CN102663233A - 溢油海面电磁散射的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋微波遥感技术领域，具体涉及一种溢油海面电磁散射的计算方法。一种溢油海面电磁散射的计算方法，包括如下步骤：步骤一、根据海洋环境参数和，计算清洁海面的JONSWAP频谱

；步骤二、根据溢油抑制函数，计算溢油海面的频谱

；步骤三、根据Marangoni波的色散关系和溢油海面的频谱,计算溢油海面的方向谱；步骤四、采用双尺度法，计算溢油海面的雷达后向散射系数

和

。本发明通过Marangoni波的色散关系和溢油抑制函数来求解溢油海面的方向谱；并采用双尺度近似法来计算溢油海面的雷达后向散射系数。与现有技术相比，其适用范围广、计算准确、运算量小。

Description

溢油海面电磁散射的计算方法

技术领域

本发明属于海洋微波遥感技术领域，具体涉及一种溢油海面电磁散射的计算方法。 

背景技术

海洋中蕴含着丰富的渔业资源、矿产资源、药物资源以及油气资源等，它与人类的经济活动息息相关。海洋溢油污染具有影响海域范围广、持续时间长、对海洋生物和生态环境破坏大的特点。 

在溢油监测方面，主要有直接探测和遥感探测两种方法。遥感探测主要采用电磁波的方法来区分溢油和海面，目前常用的电磁波有可见光、微波、红外、紫外及激光。合成孔径雷达(SAR，synthetic aperture radar)作为一种全天时、全天候和高分辨率微波遥感技术得到了快速发展，在溢油监测方面发挥了积极的作用，然而高虚警率问题阻碍了SAR溢油监测系统的应用，尽管已提出了许多种SAR溢油识别方法，但该问题仍未得到彻底的解决。溢油海面电磁散射是微波遥感方法探测海面溢油的物理基础，这将有助于改进溢油识别方法，从而降低SAR溢油监测系统的高虚警率。 

在溢油海面电磁散射的计算问题上，涉及到海面电磁散射和溢油对海面的影响两个方面的内容。海面电磁散射的计算方法大致分为有近似法和数值法两种。数值法具有较高的精度，但存在运算量较大的缺点。在近似法中，主要有KA法、微扰法及双尺度法。KA法适用于大起伏的粗糙面，微扰法适用于微起伏的粗糙面，而双尺度法认为海面中同时包含大尺度波和小尺度波，并且小尺度粗糙度是按照表面 大尺度粗糙度的斜率分布来倾斜的。因此，双尺度法的适用范围更广，计算结果较KA法和微扰法更准确。 

关于溢油对海面的影响方面，现有的大多数方法，如文献(N.Pinel，N.Déchamps，C.Bourlier.Modeling of the bistatic electromagnetic scattering from sea surfaces covered in oil for microwave applications[J].IEEE Trans.Geosci.Remote Sens.，2008，46(2)：385-392)，只考虑了溢油对海面频谱的影响，给出了一种溢油海面电磁散射的数值计算方法。但是在该文献中，忽略了溢油对海面方向谱的影响，也未涉及溢油海面的色散关系。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷提供一种适用于溢油海面电磁散射的近似计算，适用范围广、计算准确及运算量小的溢油海面电磁散射的计算方法。 

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案： 

本发明溢油海面电磁散射的计算方法，其特征在于包括如下步骤： 

步骤一、根据海洋环境参数和，计算清洁海面的JONSWAP频谱S(ω)； 

步骤二、根据溢油抑制函数，计算溢油海面的频谱S_oil(ω)； 

步骤三、根据Marangoni波的色散关系和溢油海面的频谱S_oil(ω)，计算溢油海面的方向谱； 

步骤四、采用双尺度法，计算溢油海面的雷达后向散射系数 

和 

本发明通过Marangoni波的色散关系和溢油抑制函数来求解溢油海面的方向谱；并采用双尺度近似法来计算溢油海面的雷达后向散射系数，其中，小尺度溢油海浪电磁散射系数采用微扰法来计算，而大尺度溢油海浪斜率的统计分布则采用 Cox-Munk溢油经验模型。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、计算准确及运算量小的优点。 

附图说明

图1是本发明方法的流程图 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明： 

如图1所示，本发明溢油海面电磁散射的计算方法，包括如下步骤： 

步骤一：根据海洋环境参数和，计算清洁海面的JONSWAP频谱S(ω)； 

JONSWAP海浪谱的表达式为 

式中，  $\mathrm{\β}=\exp [-\frac{{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_p)}^2}{{2\mathrm{\δ}}^2{\mathrm{\ω}}_p^2}],$ $\mathrm{\δ}=\left\{\begin{array}{cc}0.07& {\mathrm{\ω}}_p\≤\mathrm{\ω}\\ 0.09& {\mathrm{\ω}}_p>\mathrm{\ω}\end{array}\right.,$ ${\mathrm{\ω}}_p=7\mathrm{\π}{\left(\frac{g^{2}F}{U^3}\right)}^{-0.33},$ ω_p为谱峰值角频率，ω为海浪的角频率，γ为峰升因子，δ为峰形参量，g为引力常数，α为尺度系数，U为海面上10m处的风速，F为风区长度； 

