基于二維激光觀測(cè)的溢油及其乳化過(guò)程散射模式研究進(jìn)展

過(guò) 杰, 孟俊敏, 何宜軍(. 山東省海岸帶環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東 煙臺(tái) 6400; . 國(guó)家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 6606; . 南京信息工程大學(xué)海洋技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 0044)

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基于二維激光觀測(cè)的溢油及其乳化過(guò)程散射模式研究進(jìn)展

過(guò) 杰1, 孟俊敏2, 何宜軍3
(1. 山東省海岸帶環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東 煙臺(tái) 264003; 2. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061; 3. 南京信息工程大學(xué)海洋技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 210044)

合成孔徑雷達(dá)(SAR)以其高分辨率、能不受雨云影響實(shí)施全天時(shí)全天候全方位監(jiān)測(cè), 在海面溢油災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。溢油是因?yàn)楹Ｃ嬗湍ひ种屏嗣?xì)波和重力波, 在SAR圖像上呈暗斑而被識(shí)別。然而, 海面溢油的乳化過(guò)程直接影響SAR對(duì)海面溢油后向散射截面的觀測(cè)精度。本研究以物理海洋學(xué)和激光原理以及海面電磁散射理論為基礎(chǔ), 通過(guò)實(shí)驗(yàn)利用激光掃描儀觀測(cè)海面溢油粗糙度, 分別與溢油特征參數(shù)、后向散射系數(shù)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系; 耦合海面溢油參數(shù)與后向散射截面的關(guān)系, 利用電磁散射數(shù)值建模方法, 建立海面溢油散射模型, 研究海面溢油乳化過(guò)程對(duì)微波后向散射截面的影響。本項(xiàng)目的研究將為SAR監(jiān)測(cè)海面溢油量、溢油厚度及油品分布格局提供了可能; 將進(jìn)一步揭示海面溢油的散射機(jī)制, 提高SAR海面監(jiān)測(cè)溢油的精度和能力。

微波后向散射; 激光掃描儀; 海面溢油; 溢油海面粗糙度; 乳化

[Foundation: Supported by General Program of National Natural Science Foundation of China (41576032; 41176160)]

1 研究背景

石油進(jìn)入海洋之后, 在海洋特有的環(huán)境條件下,具有復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物變化過(guò)程。這些變化有擴(kuò)散、漂移、蒸發(fā)、乳化、光化學(xué)氧化分解、沉積以及生物降解等等。石油的理化特性與其溢入海洋環(huán)境中的變化, 使其在海面上有著與其他物質(zhì)不同的情形, 即溢油在海面上形成了非均勻分布的情形——中間部分比邊緣部分厚, 類似薄透鏡形狀。油類入海以后基本是以乳化狀態(tài)存在于海洋表面; 許多油類易于吸收水而形成油包水乳化液, 體積會(huì)增加3~4倍。這種乳狀液通常很黏, 不容易消散。多數(shù)油在任何海況下都能迅速形成乳狀液, Berridge[1]認(rèn)為其穩(wěn)定性依賴于瀝青質(zhì)的含量。蒸發(fā)、光氧化這兩個(gè)過(guò)程會(huì)促使乳化過(guò)程。由于吸收大量的水, 乳化可使油的性質(zhì)發(fā)生很大變化, 它很大程度地影響溢油的蒸發(fā)、擴(kuò)散、生物降解等。乳化過(guò)程平常還使溢油清除工作更困難, 妨礙了大多數(shù)機(jī)械回收設(shè)備的有效操作[2]。乳化過(guò)程的研究將有利于提高微波海面觀測(cè)溢油的精度, 為模式模擬溢油漂移擴(kuò)散方向以及溯源、估計(jì)油膜厚度、研究溢油面積和溢油量提供最佳參數(shù)。我們利用遙感手段監(jiān)測(cè)到的溢油基本上是以乳化狀態(tài)存在的, 所以研究溢油乳化過(guò)程對(duì)后向散射機(jī)制的影響, 有助于提高海面遙感溢油災(zāi)害監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度, 對(duì)海面溢油應(yīng)急工作制定有效計(jì)劃、決策和優(yōu)化清除操作都具有重要意義。

