基于GPS反射信號技術的渤海海冰實驗

張云，孟婉婷*，顧祈明，韓彥嶺，曹云昌，夏青，王煒

（1.上海海洋大學信息學院通信導航實驗室，上海 201306；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；3.天津氣象局天津市氣象科學研究所，天津 300074）

基于GPS反射信號技術的渤海海冰實驗

張云1，孟婉婷1*，顧祈明1，韓彥嶺1，曹云昌2，夏青2，王煒3

（1.上海海洋大學信息學院通信導航實驗室，上海 201306；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；3.天津氣象局天津市氣象科學研究所，天津 300074）

傳統的海冰檢測手段都存在著受天氣影響或實時檢測成本太高的缺點，為了更實時有效的檢測海冰，減輕海冰災害對于我國的影響，并達到防災減災的目的，本文研究了GPS反射信號（GPS-R）技術檢測海冰的可能性。通過對2013年2月下旬在中國天津渤海灣的岸基架設GPS信號接收機所接收的觀測數據進行分析，使用不同特性的反射海域（幾乎全為海水或是海冰）的數據進行比對分析，其結果顯示極化比值（反射左旋信號與直射右旋信號的比值）能夠明顯反演海冰密集度。本文首次將GPS-R技術應用于國內自主設計的渤海海冰檢測實驗中。

GPS；反射信號；GPS-R；海冰檢測；極化比

1 引言

海冰作為冰雪圈的重要組成部分，決定著海氣能量與物質的交換過程和速率，海冰災害是一種多集中于極地區域以及某些高緯度區域的海洋災害類型。海冰現象直接影響海洋漁業、海上交通、海上油氣資源的開發、海岸港口的正常作業等。我國北部海域緯度偏高，每年都有結冰現象出現，歷史上多次出現嚴重海面結冰所造成航運中斷、船舶擱淺、鉆井平臺倒塌等大范圍影響以及經濟損失。2010年冬天，渤海和黃海北部遭遇30 a來最嚴重的海冰冰情，海冰災害直接經濟損失達63.18億元，占全年海洋災害總經濟損失的47.6%［1］。加大海冰實時檢測力度，可以有效的起到防災減災的目的，減輕海冰災害的影響。

自20世紀80年代起，我國衛星海洋應用中心先后建立了衛星遙感海冰圖像的接收和分析系統。傳統上來說，利用衛星遙感檢測海冰主要有兩大類，一類是基于可見光的遙感衛星數據，另一類則是基于微波的遙感衛星數據。可見光的海冰遙感主要以中低分辨率光學傳感器為主［2］，圖像直觀，但受云、雨、霧等天氣影響，不能全天候、全天時的檢測海冰狀況。微波的海冰遙感主要以合成孔徑雷達（SAR）為主［2］，具有全天候、全天時成像能力，但如果要大范圍的觀測連續的海冰特性，需要非常高的成本。

GPS反射信號（GPS-R）遙感技術是基于全球衛星定位系統的利用導航衛星L波段信號為發射源，以岸、機、星載或其他接收平臺，通過接收并處理海洋、陸地或移動目標的反射信號，實現被測媒質的特征要素提取或移動目標探測的一種技術［3］。隨著GPS-R技術的不斷發展，國外的學者們已經將其引入到海冰檢測領域。Komjathy等利用GPS的反射信號功率獲得海冰表面的有效介電常數的經驗值［4］，Rivas通過擬合反射信號波形計算出海冰表面的粗糙度［5］，Fabra等使用反射信號功率與直射信號功率的比值趨勢擬合出海冰密集度的變化趨勢［6］。

