基礎(chǔ)條件，這將作為一個北斗應(yīng)用的重要領(lǐng)域，為我國海洋氣象觀測提供有效的監(jiān)測手段。

基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的GNSS-R遙感是利用導(dǎo)航衛(wèi)星L波段信號為發(fā)射源，以岸、機(jī)、星載或其它接收平臺，通過接收并處理海洋反射信號，實現(xiàn)被測媒介的特征要素提取或移動目標(biāo)探測的一種技術(shù)，GNSS-R技術(shù)基本原理如上圖所示。接收機(jī)同時接收到衛(wèi)星的直射信號及來自反射面的反射信號。由電磁波的傳播基本理論可知，該反射信號中攜帶者反射面的特征信息，反射信號波形的變化，幅值、相位和頻率等參量的變化都直接反映了反射面的物理特性。探測系統(tǒng)通過對反射信號的精確估計和接收處理，則可實現(xiàn)對海面物理特性的估計和反演。

由圖1可以很明顯看出，硬質(zhì)合金與鋼兩側(cè)界面區(qū)內(nèi)有一定的反應(yīng)產(chǎn)物形成。當(dāng)間隙為0.05mm時反應(yīng)產(chǎn)物貫穿了整個焊縫，隨著接頭間隙的增大，反應(yīng)產(chǎn)物越來越不明顯。因此，對界面區(qū)內(nèi)產(chǎn)物及釬縫中心區(qū)的元素構(gòu)成進(jìn)行分析有助于確定界面區(qū)產(chǎn)物的類型及釬焊接頭形成機(jī)理。

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基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的海洋遙感技術(shù)，作為一種新型的海風(fēng)海浪觀測手段，可在一定程度上改善我國綜合氣象觀測系統(tǒng)在海上缺乏有效觀測手段和觀測資料不足的狀況，為近海氣象觀測提供了新的思路。

國際上對于GPS衛(wèi)星反射信號反演海風(fēng)海浪研究起步較早，從20世紀(jì)90年代開始，美國和歐洲都開展了大量飛行及陸上試驗，在海面高度、海面風(fēng)場、土壤濕度、海冰等各方面的應(yīng)用都取得了長足進(jìn)步。

我國對此項技術(shù)的研究起步較晚，從2004年開始，陸續(xù)在渤海海域、廈門、深圳等地進(jìn)行了一些相關(guān)試驗，取得了一些數(shù)據(jù)和成果。

中國氣象局從2010年開始，陸續(xù)組織開展了北斗探測海風(fēng)海浪的關(guān)鍵技術(shù)研究和相關(guān)軟件的開發(fā)。和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合在山東威海、廣東陽江、深圳等多個臨海氣象站，開展了大量的岸基北斗反射信號海洋遙感試驗，對岸基探風(fēng)原理進(jìn)行了驗證，取得了大量實驗數(shù)據(jù)和研究成果。目前中國氣象局已組織研制出北斗反射信號海風(fēng)海浪探測系統(tǒng)，并基于本系統(tǒng)在廣東陽江和山東威海成山頭氣象站，分別建成了北斗反射信號海洋遙感探測示范站點(diǎn)，針對沿海臺風(fēng)進(jìn)行長期探測研究，為全國范圍內(nèi)業(yè)務(wù)推廣使用奠定基礎(chǔ)。

目前，陽江和威海成山頭兩個示范站運(yùn)行穩(wěn)定，北斗反射信號探測系統(tǒng)的有效波高與浮標(biāo)數(shù)據(jù)相比，其平均誤差為±10cm左右；北斗反射信號探測系統(tǒng)的風(fēng)速與氣象站風(fēng)速相比，其平均誤差為1.85m/s左右；北斗反射信號風(fēng)速測量值與同比風(fēng)速儀結(jié)果間均方根誤差為2.4m/s，兩者具有良好的一致性，驗證了北斗反射信號對臺風(fēng)海況探測的可行性。在后續(xù)的研究中，為提升北斗反射信號測量技術(shù)的精度和穩(wěn)定性，可在風(fēng)浪模型計算中，融入多種統(tǒng)計算法、提升模型的魯棒性和精度，進(jìn)一步提高北斗海風(fēng)海浪探測系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和探測精度，爭取北斗海風(fēng)海浪探測技術(shù)盡早進(jìn)入氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用。