張?jiān)?，謝向芳，孟婉婷，楊樹瑚，高強(qiáng)，王煒

（1.上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201306； 2.天津市濱海新區(qū)氣象局，天津 300480；3.天津市氣象科學(xué)研究所，天津 300074）

中國渤海每年冬天會因寒潮侵襲而凍結(jié)造成海冰災(zāi)害，海冰災(zāi)害直接造成的經(jīng)濟(jì)損失引起了國家氣象局的重視［1］。這使得對海冰監(jiān)測技術(shù)的探究和對海冰的預(yù)警技術(shù)成為重要的研究方向。傳統(tǒng)的海冰觀測站測量、機(jī)載監(jiān)測和衛(wèi)星遙感觀測等手段受環(huán)境限制并且成本高。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號（GNSS-R）具有全球覆蓋、全天候的可用性、成本低等特點(diǎn)，其有廣泛的衛(wèi)星資源應(yīng)用于檢測海洋表面，應(yīng)用領(lǐng)域如海洋測高［2-4］、海洋風(fēng)場［5-7］、海面浮油［8-9］和海面有效波高［10-11］。近年來，海冰檢測已經(jīng)成為使用GNSS-R技術(shù)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。

Kom jathy等［12］首次于2000年發(fā)表了全球定位系統(tǒng)（GPS）在遙感領(lǐng)域的新的潛在應(yīng)用。不過，GPS只包含中地球軌道（MEO）衛(wèi)星星座。通常，單顆MEO衛(wèi)星在一天的可用時(shí)間為4～6 h，并且衛(wèi)星的仰角在10°～80°之間變化，而可使用的仰角范圍有限［13-16］，這使得單顆衛(wèi)星的海冰檢測的時(shí)間分辨率降低。使用多顆衛(wèi)星相結(jié)合可以提高時(shí)間分辨率，但每顆衛(wèi)星發(fā)射信號功率不同，在信號傳輸過程中的信號衰減程度不一致等原因?qū)е率褂枚囝w衛(wèi)星協(xié)作的情況會帶來不同程度的系統(tǒng)誤差［17-22］。

中國自主研發(fā)的北斗系統(tǒng)由地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星組成。與MEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星相比，GEO衛(wèi)星具有較低的角速度，仰角幾乎沒有變化，所以鏡面反射點(diǎn)也幾乎沒有變化。因此，使用GEO衛(wèi)星檢測海冰不僅具有高時(shí)間分辨率，而且能夠減少因衛(wèi)星仰角變化對反射信號功率造成的影響。然而，使用北斗GEO衛(wèi)星反射信號檢測海冰的研究還很少［23-24］。

本文使用筆者團(tuán)隊(duì)開發(fā)的北斗衛(wèi)星反射信號（BeiDou-R）軟件接收機(jī)接收數(shù)據(jù)，利用3顆北斗GEO衛(wèi)星（C01、C02和C03）在渤海灣進(jìn)行了2次實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析驗(yàn)證了北斗 GEO衛(wèi)星反射信號檢測海冰密集度的可行性。

第1次實(shí)驗(yàn)首次驗(yàn)證了利用GEO衛(wèi)星的反射信號檢測海冰的可能性。由于第1次實(shí)驗(yàn)（2015年）當(dāng)天氣溫比較高，從海冰狀態(tài)到全部融化成海水狀態(tài)僅持續(xù)11 h。同時(shí)海冰密集度的變化受潮汐的影響，當(dāng)潮水上漲時(shí)會將海冰沖碎并帶走海冰，海冰密集度急速降低，因此未能進(jìn)行長時(shí)間的連續(xù)觀測。第2次實(shí)驗(yàn)（2016年）中海冰狀態(tài)持續(xù)了6 d并且海冰密集度高達(dá)90%，因此利用3顆北斗GEO衛(wèi)星對沿海海冰進(jìn)行了長時(shí)間的連續(xù)觀測。

