基于海上与室内实验的海面溢油微波散射机理与建模研究

The project object is studying on Oil Spill, which is based on electromagnetic theory and marine science. The research explores microwave scattering mechanism of the Oil Spill, combined theoretical and experimental program, by using experimental platform on sea and indoor, then establishes its microwave backscatter model, furthermore, modifies the model by using the acquired experimental data indoor and at sea. Through the technology method, it can make the model to quickly and efficiently simulate the microwave scattering properties of the Oil Spill. First of all, the research establishes the electromagnetic scattering model for the sea surface where oil spill taken place, then corrects it by using sea wave spectrum, which reflects the influence of sea surface roughness to the oil spill scattering properties, or applies the net sea surface scattering model, and makes the impact of oil spills on sea surface scattering characteristics as reflectance of attenuation factors, then establishes the oil spill scattering model; in the experiment research, numerous of experiments would be conducted in the sea and laboratory to obtain the dielectric constant ( sea water and different status oil), microwave scattering coefficient (oil spill); experimental results can be applied to amend the scattering model, then the model can simulate Oil Spill microwave scattering coefficient. The research will analyze the relation between scattering coefficient and parameters of the incident wave, the sea water parameters and the parameters of oil spill, based on the simulation results, so as to provide the theoretical and experimental basis for distinguishing between the Oil Spill and suspected oil spill. Furthermore the project will advance the effective application of SAR image on Oil spill monitoring.

本项目以海面溢油为研究对象，以电磁场理论与海洋科学为基础，以海上与室内实验平台为依托，采用理论与实验相结合的方案，充分研究海面溢油的微波散射机理，并建立其微波后向散射模型，再利用室内和海上实验数据，对模型进行修正，使模型能快速有效地模拟海面溢油的微波散射特性。首先建立静海面溢油的电磁散射模型，然后采用海浪谱修正散射模型，从而体现海面粗糙度对溢油散射特性的影响，或采用净海面散射模型，而将油膜对溢油海面散射特性的影响体现为衰减因子，再建立溢油散射模型，最后研究溢油与疑似溢油现象微波散射特性的差异；研究中将开展大量的海上与室内实验研究，获取海水和油品的介电常数以及水面溢油微波散射系数；最后利用实验结果修正散射模型，并根据模拟结果分析散射系数与入射波参数、海水参数以及溢油参数的关系，为识别海面溢油和疑似溢油现象提供理论和实验依据，并选择溢油SAR图像进行应用，从而检验模型的正确性。

随着我国海洋经济的迅猛发展，海上活动船舶数量迅速的增加，船舶溢油污染日趋严重，另外，海上石油的开采、贮运和使用过程中，进入海洋的石油是一种世界性的严重的海洋污染，各国对海洋溢油污染的监测与治理投入了大量的人力和物力，经过多年的研究证明卫星遥感技术是海洋溢油监测的有效手段，而合成孔径雷达（SAR）具有一定的优势，因此被广泛应用。本项目针对海洋溢油遥感监测开展了基础研究，主要研究海洋溢油的微波散射特性，为SAR图像的溢油监测提供理论和实验依据。. 本项目的主要研究内容为四个方面：海面溢油微波介电特性研究；海面溢油微波散射特性测量方法研究；海面溢油的微波散射模型研究；溢油与疑似溢油微波散射特性差异的研究。通过对这四个方面的研究，可以充分了解海面溢油的微波散射特性以及溢油在SAR图像上的特性，从而准确解译溢油SAR图像，实现海洋溢油卫星遥感监测的目的。. 经过四年的研究，建立了室内海水和油品介电常数测量方法，并采用同轴探针法测量了不同频率下海水和油品的介电常数，建立了海水和油品的介电常数数据库。建立了室内和海上净水面和溢油水面的微波散射系数测量方法，在室内测量了海水和溢油海水不同频率及不同风速的微波散射系数，在海上测量了净海面和溢油海面不同频率及不同极化的微波散射系数，建立了海水和海面溢油微波散射系数数据库。. 在对溢油微波散射特性充分研究的基础上，建立了溢油双尺度散射模型，模型采用了分型海浪谱，并根据溢油效应设计了衰减因子，最终仿真计算了溢油的散射系数，将仿真结果与实测结果比较，散射系数的变化趋势相同，由于实测数据有限，还需要对仿真结果做进一步的验证和修正。. 研究了海洋SAR图像处理方法，建立了针对海洋SAR图像的滤波和分割方法，并申报了发明专利；采用水平集、神经网络以及极化分解算法提取了疑似溢油区域，对溢油与疑似溢油进行了区分，从而提高了SAR图像溢油提取精度。