CN110440684A - 一种gnss-r岸基平台海面溢油面积探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海面溢油面积探测技术领域，公开了一种GNSS‑R岸基平台海面溢油面积探测方法，包括如下步骤：(1)通过检测设备，对有效覆盖区域面积进行计算，并获取平台位置、天线的假设高度数据，计算出不同时刻天线接受到发射信号覆盖范围，作为闪耀区；(2)根据步骤(1)所计算得出的闪耀区，对闪耀区内的发射信号进行反演介电常数；(3)判断海面溢油情况。本发明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，以及天线的架设高度数据，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。

Description

一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法
技术领域
本发明涉及海面溢油面积探测技术领域，尤其涉及了一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法。
背景技术
海上溢油是造成海洋环境污染损坏的主要因素之一，在各种海洋污染中，石油污染无论在发生频率、分布广度，还是在危害程度上均居首位，海上溢油是由事故引起的，如轮船的碰撞、翻船、海上的油井和输油管道的破裂，海底油田开采泄漏等。随着世界海洋运输业的发展和海上油田不断投入生产，溢油事故不断增加，往往造成大面积海面石油污染，不仅使海洋、大气自然环境、生态资源受到损害，造成海洋生物的大量死亡，经济蒙受损失，而且严重危害人体健康。溢油事故引发的火灾，还可能会导致海上和沿岸设施、船舶等的损坏。
随着时间的推移，我国的经济在迅速的发展，伴随着的必然是大量的能源需求，因而海洋石油资源的开采、运输和储存成为发展的重要问题之一。但由于输油管破裂、沿岸油库泄漏等突发性溢油事故的发生，给我国近海岸海洋环境、海洋生态和海洋经济造成了巨大的破坏。2010年7月16日大连新港地区属于中石油的一条输油管道起火***，造成大量的原油泄漏入海，对渤海海洋环境等带来了巨大的危害，是我国有记录以来规模最大的海上溢油污染事件。2013年11月25日，青岛黄岛输油管道发生破裂，造成严重的生态灾害和重大的经济损失。据不完全统计，从1980年至2007年，我国发生了140多起溢油事故，尽管近几年我国加快了海上溢油应急反应体系的建设，但是依旧存在诸多问题，还不能完全适应国家航运发展和环境保护的要求。综上所述，加强海上溢油应急反应体系的建设迫在眉睫，特别是溢油的动态监测和预测，应作为海上溢油应急反应体系建设的重中之重，研发新型的海上溢油监测技术，对海洋环境保护和海洋经济的发展具有重要意义。
对于海上溢油的监测，国内外诸多领域的专家学者已经取得了一定的研究成果。海上石油泄漏的传统监测方法主要包括：闭路电视监控***摄像、照相监视***、固定点传感器监视、浮子跟踪监视以及船舶监视等。但是现有的方法尚存在着一些问题需要改进，例如设备探测范围的局限性使得其仅仅能够监测小面积的溢油污染，同时其应用的普及也受限于设备较高的成本。
专利号：CN105137427A公开了一种海面溢油快速监测方法，可以实时准确地监测溢油情况，但其网络海图雷达天线和水文气象传感器安装在岸边监测台或者集输平台上，只能监测特定的海域，对其它海域的溢油则无能为力，机动性差，且无法对溢油面积进行测量。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺点，提供了一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决。
一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法，包括如下步骤：
(1)通过检测设备，对有效覆盖区域面积进行计算，并获取平台位置、天线的假设高度数据，计算出不同时刻天线接受到发射信号覆盖范围，作为闪耀区；
(2)根据步骤(1)所计算得出的闪耀区，对闪耀区内的发射信号进行反演介电常数；
计算信号反射率极化比：接收的直射、反射信号，则利用信号相关值和反射率的计算方法，反射率与相关功率的关系如下式，其中Γ表示反射率，表示相关功率：
根据上述公式，分别与直射信号进行功率比得到左旋反射率Γrl和右旋反射率Γrr之比，带入上式，得到：
其中，θ为卫星高度角；χ(vz)代表电磁波经由平稳随机过程所产生的粗糙表面散射后，散射系数与粗糙表面高度Z的特征函数；
(3)判断海面溢油情况：根据步骤(2)得出的极化比，与理论值进行比较，如大于理论值，则存在海面溢油；如小于理论值，则不存在海面溢油。
作为优选，检测设备为无人机或小型卫星。
作为优选，步骤(3)中，理论值为2.6～3.0。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本发明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，以及天线的架设高度数据，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。
附图说明
图1是本发明一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法的检测到的闪耀区分布情况示意图；
图2是本发明一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法中卫星闪耀区域覆盖范围示意图；
图3是本发明一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法中闪耀区检测过程示意图一；
