基于GNSS反射信號的海冰檢測的研究＊

張 云，郭建京，袁國良，洪中華，韓彥嶺

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

0 引 言

據國家海洋局網站發布的《2010年中國海洋災害公報》中海冰災害的數據顯示［1]，2009年－2010年冬，黃海、渤海于2010年1月中下旬遭遇近30年同期最嚴重海冰冰情，分別給遼寧省、山東省造成直接經濟損失34.86億元、26.76億元，所以海冰已成為除風暴潮之外最嚴重的海洋災害。同時海冰作為全球海洋與大氣系統的一員，與海洋和大氣相互作用，對全球氣候變化產生了重大影響。海冰的生成、發展和消融過程反映和影響了海洋與大氣的交換過程。如冰蓋的存在阻隔了海洋與大氣之間的熱量、質量、動量和化學成分交換，減少了被海面吸收的太陽輻射量，進而影響海洋和大氣的環流模式。因此，需要對海冰進行深入的了解。

自1969年特大冰封以來，我國海冰監測、預報和研究工作全面開展。在海冰常規觀測基礎上，進一步開展了衛星和航空遙感技術的應用研究。2010年，國家海洋局北海預報中心和國家海洋局第一海洋研究針對渤海海冰和MODIS（中分辨率成像光譜輻射計）數據的特點，構建了基于MODIS數據的渤海海冰遙感探測系統［2]。2011年，中國海事局煙臺溢油應急中心利用SAR（合成孔徑雷達）數據分析2010渤海海域海冰冰緣線、海冰類型以及探測海冰運動過程，為有效應對海冰災害提供了科學參考［3]。

傳統的遙感手段如MODIS和SAR雖然具有較高的時空分辨率但是可用的信號有限，而且是單基工作模式，反射信號接收機復雜度高，遙感成本高。GNSS－R遙感技術是自20世紀90年代以來逐漸發展起來的GNSS的一個新型的分支，是國內外遙感探測和導航技術領域研究的熱點之一，具有以下優點［4]：

1）采用異源觀測模式，利用全球共享的GNSS星座為多源微波信號發射源。導航衛星反射信號接收機的復雜度、體積、重量和成本大大下降。

2）有大量的信號源有利于實現低成本、大范圍、高時空分辨率數據采集和目標反演應用。

3）采用擴頻技術使得在機載高度，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。

4）接收到的直射信號可以提供精確的空間位置信息，有效輔助反射信號遙感。

國外采用GNSS－R技術進行海冰探測相關研究有如以下幾個方面：2000年，Komjathy等利用GPS反射信號的峰值功率獲得海冰表面有效介電常數的經驗值［5]。2007年Belmonte擬合反射信號波形得到了海冰表面的粗糙度［6]。2012年，Fran 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據，采用雙極化相位測高的方法反演了海冰表面的絕對橢球高，取得了很好的測量精度［7]。

目前，我國的GNSS－R海冰探測技術還處于起步階段，目前還沒有基于GNSS－R的海冰遙感實驗，因此采用歐空局在網站［8]上公布的2009年1月到2009年5月的GPS反射信號的海冰實驗數據，重點分析反射右旋圓極化和左旋圓極化信號的極化比值，驗證極化比值與介電常數之間的關系，并且與同期美國國家海冰中心發布的格林蘭島海冰產品數據相對比，得出通過遙感海面GPS反射信號的極化比可以檢測海冰的形成和消融過程。

1 GNSS－R概述

歐空局科學家Martin－Neira于1993年首次提出對GNSS反射信號進行利用的概念——被動式反射和干涉系統（PARIS）［9]。1994年法國科學家Auber在進行機載飛行實驗時意外的發現了反射信號，這種信號在常規的測量中通常是作為多路徑信號進行剔除的，因為它嚴重地干擾定位精度，本次實驗可以證明反射信號是可以被接收并檢測的［10]。

GNSS接收機在接收導航衛星直射信號的同時，也將接收反射面的反射信號。從電磁波傳播基本理論出發，該反射信號中攜帶著反射面的特征信息，反射信號波形的變化，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了反射面的物理特性，或者說直接與反射面相關。對反射信號的精確估計和接收處理，可以實現對反射面的物理特性的估計與反演。目前，國內使用GNSS－R技術研究的方向有：海面測風，海面測高，海洋鹽度探測，土壤濕度探測，海冰探測和移動目標探測。

2 GNSS信號的極化類型

GNSS信號自導航衛星發射后成為在空間傳輸的電磁波。在時變電磁場中，場矢量和場源既是空間位置的函數，又是時間的函數。在正弦穩態條件下，由場源所激勵的場矢量的各個分量仍是同頻率的正弦時間函數［11]。