近30年來(lái), 許多國(guó)家都開(kāi)展了溢油檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為兩類: 室外實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。室外實(shí)驗(yàn)是在海面上人為地鋪設(shè)溢油, 使用空載或海基遙感設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)通常是在實(shí)驗(yàn)室中搭建風(fēng)浪水槽。國(guó)外: 荷蘭1971年TNO實(shí)驗(yàn)室在挪威海岸建立了基于非相參脈沖系統(tǒng)的觀測(cè)站, 使用紅外傳感器和空載側(cè)視雷達(dá)對(duì)海面風(fēng)浪和溢油現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量。除此之外, NIWARS在室內(nèi)建立了風(fēng)浪水槽, 該水槽長(zhǎng)100 m, 寬8 m, 高0.5 m, 用于模擬風(fēng)對(duì)水面的作用[3]。1992年德國(guó)漢堡大學(xué)海洋學(xué)研究所也開(kāi)展了大量的研究工作, 在北海沿岸海面上鋪設(shè)了輕質(zhì)燃油和重燃料油, 分別使用4個(gè)波段(X, C, S, L)空載散射計(jì)對(duì)溢油進(jìn)行了測(cè)量, 并研究了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的海水溢油散射比與理論值的差異。同樣地, 在實(shí)驗(yàn)室中建立了尺寸稍小的風(fēng)浪水槽, 長(zhǎng)26 m, 寬1 m, 高0.5m。Werner Alpers等[3]在此基礎(chǔ)上展開(kāi)了大量的研究。

國(guó)內(nèi): 1986年浙江大學(xué)無(wú)線電系的吳堅(jiān)在Bahar將全波法用于分析兩層介質(zhì)粗糙截面電磁傳播問(wèn)題的基礎(chǔ)上, 推導(dǎo)了三層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的粗糙截面輻射波散射場(chǎng)。并在理論上證明了油膜的存在對(duì)散射系數(shù)的改變不起主要作用, 而主要貢獻(xiàn)是對(duì)海面粗糙度的改變引起散射的變化[4]。1987年中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所在三層介質(zhì)微波輻射的基本原理下, 分析計(jì)算了各介質(zhì)和環(huán)境參數(shù)對(duì)油膜厚度的影響大小,并以此為依據(jù)探討了確定各參數(shù)的方法, 在露天水池使用輻射計(jì)對(duì)14號(hào)機(jī)油進(jìn)行了測(cè)試。研究了油膜有效發(fā)射率亮溫差和油膜厚度的關(guān)系, 并對(duì)其它工作參數(shù)做出估計(jì)。隨后于1989年在海南下川島以西海面進(jìn)行了海上溢油實(shí)測(cè), 在海面上鋪設(shè)了總量為4.3 t的輕柴油。使用飛機(jī)作為平臺(tái), 搭載了8 mm微波輻射計(jì)對(duì)海面溢油亮度溫度進(jìn)行測(cè)量[5]。國(guó)家海洋局第一海洋研究所在實(shí)驗(yàn)室條件下, 利用“灰體室”的環(huán)境條件及測(cè)量方法, 測(cè)試了原油、燃料油和食用植物油膜的微波發(fā)射率與油膜厚度之間的關(guān)系。為減小背景輻射的影響, 灰體室內(nèi)由均質(zhì)鋁板構(gòu)成,尺寸為5 m×2 m×2.9 m輻射計(jì)固定在灰體室上方, 可以改變位置與入射角。同時(shí)設(shè)計(jì)了長(zhǎng)38 cm, 寬25 cm, 高12 cm的鋁制樣品槽[6-7]。電子科技大學(xué)于2007年分別建立起了室內(nèi)和陸基散射測(cè)量系統(tǒng), 并在此基礎(chǔ)上做了大量研究, 室內(nèi)試驗(yàn)在半微波暗室中進(jìn)行, 地面和側(cè)墻上都鋪設(shè)有吸波材料。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)使天線在半圓軌道上運(yùn)動(dòng), 滿足不同入射角的測(cè)量。試驗(yàn)中使用的4個(gè)波段(L, S, C, X)天線均為喇叭天線。2個(gè)天線相鄰放置, 可同時(shí)進(jìn)行4種極化(HH, VV, HV, VH)的散射測(cè)量。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生掃頻電磁波信號(hào)并通過(guò)同軸線傳輸?shù)教炀€進(jìn)行測(cè)量。在仿真海面溢油散射測(cè)量實(shí)驗(yàn)中, 樣品盆中用海水素配出滿足真實(shí)條件的鹽水, 使用可調(diào)速的吹風(fēng)機(jī)模擬海風(fēng), 通過(guò)在水面上灑油來(lái)模擬海面溢油。目前已在室內(nèi)測(cè)量過(guò)不同波段、不同極化、不同風(fēng)速風(fēng)向、不同水面溢油覆蓋情況下的海水表面散射系數(shù), 得到了一定的研究成果[3]。

