海面溢油紫外推扫相机航空遥感监测校飞结果分析*1*1

尹达一，周 青,2，黄小仙，张 燕，李向阳

(1. 中国科学院 上海技术物理研究所，上海 200083； 2. 中国科学院大学，北京 100039)

海面溢油紫外推扫相机航空遥感监测校飞结果分析*1*1

尹达一1，周 青1,2，黄小仙1，张 燕1，李向阳1

(1. 中国科学院 上海技术物理研究所，上海 200083； 2. 中国科学院大学，北京 100039)

海面溢油是最常见的海洋污染物之一，对这类污染进行遥感监测并做出早期快速预报十分重要。研制并验证一种新型的紫外航空遥感推扫成像的方法：在2008年紫外氮化镓(GaN)基512元线列阵探测器关键技术获得突破的基础上，于2009年研制成功一台推扫成像的紫外原理样机(包含2个可见光波段)，紫外波段的瞬时视场角500 μrad，视场角15°，在一个标准太阳常数下信噪比不小于2 500。在黄海日照近岸海域完成的航空校飞表明，海面溢油目标的紫外推扫图像清晰可辨，达到相机预期设计的全部技术指标，成功验证紫外GaN基线列探测推扫成像技术的可行性；还表明高探测灵敏度的紫外推扫成像技术能够适用于监测海面溢油的薄油膜污染，为未来航空甚至空间平台条件下监测海洋以及内陆水体的溢油污染提供一种新型的光学遥感探测手段。

紫外(UV)；海面溢油；氮化镓(GaN)；推扫成像技术；航空校飞

随着海洋运输业和海洋石油开采业的迅猛发展，时有船舶(特别是油轮)碰撞、翻沉，海底油田开采泄露或井喷等事故发生，严重污染海洋环境，对海洋生态圈形成了严重威胁甚至灾难。近年来，各国都把利用遥感技术及时、准确、全面地监测海面溢油污染,积极采取海面溢油预防措施保护海洋环境，作为刻不容缓的重要任务。国际上现有的海面溢油遥感手段主要分为5类：可见光遥感、红外遥感、微波遥感、激光荧光遥感和紫外扫描型遥感。主要缺陷在于一方面是对于海面溢油初期形成的薄油膜没有特别有效的发现手段；另一方面是遥感器空间分辨率比较低而且探测灵敏度不高，从而导致污染源不能够在早期被发现，往往在污染面积非常大时才能被探测到，使得救援队错过最佳控制时机，从而造成比较大的生态污染事件和经济损失。遥感技术发展显示，空间成像遥感器已经向高空间分辨率、高探测灵敏度方向发展，以往的光机扫描加单元探测器型遥感方式所能达到的性能已经不能完全满足海面溢油监测的迫切需求，应该寻求更加先进的对地遥感成像技术途径，以便满足未来的海面溢油污染监测应用需求。需要研究的新型光电遥感技术手段应对海面溢油污染开展更为有效的监测，尤其是对其早期快速预报具有十分重要的应用价值。

1 海面溢油的紫外反射特性

紫外探测技术是继可见、红外、微波和激光探测技术之后发展起来的新型光电探测技术，日益引起遥感领域研究人员的重视。研究表明[1]，绝大部分工业油品在紫外波段均有比水高的反射率，利用此特性进行紫外光电遥感探测主要应用在监测河道、近岸河口、海岸带甚至远海的海面溢油污染，还可以监视船舶偷排压舱水的航迹，为海洋执法提供确凿依据。2009年，中国科学院上海技术物理研究所方四安[2]对海面溢油组份的4种典型模拟目标(汽油、煤油、柴油、润滑油)的紫外波段反射光谱特性进行了测试。采用给定紫外反射率的标准白板作为参考源，通过实验数据的处理和分析，得到4种模拟目标的紫外波段的绝对光谱反射率，并和同样实验环境下测得的水反射率进行了对比。结果表明，油膜在紫外波段的反射率和水存在较为明显的差异，差异值主要根据油种和油膜厚度决定(图1)。据此进行海面溢油紫外遥感监测。

图1 4种典型油膜和水的反射率比较(厚度：400 μm)Fig.1 Comparison of reflectivity between 4 kinds of classical oil films and water (Thickness: 400 μm)

2 推扫成像技术和信噪比计算

2.1推扫成像技术

推扫成像技术是一种探测器自扫描的成像方法。与物方扫描成像方法(如在探测器前采用光学机械扫描镜)的成像机制不同，推扫成像模式下整幅空间的场景是通过两维获取完成的，一维是探测器光电扫描，另一维则通过平台的运动完成，如转台、飞机或者卫星平台等。推扫成像技术主要具有3个优点： 1)驻留时间可获得有效增加； 2)同样入射条件下，可以有效提高成像系统的信噪比； 3)有利于减轻成像系统的重量和体积。因此，在紫外波段光照能量相对较弱的情况下，推扫成像技术将是一种很好的解决方案。