時變電磁場中的任一坐標分量隨時間做正弦變化時，其振幅和初始相位也都是空間坐標的函數。以電場強度E為例，以一定的頻率ω隨時間t和空間r按正弦規律變化，可表示為

由于電場強度E、磁場強度H和傳播方向K三者之間的關系是確定的，一般用電場強度E的矢量端點在空間任意固定點上隨時間變化所描述的軌跡來表示電磁波的極化［12]。

假設均勻平面波沿著z軸方向傳播，電場強度和磁場強度均在垂直于z軸的平面內，令電場強度E分解為兩個相互正交的分量Ex和Ey，其頻率和傳播方向均相同，

E矢量端點的軌跡方程可以經由三角運算獲得為

當滿足條件Ex0＝Ey0＝E0，φy－φx＝±π／2時，矢量E端點的軌跡方程為

這是半徑為E0的圓的方程，故而稱為圓極化［4]。當Ey滯后于Exπ／2時，電場矢量的旋向和波的傳播方向滿足右手螺旋關系，稱為右旋圓極化（RHCP）；反之稱為左旋圓極化（LHCP）。GNSS的導航信號（直射信號）是右旋圓極化的，當直射信號照射到物體表面時極化方式會發生改變，部分轉變為左旋圓極化信號。

隨著反射界面的介質的不同，反射信號中的左旋圓極化信號強度也將會發生變化，所以研究反射信號的極化類型的變化可以提取出反射物體的物質特性信息，這是GNSS－R技術的理論基礎。文中針對該物理特性，提出了利用海冰與海水表面的介電常數不同造成反射信號兩種極化方式不同的信號強度，根據反射右旋圓極化信號與反射左旋圓極化信號幅度比值的變化進行海冰消融和海水結冰過程的檢測。

3 數據采集

利用了歐空局在網站上公布的2009年1月到2009年5月的GPS反射信號的海冰實驗數據，該實驗是歐空局在格林蘭島開展的GPS－SIDS項目的一部分，實驗的目的是驗證星載接收機接收GPS反射信號研究海冰和積雪物理特性的可行性。

如圖1所示，接收機天線架設在迪斯科海岸懸崖邊的一個電信信號塔上，距離海面高度H約650m，直射天線朝向天頂，兩個反射天線水平放置朝向海面，可以通過網絡遠程控制。圖2中A、B、C分別表示鏡面反射點，其中A點和B點的高度角分別為a＝25°、b＝5°.由三角關系可計算出L1＝ H／tan（a），L2＝ H／tan（b），數據采集區域直徑L＝L2－L1≈6 036m.圖3表示計算出實驗數據采集區域示意圖。

圖3 實驗數據采集區域示意圖［7]

實驗從2008年10月下旬開始，到2009年5月初結束連續觀測7個月，采集到了觀測海域的海冰從開始形成到完全結冰再到消融過程的全部數據。因為2008年10月開始至2008年底的海冰數據由于接收機的關系不能提供穩定的數據，所以在本文中，分析了2009年1月至2009年5月的數據。

4 數據分析

GPS反射信號的不同極化類型提供了反射面的物理特性信息。為了檢測海冰與海水表面反射信號的差異，本文利用了歐空局在網站上公布的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號衛星的海冰觀測數據，使用MATLAB軟件處理，用反射右旋圓極化信號峰值序列除以反射左旋圓極化信號的峰值序列，并對處理結果取平均值，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這個范圍波動且呈下降趨勢。1月12日至1月25日極化比均值主要在0.2～0.6范圍波動且呈上升趨勢。1月26日至2月10日極化比均值在0.55～0.65范圍波動無明顯變化。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。5月1日直到5月12日實驗結束極化比均值從0.5逐漸下降到0.35左右，下降趨勢較明顯。

由圖4中 GPS3、8、12、20、23號衛星極化比均值可知，不同的GPS衛星在仰角基本相同的條件下，極化比均值的變化趨勢基本相同。GNSS－R可以同時使用多顆衛星進行數據采集，實現高時空分辨率，這是GNSS－R微波遙感技術的優點之一。

圖4 GPS3、8、12、20、23號衛星極化比均值

為了驗證極化比值與海冰的形成和消融過程之間的關系，分析了同時期和同區域的美國國家海冰中心［13]的格林蘭島海冰產品數據，該數據由加拿大Radarsat雷達影像解析而成［14]。圖5和表1示了美國國家海冰中心2009年的格林蘭島海冰產品數據。圖5中選取的參考日期是海面浮冰密集度發生明顯變化的時間轉折點。由于美國國家海冰中心只公布了每天粗略的海冰遙感數據，所以無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。

圖6 遙感圖片圖注

表1 2009年數據采集區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日數據采集區域主要是海水但有少量的浮冰，海冰的密集度為0～50%，計算出的計算出的極化比值從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，計算出的極化比值在0.5～0.65范圍波動且呈現相對增加趨勢；

