張 云，郭建京，袁國(guó)良，洪中華，韓彥嶺

（1.上海海洋大學(xué)信息學(xué)院，上海201306；2.上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海201306）

0 引 言

據(jù)國(guó)家海洋局網(wǎng)站發(fā)布的《2010年中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》中海冰災(zāi)害的數(shù)據(jù)顯示［1]，2009年－2010年冬，黃海、渤海于2010年1月中下旬遭遇近30年同期最嚴(yán)重海冰冰情，分別給遼寧省、山東省造成直接經(jīng)濟(jì)損失34.86億元、26.76億元，所以海冰已成為除風(fēng)暴潮之外最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害。同時(shí)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)程反映和影響了海洋與大氣的交換過(guò)程。如冰蓋的存在阻隔了海洋與大氣之間的熱量、質(zhì)量、動(dòng)量和化學(xué)成分交換，減少了被海面吸收的太陽(yáng)輻射量，進(jìn)而影響海洋和大氣的環(huán)流模式。因此，需要對(duì)海冰進(jìn)行深入的了解。

自1969年特大冰封以來(lái)，我國(guó)海冰監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和研究工作全面開(kāi)展。在海冰常規(guī)觀測(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)［2]。2011年，中國(guó)海事局煙臺(tái)溢油應(yīng)急中心利用SAR（合成孔徑雷達(dá)）數(shù)據(jù)分析2010渤海海域海冰冰緣線、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［3]。

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遙感技術(shù)是自20世紀(jì)90年代以來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的GNSS的一個(gè)新型的分支，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，具有以下優(yōu)點(diǎn)［4]：

1）采用異源觀測(cè)模式，利用全球共享的GNSS星座為多源微波信號(hào)發(fā)射源。導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)接收機(jī)的復(fù)雜度、體積、重量和成本大大下降。

2）有大量的信號(hào)源有利于實(shí)現(xiàn)低成本、大范圍、高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)采集和目標(biāo)反演應(yīng)用。

3）采用擴(kuò)頻技術(shù)使得在機(jī)載高度，采用尺寸為10cm左右的天線就可以接收有效的海面散射信號(hào)。

4）接收到的直射信號(hào)可以提供精確的空間位置信息，有效輔助反射信號(hào)遙感。

國(guó)外采用GNSS－R技術(shù)進(jìn)行海冰探測(cè)相關(guān)研究有如以下幾個(gè)方面：2000年，Komjathy等利用GPS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［5]。2007年Belmonte擬合反射信號(hào)波形得到了海冰表面的粗糙度［6]。2012年，F(xiàn)ran Fabra等用歐洲空間局于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［7]。

目前，我國(guó)的GNSS－R海冰探測(cè)技術(shù)還處于起步階段，目前還沒(méi)有基于GNSS－R的海冰遙感實(shí)驗(yàn)，因此采用歐空局在網(wǎng)站［8]上公布的2009年1月到2009年5月的GPS反射信號(hào)的海冰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析反射右旋圓極化和左旋圓極化信號(hào)的極化比值，驗(yàn)證極化比值與介電常數(shù)之間的關(guān)系，并且與同期美國(guó)國(guó)家海冰中心發(fā)布的格林蘭島海冰產(chǎn)品數(shù)據(jù)相對(duì)比，得出通過(guò)遙感海面GPS反射信號(hào)的極化比可以檢測(cè)海冰的形成和消融過(guò)程。

1 GNSS－R概述

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——被動(dòng)式反射和干涉系統(tǒng)（PARIS）［9]。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)，這種信號(hào)在常規(guī)的測(cè)量中通常是作為多路徑信號(hào)進(jìn)行剔除的，因?yàn)樗鼑?yán)重地干擾定位精度，本次實(shí)驗(yàn)可以證明反射信號(hào)是可以被接收并檢測(cè)的［10]。

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出發(fā)，該反射信號(hào)中攜帶著反射面的特征信息，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)反射面的物理特性的估計(jì)與反演。目前，國(guó)內(nèi)使用GNSS－R技術(shù)研究的方向有：海面測(cè)風(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)。

