海面溢油紫外推掃相機航空遙感監(jiān)測校飛結(jié)果分析*1*1

尹達一，周 青,2，黃小仙，張 燕，李向陽

(1. 中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

海面溢油紫外推掃相機航空遙感監(jiān)測校飛結(jié)果分析*1*1

尹達一1，周 青1,2，黃小仙1，張 燕1，李向陽1

(1. 中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

海面溢油是最常見的海洋污染物之一，對這類污染進行遙感監(jiān)測并做出早期快速預(yù)報十分重要。研制并驗證一種新型的紫外航空遙感推掃成像的方法：在2008年紫外氮化鎵(GaN)基512元線列陣探測器關(guān)鍵技術(shù)獲得突破的基礎(chǔ)上，于2009年研制成功一臺推掃成像的紫外原理樣機(包含2個可見光波段)，紫外波段的瞬時視場角500 μrad，視場角15°，在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽常數(shù)下信噪比不小于2 500。在黃海日照近岸海域完成的航空校飛表明，海面溢油目標(biāo)的紫外推掃圖像清晰可辨，達到相機預(yù)期設(shè)計的全部技術(shù)指標(biāo)，成功驗證紫外GaN基線列探測推掃成像技術(shù)的可行性；還表明高探測靈敏度的紫外推掃成像技術(shù)能夠適用于監(jiān)測海面溢油的薄油膜污染，為未來航空甚至空間平臺條件下監(jiān)測海洋以及內(nèi)陸水體的溢油污染提供一種新型的光學(xué)遙感探測手段。

紫外(UV)；海面溢油；氮化鎵(GaN)；推掃成像技術(shù)；航空校飛

隨著海洋運輸業(yè)和海洋石油開采業(yè)的迅猛發(fā)展，時有船舶(特別是油輪)碰撞、翻沉，海底油田開采泄露或井噴等事故發(fā)生，嚴(yán)重污染海洋環(huán)境，對海洋生態(tài)圈形成了嚴(yán)重威脅甚至災(zāi)難。近年來，各國都把利用遙感技術(shù)及時、準(zhǔn)確、全面地監(jiān)測海面溢油污染,積極采取海面溢油預(yù)防措施保護海洋環(huán)境，作為刻不容緩的重要任務(wù)。國際上現(xiàn)有的海面溢油遙感手段主要分為5類：可見光遙感、紅外遙感、微波遙感、激光熒光遙感和紫外掃描型遙感。主要缺陷在于一方面是對于海面溢油初期形成的薄油膜沒有特別有效的發(fā)現(xiàn)手段；另一方面是遙感器空間分辨率比較低而且探測靈敏度不高，從而導(dǎo)致污染源不能夠在早期被發(fā)現(xiàn)，往往在污染面積非常大時才能被探測到，使得救援隊錯過最佳控制時機，從而造成比較大的生態(tài)污染事件和經(jīng)濟損失。遙感技術(shù)發(fā)展顯示，空間成像遙感器已經(jīng)向高空間分辨率、高探測靈敏度方向發(fā)展，以往的光機掃描加單元探測器型遙感方式所能達到的性能已經(jīng)不能完全滿足海面溢油監(jiān)測的迫切需求，應(yīng)該尋求更加先進的對地遙感成像技術(shù)途徑，以便滿足未來的海面溢油污染監(jiān)測應(yīng)用需求。需要研究的新型光電遙感技術(shù)手段應(yīng)對海面溢油污染開展更為有效的監(jiān)測，尤其是對其早期快速預(yù)報具有十分重要的應(yīng)用價值。

1 海面溢油的紫外反射特性

紫外探測技術(shù)是繼可見、紅外、微波和激光探測技術(shù)之后發(fā)展起來的新型光電探測技術(shù)，日益引起遙感領(lǐng)域研究人員的重視。研究表明[1]，絕大部分工業(yè)油品在紫外波段均有比水高的反射率，利用此特性進行紫外光電遙感探測主要應(yīng)用在監(jiān)測河道、近岸河口、海岸帶甚至遠(yuǎn)海的海面溢油污染，還可以監(jiān)視船舶偷排壓艙水的航跡，為海洋執(zhí)法提供確鑿依據(jù)。2009年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所方四安[2]對海面溢油組份的4種典型模擬目標(biāo)(汽油、煤油、柴油、潤滑油)的紫外波段反射光譜特性進行了測試。采用給定紫外反射率的標(biāo)準(zhǔn)白板作為參考源，通過實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，得到4種模擬目標(biāo)的紫外波段的絕對光譜反射率，并和同樣實驗環(huán)境下測得的水反射率進行了對比。結(jié)果表明，油膜在紫外波段的反射率和水存在較為明顯的差異，差異值主要根據(jù)油種和油膜厚度決定(圖1)。據(jù)此進行海面溢油紫外遙感監(jiān)測。