在溢油乳化過(guò)程研究方面: 溢油乳化過(guò)程是和油的物理化學(xué)因素及動(dòng)力因素有關(guān), 目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的結(jié)論是: 瀝青質(zhì)、膠質(zhì)和蠟對(duì)乳化物的形成起作用, 并且其影響的大小以這種次序減小。Thingsted 等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)和光氧化促使溢油乳化。波浪決定油水混合方式并提供能量, 但目前的技術(shù)尚不能確定乳化開(kāi)始時(shí)所需的最小能量。Payne等[9]對(duì) Alaskan原油的研究發(fā)現(xiàn)乳化物能在冰區(qū)形成, 這表明在低能量環(huán)境下也有足夠的能量產(chǎn)生乳化過(guò)程。由于高溫有利于油水混合, 可加速乳化物的形成,但低溫抑制水滴的凝聚, 因而有利于乳化物的穩(wěn)定;溫度影響瀝青質(zhì)的溶解/沉積狀態(tài), 因此有時(shí)在較低溫度時(shí), 有利于乳化的形成; 溫度通過(guò)影響蒸發(fā)快慢, 也影響溢油乳化的趨勢(shì)。由此可見(jiàn), 不同情況,溫度有不同的影響[10]。但在海水溫度范圍內(nèi), 溫度的影響不很重要[2]。Omar等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)油層油膜越薄越有利于乳化。溢油周?chē)挠湍ず穸缺戎行奶幈? 因而更易乳化。海面的溢油能使波平靜, 所以從外面到油層的中心, 乳化過(guò)程逐漸變慢。對(duì)于溢油乳化研究者來(lái)說(shuō), 乳化物最重要的性質(zhì)是其穩(wěn)定性、黏性、密度。Finas等[12]和Mcmahon等[13]認(rèn)為水含量與穩(wěn)定性之間并不存在好的相關(guān)性; 用含水率判斷穩(wěn)定性不可靠。楊慶霄等[14]通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)研究了海上溢油在破碎波作用下的乳化作用。

李楊等[3]設(shè)計(jì)了一系列室內(nèi)模擬海面溢油散射實(shí)驗(yàn)和海港真實(shí)海面溢油散射實(shí)驗(yàn); 在室內(nèi)試驗(yàn)中,使用不同波段不同極化電磁波對(duì)水槽中的溢油樣品進(jìn)行了不同厚度不同風(fēng)速與風(fēng)向的散射測(cè)量。在海港溢油散射式樣中, 采用不同波段不同極化電磁波對(duì)海水在不同風(fēng)速情況下的散射系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量,并在海面上鋪設(shè)柴油樣品, 模擬真實(shí)海面情況下的溢油, 建立了海面溢油雙尺度模型, 該模型油膜粗糙度是通過(guò)蒙特卡羅法仿真獲得的。他們將其與模型模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比, 驗(yàn)證了模型的適用性。但是, 該研究沒(méi)有實(shí)現(xiàn)溢油乳化過(guò)程對(duì)海面粗糙度的測(cè)量。

