基于迭代KA与射线理论混合算法的油膜覆盖海面电磁散射特性研究

In recent years, marine oil spill has been an important disaster for marine environment. Marine oil spill quantity is the important indicator for evaluating the threat of oil spill, and the oil spill area and film thickness are the key parameters for it. Since oil thickness inversion and boundary recognition are the urgent demands for microwave remote sensing, this project aims to carry out sensitivity analysis of radar parameters on the oil slick thickness in different sea conditions and study the physical scattering mechanism to estimate the thickness and boundary of oil film. Based on the physical mechanism of the interaction between electromagnetic wave and complex ocean environment, the electromagnetic scattering model of sea surface covered with oil film is developed to obtain the monostatic scattering echos using the hybrid algorithm of iterative KA combined with ray theory. The damping mechanism of oil film on the monostatic scattering echos is revealed and the sensitivity analysis of radar parameters on the oil slick thickness, as well as the characteristic parameters is carried out. Finally, the physical scattering mechanism to estimate the thickness and boundary of oil film is studied for some specific radar parameters with the monostatic scattering characteristics analysis of a large amount of datas, which provide a theoretical basis for oil spill area estimation and oil slick parameter inversion in the microwave remote sensing.

海上溢油近年来已成为恶化海洋生态环境的重要海洋灾害。海面溢油量是评价海上溢油事故威胁程度的重要指标，而溢油面积和油膜厚度的准确获得是评估溢油量的基础。鉴于目前微波遥感对溢油厚度反演及边界识别的迫切需求，本项目拟开展不同海况下微波段雷达参数对溢油厚度等的敏感性研究以及油膜厚度、边界估算的物理散射机理研究。具体包括以电磁波与复杂海洋背景相互作用的物理散射机理为基础，基于迭代基尔霍夫近似方法与射线理论混合算法建立油膜覆盖海面电磁散射模型，获取油膜覆盖海面的雷达后向散射回波；通过研究后向回波特性随油膜厚度及特征参量的变化规律，揭示油膜对雷达后向散射回波的阻尼机制，探索雷达参数对油膜厚度及特征参量变化的敏感性问题；进而选定特定雷达参数，在对大量回波数据后向散射特性分析的基础上，开展油膜厚度反演及边界估算的物理散射机理研究，旨在为微波遥感中溢油范围监测及油膜厚度检测方面提供一定的理论依据。

海上溢油近年来已成为恶化海洋生态环境的重要海洋灾害。本项目以电磁波与复杂海洋背景相互作用的物理机理为基础，系统研究了海洋生物油膜以及原油油膜覆盖海面的电磁散射特性以及后向散射回波的多普勒谱特性。重点研究了海面上方附着不同类型海面浮油时的极化散射特性以及多普勒谱特征。首先基于马朗戈尼油膜阻尼理论建立油膜覆盖海面的几何模型，详细分析了海洋生物油膜对海面功率谱密度函数、海面几何结构、海面统计特性如均方根高度和均方根斜率的影响。在此基础上，系统研究了不同频段下海洋生物油膜对海面散射回波多普勒频移和谱展宽特性的影响。仿真结果表明，海洋生物油膜会显著影响雷达回波的多普勒频移和展宽特性。具体来说，海洋生物油膜会导致海面散射回波多普勒谱产生“收缩”效应；海洋生物油膜散射回波的多普勒频移特性的变化更为复杂，它可能会大于也可能会小于干净海面散射回波的多普勒频移，这依赖于诸多因素如入射角、油膜的种类、油膜的溶解性、入射波频率以及电磁波的极化方式等。对于厚油膜覆盖海面的情况，本项目基于格林定理和亥姆霍兹方程推导并给出了任意多层粗糙面散射问题的积分方程，应用矩量法以及迭代物理光学方法分析了厚油膜覆盖一维海面电磁散射及多普勒特性，重点分析了油膜种类以及厚度对海面双站电磁散射特性的影响，仿真结果表明，油膜的特征参数对海面电磁散射角分布特性的影响较大，而油膜的厚度对散射强度角分布的影响比较小，这主要是因为油膜对微波频段下的电磁波而言几乎是“透明”的。另外，为了后续关联课题的需要，本项目执行期间，课题组还研究了海面上方存在目标时的多普勒谱现象，得到一些有意义的结论。