GNSS-R岸基平臺海面溢油面積探測方法

孫啟明，張 波，劉建華，王林峰，賈紫櫻

（1. 北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2. 勝利油田安全環(huán)保督查中心，山東 東營 257000；3. 中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司海洋采油廠，山東 東營 257000）

0 引言

現(xiàn)今世界各國對原油需求量巨大，其中海上石油占了很大比例。在石油開采、儲存、運(yùn)輸過程中，由于油井溢油、運(yùn)輸船事故、輸油管道破裂等泄漏事件時有發(fā)生，并且在海風(fēng)海浪的作用下，海上溢油面積會在短時間內(nèi)擴(kuò)大，對海洋環(huán)境、海洋經(jīng)濟(jì)會產(chǎn)生巨大的影響[1]，因此針對海上溢油，國內(nèi)外諸多領(lǐng)域的專家學(xué)者提出了多種監(jiān)測方法，包括雷達(dá)遙感技術(shù)、熱紅外/紫外遙感技術(shù)、高光譜技術(shù)、激光遙感等，但這些探測方法均存在缺陷，例如受天氣影響較大，不能實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測，設(shè)備成本高等。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反射信號（global navigation satellite system-reflection，GNSS-R）技術(shù)利用導(dǎo)航衛(wèi)星信號為發(fā)射源，通過建立起反射信號與探測目標(biāo)特征參數(shù)之間的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)物理特性的探測。目前GNSS-R技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在探測海面風(fēng)場、海冰分布、積雪厚度、土壤濕度等多個領(lǐng)域[2-5]。文獻(xiàn)[6]首次對海洋表面反射的衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行了機(jī)載平臺接收實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]中成功建立了GNSS-R的功率峰值與雷達(dá)衛(wèi)星后向散射之間的關(guān)聯(lián)。

近些年來，隨著GNSS-R技術(shù)的不斷成熟，其在海面溢油探測方面的應(yīng)用也逐步加深，文獻(xiàn)[8]提出將GNSS-R技術(shù)用于海面溢油探測中，利用Z-V散射模型計(jì)算延遲多普勒圖來分辨海面有無溢油。文獻(xiàn)[9]對上述方法進(jìn)行了近一步分析，將仿真場景中的星下點(diǎn)溢油監(jiān)測擴(kuò)展到任意角度，提出了應(yīng)用雙天線來解決模糊度問題的方法。文獻(xiàn)[10]利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）衛(wèi)星反射信號進(jìn)行了岸基污油池油膜探測實(shí)驗(yàn)，首次通過直反信號相關(guān)功率的比值對油污介電常數(shù)進(jìn)行了反演，證明了通過GNSS-R反射信號反演海面介電常數(shù)的可行性。文獻(xiàn)[11]通過計(jì)算左旋及右旋反射信號極化比值來對介電常數(shù)進(jìn)行了反演，提高了溢油的反演精度。目前，岸基溢油探測研究主要集中在探測溢油有無的階段，對油污的面積計(jì)算則比較少，因此本文提出一種利用衛(wèi)星閃耀區(qū)來對岸基接收機(jī)附近海域溢油面積進(jìn)行探測的方法，在探測天線覆蓋范圍內(nèi)對多顆星反射信號所對應(yīng)的閃耀區(qū)進(jìn)行計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)對探測區(qū)域的面積劃分，再對每個閃耀區(qū)的溢油情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過對存在溢油的閃耀區(qū)的疊加計(jì)算，可以對探測區(qū)域內(nèi)溢油面積進(jìn)行探測。

1 GNSS-R基本原理

1.1 GNSS-R遙感技術(shù)信號幾何關(guān)系

本節(jié)對GNSS-R遙感技術(shù)中衛(wèi)星發(fā)射端、接收天線以及反射面之間幾何關(guān)系進(jìn)行了研究，其中接收天線為岸基接收機(jī)。為了建立上述 3者的關(guān)系，根據(jù)菲涅爾反射原理，引入了鏡面反射點(diǎn)概念，即從反射區(qū)域反射的反射信號中直射與反射路徑延遲最短的理論反射點(diǎn)，此時入射角等于反射角。由于導(dǎo)航衛(wèi)星距離地球平面很遠(yuǎn)，在相對小的區(qū)域內(nèi)，到達(dá)地球表面的導(dǎo)航信號可近似看作平面波，并且可將地球表面看作理想平面，平面波信號在無限大的理想地球表面發(fā)生鏡面反射，由于本文中接收平臺高度較低，且相對于地球表面靜止不動，因此可忽略地球曲率的影響，直射信號、反射信號傳播路徑的幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1 GNSS信號反射的幾何關(guān)系