2 研究的意義

綜上所述, 盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海面溢油的物理化學(xué)性質(zhì)有了一定的研究成果, 電磁理論的迅速發(fā)展與室內(nèi)室外散射模型的模擬, 為微波遙感監(jiān)測(cè)海面溢油奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而, 對(duì)于海面溢油的散射機(jī)制是體散射還是其他散射形式至今沒(méi)有定論;乳化過(guò)程作為貫穿海面溢油的主要過(guò)程, 在微波遙感海面溢油監(jiān)測(cè)中, 單極化和雙極化SAR是無(wú)法識(shí)別的, 只有全極化SAR利用散射矩陣的特征量目前能識(shí)別乳化油膜和新出現(xiàn)的油膜, 進(jìn)一步的信息無(wú)法獲得。SAR在監(jiān)測(cè)海面溢油量、油膜厚度及油品方面還沒(méi)有新的進(jìn)展。綜述室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn), 油膜的存在對(duì)散射系數(shù)的改變不起主要作用,而主要貢獻(xiàn)是油膜對(duì)海面粗糙度的改變引起散射的變化。由于缺乏精密的觀測(cè)海面油膜粗糙度變化的儀器, 所以對(duì)于海面油膜的乳化過(guò)程對(duì)后向散射的影響一直沒(méi)有進(jìn)一步的進(jìn)展。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)近十幾年許多學(xué)者運(yùn)用激光技術(shù)于海面風(fēng)場(chǎng)研究[15-20]。中國(guó)海洋大學(xué)李曉龍等[21], 趙朝方等[22]系統(tǒng)介紹多通道海洋激光雷達(dá)溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和高臺(tái)實(shí)驗(yàn), 探討多通道激光雷達(dá)探測(cè)溢油的可行性; 獲得多種目標(biāo)的雷達(dá)信號(hào), 并提取不同目標(biāo)的特征熒光光譜。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室激光誘發(fā)油樣本的熒光數(shù)據(jù)分析, 研究了不同溢油種類的熒光光譜特征,并給出了區(qū)分溢油污染程度的快速分析方法。實(shí)驗(yàn)證明多通道海洋激光雷達(dá)溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能可靠, 可以有效地進(jìn)行溢油探測(cè)。官晟等[23], 陳澎[24], 丁寧[25]等利用激光雷達(dá)熒光光譜研究海面油膜特征, 以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速識(shí)別海面溢油。激光掃描儀以其高分辨率的毫米-厘米尺度觀測(cè)海面粗糙度的變化, 為海洋遙感監(jiān)測(cè)災(zāi)害事件研究開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。國(guó)外學(xué)者Jack等[26]利用激光掃描儀觀測(cè)海面冰的粗糙度變化與微波后向散射截面建立關(guān)系, 成功地識(shí)別冰齡(一年冰和多年冰)和冰的種類; 他們研究工作的成功為我們利用二維激光觀測(cè)溢油粗糙度變化分別與溢油參數(shù)、微波后向散射系數(shù)建立關(guān)系來(lái)構(gòu)建海面溢油散射模型提供了有力的支持。凡是能精確測(cè)量目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度的雷達(dá), 都可以稱之為散射計(jì)。所以, 大多數(shù)雷達(dá)在校準(zhǔn)之后, 都能作為散射計(jì)使用。而且, 微波散射計(jì)原理和設(shè)計(jì)與常規(guī)雷達(dá)基本相同[27]。所以,本研究的完成將提高SAR在我國(guó)海面溢油監(jiān)測(cè)方面的精度, 擴(kuò)展SAR在海面溢油監(jiān)測(cè)的功能(例如: 海面溢油量、油膜厚度計(jì)油品的形狀分布)。為海面溢油預(yù)警和預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確的溢油參數(shù)。

本研究將以國(guó)內(nèi)外相關(guān)基礎(chǔ), 以SAR海面溢油存在的3個(gè)方面急待解決的問(wèn)題: 海面粗糙度對(duì)溢油特征參數(shù)的響應(yīng)特征分析; 乳化過(guò)程海面粗糙度的變化對(duì)后向散射系數(shù)的影響; 溢油參數(shù)對(duì)后向散射系數(shù)的影響為主要內(nèi)容, 以二維激光觀測(cè)的溢油粗糙度, 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的溢油參數(shù)、散射計(jì)觀測(cè)后向散射截面數(shù)據(jù)為基本資料源, 結(jié)合統(tǒng)計(jì)回歸方法, 進(jìn)行海面粗糙度對(duì)溢油特征參數(shù)的響應(yīng)特征分析, 海面溢油粗糙度的后向散射特征分析; 耦合溢油特征參數(shù)與后向散射的關(guān)系; 利用電磁散射數(shù)值建模技術(shù), 構(gòu)建海面溢油散射模型, 進(jìn)一步研究溢油海面散射機(jī)制。

3 工作原理及技術(shù)路線

海面溢油抑制海面毛細(xì)重力波從而引起后向散射系數(shù)變化; 激光掃描儀以其高分辨率的毫米-厘米尺度觀測(cè)海面油膜粗糙度的變化; 利用這兩種儀器的觀測(cè)結(jié)果, 建立油膜粗糙度與后向散射系數(shù)之間的關(guān)系, 從而搭建油膜厚度與后向散射系數(shù)之間的關(guān)系, 實(shí)現(xiàn)主動(dòng)微波探測(cè)油膜厚度的突破。

研究以室外潑油實(shí)驗(yàn)為主, 有散射計(jì)和二維激光掃描儀等主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備參與實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)以含瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的原油和燃料油為重點(diǎn)材料構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 建立溢油乳化過(guò)程的散射模式。研究技術(shù)路線如圖1所示。