步骤二：根据溢油抑制函数，计算溢油海面的频谱S_oil(ω)： 

溢油海面的海浪谱 

式中，q为海面溢油区域归一化因子，溢油抑制函数 $P\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1\±2\mathrm{\τ}+{2\mathrm{\τ}}^2-X+Y(X+\mathrm{\τ})}{1\±2\mathrm{\τ}+{2\mathrm{\τ}}^2-2X+{2X}^2},$ $\mathrm{\τ}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}_D}{2\mathrm{\ω}}},$ $X=\frac{{\mathrm{Ek}}^2}{\mathrm{\ρ}\sqrt{2\mathrm{\υ}{\mathrm{\ω}}^3}},$ E为油膜的弹性模量，υ为油膜的运动粘度，ω_D为溢油的特征角频率，ρ为溢油的密度，k为波数； 

步骤三：根据Marangoni波的色散关系和溢油海面的频谱S_oil(ω)，计算溢油海面的方向谱W_oil(k_m，k_n)： 

溢油海面波数进行网格离散化处理(k_m，k_n)，k_m为海面在x方向上的波数， 

m＝1，2，K，M-1，即在x方向上海面波数离散化M个点；k_n为海面在y方向上的波数， n＝1，2，K，N-1，即在y方向上海面波数离散化N个点，其中，L₁为海面在x方向的长度，L₂为海面在y方向的长度； 

计算溢油海面上每个网格点的海浪波数 

根据Marangoni波的色散关系计算角频率 

其中，η为油膜的动力粘度； 

则溢油海面的方向谱 $W_{\mathrm{oil}}(k_m,k_n)=\frac{4}{3}{\left[{\sec }^4\left(\frac{\mathrm{\π}}{8}\right)\frac{\mathrm{\ρ\η}}{E^2}\right]}^{\frac{1}{3}}{k}_{\mathrm{mm}}^{\frac{1}{3}}{S}_{\mathrm{oil}}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mm}}\right);$

步骤四：采用双尺度法，计算溢油海面的雷达后向散射系数 

和 

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oil}}^0{\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}_{\mathrm{hh}}={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\mathrm{ctg}{\mathrm{\θ}}_i}^{\∞}{(\hat{h}\·{\hat{h}}^{\′})}^4{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hh}}\left({\mathrm{\θ}}_i^{\text{'}}\right)(1+z_x\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_i)P(z_x,z_y){\mathrm{dz}}_x{\mathrm{dz}}_y$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oil}}^0{\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}_{\mathrm{vv}}={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\mathrm{ctg}{\mathrm{\θ}}_i}^{\∞}{(\hat{v}\·{\hat{v}}^{\′})}^4{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{vv}}\left({\mathrm{\θ}}_i^{\text{'}}\right)(1+z_x\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_i)P(z_x,z_y){\mathrm{dz}}_x{\mathrm{dz}}_y$

式中，θ_i，θ′_i分别表示雷达波在基准坐标系和本地坐标系中的入射角； 

分别表示基准坐标系中的单位水平，垂直极化矢量； 

分别表示本地坐标系中的单位水平，垂直极化矢量；z_x，z_y分别表示溢油海面在x，y方向上的斜率； 

σ_hh(θ′_i)，σ_vv(θ′_i)分别表示小尺度溢油海浪的雷达后向散射系数，用微扰法计算的方法为： ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hh}}\left({\mathrm{\θ}}_i^{\′}\right)=4{\mathrm{\πk}}_{\mathrm{em}}^4{\cos }^4{\mathrm{\θ}}_i^{\′}{\left|\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-1)}{{[\cos {\mathrm{\θ}}_i^{\′}+{({\mathrm{\ϵ}}_r-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i^{\′})}^{\frac{1}{2}}]}^2}\right|}^2{W}_{\mathrm{oil}}({2k}_{\mathrm{em}}\sin {\mathrm{\θ}}_i^{\′},0)$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{vv}}\left({\mathrm{\θ}}_i^{\′}\right)=4{\mathrm{\πk}}_{\mathrm{em}}^4{\cos }^4{\mathrm{\θ}}_i^{\′}{\left|\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-1)[{\mathrm{\ϵ}}_r(1+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i^{\′})-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i^{\′}}{{[{\mathrm{\ϵ}}_r\cos {\mathrm{\θ}}_i^{\′}+{({\mathrm{\ϵ}}_r-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i^{\′})}^{\frac{1}{2}}]}^2}\right|}^2{W}_{\mathrm{oil}}({2k}_{\mathrm{em}}\sin {\mathrm{\θ}}_i^{\′},0)$