2 GNSS信號(hào)的極化類(lèi)型

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āＴ跁r(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)［11]。

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，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［12]。

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)算獲得為

當(dāng)滿足條件Ex0＝Ey0＝E0，φy－φx＝±π／2時(shí)，矢量E端點(diǎn)的軌跡方程為

這是半徑為E0的圓的方程，故而稱(chēng)為圓極化［4]。當(dāng)Ey滯后于Exπ／2時(shí)，電場(chǎng)矢量的旋向和波的傳播方向滿足右手螺旋關(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)。

隨著反射界面的介質(zhì)的不同，反射信號(hào)中的左旋圓極化信號(hào)強(qiáng)度也將會(huì)發(fā)生變化，所以研究反射信號(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)。文中針對(duì)該物理特性，提出了利用海冰與海水表面的介電常數(shù)不同造成反射信號(hào)兩種極化方式不同的信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)反射右旋圓極化信號(hào)與反射左旋圓極化信號(hào)幅度比值的變化進(jìn)行海冰消融和海水結(jié)冰過(guò)程的檢測(cè)。

3 數(shù)據(jù)采集

利用了歐空局在網(wǎng)站上公布的2009年1月到2009年5月的GPS反射信號(hào)的海冰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)是歐空局在格林蘭島開(kāi)展的GPS－SIDS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GPS反射信號(hào)研究海冰和積雪物理特性的可行性。

如圖1所示，接收機(jī)天線架設(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H約650m，直射天線朝向天頂，兩個(gè)反射天線水平放置朝向海面，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。圖2中A、B、C分別表示鏡面反射點(diǎn)，其中A點(diǎn)和B點(diǎn)的高度角分別為a＝25°、b＝5°.由三角關(guān)系可計(jì)算出L1＝ H／tan（a），L2＝ H／tan（b），數(shù)據(jù)采集區(qū)域直徑L＝L2－L1≈6 036m.圖3表示計(jì)算出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集區(qū)域示意圖。

圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集區(qū)域示意圖［7]

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)觀測(cè)7個(gè)月，采集到了觀測(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)。因?yàn)?008年10月開(kāi)始至2008年底的海冰數(shù)據(jù)由于接收機(jī)的關(guān)系不能提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，所以在本文中，分析了2009年1月至2009年5月的數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)分析

GPS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。為了檢測(cè)海冰與海水表面反射信號(hào)的差異，本文利用了歐空局在網(wǎng)站上公布的2009年1月1日至2009年5月12日跟蹤的高度角在10°左右的 GPS3、8、12、20、23號(hào)衛(wèi)星的海冰觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用MATLAB軟件處理，用反射右旋圓極化信號(hào)峰值序列除以反射左旋圓極化信號(hào)的峰值序列，并對(duì)處理結(jié)果取平均值，得到了如圖4所示的極化比均值。從圖中5顆衛(wèi)星極化比均值的插值擬合曲線可以得知，09年1月1日至1月11日極化比均值主要在0.2～0.6這個(gè)范圍波動(dòng)且呈下降趨勢(shì)。1月12日至1月25日極化比均值主要在0.2～0.6范圍波動(dòng)且呈上升趨勢(shì)。1月26日至2月10日極化比均值在0.55～0.65范圍波動(dòng)無(wú)明顯變化。2月11日至2月25日極化比均值下降至0.3～0.45范圍。2月26日至4月30日極化比均值主要在0.5～0.7范圍波動(dòng)。5月1日直到5月12日實(shí)驗(yàn)結(jié)束極化比均值從0.5逐漸下降到0.35左右，下降趨勢(shì)較明顯。

由圖4中 GPS3、8、12、20、23號(hào)衛(wèi)星極化比均值可知，不同的GPS衛(wèi)星在仰角基本相同的條件下，極化比均值的變化趨勢(shì)基本相同。GNSS－R可以同時(shí)使用多顆衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率，這是GNSS－R微波遙感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一。