2.2 成像系统信噪比计算

根据光电遥感探测的基本理论，计算太阳光照条件下成像系统输入能量关系公式：

(1)

式中，PD是输入能量，D0为镜头口径，E(λ)为等效输入光谱辐亮度，λ为波长，θz为太阳高度角，Ω为探测器瞬时视场角，τ0为光学透过效率，τa为大气透过效率，τf为光学滤光片透过效率，ρ为目标反射率。

结合式(1)，成像系统的信噪比(SNR)计算公式：

(2)

式(2)中，D*为探测器的探测率，Ad为探测器面积，Δf为电路带宽，与成像时的积分时间有关。

3 紫外推扫相机原理样机

3.1 紫外氮化镓(GaN)基线列探测器

紫外GaN基探测器与其它类型的紫外探测器相比具有许多优点，如热传导性、热稳定性、化学惰性、击穿电场等。通过调节紫外GaN基材料的不同组份控制紫外辐射的响应波段，优势在于避免使用透过效率和紫外带外抑制比偏低的紫外光学薄膜滤光片。该优点可使紫外成像系统降低对紫外光学薄膜滤光片的难度要求，并且它不需要制冷器来减小暗电平噪声，使紫外遥感成像更灵活和高效。目前，GaN材料是应用于紫外线光电探测领域的最有前途的材料之一。由于异质结的结构容易由氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)合成，这使得它在制造复杂的结构器件上具有的很大优势[3-7]。

2008年底，中国科学院上海技术物理所在国内率先研制成功了紫外GaN基512元长线列阵探测器[8]。我们使用的GaN基512元紫外线列阵探测器的光谱响应曲线和实物分别见图2和图3。并将徐冲[9]等研制的低噪声探测器驱动和信号获取技术也成功地集成到了紫外可见推扫相机原理样机中。

图2 紫外探测器光谱响应Fig.2 Spectral response of UV detector

图3 紫外(UV)GaN基512元探测器Fig.3 Photograph of the UV GaN-based 512-pixel linear array detector

3.2 可见线列探测器

紫外可见推扫相机中集成了2个可见光波段用来做背景匹配和性能对比，可见光线列探测器选用的是美国PerkinElmer公司的PL1024-PAQ[10]。光谱范围为200～1 000 nm，在紫外波段有较好的光谱响应，40 MHz读出速率，动态范围达2 500∶1，像元大小为14 μm×14 μm，100%的填充因子，并具有极低的成像滞后效应。光谱响应率曲线和线列CCD实物如图4和图5所示。

图4 1024像元线列CCD光谱响应率和量子效率曲线Fig.4 Spectral responsivity and quantum efficiency ofthe 1024-pixel CCD Linear Detector

图5 1024像元线列CCD实物图Fig.5 Photograph of the 1024-pixel CCD Linear Detectors

3.3 光学系统

GaN基紫外可见推扫相机紫外波段的光学模块是经ZEMAX光学软件设计，由8个光学透镜组成。光学基本参数： 1)光谱范围为300～370 nm，采用紫外增强镀膜技术；2)焦距为100 mm；3)入瞳口径为47 mm；4)视场角(2ω)为15°；5)F数为2.1；6)光学系统传递函数(MTF)优于0.97；7)斑点图优于0.2像素；8)光学效率优于0.55。光学部件材料采用的是紫外熔石英和氟化钙。

2个可见光波段采用常用的商业光学镜头，口径为27 mm，F数为1.8，光谱范围为250～900 nm。2个可见光波段分别采用了可见窄带光学薄膜滤波片进行光谱分离，绿光波段滤光片的光谱范围是(565±10) nm，红光波段的光谱范围是(670±10) nm，光谱响应曲线如图6和图7所示。

图6 绿光波段光学薄膜光谱响应曲线Fig.6 Spectral response curve of the optical thin-film at the green-light band

图7 红光波段光学薄膜光谱响应曲线Fig.7 Spectral response curve of the optical thin-film at the red-light band

整个相机系统的电子学和信号处理单元主要包括非均匀性校正和低噪声处理单元(探测器读出时序模块、数据获取模块、数据格式编排模块、相关双采样技术、差分处理和电路滤波技术)。相机数据通过USB接口传送，在计算机上完成数据恢复和图像重建。