2次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，渤海灣海域海冰產(chǎn)生的反射信號的極化比值與海冰密集度和大氣溫度有一定的相關(guān)性。同時(shí)本文使用干涉相位的均方根RMSφ討論了海面粗糙度，發(fā)現(xiàn)海面粗糙度變化較小，可以忽略其對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 原理方法

1.1 BDS的特征

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）由3部分組成：空間段、地面段和用戶段。與其他系統(tǒng)不同，BDS不僅包括MEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星，也包括GEO衛(wèi)星。截至2016年6月12日，已成功發(fā)射23顆衛(wèi)星，包括7顆 GEO衛(wèi)星、8顆 MEO衛(wèi)星、8顆 IGSO衛(wèi)星。由于衛(wèi)星軌道的特點(diǎn)，造成了GEO與MEO和IGSO的可視時(shí)間和仰角變化率都有較大的不同。其中，GEO衛(wèi)星的軌道高度為35 786 km，可視時(shí)間為24 h（全天），仰角幾乎不變。

圖1為2016年2月1日渤海灣的C03（GEO）、C08（IGSO）和 C11（MEO）衛(wèi)星的 24 h仰角時(shí)序圖，體現(xiàn)了北斗3種星座不同的可視時(shí)間。C03（北斗GEO）的可視時(shí)間長達(dá)24 h，仰角的變化范圍僅為 3°～4°；C08（北斗 IGSO）的可視時(shí)間為16 h，仰角變化率會改變，一段時(shí)間內(nèi)的仰角變化率保持在10°以內(nèi)，與GEO衛(wèi)星有相同的特征，而另一段時(shí)間內(nèi)的仰角變化率非常大，與 MEO衛(wèi)星有相同的特征；C11（北斗 MEO）的可視時(shí)間被分割成2段，共6 h?？梢晻r(shí)間和仰角的變化率與各自衛(wèi)星的軌道特性有著密切的關(guān)系。由此可見，在接收機(jī)固定位置的情況下，單顆 GEO衛(wèi)星的時(shí)間分辨率比 MEO衛(wèi)星和 IGSO衛(wèi)星高，因此可以利用GEO衛(wèi)星對特定位置進(jìn)行長時(shí)間的穩(wěn)定觀測?；谶@一特性，本文使用了3顆北斗GEO衛(wèi)星（C01、C02和 C03）提高了基于地基反射信號的海冰檢測的時(shí)間分辨率。

圖1 2016年2月1日的24 h北斗混合星座代表衛(wèi)星的時(shí)序圖Fig.1 24 h timing diagram of BeiDou mixed constellation（February 1，2016）

BDS發(fā)射2種右旋圓極化（RHCP）L波段信號，分別為 B1頻率（1 561.098 MHz）和 B2頻率（1 207.14MHz）。本文采用 B1頻率信號，其帶寬為 4.092MHz。

1.2 海冰檢測原理

本文假設(shè)海面平靜，忽略海面粗糙度的影響。對于光滑的表面，電磁波的反射類似鏡面反射［23］。入射角等于反射角，利用菲涅耳反射系數(shù)可以確定入射電磁波與反射電磁波之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)中衛(wèi)星數(shù)據(jù)的仰角范圍為38°～43°，故實(shí)驗(yàn)利用直射信號在海面反射后的反射左旋圓極化信號R-LHCP與直射右旋圓極化信號D-RHCP的比值——極化比（R-LHCP/D-RHCP）模型反推海洋表面物理信息。

1.3 海面粗糙度原理

在本文的2次實(shí)驗(yàn)中，鏡面反射區(qū)域?qū)嶋H是略微粗糙的海面，這導(dǎo)致海冰表面的反射信號在各個(gè)方向都有散射，從而降低了反射信號的功率［19］。

