基于偏振双向反射差异的海面溢油光学检测方法研究

论文摘要

海上突发性溢油事故给海洋生态环境和人类经济发展造成了重大的损害。我国现有的海上环境监测技术和研究水平相对落后,缺乏相应的信息集成系统对获取的数据进行快速、有效地分析处理。因此,无法及时、准确、持续地获得溢油区域的相关数据。光学探测技术是海面溢油实时监测与定量评估的有效手段。但是,海面溢油与背景海水的混合,造成了目标与背景光强信号的差异减小,使得基于图像亮度的海面溢油光学检测方法存在较多的不确定性和难度。研究发现,海面溢油与背景海水具有明显的偏振特性差异,并且在双向反射分布模型下显得尤为突出。偏振双向反射分布函数(pBRDF)是双向反射分布函数与偏振光学中穆勒矩阵的组成,是系统描述目标偏振机理的重要理论基础。研究利用路径积分技术,解决了复杂光与海面溢油作用过程中穆勒矩阵物理建模的难题,并且在实验测量过程中取得了良好的实际应用效果。本文的主要研究结果可以归纳如下:首先,提出了偏振双向反射测量技术。通过对粗糙面散射理论的研究,讨论了散射光强分布与物质表面粗糙程度之间的关系,分析了散射分布模型与粗糙面的散射近似方法,阐明了粗糙面散射光的偏振特性。利用光辐射传输函数,推导了辐射强度和Stokes矢量、矢量辐射传输方程,分析了海面溢油辐射传输方程中的两个主要组成成分——Rayleigh散射和球形Mie散射。其次,对检测模型中的等效光路、特征参量以及荧光特性展开了分析。讨论了设计的偏振双向反射分布的光路,阐述了应用本检测模型的优势。在特征参量的提炼过程中,不仅提取了几种常用的偏振光学特征参量,而且结合溢油表面的散射分布特性,还提炼了多种新的偏振参量——完全退偏振系数、偏振指数、平均偏振系数等来实现海面溢油的检测。针对原油的荧光激发路径展开分析,构建了荧光激发路径方程,推导出了荧光产率指数,可以准确地描述各测量点的荧光产率之和,并且可以反馈原油的最佳测量浓度。然后,分析了实验平台的构建、实验测量的过程以及数据结果的处理。分别对三种高浓度的标准样品(硅、石墨、聚丙烯)进行测量,利用光路系统的校正残差分析法,修正实测值与理论值的误差精度,提高了实验平台测量的精准性。按照实验设计方案,分别对制备好的油膜、乳化油样品进行实验测量。根据实验数据,应用检测算法计算出振幅比、相位延迟、偏振度以及完全退偏振系数等特征参量来实现海面溢油的识别检测。利用菲涅尔反射方程验证理论模型的可靠性与精确度。根据荧光测量数据计算出荧光产率指数,在相同浓度条件下对含不同种类物质的原油媒介进行了区分。最后,讨论了该测量技术手段在卫星遥感领域内的应用价值。通过实验测量与理论推导,明确了偏振度值与媒介折射率、测量角度之间的关系。对卫星采集的海面溢油遥感光谱数据进行偏振信息的提取,分析了基于偏振遥感技术实现海面溢油检测的可行性。应用主成分分析、特征信号提取、深度学习等技术手段构建了一套基于偏振双向反射差异的识别算法来实现海面溢油的自动检测与分类。研究构建的基于偏振双向反射差异的测量技术,解决了现有海面溢油光学检测技术的难题,拓展了目标特征参量提取与分析的检测算法,开展了实验验证与应用示范的研究,可以为海面溢油的光学检测手段提供技术支持与方法参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状及发展动态分析
•     1.2.1 遥感测量技术
•     1.2.2 偏振测量技术
•   1.3 现有测量技术存在的问题
•   1.4 本文的研究内容及论文结构
• 2 偏振双向反射建模与理论基础
•   2.1 偏振光学
•     2.1.1 光波与电磁波、麦克斯韦电磁场方程
•     2.1.2 反射和折射光的偏振特性
•   2.2 双向反射分布
•     2.2.1 双向反射的测量
•     2.2.2 双向反射的模型
•   2.3 偏振辐射传输过程
•     2.3.1 辐射强度和矢量
•     2.3.2 矢量辐射传输方程
•     2.3.3 辐射传输方程的组成成分
•     2.3.4 偏振光谱辐射传输方程
•   2.4 偏振双向反射
•     2.4.1 偏振双向分布函数
•     2.4.2 偏振双向反射分布函数的测量
•   2.5 本章小结
• 3 海面溢油偏振双向反射差异检测模型及构建
•   3.1 等效光路及检测方式
•     3.1.1 偏振态的检测
•     3.1.2 方位角的检测
•     3.1.3 斯托克斯参量的检测
•     3.1.4 穆勒矩阵的检测
•   3.2 偏振特征参量的分析
•     3.2.1 路径相关矩阵的偏振特性
•     3.2.2 偏振参量分析
•     3.2.3 Mueller矩阵的散射分解
•   3.3 溢油的荧光特征分析
•     3.3.1 荧光的产生原理
•     3.3.2 荧光产率指数
•   3.4 本章小结
• 4 海面溢油偏振参量的测量与分析
•   4.1 海面散射理论
•     4.1.1 散射的基本原理
•     4.1.2 粗糙面的特性
•     4.1.3 海面电磁散射的近似方法
•   4.2 实验测量平台的构建
•     4.2.1 实验设备
•     4.2.2 光路校正
•   4.3 实验平台性能的测量
•     4.3.1 测量精度表示及大误差剔除方法
•     4.3.2 标准样品测量实验
•   4.4 溢油样品测量实验
•     4.4.1 实验目的
•     4.4.2 海面油膜测量
•     4.4.3 海面乳化油测量
•     4.4.4 海水与溢油Mueller矩阵的分解
•     4.4.5 海面溢油荧光光谱测量
•   4.5 本章小结
• 5 海面溢油偏振双向反射检测技术的应用
•   5.1 偏振遥感检测理论
•     5.1.1 遥感测量技术
•     5.1.2 偏振遥感技术
•   5.2 海面溢油遥感识别的优化算法
•     5.2.1 主成分分析
•     5.2.2 反向传播神经网络
•   5.3 海面溢油的遥感识别
•     5.3.1 室外测量实验
•     5.3.2 偏振遥感测量
•     5.3.3 海面溢油自动监测系统
•   5.4 本章小结
• 6 全文工作总结与展望
•   6.1 本文工作总结
•   6.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 徐将

导师: 钱惟贤

关键词: 偏振双向反射分布函数,穆勒矩阵,海面溢油,光学检测,荧光产率指数,遥感光谱

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 南京理工大学

分类号: X55;X834

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.000050

总页数: 148

文件大小: 9905K

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