3.4 紫外可见推扫相机原理样机

2009-08集成了紫外波段和2个可见光波段的推扫相机原理样机由中国科学院上海技术物理研究所研制完成。原理样机实物如图8所示，主要指标参数见表1。

图8 紫外可见推扫相机原理样机Fig.8 A prototype of UV and visible-light push-broom camera

表1 紫外可见推扫相机参数Table 1 Parameters of the UV and visible-light push-broom camera

4 海面溢油航空校飞验证

2009-09下旬，我们将紫外可见推扫相机原理样机搭载在飞机上，在中国黄海日照近岸海域进行了海面溢油污染监测航空校飞。试验中使用我国自行生产的“运-12”海监飞机作为校飞平台。该机采用双发、上单翼、剪切翼、单垂尾和固定式前三点起落架的总体布局，具有续航能力强、空中飞行灵活机动、稳定性好、安全可靠等特点。飞机主要参数(航高：3 km；巡航速度：180～260 km；载重：5 t)。

4.1 积分球定标

在航空校飞前，完成实验室条件下的紫外可见推扫相机的定标工作。采用美国Labsphere公司的USS6500积分球作为定标源，图9显示了USS6500积分球和太阳光谱能量分布曲线。

整个定标过程：

1)根据光谱响应函数和光源能量，分别计算相机在太阳和USS6500光源下的紫外UV/绿光/红光波段的入瞳能量；

2)通过打开和关闭积分球内灯盏改变紫外UV/绿光/红光波段的输入能量，同时获取相机的相应输出信号；

3)使用上述数据，计算出每个像元的噪声等效反射率差；

4)根据以上的定标数据结果和图像数据，进一步获取紫外推扫相机对海面溢油目标、海水和船舶等不同目标的等效反射率下的入射能量。

通过积分球定标，在紫外波段、绿光波段和红光波段的有效积分时间分别为2.5 ms，0.5 ms，0.5 ms条件下，确定紫外可见推扫相机的噪声等效反射率差参数分别为0.032%，0.122%，0.182%。

图9 太阳光谱和USS6500积分球光谱能量分布Fig.9 Energy distributions of the solar spectrum and the USS6500 integration sphere spectra

4.2 航空校飞试验验证

为验证紫外推扫相机监测海面溢油应用目标的可行性， 2009-09-20—30选择日照良好、中午12：00—14：00的少云天气，在中国黄海日照近海海域进行航空校飞试验。整个实验过程中，飞机完成了16次海面溢油目标倾倒海域的来回航行覆盖。试验海域确定为码头集中、油货船运输频繁的山东省日照港海域，地理范围和日照港飞行海域如图10所示。校飞过程中，布油小组需要在规定时间到达指定海域，并且在收到机组人员指令后，在赶往目标地点海域(地理坐标：119°32′40″E,35°21′18″N)布油。校飞小组需要指示飞行员在规定时间到达布油目标海域，找到布油船只，获取校飞数据。

图10 日照港飞行海域图Fig.10 The sea area for aviation verification at the Rizhao Port

试验中相机和实验设备装载在飞行高度800m、时速180～220 km/h的飞机上。在规定海域采用2艘船协同工作，一艘船布置海面溢油模拟目标，另一艘船喷洒分散剂保证油面平滑。采用船上自带GPS导航系统进行定位，通过无线电与飞机联系确定溢油位置。通过GPS导航，飞机在原油倾倒规定海域上空进行相机航空校飞(图11)。试验过程中采用汽油、柴油、润滑油和煤油的混合油作为海面溢油模拟目标源，盛放在容器当中，体积0.4 m×0.2 m×0.1 m(容量0.008 m3)。

图11 航空校飞飞行航迹Fig.11 The flight path of the aviation verification

4.3 海面溢油目标成像结果

此次航空校飞试验中首次采用紫外GaN线列阵推扫成像技术成功获取了海面溢油的航空紫外图像(图12)，从紫外波段能够清晰看到溢油区域，对通过紫外GaN推扫技术探测海面溢油目标的可行性和有效性进行了实际验证。

图12 紫外、可见单波段及融合波段的航空校飞图像Fig.12 Airborne images obtained at single band and fusion bands of UV and visible light

5 分析与讨论

从紫外波段图像可以很清晰地看到海面溢油污染情况，即布置溢油目标船只的GPS数据与溢油区域数据吻合(图12)。可见光波段1-绿光波段和可见光波段2-红光波段图像在油面区域的图像与海水背景差别不大。为了方便数值方法比较，对圈定区域中部分区域原始图像根据紫外/绿光/红光分别进行数值分析，结果见图13。

