GNSS反射信号海面溢油回波DDM仿真研究

陈闪闪,张云,洪中华,韩彦岭,谢向芳

(上海海洋大学 信息学院,上海 201306)

GNSS反射信号海面溢油回波DDM仿真研究

陈闪闪,张云,洪中华,韩彦岭,谢向芳

(上海海洋大学 信息学院,上海 201306)

海上溢油已成为影响海洋生态环境的重要污染物之一,我国近40年发生约3200起海上溢油事故。当今用于监测海上溢油的遥感主要是光学和雷达卫星,卫星遥感往往重访周期长,而海上溢油事件时常发生，给海洋带来严重的环境污染,需要快速、准确的监测其状况。GNSS-R技术具有全天候监测海洋的特点,因此更适合用于海面溢油检测。为了验证GNSS-R技术在检测海面溢油的可行性,利用2013年中国青岛海洋溢油事故的遥感图像的溢油结果,作为仿真实验检测目标,进行岸基的GNSS-R海面溢油检测仿真研究。利用Z-V散射模型和海水/溢油的均方坡度(MSS)模型结合,建立了能反映海面状况GNSS散射信号特征的时延-多普勒图(DDM)。仿真得到DDM中检测到海面溢油区域,验证了利用GNSS反射信号进行海面溢油检测的可行性。

GNSS-R;海洋;溢油检测;时延-多普勒图

0 引 言

海上溢油事故的发生会对海洋、陆地生态环境及其人类的经济造成恶劣的影响。据国家海洋局统计称,在中国沿岸及近海地区,平均每四天就会发生一次溢油事故[1]。2011年渤海蓬莱19-3油田发生溢油事故,造成约5 500 km2的海水在这次事故中受到严重污染,损失价值总计16.83亿元[2]。2013年11月22日发生在山东省青岛输油管破裂爆炸溢油事故,造成约3 000 m2的海面受到严重污染,直接经济损失约7.5亿元[3]。为了减轻海面溢油灾害的影响,能否实时准确的监测海面溢油对于保护海洋生态环境具有深远意义。传统海面溢油检测主要有两大类,一类是基于可见光的遥感卫星数据(光学传感器等),但存在受天气的影响,不能全天候的检测海面溢油状况。另一类是基于微波遥感卫星数据(SAR)具有全天候检测能力,但由于其观测模式往往是侧视扫描,因此成像存在大量噪点影响溢油检测精度。而全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)技术以其丰富的信号源,在大部分海域都能接收到信号,具有低成本、不受天气环境影响等优点,并且能够提供全天候长期稳定的高实时性观测,可以成为海面溢油监测技术手段。

自1993年,欧空局科学家Manuel Martin-Neira首次提出了利用海面散射的GPS信号进行测高的可行性以来[4],GNSS-R技术迅速地发展成为一种新兴的海洋遥感技术。该技术现已经成功地应用于海面测风[5-7]、海面测高[8-9]、海冰检测[10]、土壤湿度[11]等。在用GNSS-R技术进行海面溢油检测仿真方面,国外西班牙Valencia等人提出了利用星载的GNSS-R技术对海面溢油进行模拟检测[12-13]。Li and Huang等人将空间整合的方法(SIA)利用在GNSS-R信号对海面溢油进行仿真检测技术上[14]。国内对GNSS-R检测海面溢油的研究还在起步阶段,且GNSS-R海面溢油的实验数据较少。为了验证GNSS-R技术在海面溢油检测的可行性,本文以2013年11月中国青岛发生的溢油事故作为溢油输入数据,以时延-多普勒二维相关功率模型为基础,进行岸基的GNSS-R海面溢油检测仿真研究。

1 GNSS-R海面溢油检测原理

1.1 仿真技术流程

本文根据一次真实溢油事故造成海面污染为GNSS卫星监测的目标。根据观测溢油发生区域,设置接收机位置和选择GNSS卫星,计算镜面反射点和散射点的位置,由基尔霍夫散射近似理论的 GNSS 信号海面散射 Z-V 模型,结合Cox&Munk的溢油和海水的MSS模型,建立在观测真实溢油区域条件下 GNSS 海面散射信号的相关功率和时间延迟、多普勒频移的关系,再通过DDM技术从时延和多普勒两个角度提取带有溢油信息的海面散射信号,进而反演针对镜面反射点周围区域海面溢油状况。设计的GNSS-R检测海面溢油DDM仿真流程图如图1所示。