圖1中接收天線在海面的投影點(diǎn)O點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸指向正南方，y軸指向正東方，z軸過原點(diǎn)O且與XOY平面垂直；SP為鏡面反射點(diǎn)；θ為衛(wèi)星高度角；α為衛(wèi)星方位角，RHCP（right-handed circular polarized）天線為右旋圓極化天線，用于接收衛(wèi)星直射信號；LHCP（left-handed circular polarized）天線為左旋圓極化天線，用于接收反射信號；用H表示直射信號接收天線與海面的垂直高度，則鏡面反射點(diǎn)SP與天線在海面投影O的距離L與H之間的幾何關(guān)系為

由于左旋天線和右旋天線之間的距離遠(yuǎn)小于H、L，因此在一個時刻反射信號鏡面反射點(diǎn)SP位置為

1.2 GNSS-R溢油遙感技術(shù)基本原理

根據(jù)文獻(xiàn)[12]中單Debye模型，海水介電常數(shù)可以表示為

在溫度為0～30 ℃、鹽度為0～40 ‰的條件下，海水的介電常數(shù)值ε在68～84之間，幾類常見石油產(chǎn)品的相對介電常數(shù)范圍見表1。

表1 不同油品相對介電常數(shù)

利用GNSS-R技術(shù)進(jìn)行溢油探測的基本原理是建立“相關(guān)功率—反射率—介電常數(shù)”的反演過程：通過接收機(jī)接收的直、反射信號的相關(guān)功率計(jì)算極化比反射率；再通過反射率反演介電常數(shù)，其中反射系數(shù)僅與介電常數(shù)和衛(wèi)星高度角之間存在映射關(guān)系，因此在衛(wèi)星高度角已知的情況下，可利用反射系數(shù)對介電常數(shù)進(jìn)行反演。將表1中常見石油產(chǎn)品的介電常數(shù)與海水介電常數(shù)進(jìn)行比較，可以看出二者差別較大，因此可以通過反演出的介電常數(shù)來判斷海面溢油存在與否。本文中采用文獻(xiàn)[11]提出的極化比的方法，根據(jù)式（6），左旋反射率Γrl和右旋反射率Γrr的比值僅與相對介電常數(shù)rε與衛(wèi)星高度角θ存在關(guān)系，可通過該比值實(shí)現(xiàn)對介電常數(shù)的反演，關(guān)系式為

1.3 閃耀區(qū)分析

GNSS-R的適用散射模型是基于基爾霍夫近似的幾何光學(xué)模型，反射面光滑時，鏡面反射嚴(yán)格滿足菲涅爾反射定律，因此只有在反射向量的方向才能接收到信號。在實(shí)際海面條件下，考慮到粗糙度的影響，反射面一些小面元方向發(fā)生了改變，使得該面元的鏡面反射方向隨之改變，因此在偏離鏡面反射方向角度很大的情況下，也能接收到鏡面反射信號，反射面粗糙度越大，接收天線可接受到的鏡面反射信號的數(shù)目越多，面元分布的范圍也越大，這種具有明顯微波反射作用的區(qū)域稱為閃耀區(qū)[13]，閃耀區(qū)幾何關(guān)系如圖2所示。

圖2 閃耀區(qū)定義及幾何關(guān)系

圖2(a)為閃耀區(qū)定義圖，其中O點(diǎn)表示鏡面反射點(diǎn)，S點(diǎn)表示散射點(diǎn)，取∠TSR的角等分線SA，β為SA與z軸的夾角，閃耀區(qū)表示鏡面反射點(diǎn)O周圍滿足β＜β0的區(qū)域，β0為描述海面粗糙度的常量，其定義式為其中σ為反射面高度標(biāo)準(zhǔn)偏差，L為表面相關(guān)長度，閃耀區(qū)的大小取決于海面粗糙度的大小。用q表示雙分角矢量，則β就是q與z軸的夾角，其計(jì)算公式為

對閃耀區(qū)幾何關(guān)系作更進(jìn)一步分析，如圖 2(b)所示，其中，接收天線在海面的投影點(diǎn)O點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸指向正南方，y軸指向正東方，z軸過原點(diǎn)O且與XOY平面垂直，在接收天線方向固定的情況下，某一時刻單個衛(wèi)星的閃耀區(qū)形狀為橢圓，鏡面反射點(diǎn)SP是距離O點(diǎn)較近的焦點(diǎn)，閃耀區(qū)的極坐標(biāo)表示為