图4是本发明一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法中闪耀区检测过程示意图二；
图5是本发明一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法中岸基观测条件下卫星信号反射过程几何关系的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图1至图5所示，一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法，包括如下步骤：
(1)通过检测设备，对有效覆盖区域面积进行计算，并获取平台位置、天线的假设高度数据，计算出不同时刻天线接受到发射信号覆盖范围，作为闪耀区；
(2)根据步骤(1)所计算得出的闪耀区，对闪耀区内的发射信号进行反演介电常数；
计算信号反射率极化比：接收的直射、反射信号，则利用信号相关值和反射率的计算方法，反射率与相关功率的关系如下式，其中Γ表示反射率，表示相关功率：
根据上述公式，分别与直射信号进行功率比得到左旋反射率Γrl和右旋反射率Γrr之比，带入上式，得到：
其中，θ为卫星高度角；χ(vz)代表电磁波经由平稳随机过程所产生的粗糙表面散射后，散射系数与粗糙表面高度Z的特征函数；
(3)判断海面溢油情况：根据步骤(2)得出的极化比，与理论值进行比较，如大于理论值，则存在海面溢油；如小于理论值，则不存在海面溢油。
检测设备为无人机或小型卫星。
步骤(3)中，理论值为2.6～3.0。
本发明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，以及天线的架设高度数据，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。
实施例2
一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法，包括如下步骤：
(1)通过检测设备，对有效覆盖区域面积进行计算，并获取平台位置、天线的假设高度数据，计算出不同时刻天线接受到发射信号覆盖范围，作为闪耀区；如图3和图4所示，O点为坐标原点，表示接收天线在海面的投影点，X轴指向正南方，Y轴指向正东方，Z轴过点O且与XOY平面垂直；SP为镜面反射点；θ为卫星高度角；为卫星方位角，RHCP天线为右旋圆极化天线，用于接收卫星直射信号；LHCP天线为左旋圆极化天线，用于接收反射信号；H为直射信号接收天线与海面的垂直高度；L代表镜反射点与天线在海面投影的距离，
L＝H/tan(θ)；
假设RHCP天线与LHCP天线之间的距离为d，则某一时刻，反射信号镜面反射点位置为
(2)根据步骤(1)所计算得出的闪耀区，对闪耀区内的发射信号进行反演介电常数；
计算信号反射率极化比：接收的直射、反射信号，则利用信号相关值和反射率的计算方法，反射率与相关功率的关系如下式，其中Γ表示反射率，表示相关功率：
根据上述公式，分别与直射信号进行功率比得到左旋反射率Γrl和右旋反射率Γrr之比，带入上式，得到：
其中，θ为卫星高度角；χ(vz)代表电磁波经由平稳随机过程所产生的粗糙表面散射后，散射系数与粗糙表面高度Z的特征函数；
(3)判断海面溢油情况：根据步骤(2)得出的极化比，与理论值进行比较，如大于理论值，则存在海面溢油；如小于理论值，则不存在海面溢油。
检测设备为无人机或小型卫星。
步骤(3)中，理论值为2.6～3.0。
实施例3
本实施例采用的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，在理想条件下，当反射面光滑时，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且角度不是很大的情况下，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，如图5所示：
图中O点表示镜面反射点，S点表示散射点，R，T分别表示发射机、接收机置，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，对上述几何关系更进一步分析，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。
通过对闪耀区的分析可得，闪耀区是岸基条件下卫星主要的反射信号接收区域，因此可以通过对反射信号的处理后反演介电常数来判断溢油有无，进而通过闪耀区的分布对溢油的分布和面积进行探测。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过检测设备，对有效覆盖区域面积进行计算，并获取平台位置、天线的假设高度数据，计算出不同时刻天线接受到发射信号覆盖范围，作为闪耀区；
(2)根据步骤(1)所计算得出的闪耀区，对闪耀区内的发射信号进行反演介电常数；
计算信号反射率极化比：接收的直射、反射信号，则利用信号相关值和反射率的计算方法，反射率与相关功率的关系如下式，其中Γ表示反射率，表示相关功率：
根据上述公式，分别与直射信号进行功率比得到左旋反射率Γrl和右旋反射率Γrr之比，带入上式，得到：
其中，θ为卫星高度角；χ(vz)代表电磁波经由平稳随机过程所产生的粗糙表面散射后，散射系数与粗糙表面高度Z的特征函数；
(3)判断海面溢油情况：根据步骤(2)得出的极化比，与理论值进行比较，如大于理论值，则存在海面溢油；如小于理论值，则不存在海面溢油。
2.根据权利要求1所述的一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法，其特征在于：检测设备为无人机或小型卫星。
3.根据权利要求1所述的一种GNSS-R岸基平台海面溢油面积探测方法，其特征在于：步骤(3)中，理论值为2.6～3.0。
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