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 電子信息工程學院，北京 100191；2. 勝利油田安全環保督查中心，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、運輸過程中，由于油井溢油、運輸船事故、輸油管道破裂等泄漏事件時有發生，并且在海風海浪的作用下，海上溢油面積會在短時間內擴大，對海洋環境、海洋經濟會產生巨大的影響[1]，因此針對海上溢油，國內外諸多領域的專家學者提出了多種監測方法，包括雷達遙感技術、熱紅外/紫外遙感技術、高光譜技術、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，不能實現全天候監測，設備成本高等。

全球衛星導航系統反射信號（global navigation satellite system-reflection，GNSS-R）技術利用導航衛星信號為發射源，通過建立起反射信號與探測目標特征參數之間的關系式，實現對被測目標物理特性的探測。目前GNSS-R技術已經成功應用在探測海面風場、海冰分布、積雪厚度、土壤濕度等多個領域[2-5]。文獻[6]首次對海洋表面反射的衛星導航信號進行了機載平臺接收實驗，并對實驗結果進行了分析。文獻[7]中成功建立了GNSS-R的功率峰值與雷達衛星后向散射之間的關聯。

近些年來，隨著GNSS-R技術的不斷成熟，其在海面溢油探測方面的應用也逐步加深，文獻[8]提出將GNSS-R技術用于海面溢油探測中，利用Z-V散射模型計算延遲多普勒圖來分辨海面有無溢油。文獻[9]對上述方法進行了近一步分析，將仿真場景中的星下點溢油監測擴展到任意角度，提出了應用雙天線來解決模糊度問題的方法。文獻[10]利用北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS）衛星反射信號進行了岸基污油池油膜探測實驗，首次通過直反信號相關功率的比值對油污介電常數進行了反演，證明了通過GNSS-R反射信號反演海面介電常數的可行性。文獻[11]通過計算左旋及右旋反射信號極化比值來對介電常數進行了反演，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，對油污的面積計算則比較少，因此本文提出一種利用衛星閃耀區來對岸基接收機附近海域溢油面積進行探測的方法，在探測天線覆蓋范圍內對多顆星反射信號所對應的閃耀區進行計算，可實現對探測區域的面積劃分，再對每個閃耀區的溢油情況進行統計，通過對存在溢油的閃耀區的疊加計算，可以對探測區域內溢油面積進行探測。

1 GNSS-R基本原理

1.1 GNSS-R遙感技術信號幾何關系

本節對GNSS-R遙感技術中衛星發射端、接收天線以及反射面之間幾何關系進行了研究，其中接收天線為岸基接收機。為了建立上述 3者的關系，根據菲涅爾反射原理，引入了鏡面反射點概念，即從反射區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，此時入射角等于反射角。由于導航衛星距離地球平面很遠，在相對小的區域內，到達地球表面的導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系如圖1所示。

圖1 GNSS信號反射的幾何關系

圖1中接收天線在海面的投影點O點作為坐標原點，x軸指向正南方，y軸指向正東方，z軸過原點O且與XOY平面垂直；SP為鏡面反射點；θ為衛星高度角；α為衛星方位角，RHCP（right-handed circular polarized）天線為右旋圓極化天線，用于接收衛星直射信號；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SP與天線在海面投影O的距離L與H之間的幾何關系為

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

1.2 GNSS-R溢油遙感技術基本原理

根據文獻[12]中單Debye模型，海水介電常數可以表示為

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

表1 不同油品相對介電常數

利用GNSS-R技術進行溢油探測的基本原理是建立“相關功率—反射率—介電常數”的反演過程：通過接收機接收的直、反射信號的相關功率計算極化比反射率；再通過反射率反演介電常數，其中反射系數僅與介電常數和衛星高度角之間存在映射關系，因此在衛星高度角已知的情況下，可利用反射系數對介電常數進行反演。將表1中常見石油產品的介電常數與海水介電常數進行比較，可以看出二者差別較大，因此可以通過反演出的介電常數來判斷海面溢油存在與否。本文中采用文獻[11]提出的極化比的方法，根據式（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rε與衛星高度角θ存在關系，可通過該比值實現對介電常數的反演，關系式為

1.3 閃耀區分析

GNSS-R的適用散射模型是基于基爾霍夫近似的幾何光學模型，反射面光滑時，鏡面反射嚴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域稱為閃耀區[13]，閃耀區幾何關系如圖2所示。

圖2 閃耀區定義及幾何關系

圖2(a)為閃耀區定義圖，其中O點表示鏡面反射點，S點表示散射點，取∠TSR的角等分線SA，β為SA與z軸的夾角，閃耀區表示鏡面反射點O周圍滿足β＜β0的區域，β0為描述海面粗糙度的常量，其定義式為其中σ為反射面高度標準偏差，L為表面相關長度，閃耀區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，其計算公式為