式（8）、式（9）中橢圓參數(shù)為

根據(jù)式（8）至式（12）的橢圓方程，假設(shè)天線架設(shè)高度為50 m，對二種情況，衛(wèi)星高度角為30°、60°二種仿真條件下，對閃耀區(qū)的大小進(jìn)行計(jì)算，如圖3所示。

圖3 閃耀區(qū)大小和形狀

圖 3(a)、圖 3(b)中，隨著β0增大，閃耀區(qū)的面積隨之增大；但β0增大會造成非相干分量增加，因此β0過大的情況下反射信號的反演效果受到影響。根據(jù)實(shí)際海面情況，在仿真過程中，選用種條件來進(jìn)行閃耀區(qū)的仿真。同時如圖4中所示，衛(wèi)星的高度角越大，則衛(wèi)星的閃耀區(qū)的面積越小，因此想要獲得盡量大的閃耀區(qū)覆蓋面積，需要盡量采用低仰角衛(wèi)星。

2 溢油面積探測方法

針對溢油面積的探測，首先需要對導(dǎo)航衛(wèi)星的有效覆蓋區(qū)域范圍進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)獲得的導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道參數(shù)，以及平臺的位置、天線的架設(shè)高度等數(shù)據(jù)計(jì)算出不同時刻天線的可接收反射信號的有限覆蓋范圍（閃耀區(qū)），將一段時間的閃耀區(qū)進(jìn)行計(jì)算仿真，可針對不同時間衛(wèi)星閃耀區(qū)域覆蓋情況進(jìn)行靈活仿真。要想實(shí)現(xiàn)對接收機(jī)附近的衛(wèi)星有效覆蓋區(qū)的仿真，基本思路為首先計(jì)算衛(wèi)星的鏡面反射點(diǎn)軌跡，再對每一個鏡面反射點(diǎn)所對應(yīng)的閃耀區(qū)進(jìn)行計(jì)算，得出一段時間內(nèi)衛(wèi)星閃耀區(qū)隨著衛(wèi)星的運(yùn)動而覆蓋到的海域范圍。

2.1 衛(wèi)星鏡面反射點(diǎn)軌跡仿真

假定接收機(jī)所處坐標(biāo)為（38.2°N， 118.8°E），天線架高為40 m，根據(jù)1.3節(jié)中對閃耀區(qū)幾何關(guān)系的分析，鏡面反射點(diǎn)是確定衛(wèi)星閃耀區(qū)的重要基準(zhǔn)點(diǎn)，因此為研究閃耀區(qū)覆蓋情況，本節(jié)首先結(jié)合衛(wèi)星分布圖對鏡面反射點(diǎn)軌跡進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4(a)表示1 d時間內(nèi)鏡面反射點(diǎn)軌跡，其中x軸正方向指向東方，y軸正方向指向北方，接收機(jī)位置為（0，0），圖 4(b)為當(dāng)日的衛(wèi)星分布圖（圖中包括全球定位系統(tǒng)（global positioning system， GPS）衛(wèi)星和BDS衛(wèi)星）。如圖4(a)、圖 4(b)所示，對比反射點(diǎn)軌跡及衛(wèi)星分布圖可以看出鏡面反射點(diǎn)軌跡與衛(wèi)星軌跡分布一致，并且從鏡面發(fā)射點(diǎn)的軌跡可以初步判斷出，衛(wèi)星軌跡可對天線接收區(qū)域的大部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)覆蓋。

圖4 鏡面反射點(diǎn)軌跡與衛(wèi)星分布

2.2 閃耀區(qū)分布

根據(jù)上述閃耀區(qū)的幾何關(guān)系，對閃耀區(qū)的分布進(jìn)行分析：

1）單個時刻閃耀區(qū)分布如圖5所示，圖中x軸正方向指向東方，y軸正方向指向北方，接收天線處于（0，0）點(diǎn)處，天線假設(shè)高度為50 m，選取的衛(wèi)星高度角截止為 15°。從圖中可以看出：衛(wèi)星高度角越高，閃耀區(qū)越接近天線，且閃耀區(qū)的面積越小；因此衛(wèi)星高度角越高，溢油面積探測精度越高。在衛(wèi)星高度角較小的情況下，探測面積增大，探測精度降低；由于探測面積與天線高度角相關(guān)，因此在后續(xù)的仿真過程中，需要根據(jù)所探測面積的大小對天線高度角進(jìn)行選取。

圖5 單個時刻閃耀區(qū)分布

2）6 h內(nèi)閃耀區(qū)分布如圖6所示，圖6仿真條件與圖5相同，從圖中可以看出，閃耀區(qū)隨衛(wèi)星軌跡呈帶狀分布，隨著衛(wèi)星移動，閃耀區(qū)對天線接收范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)覆蓋，通過多顆衛(wèi)星所對應(yīng)的閃耀區(qū)的疊加可以對溢油分布進(jìn)行探測。

