基于北斗GEO衛(wèi)星反射信號的海冰反演技術(shù)研究

孟婉婷,秦 瑾,張 云,周 勃

(1. 上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109； 2. 上海海洋大學 信息學院，上海 201306)

0 引言

海冰主要出現(xiàn)在極地以及部分高緯度區(qū)域，對我國來說，緯度偏高的地區(qū)主要有渤海海域以及黃海北部海域，這些區(qū)域因海冰災害而受到巨大損失[1]。海冰災害的出現(xiàn)，會損壞近海附近的沿岸設(shè)施，影響船只的來往通航，阻礙海洋捕撈以及海上油氣資源的開發(fā)等，因此檢測海冰成為防災減災的重要任務(wù)。

GNSS反射信號技術(shù)，也稱為GNSS-R技術(shù)，是在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，也稱為GNSS)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是利用從海面反射回來的GNSS信號探測海面參數(shù)信息的遙感技術(shù)。此項技術(shù)能提供大量信號源及精準的時間、空間信息，且不受云、雨、霧等天氣因素的影響[2]。近年來，該技術(shù)逐漸成為檢測海冰的研究熱點[3-7]。

由于海水與海冰反射面的復介電常數(shù)不同，基于GNSS-R技術(shù)檢測海冰主要有兩類檢測模型：一類是歐空局的Fabra等[8-9]學者建立的偏振比反演模型(R-RHCP/R-LHCP)，另一類是國內(nèi)的張云、孟婉婷等[10-11]建立的極化比反演模型(R-LHCP/D-RHCP)。偏振比反演模型是采用反射左旋信號(R-LHCP)與反射右旋信號(R-RHCP)反演海冰密集度的比值模型，而極化比反演模型是采用反射左旋信號(R-LHCP)與直射右旋信號(D-RHCP)反演海冰密集度的比值模型。

文獻[10]中從原理維度分析了極化比海冰模型探測海冰的可行性，以及兩個模型的適用范圍，論述了偏振比模型適用于低仰角范圍，而極化比模型適用于高仰角范圍，但未從實驗維度進行驗證。本文結(jié)合上述兩種反演模型，用菲涅爾原理對海冰反演特性進行了研究，并在渤海區(qū)域進行了相關(guān)實驗，利用北斗衛(wèi)星實驗數(shù)據(jù)，對兩種海冰反演模型在渤海海冰反演進行實驗驗證。

1 菲涅爾反射原理

假設(shè)海面是理想的鏡面狀態(tài)下，電磁波將發(fā)生鏡面反射，入射角等于反射角，此時可以通過菲涅爾反射定律來描述。其反射信號的功率大小以及相位等信息，取決于GNSS入射波的頻率、極化方式、入射角和反射面的性質(zhì)(介電常數(shù)和電導率)。直射信號在經(jīng)過海面散射后，反射信號輸出功率的波形表達式[12]如下所示

式中：Ti為相干積分時間；R為菲涅爾反射系數(shù)；c為光速；R0為GNSS衛(wèi)星到接收機的距離；R為衛(wèi)星到海面上鏡面反射點的距離；D為天線方向的有效覆蓋區(qū)；Λ為等延遲區(qū)；S為等多普勒區(qū)；P為閃耀區(qū)；ρ為散射元。

由式(1)可知，影響反射信號輸出功率波形的有反射與直射信號之間的路徑延遲、GNSS衛(wèi)星仰角、菲涅爾反射系數(shù)等。而本文后續(xù)所開展的實驗都在類似的實驗條件下進行，所以反射信號輸出功率幾乎不受反射與直射信號的路徑延遲、GNSS衛(wèi)星仰角的影響，但實驗中海面的性質(zhì)和菲涅爾系數(shù)有很大的不同，所以其反射信號輸出功率很大程度上取決于菲涅爾反射系數(shù)[10]，其公式如下

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：R為右旋圓極化分量；L為左旋圓極化分量；V為垂直線極化分量；H為水平線極化分量；ε為反射介質(zhì)的復介電常數(shù)；θ為衛(wèi)星仰角。

文獻[10]中論證了渤海海域海水的復介電常數(shù)ε=75.54+48.27j，初生海冰的復介電常數(shù)平均數(shù)|εsi|=10，通常取ε=7.07+7.07j。根據(jù)上述復介電常數(shù)，對渤海海域內(nèi)海冰和海水的菲涅爾反射系數(shù)進行仿真。海冰和海水情況下，菲涅爾反射系數(shù)和GNSS衛(wèi)星仰角間的關(guān)系如圖1、圖2所示。

反射左旋信號分量隨GNSS衛(wèi)星仰角的增大而增大，反射右旋信號分量隨GNSS衛(wèi)星仰角的增大而減小。當仰角參數(shù)大于一個特定值(海水情況下約6.8°，海冰情況下約17.8°)的時候，左旋反射信號分量會大于右旋反射信號的分量。此時，說明GNSS衛(wèi)星的直射右旋信號大部分轉(zhuǎn)化為反射的左旋信號。