國內GPS-R的海冰檢測的研究還處于起步階段，目前很少有GPS-R的海冰遙感實驗。2013年，張云等利用歐空局在格林蘭島的GPS反射信號實驗數據論證了基于GPS反射信號的海冰檢測的可能性［7］。在2013年2月下旬，由中國氣象局氣象探測中心組織，上海海洋大學、天津市氣象科學研究所、濱海新區漢沽氣象局等單位共同組織參加了“GPS反射信號監測海冰”實驗。此次渤海海冰實驗是中國使用首次將GPS-R技術應用于渤海海冰檢測［8］，目的是為了驗證GPS-R檢測海冰技術的可能性。此次實驗成功地記錄到海冰的融化過程，本文論述了此次實驗的實驗方法以及實驗結果。在電磁波反射理論的基礎上，本文首次提出了使用GPS-R的極化比［左旋反射信號（R-LHCP）／右旋直射信號（D-RHCP）］的海冰檢測方法，通過原理分析，以及仿真結果和此次渤海海冰實驗結果的驗證，證明了使用GPS-R的極化比（R-LHCP）／（D-RHCP）來檢測海冰技術的可能性。

2 實驗原理分析

對于海面來說，如果海水內部是均勻或者說是類似均勻的，這時電磁波的散射只發生在海水表面。本文在此假設成立的基礎上，討論后續的問題。如果海水內部是均勻或者說是類似均勻的，電磁波的散射只發生在海水面表，那么散射的特征只與海面的粗糙度有關，如圖1所示，不同粗糙的海面會形成不同的散射效果［9］。

圖1 不同散射的效果圖Fig.1 Signal scattering on different surfaces

由圖1可見，在海面是理想的鏡面狀態下，電磁波將發生鏡面反射，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，也取決于GPS入射波的頻率、極化方式、入射角和反射面的性質（介電常數和電導率）。在海面是略微有點粗糙的狀態下，會產生鏡向反射信號（也稱相干散射分量）和散射信號（也稱非相干散射分量），其中非相干的散射分量比例較小。當海面越來越粗糙之后，相干散射分量越來越小，直至可以忽略不計，而其中一部分散射信號極化方式與入射信號的相同，一部分則不同［10］。

GPS直射信號在經過海面散射后，其反射信號的輸出功率的波形表達式［11］為：

式中，〈|Y（τ）|2〉是反射信號輸出功率的波形，Ti為相干積分時間，R為菲涅爾反射系數，c是光速，R（ρ→）和R2（ρ→）分別是GPS衛星到接收機的向量和GPS衛星到海面上鏡面反射點的向量，D2（ρ→）是天線方向的有效覆蓋區。由式（1）可知，影響反射信號輸出功率波形〈|Y（τ）|2〉的有反射信號與直射信號的路徑延遲、GPS衛星的仰角、菲涅爾反射系數等。而本文所敘述的實驗都在類似的實驗條件下，所以反射信號輸出功率幾乎不受反射信號與直射信號的路徑延遲、GPS衛星的仰角的影響。但實驗中不同的海面，菲涅爾系數有很大的不同，所以其反射信號輸出功率很大程度上由菲涅爾反射系數確定。

如果海水內部是均勻或類似均勻，電磁波的散射只發生在海水表面，那么電磁波的反射與入射的能量關系由菲涅爾反射系數決定。菲涅爾反射系數的表達式［11］為：

式中，R、L、V、H分別表示右旋圓極化、左旋圓極化、垂直極化和水平極化；ε為海面的復介電常數。

海水與海冰的復介電常數差別很大［12］，早在1992年，鄭全安等就對海冰厚度的微波輻射遙感模式研究以及兩種復介電常數的推導與計算進行了詳細的敘述［13］。

根據文獻［13］～［16］，以GPS L1波段（1 575.42 MHz）為例，設海水溫度為5℃，鹽度為35，計算得海水的復介電常數為ε＝75.54＋48.27j。根據文獻［5］、［11］和［17］，取海冰的復介電常數的平均值|εsi| ＝10，計算得海冰的復介電常數為ε＝7.07＋7.07j。在不同的介電常數的情況下，反射信號右旋極化分量、反射信號右旋極化分量和GPS衛星的高度角變化關系如圖2所示。

圖2 反射信號各極化分量與高度角的變化趨勢圖Fig.2 The relationship between the reflection polarization component and the elevation angle