圖1 4種典型油膜和水的反射率比較(厚度：400 μm)Fig.1 Comparison of reflectivity between 4 kinds of classical oil films and water (Thickness: 400 μm)

2 推掃成像技術(shù)和信噪比計算

2.1推掃成像技術(shù)

推掃成像技術(shù)是一種探測器自掃描的成像方法。與物方掃描成像方法(如在探測器前采用光學(xué)機械掃描鏡)的成像機制不同，推掃成像模式下整幅空間的場景是通過兩維獲取完成的，一維是探測器光電掃描，另一維則通過平臺的運動完成，如轉(zhuǎn)臺、飛機或者衛(wèi)星平臺等。推掃成像技術(shù)主要具有3個優(yōu)點： 1)駐留時間可獲得有效增加； 2)同樣入射條件下，可以有效提高成像系統(tǒng)的信噪比； 3)有利于減輕成像系統(tǒng)的重量和體積。因此，在紫外波段光照能量相對較弱的情況下，推掃成像技術(shù)將是一種很好的解決方案。

2.2 成像系統(tǒng)信噪比計算

根據(jù)光電遙感探測的基本理論，計算太陽光照條件下成像系統(tǒng)輸入能量關(guān)系公式：

(1)

式中，PD是輸入能量，D0為鏡頭口徑，E(λ)為等效輸入光譜輻亮度，λ為波長，θz為太陽高度角，Ω為探測器瞬時視場角，τ0為光學(xué)透過效率，τa為大氣透過效率，τf為光學(xué)濾光片透過效率，ρ為目標(biāo)反射率。

結(jié)合式(1)，成像系統(tǒng)的信噪比(SNR)計算公式：

(2)

式(2)中，D*為探測器的探測率，Ad為探測器面積，Δf為電路帶寬，與成像時的積分時間有關(guān)。

3 紫外推掃相機原理樣機

3.1 紫外氮化鎵(GaN)基線列探測器

紫外GaN基探測器與其它類型的紫外探測器相比具有許多優(yōu)點，如熱傳導(dǎo)性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)惰性、擊穿電場等。通過調(diào)節(jié)紫外GaN基材料的不同組份控制紫外輻射的響應(yīng)波段，優(yōu)勢在于避免使用透過效率和紫外帶外抑制比偏低的紫外光學(xué)薄膜濾光片。該優(yōu)點可使紫外成像系統(tǒng)降低對紫外光學(xué)薄膜濾光片的難度要求，并且它不需要制冷器來減小暗電平噪聲，使紫外遙感成像更靈活和高效。目前，GaN材料是應(yīng)用于紫外線光電探測領(lǐng)域的最有前途的材料之一。由于異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)容易由氮化鋁(AlN)和氮化銦(InN)合成，這使得它在制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)器件上具有的很大優(yōu)勢[3-7]。

2008年底，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所在國內(nèi)率先研制成功了紫外GaN基512元長線列陣探測器[8]。我們使用的GaN基512元紫外線列陣探測器的光譜響應(yīng)曲線和實物分別見圖2和圖3。并將徐沖[9]等研制的低噪聲探測器驅(qū)動和信號獲取技術(shù)也成功地集成到了紫外可見推掃相機原理樣機中。

圖2 紫外探測器光譜響應(yīng)Fig.2 Spectral response of UV detector

圖3 紫外(UV)GaN基512元探測器Fig.3 Photograph of the UV GaN-based 512-pixel linear array detector

3.2 可見線列探測器

紫外可見推掃相機中集成了2個可見光波段用來做背景匹配和性能對比，可見光線列探測器選用的是美國PerkinElmer公司的PL1024-PAQ[10]。光譜范圍為200～1 000 nm，在紫外波段有較好的光譜響應(yīng)，40 MHz讀出速率，動態(tài)范圍達2 500∶1，像元大小為14 μm×14 μm，100%的填充因子，并具有極低的成像滯后效應(yīng)。光譜響應(yīng)率曲線和線列CCD實物如圖4和圖5所示。