圖6 6 h內(nèi)閃耀區(qū)分布

3）24 h內(nèi)閃耀區(qū)分布如圖7所示，圖7仿真條件與圖5相同，由圖中可以看出，除受限于實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)衛(wèi)星本身分布情況之外，天線難以覆蓋到接收機(jī)位置北方部分區(qū)域，閃耀區(qū)可以覆蓋到接收機(jī)附近域東、西、南3個方向的絕大部分區(qū)域，證明了在岸基條件下，通過閃耀區(qū)的覆蓋來對溢油面積進(jìn)行探測的方法可以覆蓋到接收機(jī)附近的絕大部分區(qū)域。

圖7 24 h中衛(wèi)星閃耀區(qū)覆蓋范圍

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 污油池實(shí)驗(yàn)

為了探索本文提出的基于GNSS-R技術(shù)及閃耀區(qū)理論的溢油面積探測方法的可行性，課題組對在2015年 9月 7日于山東省東營市 1處污油處理池（37°52′N，119°02′E）進(jìn)行的污油池實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中油池長約20，寬約5，天線架設(shè)高度為 1.5 m，主瓣方位角分別為 180°，其中直射天線斜向上45°放置，反射天線下傾45°放置，保證彼此間無相互遮擋，實(shí)驗(yàn)中采用3天線觀測模式，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 污油池實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

結(jié)合本文所述的海上溢油探測模型，對采集到的導(dǎo)航衛(wèi)星直射、反射信號數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)的處理，反演介電常數(shù)后對閃耀區(qū)內(nèi)是否存在溢油進(jìn)行判定，結(jié)果如圖9所示。

圖9 污油池實(shí)驗(yàn)溢油區(qū)域

圖9（a)中每個橢圓形閃耀區(qū)內(nèi)均存在溢油，所有存在溢油的閃耀區(qū)疊加后的區(qū)域即為存在溢油的區(qū)域，溢油區(qū)如圖9(b)所示。在圖9(a)中，以5 m×14 m的面積作為參考面積，通過MATLAB對參考面積和溢油面積內(nèi)的像素點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得溢油面積與參考面積的比值為 49.31 %，因此可計(jì)算溢油面積為 34.51 m2。該區(qū)域是由多個閃耀區(qū)重疊組合而成，在本實(shí)驗(yàn)中污油池內(nèi)所有區(qū)域均存在溢油，而所能探測的溢油區(qū)域受限于采用的天線自身的探測區(qū)域；可以看出在污油池實(shí)驗(yàn)中，本文中的溢油探測區(qū)域與天線探測區(qū)域形狀基本一致，另外利用“反射率極化比”方式得到的油污介電常數(shù)值總體范圍在2～10之間。

3.2 海上拋油實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方法的可行性，進(jìn)行了海上拋油實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為山東東營埕島海域，天線架設(shè)在拋油船上，天線距海面的高度約為6.7 m，天線最大增益方向與水平面的角度為35°，接收天線包括3組天線，每組天線結(jié)構(gòu)均為頂部水平放置直射天線，距直射天線約 30 cm處放置反射天線，反射天線下傾45°放置。實(shí)驗(yàn)中用饋線將天線與信號采集卡相連，用USB數(shù)據(jù)線將信號采集卡與數(shù)據(jù)處理電腦連接，采集到的數(shù)據(jù)存入移動硬盤。采集卡與天線連接方式為RF1通道接直射天線、RF2通道接反射左旋天線、RF3通道接反射右旋天線；采集卡使用8 bit，其中8 bit采集卡采樣頻率和中心頻率分別為16.369 MHz及 4.098×106MHz，所有的信號采集過程均設(shè)為采集時長2 min，采集時間間隔10 s，實(shí)驗(yàn)過程中分2次拋灑約80 L原油，14：18：45傾倒第一桶原油（約40 L），此時天線方位角為 285°；14：20：55傾倒第二桶原油（約40 L），實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 海面溢油實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

根據(jù)污油池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，油污表面的介電常數(shù)ε分布在2～10之間，因此在海上拋油實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理過程中，以介電常數(shù)ε=10作為閾值，閃耀區(qū)對應(yīng)的介電常數(shù)低于10即判定為存在溢油，則存在溢油的閃耀區(qū)分布如圖11（a）所示。

