GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法

孙启明，张 波，刘建华，王林峰，贾紫樱

（1. 北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191；2. 胜利油田安全环保督查中心，山东 东营 257000；3. 中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司海洋采油厂，山东 东营 257000）

0 引言

现今世界各国对原油需求量巨大，其中海上石油占了很大比例。在石油开采、储存、运输过程中，由于油井溢油、运输船事故、输油管道破裂等泄漏事件时有发生，并且在海风海浪的作用下，海上溢油面积会在短时间内扩大，对海洋环境、海洋经济会产生巨大的影响[1]，因此针对海上溢油，国内外诸多领域的专家学者提出了多种监测方法，包括雷达遥感技术、热红外/紫外遥感技术、高光谱技术、激光遥感等，但这些探测方法均存在缺陷，例如受天气影响较大，不能实现全天候监测，设备成本高等。

全球卫星导航系统反射信号（global navigation satellite system-reflection，GNSS-R）技术利用导航卫星信号为发射源，通过建立起反射信号与探测目标特征参数之间的关系式，实现对被测目标物理特性的探测。目前GNSS-R技术已经成功应用在探测海面风场、海冰分布、积雪厚度、土壤湿度等多个领域[2-5]。文献[6]首次对海洋表面反射的卫星导航信号进行了机载平台接收实验，并对实验结果进行了分析。文献[7]中成功建立了GNSS-R的功率峰值与雷达卫星后向散射之间的关联。

近些年来，随着GNSS-R技术的不断成熟，其在海面溢油探测方面的应用也逐步加深，文献[8]提出将GNSS-R技术用于海面溢油探测中，利用Z-V散射模型计算延迟多普勒图来分辨海面有无溢油。文献[9]对上述方法进行了近一步分析，将仿真场景中的星下点溢油监测扩展到任意角度，提出了应用双天线来解决模糊度问题的方法。文献[10]利用北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）卫星反射信号进行了岸基污油池油膜探测实验，首次通过直反信号相关功率的比值对油污介电常数进行了反演，证明了通过GNSS-R反射信号反演海面介电常数的可行性。文献[11]通过计算左旋及右旋反射信号极化比值来对介电常数进行了反演，提高了溢油的反演精度。目前，岸基溢油探测研究主要集中在探测溢油有无的阶段，对油污的面积计算则比较少，因此本文提出一种利用卫星闪耀区来对岸基接收机附近海域溢油面积进行探测的方法，在探测天线覆盖范围内对多颗星反射信号所对应的闪耀区进行计算，可实现对探测区域的面积划分，再对每个闪耀区的溢油情况进行统计，通过对存在溢油的闪耀区的叠加计算，可以对探测区域内溢油面积进行探测。

1 GNSS-R基本原理

1.1 GNSS-R遥感技术信号几何关系

本节对GNSS-R遥感技术中卫星发射端、接收天线以及反射面之间几何关系进行了研究，其中接收天线为岸基接收机。为了建立上述 3者的关系，根据菲涅尔反射原理，引入了镜面反射点概念，即从反射区域反射的反射信号中直射与反射路径延迟最短的理论反射点，此时入射角等于反射角。由于导航卫星距离地球平面很远，在相对小的区域内，到达地球表面的导航信号可近似看作平面波，并且可将地球表面看作理想平面，平面波信号在无限大的理想地球表面发生镜面反射，由于本文中接收平台高度较低，且相对于地球表面静止不动，因此可忽略地球曲率的影响，直射信号、反射信号传播路径的几何关系如图1所示。

图1 GNSS信号反射的几何关系

图1中接收天线在海面的投影点O点作为坐标原点，x轴指向正南方，y轴指向正东方，z轴过原点O且与XOY平面垂直；SP为镜面反射点；θ为卫星高度角；α为卫星方位角，RHCP（right-handed circular polarized）天线为右旋圆极化天线，用于接收卫星直射信号；LHCP（left-handed circular polarized）天线为左旋圆极化天线，用于接收反射信号；用H表示直射信号接收天线与海面的垂直高度，则镜面反射点SP与天线在海面投影O的距离L与H之间的几何关系为

