目前，海上溢油探测主要有光学和微波遥感技术[1-2]。光学遥感技术主要有可见光、红外、紫外和激光等遥感技术，其中可见光遥感技术受时间影响，只能白天工作，红外、紫外遥感技术易受外界环境的干扰，激光遥感技术使用仪器笨重、造价昂贵[3]。微波遥感技术主要包括辐射计和雷达遥感技术，辐射计虽然可以实现全天候探测，但其分辨率低，雷达遥感是目前大范围海上溢油监测的主要手段，但是造价高且易受海况影响，海面过于平静或粗糙时会影响测量结果[4]。
全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)技术是一种新兴的遥感手段，源于欧空局Martin-Neria于1993年提出的利用GPS散射信号进行大规模海面测高的设想[5]，L波段信号受天气情况影响小，设备功耗低、复杂度低，具备全天候、全时段监测能力，在海面风场、海洋测高、海冰探测、海洋盐度等海洋遥感方面得到广泛的应用[6-11]。
2011年，西班牙Valencia等[12]提出将GNSS-R技术用于海面溢油探测中。2013年，Valencia等[13]又从反演误差和分辨率的角度进一步论证了基于GNSS-R海上溢油的可行性。Li和Huang[14]将仿真从简化场景扩展到一般场景下(卫星仰角从90°扩展到0°~90°任意角度)，验证了基于GNSS-R溢油检测的有效性。目前，利用GNSS反射信号进行海上溢油检测集中于星载或机载平台，其基本思路是假设海风分布均匀，根据溢油海面和干净海面散射系数分布的不同，利用GNSS Z-V散射模型计算延迟多普勒图(DDM)，从中分辨出海面有无溢油。由于接收天线在星载或机载平台上，探测范围广，分辨率低，多用于大尺度海域监测。
北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite System，BDS)是中国自主发展、独立运行的卫星导航系统，建设完成时将会有35颗卫星，具有全球无源服务能力[15]。相比于GPS等其他卫星系统，利用北斗系统进行溢油探测具有以下突出优势：在卫星星座方面，北斗系统由MEO、IGSO和GEO 3种轨道卫星组成，以北斗GEO卫星为信号源，可以在处理信号时省去一般GNSS-R处理过程的定位解算环节，并且由于GEO卫星相对地球表面静止不动[16]，在岸基接收条件下能够实现对固定海域的长期实时监测；在安全性方面，北斗卫星系统是中国自行开发研制，拥有自主知识产权，使用起来安全可靠度高；在可见性方面，相比其他系统卫星，北斗GEO和IGSO卫星在中国海的可见时间长，有利于对近海海域长时间连续观测。
本文针对星载平台下海上溢油探测分辨率的不足，提出了基于岸基的溢油探测方法，将接收机固定在岸基平台，以反演的介电常数和海水介电常数的差异作为海面溢油探测的判别依据，由于天线架设位置低，更适合应用到小规模海域的监测中。首先分析了卫星、接收机和反射面之间的几何关系，给出了镜面反射点的计算方法；针对岸基平台，提出了利用北斗卫星反射信号探测海面溢油的模型，并描述了北斗卫星信号接收处理的流程；进行了岸基溢油探测试验，在此基础上反演了油面的介电常数，并对反演结果进行了分析和总结。
1 基于北斗卫星反射信号的海面溢油探测 1.1 北斗卫星反射信号几何关系 北斗卫星信号反射的几何关系如图 1所示，其中SP为镜面反射点，θ为卫星高度角。卫星导航信号为右旋圆极化波，经过海面反射后，变为以左旋圆极化波为主要分量的信号[17-18]。图中RHCP天线为右旋圆极化直射信号接收天线，LHCP天线为左旋圆极化反射信号接收天线，接收机平台为非移动岸基观测平台。忽略RHCP天线与LHCP天线之间的距离，以天线在海面投影点O为原点，正南方为x轴，正东方为y轴，z轴过点O且与xOy平面垂直。φ为卫星方位角，H为信号接收天线与海面的垂直高度，则镜面反射点与天线在海面投影的距离为
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| 图 1 北斗卫星信号反射的几何关系 Fig. 1 Geometry of BeiDou satellite signal reflection |
| 图选项 |
 | (1) |
从而可求得镜面反射点的位置为(Lcos(π-φ),Lsin(π-φ))。
1.2 基于北斗卫星反射信号的岸基海面溢油反演方法 北斗卫星信号经海面反射后会携带反射面的特征信息，在建立反射信号特征参量与反射面特征信息的关系的前提下，通过接收处理北斗反射信号来反演目标的物理状态，这是利用北斗反射信号实现遥感探测的基础[19]。
北斗卫星信号经海面反射后会携带反射面的特征信息，在建立反射信号特征参量与反射面特征信息的关系的前提下，通过接收处理北斗反射信号来反演目标的物理状态，这是利用北斗反射信号实现遥感探测的基础[19]。
北斗B1信号(1 561.098 MHz)频率下，根据单Debye模型[20]，海水介电常数随温度和盐度的变化关系如图 2所示，可知当海水温度为0~30℃，盐度为0~40‰时，海水介电常数为68~84，与石油的介电常数2.0~4.5[21]相差很大，因此本文提出一种利用海水和石油介电常数的不同进行海面溢油探测的方法。
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| 图 2 海水介电常数随温度和盐度的变化 Fig. 2 Variation of seawater dielectric constant with temperature and salinity |
| 图选项 |
本文提出的海面溢油探测方法基于以下3条假设：①接收机固定在岸基接收平台上；②海面无油时，反射现象发生在空气和海水交界面，海面有油时，反射现象发生在空气和油交界面，且油层均匀分布；③反射表面光滑。