圖4 GPS3、8、12、20、23號(hào)衛(wèi)星極化比均值

為了驗(yàn)證極化比值與海冰的形成和消融過(guò)程之間的關(guān)系，分析了同時(shí)期和同區(qū)域的美國(guó)國(guó)家海冰中心［13]的格林蘭島海冰產(chǎn)品數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由加拿大Radarsat雷達(dá)影像解析而成［14]。圖5和表1示了美國(guó)國(guó)家海冰中心2009年的格林蘭島海冰產(chǎn)品數(shù)據(jù)。圖5中選取的參考日期是海面浮冰密集度發(fā)生明顯變化的時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由于美國(guó)國(guó)家海冰中心只公布了每天粗略的海冰遙感數(shù)據(jù)，所以無(wú)法得出精確的海冰密度，只能從圖5和圖6及表1中得出大致的海面浮冰的變化趨勢(shì)。

圖6 遙感圖片圖注

表1 2009年數(shù)據(jù)采集區(qū)域海面浮冰的密集程度

由表1和圖5分析可知：

1月1日至1月14日數(shù)據(jù)采集區(qū)域主要是海水但有少量的浮冰，海冰的密集度為0～50%，計(jì)算出的計(jì)算出的極化比值從0.55逐漸下降至0.3左右。

1月20日至2月10日海冰的密集度有明顯的增加，在80%以上，計(jì)算出的極化比值在0.5～0.65范圍波動(dòng)且呈現(xiàn)相對(duì)增加趨勢(shì)；

2月11日至2月20日，海面浮冰出現(xiàn)短暫的消融過(guò)程，計(jì)算出的極化比值呈現(xiàn)相對(duì)減小趨勢(shì)；

2月21日左右海面開(kāi)始凍結(jié)，計(jì)算出的極化比值呈現(xiàn)相對(duì)增加趨勢(shì)；

3月初至4月20日，數(shù)據(jù)采集區(qū)域凍結(jié)，海冰密集度約80%，在此階段計(jì)算出的極化比值相對(duì)穩(wěn)定。

4月下旬海冰開(kāi)始融化，5月12號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，海冰大部分融化，實(shí)際上到5月20號(hào)，數(shù)據(jù)采集區(qū)域的海冰基本消失，在此階段計(jì)算出的極化比值呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)。

從以上對(duì)比分析中得出：GPS反射信號(hào)的極化比均值和數(shù)據(jù)采集區(qū)域海冰的密集程度有相同的變化趨勢(shì)。隨著海冰的消融，極化比均值將會(huì)不斷減小；隨著海水的凍結(jié)，極化比均值也將會(huì)不斷增加。該變化趨勢(shì)甚至包括2月16日至2月25日海冰短暫的融化和重新凍結(jié)的過(guò)程。

綜上所述，通過(guò)GNSS－R技術(shù)觀測(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。

但是由于美國(guó)國(guó)家海冰中心公布的數(shù)據(jù)中只能得出大致的海冰變化趨勢(shì)，所以無(wú)法對(duì)GPS反射信號(hào)的極化比值的推斷做出更加精確的結(jié)論，譬如無(wú)法解釋圖4中的1月1日至1月11的極化均值的減小，是否代表著同時(shí)期的海冰是否有短暫的融化過(guò)程。目前正在尋找可以進(jìn)一步可以論證極化比值推斷結(jié)果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

5 結(jié) 論

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，是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

通過(guò)文中的分析，初步驗(yàn)證了利用GPS反射信號(hào)中的極化比值探測(cè)海冰存在與否，并且可以用來(lái)估計(jì)結(jié)冰海域的海冰密集度。以此為基礎(chǔ)繼續(xù)研究一年冰的積累速度和檢測(cè)海冰的厚度，為我國(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。后續(xù)的工作將繼續(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。

致謝：本課題研究過(guò)程中，得到了北京航空航天大學(xué)楊東凱教授，李偉強(qiáng)博士關(guān)于GNSS－R方面的悉心指導(dǎo)，在此表示感謝。同時(shí)，作者還感謝歐空局地球觀測(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。

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