4 分析過(guò)程

4.1 建立海面粗糙度與溢油特征參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖1 技術(shù)路線Fig. 1 Technical route

溢油特征參數(shù)包括風(fēng)速、油品、溢油量、油膜厚度、溢油分布格局。利用實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)數(shù)據(jù), 結(jié)合統(tǒng)計(jì)回歸方法, 建立溢油量、油膜厚度、溢油分布格局與其油膜粗糙度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4.2 建立海面溢油粗糙度與后向散射系數(shù)之間的關(guān)系, 構(gòu)建海面溢油散射模型

利用實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù), 結(jié)合諧波函數(shù)分解和統(tǒng)計(jì)回歸方法, 建立溢油粗糙度與其后向散射系數(shù)的關(guān)系。傳統(tǒng)二尺度散射模式的海面粗糙度參數(shù)是通過(guò)模式模擬獲得; 此研究將利用二維激光掃描儀觀測(cè)油膜粗糙度參數(shù)并代入二尺度散射模型, 同時(shí)與以上擬合結(jié)果對(duì)比, 利用電磁散射數(shù)值建模技術(shù), 構(gòu)建海面溢油散射模型, 考慮不同油膜厚度對(duì)后向散射系數(shù)的影響, 進(jìn)一步研究海面溢油的散射機(jī)制。

4.3 耦合溢油特征參數(shù)與其后向散射系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

基于4.1和4.2的溢油特征參數(shù)與其對(duì)應(yīng)的后向散射系數(shù)進(jìn)行耦合; 利用構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 重新觀測(cè)一批數(shù)據(jù); 在不同波段、不同風(fēng)速條件下, 對(duì)于不同油品, 在時(shí)間間隔0.5 h, 拍攝不同時(shí)刻的溢油面積及格局分布, 計(jì)算不同時(shí)刻的油膜厚度; 記錄油膜厚度、油量、油膜分布格局與其對(duì)應(yīng)的粗糙度變化和后向散射系數(shù)。驗(yàn)證4.2的結(jié)論和耦合的結(jié)論,對(duì)比其優(yōu)劣。此結(jié)果將為SAR 監(jiān)測(cè)海面溢油量、油膜厚度及根據(jù)油膜分布格局判斷油品提供了可能性,為準(zhǔn)確、多方位的監(jiān)測(cè)海面溢油提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

5 存在的問(wèn)題

5.1 溢油海況下構(gòu)建乳化過(guò)程海面粗糙度與溢油參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

不同風(fēng)速條件下, 溢油海面粗糙度與溢油量、油膜厚度及不同油品分布格局是怎樣一種對(duì)應(yīng)關(guān)系,目前尚不清楚。利用遙感手段對(duì)不同油品的分布格局分析存在風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 溢油海況下構(gòu)建乳化過(guò)程海面粗糙度與微波后向散射系數(shù)的關(guān)系

石油溢入海洋之后, 在海洋特有的環(huán)境條件下,經(jīng)歷了復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物變化過(guò)程, 其中乳化過(guò)程一直貫穿始終, 它對(duì)微波后向散射截面有顯著的影響; 乳化因?yàn)橛皖愐子谖账纬捎桶榛? 體積會(huì)增加3~4倍。這種乳狀液通常很黏, 不容易消散。多數(shù)油在任何海況下都能迅速形成乳狀液, 其穩(wěn)定性主要依賴于瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量。但是,溢油乳化狀態(tài)溢油粗糙度與后向散射影響是怎樣的關(guān)系, 目前沒(méi)有解決。因此, 需要建立二維激光觀測(cè)的溢油粗糙度變化與微波后向散射的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 構(gòu)建海面溢油散射模型?，F(xiàn)有的微波散射對(duì)于海面發(fā)生溢油, 散射機(jī)制由布拉格散射變成非布拉格散射,這是目前公認(rèn)的, 有些學(xué)者認(rèn)為是體散射, 但目前并沒(méi)有定論。通過(guò)構(gòu)建的海面溢油散射模型將進(jìn)一步研究溢油海面的散射機(jī)制。

5.3 溢油海況下構(gòu)建乳化過(guò)程微波后向散射系數(shù)與溢油參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