该方法的基本思路是：首先通过接收处理北斗直射信号和海面反射信号计算反射面的反射率，然后利用介电常数和反射率的关系反演反射面的介电常数，根据反演的介电常数和海水介电常数的差异作为海面溢油探测判别的依据，具体如下。
1) 计算反射率
理想情况下，接收机接收的卫星信号可以表示为
 | (2) |
 | (3) |
式中：uD和uR分别为直射信号和反射信号；AD为直射信号幅度；R为反射系数；D为导航电文；C为本地PRN码；fc为接收信号的中心频率；τ为直射信号时间时延；fD和fR分别为直射和反射相对镜面反射点的多普勒频移；φD和φR分别代表直射和反射信号的初始相位。
根据接收机相关运算，以信号的相关函数为观测量，离散形式的直射信号与反射信号时延一维相关函数[22] 分别为
 | (4) |
 | (5) |
式中：t0为信号接收时刻；fs为接收信号采样频率；Ts为接收信号采样间隔；Ti为相干累加时间；τ0为反射信号相对于直射信号的时间时延。
不考虑探测海面的粗糙度，反射近似为镜面反射。在相干累加时间内可以认为AD不变，经载波和码相位剥离干净后，探测表面反射率Γ和反射系数R的关系可以表示为
 | (6) |
式中：max|YD(t0,τ)|2和max|YR(t0,τ)|2分别代表直射和反射信号的相关功率峰值。
2) 反演介电常数
结合菲涅尔反射定律，可以得到北斗信号右旋入射左旋出射时的反射率：
 | (7) |
式中：Γrl为左旋反射率；ε为介电常数。
式(7)表明，反射率是介电常数和卫星高度角的函数。在利用北斗反射信号进行溢油反演过程中，卫星高度角可以利用直射信号进行定位解算得到，此时认为卫星高度角已知，反射率和介电常数一一对应，给定反射率可以求得介电常数，进而依据油和海水介电常数的不同，根据反演的介电常数来判断海面溢油状况。
2 溢油反演中的北斗卫星信号处理 图 3给出了溢油反演中北斗卫星直射与反射信号的接收处理过程[23-24]。
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| 图 3 北斗卫星信号接收和处理过程 Fig. 3 Receiving and processing architecture ofBeiDou satellite signal |
| 图选项 |
首先，根据直射和反射信号极化特性的不同，在接收端分别使用RHCP天线和LHCP天线完成对北斗卫星直射和海面反射信号的接收。然后采集卡进行信号的射频处理和中频采样量化。采样量化后的信号为数字中频信号，在PC机内的直射和反射通道分别进行同步，其中，反射信号的同步需要利用直射同步辅助完成。之后直射通道内进行定位解算和直射信号的相关运算，得到接收机、发射机的位置信息以及直射功率，反射通道内进行反射信号相关运算，得到反射功率，进而通过计算直射和反射信号相关功率比得到探测面的反射率。由于信号接收中使用了2种天线，所以对直射和反射信号通道来说天线的增益不同，要结合天线指标和卫星角度信息修正反射率。最后利用介电常数与修正反射率间的关系式反演出探测面的介电常数，进而判断溢油有无。
3 岸基海面溢油探测试验及结果 3.1 试验介绍 2015年9月7日，笔者所在课题组进行了基于北斗卫星反射信号的溢油探测试验。试验场地为山东省东营市某一开阔地带的污油处理池(北纬37°52′，东经119°2′，海拔10 m)，污油池长约10 m，宽约5 m，试验场景如图 4所示。
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| 图 4 试验场景 Fig. 4 Experiment scenario |
| 图选项 |
试验采用右旋圆极化天线和左旋圆极化天线相组合的方式，利用GNSS信号采集卡，并装配相应采集软件的计算机进行信号采集。其中，右旋天线朝上安装，用于接收北斗卫星直射信号，左旋圆极化天线朝下安装，用于接收北斗卫星反射信号，两幅天线互不遮挡，均朝南向，且与水平面夹角45°，以保证反射天线的有效照射区落在污油池内。
3.2 试验结果与分析 本次试验由于受到试验场地和天线架设的限制，采集到2颗北斗GEO(PRN1、PRN3)和4颗IGSO(PRN7、PRN8、PRN9、PRN10)的卫星信号。试验中卫星镜面反射点在污油池的运动轨迹和天线增益分布如图 5所示，图 5(a)为9月7日上午12：20到12：59间，可见星镜面反射点运动轨迹和天线增益分布图，图 5(b)为9月7日下午17:32到18:17间，可见星镜面反射点的运动轨迹和天线增益分布图。其中，x正半轴指向正南方，y正半轴指向正东方，原点为天线在污油池中的投影，等值线为天线反射增益，单位为dB，其中，天线0 dB增益内的区域作为有效覆盖区。从图 5(a)、图 5 (b)可知，在上午采集数据中，PRN1、PRN3、PRN7、PRN10的信号为可用卫星信号数据，在下午采集数据中，PRN1、PRN3、PRN8的信号为可用卫星信号数据。
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| 图 5 镜面反射点轨迹和天线增益分布 Fig. 5 Track of specular reflection point and distribution of antenna gain |
| 图选项 |
忽略天线馈线和采集卡对直射、反射通道的增益带来的差别，通过软件接收机对试验数据进行处理得到信号的相关功率。图 6给出了北斗GEO卫星PRN3的相关功率，其中时间轴上每个数据样本的时间间隔为2 min。图 6(a)、图 6(c)分别表示利用PRN3卫星上午试验数据反演的直射和反射信号相关功率，时间轴从0~20表示上午12:20到12:59间采集的数据，图 6(b)、图 6(d)分别表示利用PRN3卫星下午试验数据反演的直射和反射信号功率，时间轴从0~18表示下午17:32到18:17间采集的数据。