2月11日至2月20日，海面浮冰出現短暫的消融過程，計算出的極化比值呈現相對減小趨勢；

2月21日左右海面開始凍結，計算出的極化比值呈現相對增加趨勢；

3月初至4月20日，數據采集區域凍結，海冰密集度約80%，在此階段計算出的極化比值相對穩定。

4月下旬海冰開始融化，5月12號實驗結束時，海冰大部分融化，實際上到5月20號，數據采集區域的海冰基本消失，在此階段計算出的極化比值呈現逐步減小的趨勢。

從以上對比分析中得出：GPS反射信號的極化比均值和數據采集區域海冰的密集程度有相同的變化趨勢。隨著海冰的消融，極化比均值將會不斷減小；隨著海水的凍結，極化比均值也將會不斷增加。該變化趨勢甚至包括2月16日至2月25日海冰短暫的融化和重新凍結的過程。

綜上所述，通過GNSS－R技術觀測海面GPS反射信號的極化比值檢測海冰的形成和消融過程。

但是由于美國國家海冰中心公布的數據中只能得出大致的海冰變化趨勢，所以無法對GPS反射信號的極化比值的推斷做出更加精確的結論，譬如無法解釋圖4中的1月1日至1月11的極化均值的減小，是否代表著同時期的海冰是否有短暫的融化過程。目前正在尋找可以進一步可以論證極化比值推斷結果的實驗數據和依據。

5 結 論

基于全球衛星定位系統的GNSS－R技術以其全天候、全天時、多信號源、寬覆蓋、高時空分辨率等應用優勢，在海冰遙感領域展現出廣闊的應用前景，是衛星導航應用領域的一個熱點研究內容。

通過文中的分析，初步驗證了利用GPS反射信號中的極化比值探測海冰存在與否，并且可以用來估計結冰海域的海冰密集度。以此為基礎繼續研究一年冰的積累速度和檢測海冰的厚度，為我國使用GNSS－R技術對渤海和黃海進行海冰災害預警做好充分準備。后續的工作將繼續分析歐空局的海冰數據來驗證其他的海冰探測方法。

致謝：本課題研究過程中，得到了北京航空航天大學楊東凱教授，李偉強博士關于GNSS－R方面的悉心指導，在此表示感謝。同時，作者還感謝歐空局地球觀測中心Fabra博士，在解析格林蘭島的海冰數據時提供的大力幫助。

［1]國家海洋局網站.2010年中國海洋災害公報［EB／OL].http：／／www.soa.gov.cn／soa／hygbml／zhgb／ten／webinfo／2011／04／1303019794600094.htm.

［2]王 寧，紀永剛 基于MODIS數據的渤海海冰遙感探測系統的設計［J].海洋預報，2011，28（1）：33－38.

［3]舒 遲.星載SAR在防抗海冰災害中的應用研究［J].中國水運，2011，11（6）：71－73.

［4]楊東凱，張其善 .GNSS反射信號處理基礎與實踐［M].北京：電子工業出版社，2012.

［5]KOMJATHY A，MASLANIK J，ZAVOROTNY V U，etal.Sea ice remote sensing using surface reflected GPS signals［C]／／In Proceedings of IEEE 2000 International Geoscience and Remote Sensing Symposium，IGARSS 2000：2855－2857.

［6]BELMONTE M.Bistatic scattering of global positio－ning system signals from arctic sea ice［D].Boulder：Univ.Of Colo.，2007.

［7]FRAN F，ESTEL C，ANTONIO R.Phase altimetry with dual polarization GNSS－R over sea ice［J]，IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2012，50（6）：2112－2121.

［8]ICE.Gold－RTR MINING－Campaigns－GPS SI［OL].http：／／www.ice.csic.es／research／gold＿rtr＿mining／gps＿si.php.

［9]Martin－Neira M.A passive reflectometry and interferometry system（PARIS）：Application to ocean altimetry［J].ESA.1993（17）：331－355.

［10]Auber J－C，BIBAUT A，RIGAL J－M.Characterization of multipath on land and sea at GPS frequencies［C]／／ION GPS，Salt Lake City，UT，1994：1155－1171.

［11]熊 皓.電磁波傳播空間環境［M].北京：電子工業出版社，2004.

［12]姜 宇.工程電磁場與電磁波［M].華中科技大學出版社，2009.

［13]U.S.National Ice Center［OL].http：／／www.natice.noaa.gov／products／products＿on＿demand.html.

［14]BERTOIA C，RAMSAY B.Sea ice analysis and products：cooperative work at the U.S.and canadian national ice centers［J].IGARSS，1998：1944－1947.