對閃耀區幾何關系作更進一步分析，如圖 2(b)所示，其中，接收天線在海面的投影點O點作為坐標原點，x軸指向正南方，y軸指向正東方，z軸過原點O且與XOY平面垂直，在接收天線方向固定的情況下，某一時刻單個衛星的閃耀區形狀為橢圓，鏡面反射點SP是距離O點較近的焦點，閃耀區的極坐標表示為

式（8）、式（9）中橢圓參數為

根據式（8）至式（12）的橢圓方程，假設天線架設高度為50 m，對二種情況，衛星高度角為30°、60°二種仿真條件下，對閃耀區的大小進行計算，如圖3所示。

圖3 閃耀區大小和形狀

圖 3(a)、圖 3(b)中，隨著β0增大，閃耀區的面積隨之增大；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。根據實際海面情況，在仿真過程中，選用種條件來進行閃耀區的仿真。同時如圖4中所示，衛星的高度角越大，則衛星的閃耀區的面積越小，因此想要獲得盡量大的閃耀區覆蓋面積，需要盡量采用低仰角衛星。

2 溢油面積探測方法

針對溢油面積的探測，首先需要對導航衛星的有效覆蓋區域范圍進行計算，根據獲得的導航衛星的軌道參數，以及平臺的位置、天線的架設高度等數據計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），將一段時間的閃耀區進行計算仿真，可針對不同時間衛星閃耀區域覆蓋情況進行靈活仿真。要想實現對接收機附近的衛星有效覆蓋區的仿真，基本思路為首先計算衛星的鏡面反射點軌跡，再對每一個鏡面反射點所對應的閃耀區進行計算，得出一段時間內衛星閃耀區隨著衛星的運動而覆蓋到的海域范圍。

2.1 衛星鏡面反射點軌跡仿真

假定接收機所處坐標為（38.2°N， 118.8°E），天線架高為40 m，根據1.3節中對閃耀區幾何關系的分析，鏡面反射點是確定衛星閃耀區的重要基準點，因此為研究閃耀區覆蓋情況，本節首先結合衛星分布圖對鏡面反射點軌跡進行分析，如圖4所示。

圖4(a)表示1 d時間內鏡面反射點軌跡，其中x軸正方向指向東方，y軸正方向指向北方，接收機位置為（0，0），圖 4(b)為當日的衛星分布圖（圖中包括全球定位系統（global positioning system， GPS）衛星和BDS衛星）。如圖4(a)、圖 4(b)所示，對比反射點軌跡及衛星分布圖可以看出鏡面反射點軌跡與衛星軌跡分布一致，并且從鏡面發射點的軌跡可以初步判斷出，衛星軌跡可對天線接收區域的大部分區域實現覆蓋。

圖4 鏡面反射點軌跡與衛星分布

2.2 閃耀區分布

根據上述閃耀區的幾何關系，對閃耀區的分布進行分析：

1）單個時刻閃耀區分布如圖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）點處，天線假設高度為50 m，選取的衛星高度角截止為 15°。從圖中可以看出：衛星高度角越高，閃耀區越接近天線，且閃耀區的面積越小；因此衛星高度角越高，溢油面積探測精度越高。在衛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，因此在后續的仿真過程中，需要根據所探測面積的大小對天線高度角進行選取。

圖5 單個時刻閃耀區分布

2）6 h內閃耀區分布如圖6所示，圖6仿真條件與圖5相同，從圖中可以看出，閃耀區隨衛星軌跡呈帶狀分布，隨著衛星移動，閃耀區對天線接收范圍內實現覆蓋，通過多顆衛星所對應的閃耀區的疊加可以對溢油分布進行探測。

圖6 6 h內閃耀區分布

3）24 h內閃耀區分布如圖7所示，圖7仿真條件與圖5相同，由圖中可以看出，除受限于實驗地點衛星本身分布情況之外，天線難以覆蓋到接收機位置北方部分區域，閃耀區可以覆蓋到接收機附近域東、西、南3個方向的絕大部分區域，證明了在岸基條件下，通過閃耀區的覆蓋來對溢油面積進行探測的方法可以覆蓋到接收機附近的絕大部分區域。

圖7 24 h中衛星閃耀區覆蓋范圍

3 實驗與結果分析

3.1 污油池實驗

為了探索本文提出的基于GNSS-R技術及閃耀區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）進行的污油池實驗結果進行了研究。實驗中油池長約20，寬約5，天線架設高度為 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，實驗中采用3天線觀測模式，實驗現場如圖8所示。