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| 图 6 PRN3卫星相关功率曲线 Fig. 6 Satellite PRN3 signal power curves |
| 图选项 |
利用直射、反射相关功率比计算反射率，经天线增益修正后，根据式(7)得到介电常数反演结果，并对结果进行平滑滤波，图 7所示为介电常数随观测时间的变化图。图 7(a)中，0~40 min的每个时间点对应9月7日12:20到12:59的每一分钟，图 7(b)中，0~46 min的每个时间点对应9月7日17:32到18:17的每一分钟。
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| 图 7 介电常数的反演结果 Fig. 7 Retrieval results of dielectric constant |
| 图选项 |
1) 利用北斗反射信号反演得到的介电常数均值为3.6，标准差为2.13，这些结果和石油的真实介电常数范围2.0~4.5相一致，远小于海水介电常数。
2) 利用北斗GEO卫星信号反演出的介电常数均值为3.5，标准差为2.07；利用北斗IGSO卫星信号反演出的介电常数均值为3.9，标准差为2.20。从本次试验结果来看，利用GEO卫星信号反演的介电常数标准差比利用IGSO卫星信号反演的标准差小。
3) 从图 7(a)、图 7(b)可知，PRN1和PRN3是北斗GEO卫星，其溢油探测反演的结果均匀覆盖整个采集区间，表明利用北斗GEO卫星相对地球表面静止的特性，在岸基接收条件下，可实现对小尺度固定海域溢油状况的长期连续实时监测。
4) 根据图 7(a)，对于北斗GEO卫星，PRN1的反演结果比PRN3的结果差，且PRN1的反演结果在0~26 min的时间段内呈下降趋势，其原因是PRN3的卫星高度角更大，根据介电常数的反演公式和误差传递理论，可知卫星高度角大时反演结果误差小。
5) 根据图 7(b),在30~46 min内反演结果整体略微上升，经过分析，此时间段内污油池内油层变薄，探测表面反射增强，反射相关功率增大，导致反演结果呈现出略微上升的现象，这与图 6(d)中下午反射信号相关功率逐渐上升变化相一致。
本次试验表明，在试验条件下，利用本文提出的溢油探测方法，可以实现对小尺度固定海域的连续监测。可以预见，随着海上溢油探测需求不断增大，基于卫星反射信号的海上溢油监测研究不断加深，GNSS-R技术在未来油污探测应用中有着广阔的前景。
4 结 论 本文针对岸基接收平台提出了一种基于北斗反射信号的海上溢油监测手段，根据描述的北斗卫星信号接收处理流程，对岸基试验数据进行处理，结果表明：
1) 利用该方法反演出的油面介电常数均值为3.6，标准差为2.13，符合油的介电常数范围2.0~4.5，远小于0~30℃时海水介电常数范围68~84，表明将该方法用于岸基条件下的海面溢油探测是可行的、有效的。
2) 通过污油池试验，结合本文所述的溢油探测方法可知，对于小规模海域的溢油监测，可以通过合理布设接收天线，使其监测范围完全覆盖整个观测海面，能够实现对小尺度固定海域的长期连续监测，这对海上石油钻井平台周围海域的监测具有重大意义。
3) GNSS-R技术应用在海上溢油检测中的研究尚处于起步阶段，本次试验没有考虑油层厚度和监测表面粗糙度的影响，这些因素会对实际反演结果产生不同程度的影响，对油层厚度的分析和粗糙度的修正尚待进一步研究。
参考文献
| [1] | 尹奇志, 初秀民, 孙星, 等. 船舶溢油监测方法的应用现状及发展趋势[J].船海工程, 2010, 39(5): 246–250.YIN Q Z, CHU X M, SUN X, et al. Application and development trend of detecting techniques for oil slick from vessel[J].Ship & Ocean Engineering, 2010, 39(5): 246–250.(in Chinese) |
| [2] | 李四海. 海上溢油遥感探测技术及其应用进展[J].遥感信息, 2004(2): 53–57.LI S H. Application of remote sensing for oil slicks detecting and its progress[J].Remote Sensing Information, 2004(2): 53–57.(in Chinese) |
| [3] | 张煜洲, 陈志莉, 胡潭高, 等. 遥感技术监测海上溢油现状及趋势[J].杭州师范大学学报(自然科学版), 2013, 12(1): 81–88.ZHANG Y Z, CHENG Z L, HU T G, et al. Status and trends of remote sensing technology to monitor marine oil spill[J].Journal of Hangzhou Normal University(Natural Science Edition), 2013, 12(1): 81–88.(in Chinese) |