GPS-R技術是采用異源擴頻觀測模式，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，根據反射極化信號類型以及幅度比值的變化進行海冰消融和海水結冰過程的檢測。為了分析GPS反射信號中所攜帶的反射面特征信息，可以處理振幅反射信號之間的兩個偏振態。具體計算方法是計算海面兩種偏振態反射信號的比率，稱為極化比，也就是計算右旋反射信號（R-RHCP）振幅與R-LHCP振幅的比值（R-RHCP）／（R-LHCP）。作者利用極化比（R-RHCP）／（R-LHCP）模型，處理2009年歐空局在格陵蘭島的實驗數據，驗證極化比模型反演海冰密集度的可行性，詳情請參見文獻［6］。在此基礎上，本文提出了一種新的方法，計算極化比（RLHCP）／（D-RHCP）來檢測海冰。

通過前文所述的圖2可知，R-LHCP的振幅隨海面的高度角增大而增大，R-RHCP的振幅隨海面的高度角增大而減小。在仰角大于一個特定值（約6.8°）的時候，左旋反射信號的振幅會大于右旋反射信號的振幅。由此說明，當GPS的D-RHCP經過海面散射后，極性會發生變化。在仰角大于一定值時，GPS的D-RHCP會大比例的轉化為R-LHCP。

對比圖中不同介電常數在高仰角范圍（20°～40°）的情況下，海水的反射左旋的菲涅爾系數明顯大于海冰的反射左旋的菲涅爾系數，由此得出海水的R-LHCP振幅應該大于海冰的R-LHCP振幅。由于在相同環境條件下，可以假設海水和海冰的D-RHCP振幅相等，所以我們可以得出海水的極化比值（R-LHCP）／（D-RHCP）大于海冰的極化比值（R-LHCP）／（D-RHCP），通過該仿真結果可以得出利用極化比值檢測海冰的可能性，這是本文新提出的海冰檢測方法的理論基礎。

由于菲涅耳反射原理，在仰角較小的情況下，使用第一種極化比（R-RHCP）／（R-LHCP）比較合適，因為兩種極性的反射信號在低仰角的時候，即使出現微小的角度變化，振幅都呈現出較大的變化趨勢，此時第一種極化比不能很好的反映海面物理特征對于極化比的影響。在高度角較大的情況下，使用第二種極化比（R-LHCP）／（D-RHCP）比較合適，因為兩種極性的反射信號在高仰角的時候，R-LHCP幅度遠大于R-RHCP幅度，使第一種極化比（R-RHCP）／（R-LHCP）的比值趨近于0，不能很好的反映海面物理特征對于極化比的影響。本文在實驗中利用高仰角范圍（20°～40°）的實驗數據，對于第二種極化比（R-LHCP）／（D-RHCP）方法區分海水以及海冰的可行性進行了詳細的分析。

3 渤海海冰實驗

3.1 實驗基本情況

本文所采用的數據來自于2013年2月下旬的渤海海岸的自主實驗，整個實驗目的是為了驗證GPS-R技術可以實現對渤海灣海域冰情變化、發展趨勢的持續跟蹤的可行性。實驗地點在中國天津市濱海新區漢沽神港岸基的欄桿上搭建GPS-R的岸基接收機，具體坐標如圖3所示。實驗所用數據的采集時間為2013年2月20日和2月22日，期間經歷了一個海冰融化的過程。2月20日下午15點4分41秒開始收集數據，15點36分53秒結束收集數據，間隔100 s搜集一次數據，一共搜集了12組；2月22日從上午10點04分43秒開始收集數據，11點11分24秒結束收集數據，間隔約100 s搜集一次數據，一共搜集了24組。