圖4 1024像元線列CCD光譜響應(yīng)率和量子效率曲線Fig.4 Spectral responsivity and quantum efficiency ofthe 1024-pixel CCD Linear Detector

圖5 1024像元線列CCD實物圖Fig.5 Photograph of the 1024-pixel CCD Linear Detectors

3.3 光學(xué)系統(tǒng)

GaN基紫外可見推掃相機紫外波段的光學(xué)模塊是經(jīng)ZEMAX光學(xué)軟件設(shè)計，由8個光學(xué)透鏡組成。光學(xué)基本參數(shù)： 1)光譜范圍為300～370 nm，采用紫外增強鍍膜技術(shù)；2)焦距為100 mm；3)入瞳口徑為47 mm；4)視場角(2ω)為15°；5)F數(shù)為2.1；6)光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)(MTF)優(yōu)于0.97；7)斑點圖優(yōu)于0.2像素；8)光學(xué)效率優(yōu)于0.55。光學(xué)部件材料采用的是紫外熔石英和氟化鈣。

2個可見光波段采用常用的商業(yè)光學(xué)鏡頭，口徑為27 mm，F(xiàn)數(shù)為1.8，光譜范圍為250～900 nm。2個可見光波段分別采用了可見窄帶光學(xué)薄膜濾波片進行光譜分離，綠光波段濾光片的光譜范圍是(565±10) nm，紅光波段的光譜范圍是(670±10) nm，光譜響應(yīng)曲線如圖6和圖7所示。

圖6 綠光波段光學(xué)薄膜光譜響應(yīng)曲線Fig.6 Spectral response curve of the optical thin-film at the green-light band

圖7 紅光波段光學(xué)薄膜光譜響應(yīng)曲線Fig.7 Spectral response curve of the optical thin-film at the red-light band

整個相機系統(tǒng)的電子學(xué)和信號處理單元主要包括非均勻性校正和低噪聲處理單元(探測器讀出時序模塊、數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)格式編排模塊、相關(guān)雙采樣技術(shù)、差分處理和電路濾波技術(shù))。相機數(shù)據(jù)通過USB接口傳送，在計算機上完成數(shù)據(jù)恢復(fù)和圖像重建。

3.4 紫外可見推掃相機原理樣機

2009-08集成了紫外波段和2個可見光波段的推掃相機原理樣機由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制完成。原理樣機實物如圖8所示，主要指標(biāo)參數(shù)見表1。

圖8 紫外可見推掃相機原理樣機Fig.8 A prototype of UV and visible-light push-broom camera

表1 紫外可見推掃相機參數(shù)Table 1 Parameters of the UV and visible-light push-broom camera

4 海面溢油航空校飛驗證

2009-09下旬，我們將紫外可見推掃相機原理樣機搭載在飛機上，在中國黃海日照近岸海域進行了海面溢油污染監(jiān)測航空校飛。試驗中使用我國自行生產(chǎn)的“運-12”海監(jiān)飛機作為校飛平臺。該機采用雙發(fā)、上單翼、剪切翼、單垂尾和固定式前三點起落架的總體布局，具有續(xù)航能力強、空中飛行靈活機動、穩(wěn)定性好、安全可靠等特點。飛機主要參數(shù)(航高：3 km；巡航速度：180～260 km；載重：5 t)。

4.1 積分球定標(biāo)

在航空校飛前，完成實驗室條件下的紫外可見推掃相機的定標(biāo)工作。采用美國Labsphere公司的USS6500積分球作為定標(biāo)源，圖9顯示了USS6500積分球和太陽光譜能量分布曲線。

整個定標(biāo)過程：

1)根據(jù)光譜響應(yīng)函數(shù)和光源能量，分別計算相機在太陽和USS6500光源下的紫外UV/綠光/紅光波段的入瞳能量；

2)通過打開和關(guān)閉積分球內(nèi)燈盞改變紫外UV/綠光/紅光波段的輸入能量，同時獲取相機的相應(yīng)輸出信號；

3)使用上述數(shù)據(jù)，計算出每個像元的噪聲等效反射率差；

4)根據(jù)以上的定標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果和圖像數(shù)據(jù)，進一步獲取紫外推掃相機對海面溢油目標(biāo)、海水和船舶等不同目標(biāo)的等效反射率下的入射能量。