图1 GNSS-R仿真海面溢油DDM流程图

1.2 仿真原理

GNSS卫星、反射面和接收机构成GNSS 反射信号监测系统,接收机收到的GNSS海面散射信号是由海面不同散射单元的信号共同作用的结果,表现为信号幅度的衰减以及不同时延和不同多普勒信号的叠加,其不同的时延与多普勒频移又与反射面不同的散射单元相对应,如图2所示。图中,中心点为镜面反射点,同心椭圆是一系列的等延迟线,曲线是一系列的等多普勒频移线,等延迟线和等多普勒线分别从时延和多普勒频移对海面散射区域进行划分。根据基尔霍夫散射近似理论建立 GNSS 信号海面散射 Z-V 模型可知,海面散射信号由具有不同时间延迟和多普勒频移信号分量组成,在海面溢油存在下,这些信号分量会产生变化,可以通过散射信号在不同码延迟和多普勒频移下的相关功率来描述。

图2 反射面单元与时延-多普勒单元的对应关系

在2000年,Zavortny和Voronovich在双基雷达方程的基础上利用Kirchhoff近似的几何光学方法建立了GNSS海面散射信号的时延-多普勒二维相关功率模型[15],目前Z-V模型广泛适用于GNSS-R的各种海洋遥感应用研究,譬如海面测风、海冰检测、海面溢油检测等,相应的表达式为

〈|Y(Δτ,Δf)|2〉=

(1)

式中:Ti为相干积分时间;D(r)为接收机的天线增益;Λ为自相关函数;S为多普勒滤波函数;RT(r)和RR(r)分别为GNSS卫星和接收机到散射点的距离; Δf和Δτ分别表示反射面上各个散射点相对于镜面反射点的多普勒频移和时延;r为散射点的位置矢量,其中观测区每个散射点的散射系数为[15]

(2)

式中:R为菲涅耳反射系数,在本文中海水和溢油的菲涅尔反射系数采用了相同的值为1.0;q为散射矢量;q⊥为散射矢量的水平分量;qZ为散射矢量的Z向分量;Ppdf为海面坡度的概率密度函数(PDF)。在研究中采用ECXI (Earth-Centered,X-ZIncidence)坐标系,假定风向是沿着X轴方向,则海面坡度对于各个散射点的概率分布函数的表达式为[15]

(3)

(4)

当海面为海水时MSS与风速关系为

(5)

其中:MSS第二个下标的s, c分别表示海面溢油和海水;U10为海面高度为10 m处的风速。

由式(4)和式(5)可知,在特定风速和风向条件下,海面溢油和海水的MSS的不同导致观测区内各散射点的散射系数的变化,以此作为Z-V模型的输入,再扩展到整个DDM中进行计算。

2 仿真实验场景

本文以2013年11月中国青岛发生输油管道泄漏爆炸造成胶州湾海面溢油事故为GNSS-R系统监测海面目标,溢油遥感数据作为模型的输入,并由QuickBird遥感数据图像获取了此次溢油污染的一块区域,如图3所示。

图3 QuickBird获取海面溢油区域的数据图像(2013/11/27)

根据当时海面溢油发生的场景,设计 GNSS 反射信号监测系统对其进行监测,图3中箭头为接收机监测的位置,并接收到了北斗MEO C30卫星信号,计算其镜面反射点的位置如图3中星号所示。根据观测同时期的风速数据,取风速为6.8 m/s并且假设均匀地分布在海洋表面上。具体的仿真实验参数如表1所示。本文采用ECXI坐标系。