實驗中，接收機架設在岸基上，距離海面高度約5 m左右，直射右旋天線（RHCP天線）水平放置朝向天頂，接收GPS發射的直射信號，反射左旋天線（LHCP天線）傾斜放置朝向海面，接收海面反射回來的反射信號。實驗中，接收左旋反射信號的左旋天線，是四陣列高增益天線，可以滿足對反射信號接收的要求；接收右旋直射信號的右旋天線，是使用的型號為S67-1575-39的航空天線，可以滿足工作頻點和帶寬要求。兩種天線的技術參數如表1所示。其中反射左旋天線增益為12 dB、波束角為38°左右，而直射右旋天線增益為3 dB。

表1 左旋陣列天線／右旋圓極化天線參數對比Tab.1 Parameter comparison of D-LHCP antenna and R-RHCP antenna

3.2 實驗設備介紹

在實驗中，采用機載多普勒／延遲映射軟件接收機，與硬件接收機不同的，雖不能實時處理數據，但其接收機結構簡單且，并且可以使用不同模型來解析海冰數據。機載多普勒／延遲映射接收機（GNSS-R微波遙感器）是由北京航空航天大學所研究開發的，是目前國內性能較好的反射信號接收機。

該機載多普勒／延遲映射接收機能夠實現大量的多源導航衛星直射信號和反射信號的同步接收，全天時、全天候、大范圍連續采集GPS發射的直射信號以及海面散射回來的反射信號，其復雜度和成本大大下降，采用擴頻技術使得可以接收低于背景噪聲的微弱信號［18］。

右旋天線用于接收到的GPS衛星L波段的直射信號，進行增益放大后形成右旋圓極化信號FSR輸出給雙通道頻率變化模塊的直射通道。四陣列左旋天線用于接收到的海面反射GNSS衛星L波段的回波信號，進行增益放大后形成左旋圓極化信號輸出給雙通道頻率變化模塊的回波通道［19］。其接收機信號處理流程如圖4。

圖3 實驗區域坐標圖Fig.3 The coordinate chart of the experimental area

圖4 機載多普勒／延遲映射接收機信號處理流程圖Fig.4 Flow process diagram of signal from airborne Doppler／delay mapping receiver

4 實驗數據分析

海冰密集度是指所確定的海域內海冰面積占海域總面積的百分比［20］。在渤海實驗中，使用了目測的方法，2013年2月20日，觀測到實驗設備前方的海域的海面幾乎飄滿了浮冰，海冰密集度達到80%以上，如圖5a所示。2013年2月22日，類似的實驗設備搭建場景中，觀測到前方的海域的海面沒有任何冰出現，海冰密集度是0%，如圖5b所示。本文選取有代表性和強烈對比性的這兩天的數據做一個對比分析，可以實現驗證使用GPS-R的極化比值方法來檢測海冰的可能性。

實驗數據的分析流程如圖6，右旋天線和左旋天線分別用于接收導航衛星直射信號和反射信號。直射信號和反射信號經接收后分別輸入到兩個射頻前端，進行采樣處理和數字化后得到直射和反射的原始數字中頻信號。在數據處理工作站中，利用信號后處理軟件對數字中頻信號后處理，完成衛星信號快速捕獲和跟蹤，對反射信號進行相關處理。對所有的接收數據進行篩選，選取高仰角的衛星數據，使其符合前文所述的菲涅爾反射系數的原理，并進行數據分析，計算出每一組100 s數據的平均極化比值（R-LHCP）／（D-RHCP）。通過兩天的數據結果對比，證明極化比值可以用于檢測海冰／海水。

圖5 渤海海冰實驗場景圖Fig.5 Pictures of the experiment taken during the field campaign

圖7是2月20日和22日的天頂圖，五角星表示衛星的起點，圓形表示天頂的后續軌跡點。根據原理，選擇仰角范圍為20°～40°的衛星，其次根據觀測的海域，選擇方位角范圍為90°～150°的衛星。如天頂視圖7a，20日符合實驗條件的衛星是12號和25號衛星，如天頂視圖7b，22日符合實驗條件的衛星是2號衛星。下文將對符合實驗條件的衛星進行進一步分析。