| [4] | 于五一, 李进, 邵芸, 等. 海上油气勘探开发中的溢油遥感监测技术:以渤海湾海域为例[J].石油勘探与开发, 2007, 34(3): 378–383.YU W Y, LI J, SHAO Y, et al. Remote sensing techniques for oil spill monitoring in offshore oil and gas exploration and exploitation activities:Case study in Bohai Bay[J].Petroleum Exploration and Development, 2007, 34(3): 378–383.(in Chinese) |
| [5] | MARTIN-NEIRA M. A passive reflectometry and interferometry system (PARIS):Application to ocean altimetry[J].ESA Journal, 1993, 17(4): 331–355. |
| [6] | LOWE S T, LABRECQUE J L, CINZIA Z, et al. First spaceborne observation of an Earth-reflected GPS signal[J].Radio Science, 2002, 37(1): 7–1. |
| [7] | GLEASON S, GOMMENGINGER C, CROMWELL D. Fading statistics and sensing accuracy of ocean scattered GNSS and altimetry signals[J].Advances in Space Research, 2010, 46(2): 208–220.DOI:10.1016/j.asr.2010.03.023 |
| [8] | THOMPSON D R, ELFOUHAILY T M, GARRISON J L. An improved geometrical optics model for bistatic GPS scattering from the ocean surface[J].IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2005, 43(12): 2810–2821. |
| [9] | JIN S, FENG G P, GLEASON S. Remote sensing using GNSS signals:Current status and future directions[J].Advances in Space Research, 2011, 47(10): 1645–1653.DOI:10.1016/j.asr.2011.01.036 |
| [10] | 李颖, 朱雪瑗, 曹妍, 等. GNSS-R海洋遥感监测技术综述[J].海洋通报, 2015, 34(2): 121–129.LI Y, ZHU X Y, CAO Y, et al. Review on GNSS-R ocean remote sensing monitoring technique[J].Marine Science Bulletin, 2015, 34(2): 121–129.(in Chinese) |
| [11] | 万玮, 陈秀万, 李国平, 等. GNSS-R遥感国内外研究进展[J].遥感信息, 2012, 27(3): 112–119.WAN W, CHEN X W, LI G P, et al. GNSS reflectometry:A review of theories and empirical applications in ocean and land surfaces[J].Remote Sensing Information, 2012, 27(3): 112–119.(in Chinese) |
| [12] | VALENCIA E, CAMPS A,PARK H,et al.Oil slicks detection using GNSS-R[C]//2011 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,IGARSS 2011.Piscataway,NJ:IEEE Press,2011:4383-4386. |
| [13] | VALENCIA E, CAMPS A, RODRIGUEZ-ALVAREZ N, et al. Using GNSS-R imaging of the ocean surface for oil slick detection[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations & Remote Sensing, 2013, 6(1): 217–223. |
| [14] | LI C, HUANG W M. Sea surface remote sensing using GNSS-Reflectometry[M].Saarbrücken: LAP Lambert Academic Publishing, 2014: 3. |