由于左旋天线和右旋天线之间的距离远小于H、L，因此在一个时刻反射信号镜面反射点SP位置为

1.2 GNSS-R溢油遥感技术基本原理

根据文献[12]中单Debye模型，海水介电常数可以表示为

在温度为0～30 ℃、盐度为0～40 ‰的条件下，海水的介电常数值ε在68～84之间，几类常见石油产品的相对介电常数范围见表1。

表1 不同油品相对介电常数

利用GNSS-R技术进行溢油探测的基本原理是建立“相关功率—反射率—介电常数”的反演过程：通过接收机接收的直、反射信号的相关功率计算极化比反射率；再通过反射率反演介电常数，其中反射系数仅与介电常数和卫星高度角之间存在映射关系，因此在卫星高度角已知的情况下，可利用反射系数对介电常数进行反演。将表1中常见石油产品的介电常数与海水介电常数进行比较，可以看出二者差别较大，因此可以通过反演出的介电常数来判断海面溢油存在与否。本文中采用文献[11]提出的极化比的方法，根据式（6），左旋反射率Γrl和右旋反射率Γrr的比值仅与相对介电常数rε与卫星高度角θ存在关系，可通过该比值实现对介电常数的反演，关系式为

1.3 闪耀区分析

GNSS-R的适用散射模型是基于基尔霍夫近似的几何光学模型，反射面光滑时，镜面反射严格满足菲涅尔反射定律，因此只有在反射向量的方向才能接收到信号。在实际海面条件下，考虑到粗糙度的影响，反射面一些小面元方向发生了改变，使得该面元的镜面反射方向随之改变，因此在偏离镜面反射方向角度很大的情况下，也能接收到镜面反射信号，反射面粗糙度越大，接收天线可接受到的镜面反射信号的数目越多，面元分布的范围也越大，这种具有明显微波反射作用的区域称为闪耀区[13]，闪耀区几何关系如图2所示。

图2 闪耀区定义及几何关系

图2(a)为闪耀区定义图，其中O点表示镜面反射点，S点表示散射点，取∠TSR的角等分线SA，β为SA与z轴的夹角，闪耀区表示镜面反射点O周围满足β＜β0的区域，β0为描述海面粗糙度的常量，其定义式为其中σ为反射面高度标准偏差，L为表面相关长度，闪耀区的大小取决于海面粗糙度的大小。用q表示双分角矢量，则β就是q与z轴的夹角，其计算公式为

对闪耀区几何关系作更进一步分析，如图 2(b)所示，其中，接收天线在海面的投影点O点作为坐标原点，x轴指向正南方，y轴指向正东方，z轴过原点O且与XOY平面垂直，在接收天线方向固定的情况下，某一时刻单个卫星的闪耀区形状为椭圆，镜面反射点SP是距离O点较近的焦点，闪耀区的极坐标表示为

式（8）、式（9）中椭圆参数为

根据式（8）至式（12）的椭圆方程，假设天线架设高度为50 m，对二种情况，卫星高度角为30°、60°二种仿真条件下，对闪耀区的大小进行计算，如图3所示。

图3 闪耀区大小和形状

图 3(a)、图 3(b)中，随着β0增大，闪耀区的面积随之增大；但β0增大会造成非相干分量增加，因此β0过大的情况下反射信号的反演效果受到影响。根据实际海面情况，在仿真过程中，选用种条件来进行闪耀区的仿真。同时如图4中所示，卫星的高度角越大，则卫星的闪耀区的面积越小，因此想要获得尽量大的闪耀区覆盖面积，需要尽量采用低仰角卫星。

2 溢油面积探测方法

针对溢油面积的探测，首先需要对导航卫星的有效覆盖区域范围进行计算，根据获得的导航卫星的轨道参数，以及平台的位置、天线的架设高度等数据计算出不同时刻天线的可接收反射信号的有限覆盖范围（闪耀区），将一段时间的闪耀区进行计算仿真，可针对不同时间卫星闪耀区域覆盖情况进行灵活仿真。要想实现对接收机附近的卫星有效覆盖区的仿真，基本思路为首先计算卫星的镜面反射点轨迹，再对每一个镜面反射点所对应的闪耀区进行计算，得出一段时间内卫星闪耀区随着卫星的运动而覆盖到的海域范围。

2.1 卫星镜面反射点轨迹仿真

假定接收机所处坐标为（38.2°N， 118.8°E），天线架高为40 m，根据1.3节中对闪耀区几何关系的分析，镜面反射点是确定卫星闪耀区的重要基准点，因此为研究闪耀区覆盖情况，本节首先结合卫星分布图对镜面反射点轨迹进行分析，如图4所示。