图13 航空校飞子图像Fig.13 Airborne validation and calibration sub-images

紫外波段、绿光波段、红光波段每幅子图像素大小为433×433，成像时飞机高度为800 m，平均飞行速度55 m/s，空间分辨率0.2 m×0.2 m，子图区域86.6 m×86.6 m。为便于比较紫外波段与其它波段在海面溢油探测的不同，选用各个波段参考坐标点(X:358,Y:101)的图像值，采用校正方式进行数值2D和3D处理。

试验数据计算分析结果：1)在紫外波段能够清晰识别出海面溢油模拟目标，而在绿光波段和红光波段，海面溢油目标特性不十分明显。2)紫外波段溢油估算面积约为80 m2，用试验中盛满混合油容器的体积值与之相除，可以估算出试验过程中的海面油膜平均厚度约为100 μm。3)紫外波段与海水的反差要比绿光波段和红光波段分别与海水的反差要高2倍左右。以上分析结果与海面溢油模拟特性数据(图1)的符合性好，表明采用紫外推扫成像技术针对极薄型海面溢油油膜开展高灵敏度探测是可行性和有效的。

6 结 论

国际上现有海面溢油遥感监测，对海面溢油初期形成的薄油膜发现手段有限、空间分辨率比较低且探测灵敏度不足，从而导致污染源不能够被早期发现。我们研究并验证了一种新型的针对海面溢油进行紫外航空遥感推扫成像的方法，并通过航空遥感监测试飞进行了可行性和有效性验证。航空校飞结果表明，海面溢油目标的紫外推扫图像清晰可辨，达到相机预期设计的主要技术指标，成功验证了紫外GaN基线列探测推扫成像技术的可行性。该相机的特点在于紫外探测波段的选择是由紫外探测器材料的组份所决定，系统紫外透过率以及系统探测灵敏度高，结构简洁，体积小、重量轻，适合今后在航空和空间平台上使用。该项技术表明高探测灵敏度的紫外推扫成像技术能够适用于监测海面溢油的薄油膜污染，对海洋遥感技术的发展具有十分重要的意义，并为未来航空甚至空间平台条件下监测海洋以及内陆水体的溢油污染提供了一种新型的光学遥感探测手段。

致谢：国家海洋局北海分局北海航空支队大力协助，中国科学院匡定波院士，中国科学院上海技术物理研究所冯鑫、刘宝丽、郑庚等和徐冲、方四安、钱炜峰、黄星、黄玉婷等研究生协助。

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AnalysisofExperimentalResultsFromAirborneRemoteSensingMonitoringofOceanicOilSpillbyUsingUltravioletPush-BroomCamera(UPC)

YIN Da-yi1, ZHOU Qing1,2, HUANG Xiao-xian1, ZHANG Yan1, LI Xiang-Yang1

(1.ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciences, Shanghai 200083, China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences, Beijing 100039, China)

The oil spill in the sea is one of the most common marine pollutions. It is very important to monitor such kind of pollution by remote sensing and to give a forecast rapidly and as early as possible. For this purpose, a new method of airborne remote sensing ultraviolet push-broom imaging is proposed and verified for monitoring the oil spill in the sea. On the basis of the breakthrough of ultraviolet GaN-based 512-pixel linear array detector achieved in 2008, a set of ultraviolet push-broom prototype camera (including two visible light bands) was successfully developed in 2009. This camera has an instantaneous viewing angle of 500 μrad and a viewing angle of 15°, and its SNR is not less than 2 500 under the condition of a standard solar constant. The aviation verification carried out in the Rizhao coastal waters in the Yellow Sea shows that the ultraviolet push-broom images of the oil spill targets are clear and distinguishable, indicating that all the main technical specifications pre-designed for the camera have been achieved and the feasibility of push-broom imaging technology by using the ultraviolet GaN-based 512-pixel linear array detector has been verified. It is also indicated that the high-sensitive ultraviolet push-broom imaging technology can be applied to the monitoring of thin oil spill pollutions in the sea. This technique would provide a new optical remote sensing approach for the future airborne or even spatial monitoring of the oil spill pollution in the sea and/or in the inland waters.

ultraviolet (UV); oil spill in the sea; gallium nitride(GaN); push-broom imaging technology; aviation verification

March 8, 2013

2013-03-08

国家自然科学基金——对海洋溢油污染进行星载遥感探测的新途径(40776100)；中国科学院上海技术物理研究所三期知识创新工程战略性项目——紫外推扫相机技术研究(A5-O770280F00)

尹达一(1976-)，男，河南开封人，博士，研究员，主要从事空间紫外成像和光谱技术、空间光电遥感精密机械和自动控制、空间高精度稳像控制技术、信息获取及处理等前沿技术方面研究.E-mail：yindayi@mail.sitp.ac.cn

(高 峻 编辑)

X55；TP752

A

1671-6647(2014)02-0239-10