通過積分球定標(biāo)，在紫外波段、綠光波段和紅光波段的有效積分時間分別為2.5 ms，0.5 ms，0.5 ms條件下，確定紫外可見推掃相機的噪聲等效反射率差參數(shù)分別為0.032%，0.122%，0.182%。

圖9 太陽光譜和USS6500積分球光譜能量分布Fig.9 Energy distributions of the solar spectrum and the USS6500 integration sphere spectra

4.2 航空校飛試驗驗證

為驗證紫外推掃相機監(jiān)測海面溢油應(yīng)用目標(biāo)的可行性， 2009-09-20—30選擇日照良好、中午12：00—14：00的少云天氣，在中國黃海日照近海海域進行航空校飛試驗。整個實驗過程中，飛機完成了16次海面溢油目標(biāo)傾倒海域的來回航行覆蓋。試驗海域確定為碼頭集中、油貨船運輸頻繁的山東省日照港海域，地理范圍和日照港飛行海域如圖10所示。校飛過程中，布油小組需要在規(guī)定時間到達指定海域，并且在收到機組人員指令后，在趕往目標(biāo)地點海域(地理坐標(biāo)：119°32′40″E,35°21′18″N)布油。校飛小組需要指示飛行員在規(guī)定時間到達布油目標(biāo)海域，找到布油船只，獲取校飛數(shù)據(jù)。

圖10 日照港飛行海域圖Fig.10 The sea area for aviation verification at the Rizhao Port

試驗中相機和實驗設(shè)備裝載在飛行高度800m、時速180～220 km/h的飛機上。在規(guī)定海域采用2艘船協(xié)同工作，一艘船布置海面溢油模擬目標(biāo)，另一艘船噴灑分散劑保證油面平滑。采用船上自帶GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進行定位，通過無線電與飛機聯(lián)系確定溢油位置。通過GPS導(dǎo)航，飛機在原油傾倒規(guī)定海域上空進行相機航空校飛(圖11)。試驗過程中采用汽油、柴油、潤滑油和煤油的混合油作為海面溢油模擬目標(biāo)源，盛放在容器當(dāng)中，體積0.4 m×0.2 m×0.1 m(容量0.008 m3)。

圖11 航空校飛飛行航跡Fig.11 The flight path of the aviation verification

4.3 海面溢油目標(biāo)成像結(jié)果

此次航空校飛試驗中首次采用紫外GaN線列陣推掃成像技術(shù)成功獲取了海面溢油的航空紫外圖像(圖12)，從紫外波段能夠清晰看到溢油區(qū)域，對通過紫外GaN推掃技術(shù)探測海面溢油目標(biāo)的可行性和有效性進行了實際驗證。

圖12 紫外、可見單波段及融合波段的航空校飛圖像Fig.12 Airborne images obtained at single band and fusion bands of UV and visible light

5 分析與討論

從紫外波段圖像可以很清晰地看到海面溢油污染情況，即布置溢油目標(biāo)船只的GPS數(shù)據(jù)與溢油區(qū)域數(shù)據(jù)吻合(圖12)?？梢姽獠ǘ?-綠光波段和可見光波段2-紅光波段圖像在油面區(qū)域的圖像與海水背景差別不大。為了方便數(shù)值方法比較，對圈定區(qū)域中部分區(qū)域原始圖像根據(jù)紫外/綠光/紅光分別進行數(shù)值分析，結(jié)果見圖13。

圖13 航空校飛子圖像Fig.13 Airborne validation and calibration sub-images

紫外波段、綠光波段、紅光波段每幅子圖像素大小為433×433，成像時飛機高度為800 m，平均飛行速度55 m/s，空間分辨率0.2 m×0.2 m，子圖區(qū)域86.6 m×86.6 m。為便于比較紫外波段與其它波段在海面溢油探測的不同，選用各個波段參考坐標(biāo)點(X:358,Y:101)的圖像值，采用校正方式進行數(shù)值2D和3D處理。

試驗數(shù)據(jù)計算分析結(jié)果：1)在紫外波段能夠清晰識別出海面溢油模擬目標(biāo)，而在綠光波段和紅光波段，海面溢油目標(biāo)特性不十分明顯。2)紫外波段溢油估算面積約為80 m2，用試驗中盛滿混合油容器的體積值與之相除，可以估算出試驗過程中的海面油膜平均厚度約為100 μm。3)紫外波段與海水的反差要比綠光波段和紅光波段分別與海水的反差要高2倍左右。以上分析結(jié)果與海面溢油模擬特性數(shù)據(jù)(圖1)的符合性好，表明采用紫外推掃成像技術(shù)針對極薄型海面溢油油膜開展高靈敏度探測是可行性和有效的。