图4(a)表示1 d时间内镜面反射点轨迹，其中x轴正方向指向东方，y轴正方向指向北方，接收机位置为（0，0），图 4(b)为当日的卫星分布图（图中包括全球定位系统（global positioning system， GPS）卫星和BDS卫星）。如图4(a)、图 4(b)所示，对比反射点轨迹及卫星分布图可以看出镜面反射点轨迹与卫星轨迹分布一致，并且从镜面发射点的轨迹可以初步判断出，卫星轨迹可对天线接收区域的大部分区域实现覆盖。

图4 镜面反射点轨迹与卫星分布

2.2 闪耀区分布

根据上述闪耀区的几何关系，对闪耀区的分布进行分析：

1）单个时刻闪耀区分布如图5所示，图中x轴正方向指向东方，y轴正方向指向北方，接收天线处于（0，0）点处，天线假设高度为50 m，选取的卫星高度角截止为 15°。从图中可以看出：卫星高度角越高，闪耀区越接近天线，且闪耀区的面积越小；因此卫星高度角越高，溢油面积探测精度越高。在卫星高度角较小的情况下，探测面积增大，探测精度降低；由于探测面积与天线高度角相关，因此在后续的仿真过程中，需要根据所探测面积的大小对天线高度角进行选取。

图5 单个时刻闪耀区分布

2）6 h内闪耀区分布如图6所示，图6仿真条件与图5相同，从图中可以看出，闪耀区随卫星轨迹呈带状分布，随着卫星移动，闪耀区对天线接收范围内实现覆盖，通过多颗卫星所对应的闪耀区的叠加可以对溢油分布进行探测。

图6 6 h内闪耀区分布

3）24 h内闪耀区分布如图7所示，图7仿真条件与图5相同，由图中可以看出，除受限于实验地点卫星本身分布情况之外，天线难以覆盖到接收机位置北方部分区域，闪耀区可以覆盖到接收机附近域东、西、南3个方向的绝大部分区域，证明了在岸基条件下，通过闪耀区的覆盖来对溢油面积进行探测的方法可以覆盖到接收机附近的绝大部分区域。

图7 24 h中卫星闪耀区覆盖范围

3 实验与结果分析

3.1 污油池实验

为了探索本文提出的基于GNSS-R技术及闪耀区理论的溢油面积探测方法的可行性，课题组对在2015年 9月 7日于山东省东营市 1处污油处理池（37°52′N，119°02′E）进行的污油池实验结果进行了研究。实验中油池长约20，宽约5，天线架设高度为 1.5 m，主瓣方位角分别为 180°，其中直射天线斜向上45°放置，反射天线下倾45°放置，保证彼此间无相互遮挡，实验中采用3天线观测模式，实验现场如图8所示。

图8 污油池实验现场

结合本文所述的海上溢油探测模型，对采集到的导航卫星直射、反射信号数据进行了相关的处理，反演介电常数后对闪耀区内是否存在溢油进行判定，结果如图9所示。

图9 污油池实验溢油区域

图9（a)中每个椭圆形闪耀区内均存在溢油，所有存在溢油的闪耀区叠加后的区域即为存在溢油的区域，溢油区如图9(b)所示。在图9(a)中，以5 m×14 m的面积作为参考面积，通过MATLAB对参考面积和溢油面积内的像素点数进行统计，获得溢油面积与参考面积的比值为 49.31 %，因此可计算溢油面积为 34.51 m2。该区域是由多个闪耀区重叠组合而成，在本实验中污油池内所有区域均存在溢油，而所能探测的溢油区域受限于采用的天线自身的探测区域；可以看出在污油池实验中，本文中的溢油探测区域与天线探测区域形状基本一致，另外利用“反射率极化比”方式得到的油污介电常数值总体范围在2～10之间。