由于反射面的粗糙度與RMSφ的變化相關(guān)，因此通過RMSφ來表征鏡面反射點(diǎn)處的海面粗糙度。圖2為計(jì)算RMSφ的流程。通過分析RMSφ與海冰表面狀況之間的關(guān)系來判斷是否需要用海面粗糙度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正。

圖2 RMSφ計(jì)算流程Fig.2 Calculation flowchart of RMSφ

2 海冰實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證使用 BeiDou-R技術(shù)與極化比（RLHCP/D-RHCP）海冰模型檢測海冰密集度的可行性，筆者在中國渤海進(jìn)行了2次實(shí)驗(yàn)。為了消除不同時(shí)刻衛(wèi)星仰角變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響以及提高觀測的時(shí)間分辨率，采用北斗GEO衛(wèi)星對海冰進(jìn)行探測。

考慮到天線波束角和反射面積，選擇衛(wèi)星仰角范圍為135°～225°的海冰數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。篩選出3顆符合條件的GEO衛(wèi)星C01、C02和C03。然而在2015年的實(shí)驗(yàn)期間，C02衛(wèi)星發(fā)生軌道漂移現(xiàn)象，故2015年符合條件的衛(wèi)星只有C01和C03衛(wèi)星。

圖 3（a）為實(shí)驗(yàn)位置坐標(biāo)，圖 3（b）為北斗衛(wèi)星的鏡面反射點(diǎn)位置。圖中，藍(lán)色、玫紅色、綠色圓點(diǎn)分別代表C01、C02、C03的鏡面反射點(diǎn)，紅色圓點(diǎn)表示接收器的位置。

本次實(shí)驗(yàn)用了 3個(gè)接收天線：D-RHCP、RLHCP和R-RHCP天線，相關(guān)參數(shù)詳見表1。本文使用的是BDS中頻（IF）信號的軟件接收機(jī)，采樣頻率為 16.36MHz，帶寬約為 16MB/s。

圖3 實(shí)驗(yàn)場地接收機(jī)和鏡面反射點(diǎn)位置Fig.3 Receiver and specular reflection points of experimental area

表1 D-RHCP、R-LHCP和R-RHCP天線的參數(shù)對比Table 1 Comparison of parameters of D-RHCP，R-LCHP and R-RHCP antennas

圖4為2016年1月30日3顆GEO衛(wèi)星的天頂圖。實(shí)線箭頭代表2015年接收天線朝向，虛線箭頭代表2016年接收天線朝向。

圖5為2015年1月24日08：24時(shí)刻 C01衛(wèi)星的路徑延遲與相關(guān)功率關(guān)系曲線，該曲線為240 s的數(shù)據(jù)。在這組數(shù)據(jù)中，極化比（R-LHCP/D-RHCP）為0.11。用同樣的方法估計(jì)2個(gè)實(shí)驗(yàn)中的極化比（R-LHCP/D-RHCP）所有值。

圖4 2016年1月30日實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)衛(wèi)星天頂圖Fig.4 Skyplot of satellite at experiment point（January 30，2016）

圖5 2015年1月24日08：24時(shí)刻 C01衛(wèi)星路徑延遲與相關(guān)功率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between path delay and related power of C01 satellite（January 24，2015，08：24）

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 第1次實(shí)驗(yàn)

在本次 BeiDou-R岸基實(shí)驗(yàn)中，用照相機(jī)每5min拍攝一張實(shí)驗(yàn)場景，并使用支持向量機(jī)（SVM）的方法計(jì)算照片中實(shí)驗(yàn)場景的海冰密集度。結(jié)果顯示在圖6中，圖中小照片代表實(shí)驗(yàn)場景。

2015年1月24日，海面高潮發(fā)生在05：48和17：33時(shí)刻，低潮發(fā)生在12：09時(shí)刻。從圖6中可以看出，07：58～12：14時(shí)刻海冰密集度沒有明顯的變化，12：14時(shí)刻之后海冰密集度略有下降，然后又有所上升。結(jié)合氣象站的氣溫資料，可能是中午氣溫變化造成的。在13：06～15：16時(shí)刻，海冰密集度穩(wěn)定。15：16時(shí)刻之后，海水漲潮到實(shí)驗(yàn)區(qū)域，海水增加并將海冰沖走，鏡面反射區(qū)海冰密集度急劇下降。