| [15] | 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号(2.0版)[EB/OL]. 北京:北斗卫星导航系统网, (2013-12-26)[2015-12-10].http://www.beidou.gov.cn/attach/2013/12/26/2013122604a521b35b7f4a54b44cfbbc8abd74a8.pdf.China Satellite Navigation Office. Beidou navigation satellite system signal-in-space interface control document open service signal (Version 2.0)[EB/OL]. Beijing:Beidou Navigation Satellite System Network,(2013-12-26)[2015-12-10]. http://www.beidou.gov.cn/attach/2013/12/26/2013122604a521b35b7f4a54b44cfbbc8abd74a8.pdf(in Chinese). |
| [16] | 刘基余. 北斗卫星导航系统的现况与发展[J].遥测遥控, 2013, 34(3): 1–8.LIU J Y. Status and development of the Beidou navigation satellite system[J].Journal of Telemetry,Tracking and Command, 2013, 34(3): 1–8.(in Chinese) |
| [17] | 刘经南, 邵连军, 张训械. GNSS-R研究进展及其关键技术[J].武汉大学学报:信息科学版, 2007, 32(11): 955–960.LIU J N, SHAO L J, ZHANG X X. Advances in GNSS-R studies and key technologies[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2007, 32(11): 955–960.(in Chinese) |
| [18] | THOMPSON D R,ELFOUHAILY T M,GASPAROVIC R F.Polarization dependence of GPS signals reflected from the ocean[C]//2000 International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS 2000).Piscataway,NJ:IEEE Press,2000:3099-3101. |
| [19] | 杨东凯, 张其善. GNSS反射信号处理基础与实践[M].北京: 电子工业出版社, 2012: 81.YANG D K, ZHANG Q S. GNSS reflected signal processing:Fundamentals and applications[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2012: 81.(in Chinese) |
| [20] | KLEIN L A, SWIFT C T. An improved model for the dielectric constant of sea water at microwave frequencies[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1977, 25(1): 104–111.DOI:10.1109/TAP.1977.1141539 |
| [21] | 魏爱军, 金友煌, 王颖. 网络分析仪法测量稠油介电常数[J].宇航计测技术, 1999(4): 50–55.WEI A J, JIN Y H, WANG Y. Measuring heavy oil's dielectric constant by network analyzer[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement, 1999(4): 50–55.(in Chinese) |
| [22] | ZAVOROTNY V U, VORONOVICH A G. Scattering of GPS signals from the ocean with wind remote sensing application[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2000, 38(2): 951–964.DOI:10.1109/36.841977 |
| [23] | 张益强, 张其善, 杨东凯, 等. 基于GPS遥感的延迟映射接收机关键技术[J].北京航空航天大学学报, 2006, 32(3): 333–336.ZHANG Y Q, ZHANG Q S, YANG D K, et al. Design of delay mapping receiver for GPS remote sensing[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2006, 32(3): 333–336.(in Chinese) |
| [24] | 杨东凯, 丁文锐, 张其善. 软件定义的GNSS反射信号接收机设计[J].北京航空航天大学学报, 2009, 35(9): 1048–1051.YANG D K, DING W R, ZHANG Q S. Software defined GNSS reflections receiver design[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2009, 35(9): 1048–1051.(in Chinese) |