3.2 海上抛油实验

为了进一步验证方法的可行性，进行了海上抛油实验。实验地点为山东东营埕岛海域，天线架设在抛油船上，天线距海面的高度约为6.7 m，天线最大增益方向与水平面的角度为35°，接收天线包括3组天线，每组天线结构均为顶部水平放置直射天线，距直射天线约 30 cm处放置反射天线，反射天线下倾45°放置。实验中用馈线将天线与信号采集卡相连，用USB数据线将信号采集卡与数据处理电脑连接，采集到的数据存入移动硬盘。采集卡与天线连接方式为RF1通道接直射天线、RF2通道接反射左旋天线、RF3通道接反射右旋天线；采集卡使用8 bit，其中8 bit采集卡采样频率和中心频率分别为16.369 MHz及 4.098×106MHz，所有的信号采集过程均设为采集时长2 min，采集时间间隔10 s，实验过程中分2次抛洒约80 L原油，14：18：45倾倒第一桶原油（约40 L），此时天线方位角为 285°；14：20：55倾倒第二桶原油（约40 L），实验现场如图10所示。

图10 海面溢油实验现场

根据污油池的实验结果，油污表面的介电常数ε分布在2～10之间，因此在海上抛油实验的数据处理过程中，以介电常数ε=10作为阈值，闪耀区对应的介电常数低于10即判定为存在溢油，则存在溢油的闪耀区分布如图11（a）所示。

图11（b)为经过叠加计算后获得溢油分布区域的示意图，其中溢油的面积在 14 m×25 m的海域所占的比例为 13.74 %，因此计算所得的溢油面积为 48.10 m2。在海上抛油实验中，由于实际海面的影响，溢油分布不规律，因此相比较于污油池实验，可以更清晰地分辨出溢油存在的区域和溢油不存在的区域，根据溢油分布结果可以分辨出2次抛洒原油的区域；但在此实验中同样由于仅采用1组天线，天线架设角度确定且抛油船移动位置较小，造成天线的位置相对固定，因此同样存在天线所能接收的卫星数目有限，闪耀区所能覆盖的区域有限的问题。根据文献[14]中给出的结论，原油的厚度在溢油初期接近1 mm，实验中抛洒原油的体积约为80 L，则溢油面积约为 80 m2，因此本方法在单天线的条件下，对约60.1 %的溢油区域进行了探测。

图11 海上抛油实验溢油区域

3.3 溢油探测效率仿真

在上节的内容中，验证了通过闪耀区对岸基接收机附近海域溢油面积的方法的可行性，但上述的实验中均采用单一天线，受限于天线的探测范围和卫星的运动情况，探测效率较低，并且由于在实际的海况下，溢油会随着海流的运动而扩散，因此本节中研究了在天线组网的情况下接收机附近海域的探测效率。本文的实验是基于东营胜利油田的溢油实验，因此对东营胜利油田平台不同范围内的溢油点的探测效率进行了分析。油田海域为西北—东南往复流，根据平均流速36 cm/s建立溢油点的动态轨迹计算，结合卫星有效覆盖区的动态轨迹，在平台周围海域，建立面积为5 m2的孤立溢油点和宽度为5 m的溢油带的探测效率进行计算，其中5 m宽溢油带是指假设溢油在被发现前不中断溢出所形成的带状油膜，其结果如表2至表3及图12所示。

图12 连续溢油带探测效率

表2、表3分别表示单平台条件下孤立油膜和带状连续油膜探测率和平均探测时间，图 12(a)、图12(b)、图12(c)、图12(d)分别表示探测单元面积为 4 km×4 km、3 km×3 km、2 km×2 km、1 km×1 km的条件下对连续溢油带的探测率。可以看出：在6 h的海流往复周期内，随着时间的增加，探测率增加；另外在同一时间，探测单元越小，天线所能达到的溢油探测率越高，平均探测时长越小。

表2 单平台孤立油膜探测效率

表3 单平台带状连续油膜探测效率

4 结束语

GNSS-R遥感探测技术的基本原理是建立卫星反射信号与探测目标特征参数之间的关系，通过卫星反射信号获取被探测目标的物理特性，在溢油探测中，可通过对介电常数的反演来分辨海面溢油。针对岸基溢油面积探测的问题，本文对粗糙海面主要信号反射区闪耀区进行了分析，通过闪耀区作为探测单元的方法，实现了对岸基天线探测范围内的海面溢油分布情况的研究和溢油面积的计算。本文首先通过对闪耀区分布的分析，验证了闪耀区的分布可以实现对天线探测范围内大部分区域的有效覆盖，并通过污油池实验对该方法进行了验证。另外考虑了实际的海况下溢油会随海流产生运动形成溢油带的情况，对平台周围海域孤立溢油点和连续油带的探测效率进行了仿真，结果表明，本方法可以在溢油随海流运动的情况下获得更高的探测面积和更短的探测时间。