將接收的07：58～16：43時(shí)刻的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)進(jìn)行1次相干累加和100次非相干累加，得到如圖7所示結(jié)果。

根據(jù)文獻(xiàn)［21］所述，極化比值（R-LHCP/D-RHCP）與海冰密集度呈負(fù)相關(guān)。從圖7中可以看到，07：58～12：55時(shí)刻 C01衛(wèi)星的極化比值和07：58～11：22時(shí)刻 C03衛(wèi)星的極化比值逐漸上升，而海冰密集度逐漸下降；12：55～15：16時(shí)刻C01和C03衛(wèi)星的極化比值先下降后上升，海冰密集度先上升后下降；15：16時(shí)刻之后潮汐到達(dá)實(shí)驗(yàn)區(qū)域，C01和C03衛(wèi)星的極化比值上升，海冰密集度下降。

圖6 海冰密集度及實(shí)驗(yàn)場景Fig.6 Pictures of sea ice concentration and experimental scene

圖7 C01和C03衛(wèi)星的極化比、海冰密集度和大氣溫度變化Fig.7 Polarization ratio，sea ice concentration and atmospheric temperature change of C01 and C03 satellites

12：55時(shí)刻的C01衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的峰值可能是由于中午大氣溫度較高引起的海冰暫時(shí)融化，15：16時(shí)刻之后極化比值迅速上升是因?yàn)槌毕绊憣?dǎo)致海冰密集度迅速降低。C03衛(wèi)星的結(jié)果類似。

3.2 第2次實(shí)驗(yàn)

在2016年的實(shí)驗(yàn)中，筆者對實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行了視頻拍攝，隨后使用SVM計(jì)算從視頻中獲取的實(shí)驗(yàn)場景照片的海冰密集度。結(jié)果如表2所示，實(shí)驗(yàn)期間海面幾乎被海冰覆蓋。由于海冰密集度變化幅度極小，很難分析海冰密集度和極化比之間的關(guān)系。

本文分析了極化比和大氣溫度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖8所示。可以看出，C01、C02和 C03衛(wèi)星的極化比值與大氣溫度之間呈正相關(guān)關(guān)系。

表3顯示了每顆衛(wèi)星每天的極化比值與大氣溫度之間的相關(guān)性，最右列是每顆衛(wèi)星在6 d的實(shí)驗(yàn)中總的相關(guān)值。

通過對圖8和表3進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）在連續(xù)6 d的實(shí)驗(yàn)期間，C01、C02和 C03衛(wèi)星的極化比值與大氣溫度之間呈正相關(guān)的關(guān)系，相關(guān)值分別為0.61、0.72和0.57。

表2 2016年實(shí)驗(yàn)中每天的海冰密集度Tab le 2 Daily sea ice concentration of experim ent in 2016

圖8 極化比與大氣溫度的關(guān)系Fig.8 Relationship between polarization ratio and atmospheric temperature

表3 極化比和大氣溫度的相關(guān)性Tab le 3 Relationship between polarization ratio and atmospheric temperature

2）C02衛(wèi)星的極化比與大氣溫度的相關(guān)性結(jié)果比C01和C03衛(wèi)星大。通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，C02衛(wèi)星的鏡面反射點(diǎn)區(qū)域的海冰結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。推測當(dāng)海冰密集度高且穩(wěn)定時(shí)，大氣溫度對極化比值的影響最大。