2013年2月20日15點4分41秒時，海面幾乎全為海冰，采集的100 s數據，對于GPS 12號衛星的信號進行1次相干累加和100次非相干累加之后，得到分析結果，極化比（R-LHCP）／（D-RHCP）為0.799 9。將路徑延遲與歸一化相關功率的二維結果進行繪圖，橫坐標為路徑延遲（m），縱坐標為歸一化相關功率，實線代表直射信號的歸一化相關功率的波形，虛線代表反射信號的歸一化相關功率的波形，如圖8。

2013年2月22日10點28分24秒時，海面幾乎全為海水，采集的100 s數據，對于GPS 2號衛星的信號進行1次相干累加和100次非相干累加之后，得到分析結果，極化比（R-LHCP）／（D-RHCP）為2.722 3。因為本次實驗使用的直射右旋天線增益是3 dB，而反射左旋天線增益為12 dB，所以會出現極化比大于1的結果。將路徑延遲與歸一化相關功率的二維結果進行繪圖，橫坐標為路徑延遲（m），縱坐標為歸一化相關功率，實線代表直射信號的歸一化相關功率的波形，虛線代表反射信號的歸一化相關功率的波形，如圖9。

由上述兩圖對比可以看出，海水的極化比值（RLHCP）／（D-RHCP）明顯大于海冰的極化比值（RLHCP）／（D-RHCP），進一步計算出兩天數據的平均極化值。圖10中的每個點分別代表每一組數據中合適衛星和高度角的平均極化比值。20日，幾乎全為海冰的海面，選取合適衛星為12號（仰角：34°～40°）的12組數據和25號（仰角：21°～32°）的11組數據；22日，幾乎全為海水，選取合適衛星為2號（仰角：21° ～40°）的23組數據。在圖10中，實心加號表示12號衛星在2月20日的海冰極化比的散點分布，實心圓形表示25號衛星在2月22日的海冰極化比的散點分布，空心矩形表示2號衛星的海水極化比的散點分布，X軸表示數據集的數量，Y軸表示極化比值。在此次實驗設置下，海冰極化比值的范圍為0.021 4～0.972 6，平均為0.25。海水極化比值的范圍為1.568 5～4.768 8，平均為3.10。

圖6 實驗數據分析流程圖Fig.6 Flow chart of the analysis of experimental data

圖7 渤海海冰實驗天頂圖Fig.7 Zenithal chart of the Bohai sea ice experiment

圖8 2013年2月20日15點4分41秒GPS 12號衛星歸一化相關功率波形圖Fig.8 Waveform diagram of power of PRN 12（February 20，2013，15∶04∶41）

圖9 2013年2月22日10點28分24秒GPS 2號衛星歸一化相關功率波形圖Fig.9 Waveform diagram of power of PRN 2（February 22，2013，10∶28∶24）

圖10 渤海實驗數據分析圖Fig.10 The diagram of data analysis of Bohai sea experiment

從以上對比分析中可以得出：對于幾乎全為海水的海域的GPS反射左旋信號與直射右旋信號的極化比均值（R-LHCP）／（D-RHCP）明顯大于幾乎全為海冰的海域的極化比均值（R-LHCP）／（D-RHCP），同時由于海浪的影響，造成了22日數據分散較大。這也說明對于不同海域表面特征，具有類似的GPS直射信號來說，菲涅爾反射系數影響了海域表面反射回來的左旋信號強度，也就是海水表面反射回來的左旋信號強度明顯大于海冰表面反射回來的左旋信號強度。該結論與本文第2章中由菲涅耳反射原理推導出的結論相符，充分說明利用GPS-R的極化比特性可以反演海面狀態特性。

綜上所述，我們可以通過計算GPS-R的極化比值（R-LHCP）／（D-RHCP）來區分海域里海面的特征情況（海水或是海冰），初步確定此種方法具有檢測海冰的能力，為定量反演海域的海冰密集度打下了基礎。