圖8 污油池實驗現場

結合本文所述的海上溢油探測模型，對采集到的導航衛星直射、反射信號數據進行了相關的處理，反演介電常數后對閃耀區內是否存在溢油進行判定，結果如圖9所示。

圖9 污油池實驗溢油區域

圖9（a)中每個橢圓形閃耀區內均存在溢油，所有存在溢油的閃耀區疊加后的區域即為存在溢油的區域，溢油區如圖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的像素點數進行統計，獲得溢油面積與參考面積的比值為 49.31 %，因此可計算溢油面積為 34.51 m2。該區域是由多個閃耀區重疊組合而成，在本實驗中污油池內所有區域均存在溢油，而所能探測的溢油區域受限于采用的天線自身的探測區域；可以看出在污油池實驗中，本文中的溢油探測區域與天線探測區域形狀基本一致，另外利用“反射率極化比”方式得到的油污介電常數值總體范圍在2～10之間。

3.2 海上拋油實驗

為了進一步驗證方法的可行性，進行了海上拋油實驗。實驗地點為山東東營埕島海域，天線架設在拋油船上，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，每組天線結構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。實驗中用饋線將天線與信號采集卡相連，用USB數據線將信號采集卡與數據處理電腦連接，采集到的數據存入移動硬盤。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為采集時長2 min，采集時間間隔10 s，實驗過程中分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），實驗現場如圖10所示。

圖10 海面溢油實驗現場

根據污油池的實驗結果，油污表面的介電常數ε分布在2～10之間，因此在海上拋油實驗的數據處理過程中，以介電常數ε=10作為閾值，閃耀區對應的介電常數低于10即判定為存在溢油，則存在溢油的閃耀區分布如圖11（a）所示。

圖11（b)為經過疊加計算后獲得溢油分布區域的示意圖，其中溢油的面積在 14 m×25 m的海域所占的比例為 13.74 %，因此計算所得的溢油面積為 48.10 m2。在海上拋油實驗中，由于實際海面的影響，溢油分布不規律，因此相比較于污油池實驗，可以更清晰地分辨出溢油存在的區域和溢油不存在的區域，根據溢油分布結果可以分辨出2次拋灑原油的區域；但在此實驗中同樣由于僅采用1組天線，天線架設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星數目有限，閃耀區所能覆蓋的區域有限的問題。根據文獻[14]中給出的結論，原油的厚度在溢油初期接近1 mm，實驗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 %的溢油區域進行了探測。

圖11 海上拋油實驗溢油區域

3.3 溢油探測效率仿真

在上節的內容中，驗證了通過閃耀區對岸基接收機附近海域溢油面積的方法的可行性，但上述的實驗中均采用單一天線，受限于天線的探測范圍和衛星的運動情況，探測效率較低，并且由于在實際的海況下，溢油會隨著海流的運動而擴散，因此本節中研究了在天線組網的情況下接收機附近海域的探測效率。本文的實驗是基于東營勝利油田的溢油實驗，因此對東營勝利油田平臺不同范圍內的溢油點的探測效率進行了分析。油田海域為西北—東南往復流，根據平均流速36 cm/s建立溢油點的動態軌跡計算，結合衛星有效覆蓋區的動態軌跡，在平臺周圍海域，建立面積為5 m2的孤立溢油點和寬度為5 m的溢油帶的探測效率進行計算，其中5 m寬溢油帶是指假設溢油在被發現前不中斷溢出所形成的帶狀油膜，其結果如表2至表3及圖12所示。

圖12 連續溢油帶探測效率

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的條件下對連續溢油帶的探測率?？梢钥闯觯涸? h的海流往復周期內，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 單平臺帶狀連續油膜探測效率

4 結束語

GNSS-R遙感探測技術的基本原理是建立衛星反射信號與探測目標特征參數之間的關系，通過衛星反射信號獲取被探測目標的物理特性，在溢油探測中，可通過對介電常數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閃耀區進行了分析，通過閃耀區作為探測單元的方法，實現了對岸基天線探測范圍內的海面溢油分布情況的研究和溢油面積的計算。本文首先通過對閃耀區分布的分析，驗證了閃耀區的分布可以實現對天線探測范圍內大部分區域的有效覆蓋，并通過污油池實驗對該方法進行了驗證。另外考慮了實際的海況下溢油會隨海流產生運動形成溢油帶的情況，對平臺周圍海域孤立溢油點和連續油帶的探測效率進行了仿真，結果表明，本方法可以在溢油隨海流運動的情況下獲得更高的探測面積和更短的探測時間。