3.3 海面粗糙度分析

通過計(jì)算 RMSφ標(biāo)準(zhǔn)偏差來分析海面的粗糙度。

圖9為2次實(shí)驗(yàn)的 RMSφ數(shù)據(jù)，圖中每個(gè)點(diǎn)是30min實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。在2015年的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)海域中是冰與水的混合物（見圖6）。在2016年的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)海域中海冰密集度達(dá)到90%以上（見表 2）。從圖 9可以得出，風(fēng)速和RMSφ之間無明顯的相關(guān)性。海冰和海水混合物的海況，海面粗糙度基本不受風(fēng)速影響，主要與海冰的表面狀況有關(guān)。圖10為2次實(shí)驗(yàn)中具有代表性的海面狀況照片。

圖9 2次實(shí)驗(yàn)的 RMSφ值Fig.9 RMSφvalues of two experiments

圖10 2次實(shí)驗(yàn)海冰狀況實(shí)景圖Fig.10 View diagrams of two sea ice experiments

表4為2次實(shí)驗(yàn)RMSφ值的標(biāo)準(zhǔn)偏差?？梢园l(fā)現(xiàn)，第2次實(shí)驗(yàn)的 RMSφ值的標(biāo)準(zhǔn)偏差值比第1次實(shí)驗(yàn)更小，反映了更加光滑的海面狀況。第2次實(shí)驗(yàn)期間，渤海灣實(shí)驗(yàn)區(qū)海面是由海水新結(jié)的海冰組成，海面比第1次實(shí)驗(yàn)的更光滑（實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場照片見圖10）。在海冰密集度大時(shí)，RMSφ值可以直接反映海冰的表面狀況。

由于2次實(shí)驗(yàn)中 RMSφ范圍小于0.5 rad（見圖9和表4），對海冰檢測的影響可以忽略，所以無需對2次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行校正。

表4 2次實(shí)驗(yàn)的RM Sφ值的標(biāo)準(zhǔn)差Table 4 Standard deviation of RMSφof two experiments

4 結(jié) 論

本文通過在渤海的2次實(shí)驗(yàn)，利用3顆北斗GEO衛(wèi)星的反射信號檢測海冰密集度，驗(yàn)證了使用岸基BeiDou-R軟件接收機(jī)接收北斗GEO衛(wèi)星反射信號檢測海冰密集度的可行性。

從2次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，BeiDou-R軟件接收機(jī)能夠被用來接收BeiDou-R信號。從處理后的數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

1）由于GEO衛(wèi)星仰角幾乎不變，在岸基實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)很好的時(shí)間分辨率，并提供更可行的數(shù)據(jù)，可以使用單顆 GEO衛(wèi)星定點(diǎn)長時(shí)間監(jiān)測海況，可以使用多個(gè) GEO衛(wèi)星結(jié)合提高空間分辨率。在未來的研究中，將結(jié)合北斗 IGSO衛(wèi)星進(jìn)一步提高檢測海冰密集度的空間分辨率。

2）當(dāng)海冰密集度變化范圍大的情況下，可以利用BeiDou-R信號極化比技術(shù)探測海冰密集度變化。

3）當(dāng)海冰密集度大，且變化范圍小的情況下，極化比技術(shù)可以檢測氣溫的變化。因?yàn)楹１穸扰c氣溫有一定的相關(guān)性，海冰厚度的變化也可能影響極化比值。由于本文提到的2次實(shí)驗(yàn)中缺乏海冰厚度的數(shù)據(jù)，這一問題需要在將來進(jìn)一步研究。

4）當(dāng)海冰密集度大時(shí)，由于海面粗糙度受風(fēng)速影響較小，非相干相位的RMS可以直接反映海冰的表面狀況。從本文實(shí)驗(yàn)中RMSφ的結(jié)果得出海面粗糙度對海冰檢測的影響極小可以忽略，故不需校正。

5）本文實(shí)驗(yàn)中定性地分析了海冰密集度的變化與極化比的相關(guān)性，在未來的實(shí)驗(yàn)中將嘗試對極化比和海冰密集度的關(guān)系進(jìn)行定量分析。

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