基于穆勒矩阵的海面溢油污染光学识别机理研究

Oil spill pollution is not only the highest proportion of marine environmental pollution, but also the most serious pollution type, so it is very important to implement efficient and effective monitoring and identification methods of oil spill pollution. Optical monitoring plays a very important role in various monitoring methods. However, multi-band multi-mode optical composite monitoring method is the main one in current optical monitoring methods, while the monitoring target is the more complex oil-water mixture, so the monitoring effects of different types and conditions of oil spill pollution are limited. Muller matrix is a mathematical expression of polarization characteristics, and marine surface oil spill pollution has a clear optical polarization characteristics, so in the oil spill pollution optical identification applications, we should be able to use Muller matrix in remote sensing detection to improve identification ability. At present, the mathematical meaning of the Muller matrix is clear, but the Physical meaning of the matrix is not clear in its application to the identification of marine oil spill pollutants. Therefore, this project will carry out the physical analysis of the Muller matrix in the optical modeling of typical marine oil spill pollution. The project studies the optical recognition model of typical marine oil spill pollution by combining the laboratory simulation and the field measurement to improve the modeling process and provide the theoretical basis and method for improving the marine oil spill pollution monitoring ability.

海面溢油污染是目前海洋环境污染中比例最高，同时也是产生后果最为严重的污染类型，因此对海面溢油污染进行快速有效的监测与识别具有很强的现实意义。在各种监测手段中，光学监测发挥了非常重要的作用，但是由于目前的光学监测手段以多波段多模式光学复合监测为主，同时监测的目标为海面较为复杂的油水混合物等，因此对海面不同种类及状态的溢油污染监测效果有限。穆勒矩阵是偏振特性的数学表达，而海洋表面溢油污染具有较为显著的光学偏振特性，因此在海面溢油污染的光学识别应用中，应可以将穆勒矩阵于遥感探测进行结合，提高识别的能力。目前穆勒矩阵的数学意义明确，但将其应用于海面溢油污染物的识别中物理意义还不清晰，因此本项目将开展对穆勒矩阵在典型海洋溢油污染的光学建模中的物理意义的研究，通过实验室模拟与实地测量相结合来完善建模过程，构建典型海洋溢油污染的光学识别模型，为提升海洋溢油污染监测能力提供理论基础和方法参考。

水面溢油污染对人类和自然环境造成了巨大损害，溢油事故发生之后，监测人员能否快速准确地检测出溢油的区域和水面溢油情况，对保护生态环境具有重要的意义。在水面油膜的检测技术中，多波段、多模式的光学复合监测技术是溢油实时监测与定量评估的重要手段，但是，溢油与水的混合导致油膜与背景光强信号的差异减小，使得基于图像亮度的水面溢油光学检测方法增加了难度。.水面溢油与背景具有显著的光学偏振信号差异，这种显著的电磁特性差异可以作为光谱响应特征和波段反射率信息的有效补充，穆勒矩阵是偏振特性的数学表达，将穆勒矩阵与遥感探测相结合，可以提高识别水面溢油污染的能力。因此，我们搭建了穆勒矩阵测量平台，设计了水面油膜检测模型，研究了偏振特征参数的提取方法并对该计算方法进行优化，提高了水面溢油识别的准确度。主要工作内容归纳如下：.首先，对基于偏振的目标光学特性研究的理论基础进行了深入的研究和分析，详细说明偏振光定量描述方法和偏振元件的数学表征，介绍了穆勒矩阵的偏振特性；其次，研究穆勒矩阵测量原理和偏振参量提取方法，分解穆勒矩阵，结合菲涅尔方程提取出目标的各个偏振参量，以振幅比为中间量推导出了偏振度与介质折射率、测量角度之间的关系式，得到了一种偏振度的新的计算方法；最后，利用双旋转式多角度穆勒矩阵快速测量装置开展了多角度测量实验，获得了样品的穆勒矩阵，提取出振幅比、相位延迟、折射率和偏振度等多个偏振参量，分析与比较水和油膜的偏振参量的差异性，实现了水面溢油污染的识别。并利用偏振度和介质折射率、测量角度之间的关系式，快速计算出样品的偏振度值，与多角度测量法进行数值比较，结果证明该方法比多角度测量法的精确度更高，并且计算过程简单快速，更加适用于油膜的检测与识别。.研究构建的水面油膜偏振特性检测模型能够准确识别出水和油膜，并对目标特征参数的提取与分析进行了优化，可以为水面油膜光学检测方法提供技术支撑和研究参考。