5 結語

本文詳細論述了GPS-R技術對于海冰檢測的方法，首先介紹了利用海水海冰的介電常數的特性以及菲涅爾反射原理，首次提出反射信號與直射信號的極化比（R-LHCP）／（D-RHCP）區分海水海冰的可能性，利用電磁波反射理論建立了GPS-R海冰／海水仿真模型，證明了該原理的理論可行性，然后采用渤海海域的自主實驗數據進行分析，證明了該方法的有效性。

本次實驗是國內首次GPS反射信號的海冰檢測實驗，目的是為了驗證使用GPS反射信號的極化比值（R-LHCP）／（D-RHCP）來檢測海冰的可能性。通過文中的分析，初步驗證了利用GPS-R技術檢測海冰的新方法，利用GPS反射信號與直射信號功率的極化比值（R-LHCP）／（D-RHCP）可以檢測海冰與海水的區別。從實驗分析結果可以看出，反射信號與直射信號功率的極化比值（R-LHCP）／（D-RHCP）和海冰密集度相關性強，證明了該方法的理論基礎，然后通過實驗驗證了該方法的有效性為定量反演結冰海域的海冰密集度打下了基礎，為我國高緯度地區海域（渤海以及黃海北部海域）的海冰災害預警做好充分準備。后續將繼續渤海海域實驗數據強化的海冰探測方法。

由于2013年2月的天津天氣較暖，海冰的融化過程發生在2～3 d內，成功地記錄了渤海灣的海冰融化過程的GPS反射信號數據，通過數據分析，證明了使用極化比（R-LHCP）／（D-RHCP）的新方法對于海冰／海水檢測的有效性，達到了實驗的定性分析的預期目標。但是由于實驗時間較短，我們無法對該方法做出更進一步的定量分析，2013年冬季，在相同實驗區域，我們正在規劃更長時間的GNSS反射信號的海冰檢測實驗。

致謝：本文的研究過程中，得到了北京航空航天大學楊東凱教授，李偉強博士關于GPS-R方面的悉心指導，在此表示誠摯感謝。同時，作者還感謝中國氣象局氣象探測中心、天津市氣象科學研究所、濱海新區漢沽氣象局等單位在渤海海冰實驗過程中的大力幫助！

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Bohai sea ice experiment using GPS reflected signals

Zhang Yun1，Meng Wanting1，Gu Qiming1，Han Yanling1，Cao Yunchang2，Xia Qing2，Wang Wei3
（1.College of Information Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2.Meteorological Observation Center，China Meteorological Administration，Beijing 100081，China；3.Tianjin Research Institute of Meteorological Science，Tianjin Meteorological Bureau，Tianjin 300074，China）

Traditional detection methods for sea ice are limited by the weather or the high cost of real-time detection.In order to achieve effective real-time detection of sea ice to prevent and mitigate the disaster，in this paper we have studied the possibility of using GPS reflected signals（GPS-R）technique to detect sea ice.We have analyzed the test data in February 2013，which is collected from the GPSsignal receiver in the Bohai sea experiment in Tianjin of China.The result shows that the polarization ratio（the ratio of the direct RHCP signals and the reflected LHCP signals）could simulate sea ice concentration.This study is the first one among the domestic research to apply the GPS-R technology to the Bohai sea ice detection experiment.

GPS；reflected signals；GPS-R；sea ice detection；polarization ratio

P731.15

A

0253-4193（2014）11-0064-10

2013-08-07；

2013-12-16。

國家自然科學基金資助項目（41376178）；上海市科學技術委員會資助課（11510501300）。

張云（1974—），男，上海市人，教授，主要從事基于導航系統反射信號的海洋監測研究。E-mail：y-zhang＠shou.edu.cn

*通信作者：孟婉婷（1990—），女，重慶市人，主要從事基于導航系統反射信號的海冰以及干雪監測研究。E-mail：wanting.meng＠gmail.com

張云，孟婉婷，顧祈明，等.基于GPS反射信號技術的渤海海冰實驗［J］.海洋學報，2014，36（11）：64—73，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.008

Zhang Yun，Meng Wanting，Gu Qiming，et al.Bohai sea ice experiment using GPS reflected signals［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（11）：64—73，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.008