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(xué) 信息學(xué)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(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，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(zāi)害而受到巨大損失[1]。海冰災(zāi)害的出現(xiàn)，會(huì)損壞近海附近的沿岸設(shè)施，影響船只的來(lái)往通航，阻礙海洋捕撈以及海上油氣資源的開(kāi)發(fā)等，因此檢測(cè)海冰成為防災(zāi)減災(zāi)的重要任務(wù)。

GNSS反射信號(hào)技術(shù)，也稱(chēng)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(chēng)為GNSS)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是利用從海面反射回來(lái)的GNSS信號(hào)探測(cè)海面參數(shù)信息的遙感技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)能提供大量信號(hào)源及精準(zhǔn)的時(shí)間、空間信息，且不受云、雨、霧等天氣因素的影響[2]。近年來(lái)，該技術(shù)逐漸成為檢測(cè)海冰的研究熱點(diǎn)[3-7]。

由于海水與海冰反射面的復(fù)介電常數(shù)不同，基于GNSS-R技術(shù)檢測(cè)海冰主要有兩類(lèi)檢測(cè)模型：一類(lèi)是歐空局的Fabra等[8-9]學(xué)者建立的偏振比反演模型(R-RHCP/R-LHCP)，另一類(lèi)是國(guó)內(nèi)的張?jiān)?、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(hào)(R-LHCP)與反射右旋信號(hào)(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(hào)(R-LHCP)與直射右旋信號(hào)(D-RHCP)反演海冰密集度的比值模型。

文獻(xiàn)[10]中從原理維度分析了極化比海冰模型探測(cè)海冰的可行性，以及兩個(gè)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(shí)驗(yàn)維度進(jìn)行驗(yàn)證。本文結(jié)合上述兩種反演模型，用菲涅爾原理對(duì)海冰反演特性進(jìn)行了研究，并在渤海區(qū)域進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，利用北斗衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)兩種海冰反演模型在渤海海冰反演進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)可以通過(guò)菲涅爾反射定律來(lái)描述。其反射信號(hào)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(dǎo)率)。直射信號(hào)在經(jīng)過(guò)海面散射后，反射信號(hào)輸出功率的波形表達(dá)式[12]如下所示

式中：Ti為相干積分時(shí)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(jī)的距離；R為衛(wèi)星到海面上鏡面反射點(diǎn)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(hào)輸出功率波形的有反射與直射信號(hào)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(kāi)展的實(shí)驗(yàn)都在類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行，所以反射信號(hào)輸出功率幾乎不受反射與直射信號(hào)的路徑延遲、GNSS衛(wèi)星仰角的影響，但實(shí)驗(yàn)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(hào)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(fù)介電常數(shù)；θ為衛(wèi)星仰角。

文獻(xiàn)[10]中論證了渤海海域海水的復(fù)介電常數(shù)ε=75.54+48.27j，初生海冰的復(fù)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(fù)介電常數(shù)，對(duì)渤海海域內(nèi)海冰和海水的菲涅爾反射系數(shù)進(jìn)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(hào)分量隨GNSS衛(wèi)星仰角的增大而增大，反射右旋信號(hào)分量隨GNSS衛(wèi)星仰角的增大而減小。當(dāng)仰角參數(shù)大于一個(gè)特定值(海水情況下約6.8°，海冰情況下約17.8°)的時(shí)候，左旋反射信號(hào)分量會(huì)大于右旋反射信號(hào)的分量。此時(shí)，說(shuō)明GNSS衛(wèi)星的直射右旋信號(hào)大部分轉(zhuǎn)化為反射的左旋信號(hào)。

在仰角處于20°～45°時(shí)，海水情況下的反射左旋信號(hào)的菲涅爾反射系數(shù)(0.75～0.81)遠(yuǎn)大于海冰情況下的反射左旋信號(hào)的菲涅爾反射系數(shù)(0.43～0.52)。無(wú)論在海水還是海冰情況下，GNSS衛(wèi)星直射的右旋信號(hào)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(shí)，由于反射右旋信號(hào)的分量遠(yuǎn)小于反射左旋信號(hào)的分量，此時(shí)，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(duì)于高仰角來(lái)說(shuō)，由于不同反射面情況下，反射左旋信號(hào)的分量差值較大，極化比值模型更加適用于高仰角。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guò)程，以及兩類(lèi)海冰反演模型的適用范圍，2015年1月24日，在中國(guó)天津漢沽的海冰觀測(cè)站的岸基旁，開(kāi)展了基于北斗反射信號(hào)的渤海岸基實(shí)驗(yàn)，并搭建直射、反射天線及GNSS-R軟件接收機(jī)。海冰觀測(cè)站及實(shí)驗(yàn)區(qū)域如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)采用北斗系統(tǒng)的靜止衛(wèi)星，因?yàn)槠溲鼋遣蛔?，消除了仰角變化?duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，采用極化比模型實(shí)現(xiàn)對(duì)渤海海冰變化趨勢(shì)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(shí)驗(yàn)用到了3種天線，天線的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)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(hào)，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(lái)的反射左旋信號(hào)和反射右旋信號(hào)。直射和反射天線示意圖如圖4所示。

GNSS反射信號(hào)技術(shù)所采用的接收機(jī)是采集實(shí)驗(yàn)區(qū)域反射面信息的主要設(shè)備，其目的是獲取來(lái)自反射面的GNSS直射信號(hào)與反射信號(hào)，并具備2種信號(hào)的頻率變化、數(shù)字化(采集和量化)、跟蹤捕獲衛(wèi)星信息、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理等功能[8]。對(duì)GNSS-R接收機(jī)來(lái)說(shuō)，一般分為硬件和軟件兩種。本次實(shí)驗(yàn)中，接收機(jī)設(shè)備是北京航空航天大學(xué)研制的第二代軟件接收機(jī)，如圖5所示。其軟件接收機(jī)有4個(gè)通道，本次實(shí)驗(yàn)選擇了其中的3個(gè)通道，采集D-RHCP信號(hào)、R-LHCP信號(hào)和R-RHCP信號(hào)，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(duì)比

