摘要
近年来，我国周边海域溢油事件频发，严重危害我国海洋生态环境。准确识别溢油种类是对溢油事件快速处置及准确溯源的重要依据。然而，海洋环境复杂多变，传统光电探测手段监测溢油时往往存在虚警率高、实时性差、鉴别能力低等问题，难以满足溢油精准探测识别的迫切需求。本文提出可见光与红外相结合、强度与偏振相结合的方式对海洋溢油油种进行区分。首先，基于偏振成像理论，分别推导了平静和波动水面可见光/红外偏振度解析表达式，构建了反射空间的溢油偏振度模型，通过仿真掌握了溢油表面反射光偏振度随入射角、观测角、方位角、折射率等参量的变化规律；然后，针对分焦平面偏振成像方式在溢油探测过程中产生的误差进行了分析，分析了光学系统自身偏振特性、微偏振片阵列加工误差、响应非均匀性以及系统定标过程对偏振探测的影响；并基于上述分析明确了偏振光学系统的保偏方法，减小成像系统带来的偏振测量误差，从而提升溢油识别精度。 另外，设计了一种基于分焦平面偏振探测器的可见/红外双波段共口径偏振成像光学系统，系统前端利用共口径接收，后端通过波长分光的方式同时接收溢油可见光偏振图像和长波红外偏振图像。双波段设计时保证视场匹配，便于后续图像融合处理，进一步提高溢油识别概率。设计结果表明：可见光系统调制传递函数在奈奎斯特频率71lp/mm处优于0.5，红外系统调制传递函数在奈奎斯特频率30lp/mm处优于0.3，公差分析结果表明在较宽松公差范围内系统成像质量满足实际使用需求。 最后，开展了基于分焦平面偏振探测器的偏振成像保偏实验，实现了校正后可见光强度图像对比度提高5%以上、可见光偏振度图像对比度提高7%以上、红外强度图像和偏振度图像对比度提高3%以上；在室外开展了海洋溢油多谱段偏振探测试验，实验结果表明：单纯采用可见光或红外技术只能区分部分油种，但结合偏振信息后不仅可以实现重油和轻质油的区分，还能区分不同种类轻质油。分析了溢油偏振度对比度，结果表明：各油种间的偏振度对比度普遍高于5%，油种区分效果较为明显，证明了可见光、红外和偏振多维度探测方式在海洋溢油探测方面的优势和可行性，可为传统溢油探测手段提供有效补充，对提高海洋污染治理能力具有重要意义。
NETL