圖11（b)為經(jīng)過疊加計(jì)算后獲得溢油分布區(qū)域的示意圖，其中溢油的面積在 14 m×25 m的海域所占的比例為 13.74 %，因此計(jì)算所得的溢油面積為 48.10 m2。在海上拋油實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)際海面的影響，溢油分布不規(guī)律，因此相比較于污油池實(shí)驗(yàn)，可以更清晰地分辨出溢油存在的區(qū)域和溢油不存在的區(qū)域，根據(jù)溢油分布結(jié)果可以分辨出2次拋灑原油的區(qū)域；但在此實(shí)驗(yàn)中同樣由于僅采用1組天線，天線架設(shè)角度確定且拋油船移動位置較小，造成天線的位置相對固定，因此同樣存在天線所能接收的衛(wèi)星數(shù)目有限，閃耀區(qū)所能覆蓋的區(qū)域有限的問題。根據(jù)文獻(xiàn)[14]中給出的結(jié)論，原油的厚度在溢油初期接近1 mm，實(shí)驗(yàn)中拋灑原油的體積約為80 L，則溢油面積約為 80 m2，因此本方法在單天線的條件下，對約60.1 %的溢油區(qū)域進(jìn)行了探測。

圖11 海上拋油實(shí)驗(yàn)溢油區(qū)域

3.3 溢油探測效率仿真

在上節(jié)的內(nèi)容中，驗(yàn)證了通過閃耀區(qū)對岸基接收機(jī)附近海域溢油面積的方法的可行性，但上述的實(shí)驗(yàn)中均采用單一天線，受限于天線的探測范圍和衛(wèi)星的運(yùn)動情況，探測效率較低，并且由于在實(shí)際的海況下，溢油會隨著海流的運(yùn)動而擴(kuò)散，因此本節(jié)中研究了在天線組網(wǎng)的情況下接收機(jī)附近海域的探測效率。本文的實(shí)驗(yàn)是基于東營勝利油田的溢油實(shí)驗(yàn)，因此對東營勝利油田平臺不同范圍內(nèi)的溢油點(diǎn)的探測效率進(jìn)行了分析。油田海域?yàn)槲鞅薄獤|南往復(fù)流，根據(jù)平均流速36 cm/s建立溢油點(diǎn)的動態(tài)軌跡計(jì)算，結(jié)合衛(wèi)星有效覆蓋區(qū)的動態(tài)軌跡，在平臺周圍海域，建立面積為5 m2的孤立溢油點(diǎn)和寬度為5 m的溢油帶的探測效率進(jìn)行計(jì)算，其中5 m寬溢油帶是指假設(shè)溢油在被發(fā)現(xiàn)前不中斷溢出所形成的帶狀油膜，其結(jié)果如表2至表3及圖12所示。

圖12 連續(xù)溢油帶探測效率

表2、表3分別表示單平臺條件下孤立油膜和帶狀連續(xù)油膜探測率和平均探測時間，圖 12(a)、圖12(b)、圖12(c)、圖12(d)分別表示探測單元面積為 4 km×4 km、3 km×3 km、2 km×2 km、1 km×1 km的條件下對連續(xù)溢油帶的探測率。可以看出：在6 h的海流往復(fù)周期內(nèi)，隨著時間的增加，探測率增加；另外在同一時間，探測單元越小，天線所能達(dá)到的溢油探測率越高，平均探測時長越小。

表2 單平臺孤立油膜探測效率

表3 單平臺帶狀連續(xù)油膜探測效率

4 結(jié)束語

GNSS-R遙感探測技術(shù)的基本原理是建立衛(wèi)星反射信號與探測目標(biāo)特征參數(shù)之間的關(guān)系，通過衛(wèi)星反射信號獲取被探測目標(biāo)的物理特性，在溢油探測中，可通過對介電常數(shù)的反演來分辨海面溢油。針對岸基溢油面積探測的問題，本文對粗糙海面主要信號反射區(qū)閃耀區(qū)進(jìn)行了分析，通過閃耀區(qū)作為探測單元的方法，實(shí)現(xiàn)了對岸基天線探測范圍內(nèi)的海面溢油分布情況的研究和溢油面積的計(jì)算。本文首先通過對閃耀區(qū)分布的分析，驗(yàn)證了閃耀區(qū)的分布可以實(shí)現(xiàn)對天線探測范圍內(nèi)大部分區(qū)域的有效覆蓋，并通過污油池實(shí)驗(yàn)對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。另外考慮了實(shí)際的海況下溢油會隨海流產(chǎn)生運(yùn)動形成溢油帶的情況，對平臺周圍海域孤立溢油點(diǎn)和連續(xù)油帶的探測效率進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，本方法可以在溢油隨海流運(yùn)動的情況下獲得更高的探測面積和更短的探測時間。