海面溢油检测和识别的微波多普勒谱方法研究

In recent years, oil slicks have become serious disasters to marine environment. The backscattered sea-echo contains not only abundant information related to sea states but also rich information concerning oil thickness, characteristic parameters, etc. Doppler spectrum of radar sea-echo carries much more information and proves to be a much more precise and sensitive tool for monitoring sea surface motion in comparison with the average scattering coefficient of sea surface. Due to the imperious demands in microwave remote sensing applications for the detection, identification and classification of marine slicks, this project is devoted to the research on physical nature and interaction mechanism between electromagnetic wave signal and oil-covered rough sea. One of the main objectives in the present research is to carefully explore the dependence of Doppler signatures of backscattered echoes under different sea states from oil-covered sea surfaces on radar parameters, oil thickness, oil types, oil solubility, etc., and the dependence of radar parameters on oil thickness and oil characteristic parameters can thus be established. Carrying out the investigation on Doppler spectral, amplitude distribution, phase distribution, fractal and chaotic signatures of backscattered echo sequences from oil-covered sea surfaces, one can perform the research on the detection, identification and classification of marine slicks floating on rough sea surfaces. On the basis of this project, an effective theoretical foundation can be provided for identification and classification of marine slicks with various origins.

近年来，海上溢油对海洋环境造成了灾难性影响。油膜覆盖海面后向散射回波不仅包含丰富的海况信息，也包含了油膜的厚度和特征参数等相关信息。实际海洋环境时刻处于运动之中，因而雷达回波的多普勒谱是一个比散射系数更加精确和有效的监测波浪运动的工具。鉴于目前微波遥感对油膜检测与识别的迫切需求，本项目拟通过建立油膜覆盖动态海面的电磁散射模型，深入研究电磁波探测信号与油膜覆盖海面之间的相互作用机理和物理本质；探索不同海况条件下油膜覆盖海面散射回波多普勒特性对雷达参数、油膜厚度、油膜的种类、油膜的溶解性等的依赖关系，建立雷达参数对油膜厚度及油膜特征参量等的依赖关系；深入研究油膜覆盖海面散射回波序列的多普勒特性、幅值分布特征、相位分布特征、分形特征以及混沌特性等，并基于此开展复杂海洋环境中油膜的检测、识别与分类研究。通过本项目的研究，可为实际海洋环境中各种来源的溢油的检测与识别提供有效的理论支撑。

海上溢油已成为海洋污染中最常见的、分布面积最广、危害程度最大的一种。目前，微波遥感技术已经成为海上溢油探测、识别与分类的重要手段。鉴于目前海面溢油微波遥感对油膜覆盖动态海面电磁散射特征的迫切需求，本项目基于数值方法和解析近似模型建立了油膜覆盖海面电磁散射模型，深入研究了油膜覆盖动态海面的电磁散射特性及多普勒谱特性，探索了海面散射回波的多普勒谱特征包括频移和展宽在海面溢油探测中的应用。本项目主要研究内容包括：(1)油膜覆盖海面水动力模型的建立；(2)油膜覆盖海面后向电磁散射特性研究；(3)油膜覆盖海面散射回波多普勒特性分析及海洋溢油探测研究。.通过本项目的研究，建立了利用海面散射回波多普勒特征进行海洋环境中不同起源的油膜检测与识别的理论仿真模型，丰富了海洋环境中洋溢油检测与识别的理论方法，可弥补利用光学手段进行海洋溢油监测的不足，可为实际海面溢油的检测与识别提供有效的理论支撑。.在项目执行过程中，本项目还额外研究了动态海面与上方运动目标的电磁散射特性及其后向散射回波的多普勒谱特征，为后续研究溢油海面与目标的耦合电磁散射特性提供前期的理论与技术储备。.此外，在本项目的支持下，项目主持人于2020年新获批1项国家自然科学基金地区项目：“动态溢油海面的电磁散射机理和SAR成像模型研究(项目编号：62061048)”，新获批的国家自然科学基金项目是本项目研究工作的延续与深入。