式中，k_em为雷达波的波数，ε_r为溢油海表面的相对介电常数；

P(z_x，z_y)表示大尺度溢油海浪斜率的概率密度函数，采用Cox-Munk溢油经验 模型； 

$P(z_x,z_y)=\frac{J(z_x,z_y)}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_u{\mathrm{\σ}}_c}\exp [-\frac{z_x^2}{2{\mathrm{\σ}}_u^2}-\frac{z_y^2}{2{\mathrm{\σ}}_c^2}]$

${\mathrm{\σ}}_u^2=0.005+0.78\×{10}^{-3}{U}_{12.5}$

${\mathrm{\σ}}_c^2=0.003+0.8\×{10}^{-3}{U}_{12.5}$

$J(z_x,z_y)=1-\frac{0.01-0.0086U_{12.5}}{2}(\frac{z_y^2}{{\mathrm{\σ}}_c^2}-1)\frac{z_x}{{\mathrm{\σ}}_u}-\frac{0.04-0.033U_{12.5}}{6}(\frac{z_x^3}{{\mathrm{\σ}}_u^3}-3\frac{z_x}{{\mathrm{\σ}}_u})$

$+\frac{0.4}{24}(\frac{z_y^4}{{\mathrm{\σ}}_c^4}-6\frac{z_y^2}{{\mathrm{\σ}}_c^2}+3)+\frac{0.12}{4}(\frac{z_y^2}{{\mathrm{\σ}}_c^2}-1)(\frac{z_x^2}{{\mathrm{\σ}}_u^2}-1)+\frac{0.23}{24}(\frac{z_x^4}{{\mathrm{\σ}}_u^4}-6\frac{z_x^2}{{\mathrm{\σ}}_u^2}+3)$

式中，U_12.5为溢油海面上12.5m处的风速。 

Claims (5)

1.一种溢油海面电磁散射的计算方法，其特征是：它包括如下步骤，

步骤一、根据海洋环境参数和，计算清洁海面的JONSWAP频谱                                                

；

步骤二、根据溢油抑制函数，计算溢油海面的频谱

； 

步骤三、根据Marangoni波的色散关系和溢油海面的频谱

,计算溢油海面的方向谱；

步骤四、采用双尺度法，计算溢油海面的雷达后向散射系数

和。

2.根据权利要求1所述的溢油海面电磁散射的计算方法，其特征是：步骤一中JONSWAP海浪谱的表达式为

，式中，  ， 

，

，

为谱峰值角频率，

为海浪的角频率，γ 为峰升因子， 

 为峰形参量，g 为引力常数， α 为尺度系数， 

为海面上10m处的风速，

为风区长度。

3.根据权利要求1所述的溢油海面电磁散射的计算方法，其特征是：步骤二中，溢油海面的海浪谱

，式中，

为海面溢油区域归一化因子， 溢油抑制函数

， ，

，

， 

为油膜的弹性模量，

为油膜的运动粘度，

为溢油的特征角频率，

为溢油的密度，

为波数。

4.根据权利要求1所述的溢油海面电磁散射的计算方法，其特征是：步骤三中，对溢油海面波数进行网格离散化处理

，

为海面在x方向上的波数，

，即在x方向上海面波数离散化M个点；

为海面在y方向上的波数，

，即在y方向上海面波数离散化N个点，其中，

为海面在x方向的长度，为海面在y方向的长度；

计算溢油海面上每个网格点的海浪波数

 ， 根据Marangoni波的色散关系计算角频率

，其中，

为油膜的动力粘度；

则溢油海面的方向谱

。

5.根据权利要求1所述的溢油海面电磁散射的计算方法，其特征是：步骤四中，雷达后向散射系数

，

         

；

式中, ,

分别表示雷达波在基准坐标系和本地坐标系中的入射角；

，

分别表示基准坐标系中的单位水平，垂直极化矢量；

，

分别表示本地坐标系中的单位水平，垂直极化矢量；

，分别表示溢油海面在x，y方向上的斜率；

 ，

分别表示小尺度溢油海浪的雷达后向散射系数，用微扰法计算的方法为：

式中，

为雷达波的波数， 

为溢油海表面的相对介电常数；

表示大尺度溢油海浪斜率的概率密度函数，采用Cox-Munk溢油经验模型；

式中， 为溢油海面上 12.5m处的风速。

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