在仰角處于20°～45°時，海水情況下的反射左旋信號的菲涅爾反射系數(shù)(0.75～0.81)遠大于海冰情況下的反射左旋信號的菲涅爾反射系數(shù)(0.43～0.52)。無論在海水還是海冰情況下，GNSS衛(wèi)星直射的右旋信號的振幅趨近于相同，根據(jù)菲涅爾反射系數(shù)，海水的極化比值應(yīng)大于海冰的極化比值。

高仰角時，由于反射右旋信號的分量遠小于反射左旋信號的分量，此時，偏振比值趨近于零，很難比較出海水與海冰情況的不同，因此，偏振比模型更適用于低仰角。而對于高仰角來說，由于不同反射面情況下，反射左旋信號的分量差值較大，極化比值模型更加適用于高仰角。

2 實驗設(shè)置

為了通過實驗驗證上文中所提到的海冰極化比模型是否能反演海冰變化的過程，以及兩類海冰反演模型的適用范圍，2015年1月24日，在中國天津漢沽的海冰觀測站的岸基旁，開展了基于北斗反射信號的渤海岸基實驗，并搭建直射、反射天線及GNSS-R軟件接收機。海冰觀測站及實驗區(qū)域如圖3所示。

實驗采用北斗系統(tǒng)的靜止衛(wèi)星，因為其仰角不變，消除了仰角變化對實驗結(jié)果的影響，采用極化比模型實現(xiàn)對渤海海冰變化趨勢的反演。

直射與反射天線架設(shè)在離海水表面約7.6 m高度的支架上。本次實驗用到了3種天線，天線的技術(shù)參數(shù)見表1。直射右旋天線朝向天空水平架設(shè)，采集北斗衛(wèi)星的直射右旋信號，反射左旋天線與反射右旋天線傾斜朝向海面并朝南放置(反射左旋天線與反射右旋天線的傾斜角度相同)，采集海面反射回來的反射左旋信號和反射右旋信號。直射和反射天線示意圖如圖4所示。

GNSS反射信號技術(shù)所采用的接收機是采集實驗區(qū)域反射面信息的主要設(shè)備，其目的是獲取來自反射面的GNSS直射信號與反射信號，并具備2種信號的頻率變化、數(shù)字化(采集和量化)、跟蹤捕獲衛(wèi)星信息、對數(shù)據(jù)進行后處理等功能[8]。對GNSS-R接收機來說，一般分為硬件和軟件兩種。本次實驗中，接收機設(shè)備是北京航空航天大學研制的第二代軟件接收機，如圖5所示。其軟件接收機有4個通道，本次實驗選擇了其中的3個通道，采集D-RHCP信號、R-LHCP信號和R-RHCP信號，采集頻率是16.36 MHz，傳輸速率是16 MB/s。

表1 D-RHCP天線/R-LHCP天線/R-RHCP天線參數(shù)對比

3 對比數(shù)據(jù)

為了和GNSS-R實驗結(jié)果進行對比分析，在實驗過程中，對比數(shù)據(jù)采用實驗現(xiàn)場的海冰密集度信息(現(xiàn)場照片的SVM分析結(jié)果)，以及附近氣象站的數(shù)據(jù)(潮汐和氣溫：主要影響海冰變化的兩個因素)。

對所采集的實驗場地照片，本文使用圖像處理方法(支持向量機，也稱為SVM)計算圖片中的海冰密集度，結(jié)果如圖6所示[14]。圖6中，紫紅色的點表示每10 min的海冰密集度測量值。圖中照片為不同時間下的實驗場景，分別是08:09，10:39，12:14，14:54，15:59，16:32。

對于氣象站記錄的潮汐數(shù)據(jù)，2015年1月24日，渤海海域是半日潮。最高潮的時間分別是05:48和17:33，最低潮的時間是12:09。實驗期間，12:00～13:00，溫度到達最高之后再下降，觀測區(qū)域有短暫融冰再結(jié)冰的現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)場的海冰密集度如圖6所示。07:58～12:14，無明顯變化；12:14后，由于氣溫上升再下降，海冰密集度有一個下降再略微上升的過程；13:06～15:16，海冰密集度的改變較平穩(wěn)；15:16后，因為潮水漲到實驗區(qū)域，潮水擊碎海冰，海冰漸漸隨漲潮融化為海水，直到實驗結(jié)束。

4 實驗分析

根據(jù)天線朝向及觀測的海域，本文選擇仰角范圍為20°～45°，方位角范圍為135°～225°的衛(wèi)星。符合實驗條件的是北斗C01號和C03號衛(wèi)星(仰角分別為38°和43°)。這兩顆衛(wèi)星是靜止軌道衛(wèi)星，也稱為GEO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星靜止投影在地球的赤道上，其仰角不變，消除了仰角對實驗結(jié)果的影響。