6 結(jié) 論

國際上現(xiàn)有海面溢油遙感監(jiān)測，對海面溢油初期形成的薄油膜發(fā)現(xiàn)手段有限、空間分辨率比較低且探測靈敏度不足，從而導(dǎo)致污染源不能夠被早期發(fā)現(xiàn)。我們研究并驗證了一種新型的針對海面溢油進行紫外航空遙感推掃成像的方法，并通過航空遙感監(jiān)測試飛進行了可行性和有效性驗證。航空校飛結(jié)果表明，海面溢油目標(biāo)的紫外推掃圖像清晰可辨，達到相機預(yù)期設(shè)計的主要技術(shù)指標(biāo)，成功驗證了紫外GaN基線列探測推掃成像技術(shù)的可行性。該相機的特點在于紫外探測波段的選擇是由紫外探測器材料的組份所決定，系統(tǒng)紫外透過率以及系統(tǒng)探測靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡潔，體積小、重量輕，適合今后在航空和空間平臺上使用。該項技術(shù)表明高探測靈敏度的紫外推掃成像技術(shù)能夠適用于監(jiān)測海面溢油的薄油膜污染，對海洋遙感技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義，并為未來航空甚至空間平臺條件下監(jiān)測海洋以及內(nèi)陸水體的溢油污染提供了一種新型的光學(xué)遙感探測手段。

致謝：國家海洋局北海分局北海航空支隊大力協(xié)助，中國科學(xué)院匡定波院士，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所馮鑫、劉寶麗、鄭庚等和徐沖、方四安、錢煒峰、黃星、黃玉婷等研究生協(xié)助。

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AnalysisofExperimentalResultsFromAirborneRemoteSensingMonitoringofOceanicOilSpillbyUsingUltravioletPush-BroomCamera(UPC)

YIN Da-yi1, ZHOU Qing1,2, HUANG Xiao-xian1, ZHANG Yan1, LI Xiang-Yang1

(1.ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciences, Shanghai 200083, China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences, Beijing 100039, China)

The oil spill in the sea is one of the most common marine pollutions. It is very important to monitor such kind of pollution by remote sensing and to give a forecast rapidly and as early as possible. For this purpose, a new method of airborne remote sensing ultraviolet push-broom imaging is proposed and verified for monitoring the oil spill in the sea. On the basis of the breakthrough of ultraviolet GaN-based 512-pixel linear array detector achieved in 2008, a set of ultraviolet push-broom prototype camera (including two visible light bands) was successfully developed in 2009. This camera has an instantaneous viewing angle of 500 μrad and a viewing angle of 15°, and its SNR is not less than 2 500 under the condition of a standard solar constant. The aviation verification carried out in the Rizhao coastal waters in the Yellow Sea shows that the ultraviolet push-broom images of the oil spill targets are clear and distinguishable, indicating that all the main technical specifications pre-designed for the camera have been achieved and the feasibility of push-broom imaging technology by using the ultraviolet GaN-based 512-pixel linear array detector has been verified. It is also indicated that the high-sensitive ultraviolet push-broom imaging technology can be applied to the monitoring of thin oil spill pollutions in the sea. This technique would provide a new optical remote sensing approach for the future airborne or even spatial monitoring of the oil spill pollution in the sea and/or in the inland waters.

ultraviolet (UV); oil spill in the sea; gallium nitride(GaN); push-broom imaging technology; aviation verification

March 8, 2013

2013-03-08

國家自然科學(xué)基金——對海洋溢油污染進行星載遙感探測的新途徑(40776100)；中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所三期知識創(chuàng)新工程戰(zhàn)略性項目——紫外推掃相機技術(shù)研究(A5-O770280F00)

尹達一(1976-)，男，河南開封人，博士，研究員，主要從事空間紫外成像和光譜技術(shù)、空間光電遙感精密機械和自動控制、空間高精度穩(wěn)像控制技術(shù)、信息獲取及處理等前沿技術(shù)方面研究.E-mail：yindayi@mail.sitp.ac.cn

(高 峻 編輯)

X55；TP752

A

1671-6647(2014)02-0239-10