3 對(duì)比數(shù)據(jù)

為了和GNSS-R實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)比數(shù)據(jù)采用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的海冰密集度信息(現(xiàn)場(chǎng)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(gè)因素)。

對(duì)所采集的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地照片，本文使用圖像處理方法(支持向量機(jī)，也稱(chēng)為SVM)計(jì)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(diǎn)表示每10 min的海冰密集度測(cè)量值。圖中照片為不同時(shí)間下的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，分別是08:09，10:39，12:14，14:54，15:59，16:32。

對(duì)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(shí)間分別是05:48和17:33，最低潮的時(shí)間是12:09。實(shí)驗(yàn)期間，12:00～13:00，溫度到達(dá)最高之后再下降，觀測(cè)區(qū)域有短暫融冰再結(jié)冰的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的海冰密集度如圖6所示。07:58～12:14，無(wú)明顯變化；12:14后，由于氣溫上升再下降，海冰密集度有一個(gè)下降再略微上升的過(guò)程；13:06～15:16，海冰密集度的改變較平穩(wěn)；15:16后，因?yàn)槌彼疂q到實(shí)驗(yàn)區(qū)域，潮水擊碎海冰，海冰漸漸隨漲潮融化為海水，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

4 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)天線朝向及觀測(cè)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(shí)驗(yàn)條件的是北斗C01號(hào)和C03號(hào)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(chēng)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

計(jì)算實(shí)驗(yàn)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(shí)線為北斗C01號(hào)衛(wèi)星的極化比值，藍(lán)色實(shí)線為北斗C03號(hào)衛(wèi)星的極化比值，紫紅色虛線為海冰密集度的趨勢(shì)。底部窗口中，紫紅色柱狀圖為實(shí)驗(yàn)區(qū)域的空氣溫度(氣象站數(shù)據(jù))，X軸表示時(shí)間序列，Y軸表示溫度。

文獻(xiàn)[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(hào)衛(wèi)星的極化比值在12:45前后有一個(gè)略微上升再下降的過(guò)程，與海冰密集度的趨勢(shì)相似；極化比值在15:16后一直上升到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，與海冰密集度的變化趨勢(shì)相似。北斗C03號(hào)衛(wèi)星的極化比值在12:55后沒(méi)有觀測(cè)到明顯變化；但在15:16后，一直上升到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，這一段趨勢(shì)與海冰密集度相似。

由上述結(jié)果可見(jiàn)，北斗C01號(hào)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?yàn)槭艿綔囟扔绊?，海冰有一個(gè)短暫融化再凍結(jié)的過(guò)程。而北斗C03號(hào)衛(wèi)星并沒(méi)有這個(gè)趨勢(shì)，有可能是因?yàn)镃03號(hào)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(cè)結(jié)果。北斗C01號(hào)和C03號(hào)衛(wèi)星的極化比值在15:16后都有上升的情況，這是因?yàn)楹Ｋ疂q潮，到達(dá)實(shí)驗(yàn)區(qū)域，使海冰融化，逐漸變成海水引起的。

由上述分析，計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏振比值，結(jié)果如圖8所示。圖中給出了實(shí)驗(yàn)期間每一組數(shù)據(jù)的偏振比值，圖中紅色實(shí)線為北斗C01號(hào)衛(wèi)星的偏振比值，藍(lán)色實(shí)線為北斗C03號(hào)衛(wèi)星的偏振比值。

文獻(xiàn)[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(hào)衛(wèi)星的偏振比值在中午前后有一個(gè)下降再上升的過(guò)程，北斗C03號(hào)衛(wèi)星的偏振比值在中午前后有一個(gè)略微下降再上升的過(guò)程，與海冰密集度的趨勢(shì)較類(lèi)似。C01號(hào)衛(wèi)星的偏振比值在13:58后一直下降，到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，C03號(hào)衛(wèi)星的偏振比值在15:16后也有一個(gè)略微下降的趨勢(shì)，到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

根據(jù)前文對(duì)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(qiáng)的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)成功反演了海冰的兩次變化趨勢(shì)(海冰短暫融化再凍結(jié)的過(guò)程以及完全融化的過(guò)程)，偏振比值雖然有類(lèi)似的變化趨勢(shì)，但受到的影響較大。本次實(shí)驗(yàn)選取的衛(wèi)星仰角較高，結(jié)合菲涅爾反射原理，當(dāng)海面特性產(chǎn)生微小變化時(shí)，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(yàn)證了理論部分對(duì)于極化比值模型更適用于高仰角的分析。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)涅爾反射系數(shù)原理，對(duì)渤海海域的菲涅爾反射系數(shù)(海水、海冰)進(jìn)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(shí)，不同反射面的反射左旋信號(hào)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(cè)站前開(kāi)展的渤海實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的相關(guān)性，實(shí)驗(yàn)成功地反演了海冰的變化趨勢(shì)，反演出了海冰短暫融化再凍結(jié)的過(guò)程以及完全融化的過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用北斗反射信號(hào)反演海冰的可行性。同時(shí)，對(duì)比了極化比模型與偏振比模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了兩種模型的仰角適用范圍。可以利用極化比海冰反演模型來(lái)彌補(bǔ)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(cè)中的準(zhǔn)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(zāi)害預(yù)警提供了一種新的手段，同時(shí)拓寬了北斗衛(wèi)星的應(yīng)用范圍。

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