不同波段、不同風(fēng)速條件下, 溢油參數(shù)與后向散射系數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系目前尚不清楚; 該研究將有助于擴(kuò)大SAR海面溢油監(jiān)測(cè)功能(如: 溢油量、油膜厚度及不同油品分布格局), 進(jìn)一步提高海面溢油SAR監(jiān)測(cè)的精度。

6 發(fā)展及應(yīng)用

利用激光掃描儀的精度, 觀測(cè)溢油海面粗糙度變化與溢油特征參數(shù)建立響應(yīng); 運(yùn)用激光掃描儀的精度,觀測(cè)溢油海面粗糙度變化與微波后向散射系數(shù)建立關(guān)系, 構(gòu)建海面溢油散射模型; 對(duì)溢油參數(shù)的后向散射特征分析, 使溢油量、溢油厚度和溢油分布格局與后向散射系數(shù)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系, 使SAR監(jiān)測(cè)海面溢油量、油膜厚度及根據(jù)油膜分布格局來(lái)識(shí)別油類成為可能, 將進(jìn)一步提高SAR監(jiān)測(cè)海面溢油的能力和精度,同時(shí)為多種傳感器聯(lián)合監(jiān)測(cè)海面溢油成為可能。

7 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的海面溢油研究多集中于單極化SAR數(shù)據(jù),用自動(dòng)或半自動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法或用多尺度圖像分割和模糊邏輯算法來(lái)識(shí)別油膜; 全極化衛(wèi)星發(fā)射, 利用一致函數(shù)來(lái)識(shí)別海上溢油已成為現(xiàn)實(shí)。但是這些方法僅僅局限于油膜識(shí)別研究, 而對(duì)于溢油發(fā)生后,油膜厚度、形狀及乳化的油膜對(duì)后向散射系數(shù)的影響研究甚少。本研究將突破主動(dòng)微波傳感器的局限性, 結(jié)合激光掃描儀來(lái)研究溢油乳化過(guò)程, 構(gòu)建乳化過(guò)程海面粗糙度與溢油參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 建立油膜粗糙度與后向散射系數(shù)之間的聯(lián)系, 構(gòu)建溢油散射模型。使SAR在監(jiān)測(cè)海面溢油方面, 從溢油的厚度及溢油量進(jìn)行突破; 這一設(shè)想無(wú)論從理論還是從實(shí)踐上都是可行的。

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(本文編輯: 張培新)

Scattering model research based on two-dimensional laser observation of spilled oil and emulsification processes

GUO Jie1, MENG Jun-min2, HE Yi-jun3
(1. Shandong Provincial Key Laboratory of Coastal Environmental Processes, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 2. First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration (SOA), Qingdao 266061, China; 3. School of Marine Sciences, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

Sep., 27, 2015

microwave scattering cross section; laser scanner; oil spill of sea surface; roughness of oil film; emulsification

Synthetic aperture radar (SAR) is an effective microwave sensor to detect oil spills, which can image ocean surfaces during the day and night with high resolution and over large coverage areas independent of cloud cover. SAR plays an increasingly important role in oil spill disaster emergency monitoring of the sea surface. Oil spill detection using SAR images relies on the fact that oil slicks decrease the sea surface back-scatter of capillary-gravity waves, which result in a dark formation that contrasts with the brightness of the surrounding spill-free sea. However, the emulsifying processes of the sea surface oil spill directly affects the observational precision of the scattering cross-section in SAR. This project will be based on physical oceanography, the principle of lasers, and the sea surface electromagnetic scattering theory. Using a laser scanner, observing the sea surface roughness of an oil spill can establish a corresponding relationship with the characteristic parameters of oil spills and the scattering coefficient. We experimentally coupled the relationship between the characteristic parameters of oil spills with the scattering cross-section. Using electromagnetic scattering, numerical modeling sets up the sea surface scattering model of oil spills and allows the study of the influence of the oil spill emulsifying process on the scattering cross-section. This project will provide the possibility to monitor oil spill volume, thickness and distribution pattern by SAR. It will further reveal the sea surface scattering mechanisms of oil spills and improve the accuracy and ability of monitoring oil spills by SAR.

A

1000-3096(2016)02-0159-06

10.11759/hykx20150927002

2015-09-27;

2015-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41576032, 41176160)

過(guò)杰(1965-), 女, 河南開(kāi)封人, 理學(xué)博士, 副研究員, 主要從事海洋遙感與數(shù)字模擬(風(fēng)場(chǎng), 海面溢油)、微波遙感應(yīng)用研究,電話: 0535- 2109192, Email: jguo@yic.ac.cn