在模拟海面溢油检测场景的实验中,由于散射区域面积较小,可忽略地球曲率的影响。

表1 仿真实验主要参数

3 反演结果和分析

根据图3海面溢油分布情况,由表1设计仿真监测实验的参数,通过式(4)和式(5)计算海面溢油和海水的MSS值再代入式(3),最后通过式(2),仿真得到散射系数分布如图4所示,其中横坐标代表X方向观测范围,纵坐标代表Y方向观测范围,原点表示镜面反射点。从图4中可以看出海面溢油的散射系数高于海水的散射系数,由于海面油膜能够使海水表面张力变小,阻尼部分海面毛细波和重力波对入射电磁波的散射作用,导致GNSS前向散射变大,后向散射变小。

在没有考虑噪声的条件下,以图4实验场景的散射系数分布为基础,通过式(1),从时延和多普勒频移两个角度提取带有溢油信息散射信号的DDM,其仿真得到的DDM如图5所示,其中X轴代表码延迟(单位码片),Y轴代表多普勒频移(单位Hz),不同颜色代表GNSS海面散射信号相关功率大小的不同。从图5的DDM图像中可以清晰地分辨出海面溢油的区域,验证了利用GNSS-R技术检测海面溢油的可行性。

图4 散射系数分布图

图5 反演溢油分布的DDM

4 结束语

本文论述了利用GNSS-R技术进行海面溢油检测的仿真研究,结合Z-V散射模型和海水/溢油的MSS模型,以2013年中国青岛发生海面溢油事故为检测目标,计算了能反映反射面GNSS散射信号特性的DDM.实施了GNSS卫星仿真观测实验,在风速分布相同的条件下,从实验仿真得到DDM结果表明在距离镜面反射点一定范围之内可以有效地分辨出海面溢油污染的区域,验证了利用GNSS-R技术可以对海上溢油事故进行检测的可行性,另外本文研究成果为未来GNSS-R海面溢油实时监测的星载、机载、岸基接收器的研制提供理论依据。

致谢:本文研究过程中,得到了北京航空航天大学杨东凯教授,李伟强博士和中国科学院国家空间科学中心的白伟华研究员关于GNSS-R方面的悉心指导,在此表示衷心的感谢。

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Sea Surface Slicked Oil Detection Using GNSS-R Simulation

CHEN Shanshan,ZHANG Yun,HONG Zhonghua,HAN Yanling,XIE Xiangfang

(ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

Oil spill has become one of the important effects of pollutants in the marine ecological environment, in the last 40 years, there have occurred about 3200 oil spill accidents in China. The remote sensing monitoring of ocean oil spill is the main optical and radar satellites, which generally exhibit shortcoming that a long revisited period, however oil spills often result in immediate and long-term serious environmental pollution, and it need to rapidly and accurately monitor oil spill conditions. Global Navigation Satellite System reflected signals (GNSS-R) technology has the characteristic of all-weather availability, hence, it is more suitable for the detection of oil spills. To assess the feasibility of the GNSS-R simulation in detecting the oil slicks, the GNSS-R coastal simulated experiment was performed on the oil slick distribution of an oil spill accident, which occurred in Qingdao, China, 2013. In this paper, the Delay-Doppler Map (DDM) is conducted by combining the Mean-Square Slope (MSS) model for oil slicked/clean surfaces and the Zavorotny-Voronovich (Z-V) scattering model, which can reflect the characteristics of the GNSS scattering signals of the sea surface condition. The simulation results show that oil slicks are clearly distinguishable from the Delay-Doppler Map, and therefore it can verify the feasibility of oil slicks detection by using GNSS-R technology.

GNSS-R; ocean; oil slicks detection; Delay-Doppler Map

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.004

2016-12-05

国家自然科学基金(批准号:41376178,41401489,41506213)

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0015-05

陈闪闪 (1989-),女,硕士,主要研究方向为GNSS-R技术海面溢油检测的研究与应用。

张云 (1974-),男,教授,主要研究方向为卫星导航定位和GNSS-R技术的研究与应用。

洪中华 (1982-),男,讲师,主要研究方向为测量和环境遥感领域。

联系人: 陈闪闪 E-mail: chenshanshan_r@163.com