計算實驗數(shù)據(jù)的極化比值，結(jié)果如圖7所示。圖7給出了2015年1月24日07:58～16:43的每一組數(shù)據(jù)的極化比值，圖中紅色實線為北斗C01號衛(wèi)星的極化比值，藍色實線為北斗C03號衛(wèi)星的極化比值，紫紅色虛線為海冰密集度的趨勢。底部窗口中，紫紅色柱狀圖為實驗區(qū)域的空氣溫度(氣象站數(shù)據(jù))，X軸表示時間序列，Y軸表示溫度。

文獻[14]中論述了極化比值與海冰密集度成反比。圖7中，北斗C01號衛(wèi)星的極化比值在12:45前后有一個略微上升再下降的過程，與海冰密集度的趨勢相似；極化比值在15:16后一直上升到實驗結(jié)束，與海冰密集度的變化趨勢相似。北斗C03號衛(wèi)星的極化比值在12:55后沒有觀測到明顯變化；但在15:16后，一直上升到實驗結(jié)束，這一段趨勢與海冰密集度相似。

由上述結(jié)果可見，北斗C01號衛(wèi)星的極化比值與海冰密集度有良好的一致性，在12:55后，因為受到溫度影響，海冰有一個短暫融化再凍結(jié)的過程。而北斗C03號衛(wèi)星并沒有這個趨勢，有可能是因為C03號衛(wèi)星的鏡面反射區(qū)域含有大量的泥沙和石子，影響觀測結(jié)果。北斗C01號和C03號衛(wèi)星的極化比值在15:16后都有上升的情況，這是因為海水漲潮，到達實驗區(qū)域，使海冰融化，逐漸變成海水引起的。

由上述分析，計算實驗數(shù)據(jù)的偏振比值，結(jié)果如圖8所示。圖中給出了實驗期間每一組數(shù)據(jù)的偏振比值，圖中紅色實線為北斗C01號衛(wèi)星的偏振比值，藍色實線為北斗C03號衛(wèi)星的偏振比值。

文獻[15-17]中論述了偏振比值與海冰密集度成正比。圖8中，北斗C01號衛(wèi)星的偏振比值在中午前后有一個下降再上升的過程，北斗C03號衛(wèi)星的偏振比值在中午前后有一個略微下降再上升的過程，與海冰密集度的趨勢較類似。C01號衛(wèi)星的偏振比值在13:58后一直下降，到實驗結(jié)束，C03號衛(wèi)星的偏振比值在15:16后也有一個略微下降的趨勢，到實驗結(jié)束。實驗結(jié)果匯總見表2。

根據(jù)前文對兩種海冰模型的反演結(jié)果分析，極化比值和海冰密集度有較強的相關(guān)性。實驗成功反演了海冰的兩次變化趨勢(海冰短暫融化再凍結(jié)的過程以及完全融化的過程)，偏振比值雖然有類似的變化趨勢，但受到的影響較大。本次實驗選取的衛(wèi)星仰角較高，結(jié)合菲涅爾反射原理，當海面特性產(chǎn)生微小變化時，偏振比值變化較大，很難反演出是短暫融冰還是完全融冰，這也驗證了理論部分對于極化比值模型更適用于高仰角的分析。

表2 實驗結(jié)果匯總表

5 結(jié)束語

本文根據(jù)涅爾反射系數(shù)原理，對渤海海域的菲涅爾反射系數(shù)(海水、海冰)進行了仿真，分析了極化比海冰反演模型的適用范圍。衛(wèi)星仰角較高時，不同反射面的反射左旋信號分量區(qū)別較大，極化比值的變化也較大，能較好地反演不同反射面的特性。而偏振比值趨近于零，不能很好地反演出反射面的特性變化。

本文還介紹了2015年1月在渤海岸基海冰觀測站前開展的渤海實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以看出，極化比值和海冰密集度有很強的相關(guān)性，實驗成功地反演了海冰的變化趨勢，反演出了海冰短暫融化再凍結(jié)的過程以及完全融化的過程。

實驗驗證了利用北斗反射信號反演海冰的可行性。同時，對比了極化比模型與偏振比模型的實驗結(jié)果，驗證了兩種模型的仰角適用范圍?？梢岳脴O化比海冰反演模型來彌補偏振比海冰反演模型在高仰角情況下的不穩(wěn)定，改善海冰反演模型在海冰檢測中的準確性，為定量反演海冰區(qū)域的海冰密集度的研究打下了基礎(chǔ)，也為海冰災害預警提供了一種新的手段，同時拓寬了北斗衛(wèi)星的應(yīng)用范圍。

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