船舶尾跡與尾跡氣泡光學(xué)遙感研究.pdf

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1、第29卷第3期海洋技術(shù)V01．29，No．32010年9月OCEANTECHNOLOGYSept，2010船舶尾跡與尾跡氣泡光學(xué)遙感研究張宇1，-，袁震宇3，王華2(1．海軍航空工程學(xué)院航空宇航科學(xué)與技術(shù)博士后流動(dòng)站。山東煙臺(tái)264001；2．海軍大連艦艇學(xué)院科研部，遼寧大連116018；3．海軍大連艦艇學(xué)院裝備系統(tǒng)與自動(dòng)化系，遼寧大連116018)摘要：通過(guò)研究船舶航行產(chǎn)生的三類(lèi)尾跡(表面渡尾跡、湍流尾跡、內(nèi)波尾跡)形成機(jī)制。以及深入分析尾跡的微波、熱紅外、聲學(xué)以及光學(xué)特性以及尾跡氣泡相關(guān)特征．從理論上尋求星栽光學(xué)傳感器探測(cè)艦船尾跡的適用性依據(jù)，滿(mǎn)足充分挖掘衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)海洋應(yīng)用能力的目

2、的。結(jié)論認(rèn)為現(xiàn)實(shí)條件下運(yùn)用星栽合成孔徑雷達(dá)最適合監(jiān)測(cè)船舶尾跡。星戢熱紅外傳感器不適合探測(cè)船舶尾跡。而星栽光學(xué)傳感器作為一種重要的補(bǔ)充手段有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：光學(xué)遙感；水體光譜；船舶尾跡；氣泡中圖分類(lèi)號(hào)：P71．P73文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003—202912010)03珈82-051引言在海洋中航行的水面艦船。由于船體表面與海水的摩擦、螺旋槳的擾動(dòng)以及船體產(chǎn)生的表面興波的影響，從船首開(kāi)始到離船尾很遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)都將形成一條清晰可辨的痕跡，通常稱(chēng)之為艦船尾跡。由于艦船尾跡中含有豐富的物理、微波、紅外、聲學(xué)以及光學(xué)特征，因此可以通過(guò)這些特征對(duì)水面艦艇進(jìn)行大范圍、高精度、大信息量的遙感監(jiān)測(cè)

3、。而在軍事應(yīng)用方面．獲取艦船尾跡信息在某種程度上比獲取船目標(biāo)本身信息更為重要和容易，因?yàn)閱蝹€(gè)目標(biāo)可能易于偽裝(比如釋放角反射體模擬船目標(biāo)微波反射特征)，但對(duì)于空間范圍遠(yuǎn)大于船體尺寸的尾跡，目前來(lái)說(shuō)，還難以辦到。因此，獲取船舶尾跡信息在某種意義上來(lái)說(shuō)比探測(cè)船目標(biāo)本身要更容易且更具有應(yīng)用價(jià)值。2尾跡形成機(jī)制艦船尾跡雖然在不同傳感器中反映的信息以及形態(tài)不一．但按照其形成機(jī)制一般可分成表面波尾跡、湍流尾跡、內(nèi)波尾跡等三類(lèi)。2．1表面波尾跡表面波尾跡主要是由于船只產(chǎn)生的發(fā)散波(又稱(chēng)尖波)與海面橫向波相互作用而形成。此種尾跡由兩個(gè)子類(lèi)組成，一類(lèi)是窄“V”字形尾跡．該型尾跡幾何形狀與傳統(tǒng)的由移動(dòng)壓力點(diǎn)

4、引起的離散與橫向波所組成的Kelvin尾跡形狀有著收稿日期：2010—06-28基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20080440220)作者簡(jiǎn)介：張宇(1975一)．男。湖南祁東人，海軍航空工程學(xué)院在站博士后。主要從事衛(wèi)星遙感應(yīng)用研究。明顯的不同，其能夠在SAR圖像中成像應(yīng)該歸因于水面船只生成相對(duì)短的波引起的Bragg散射；另一類(lèi)是典型Kelvin波，其由較之前一類(lèi)要長(zhǎng)的重力波組成。沿著船舶的航跡線(xiàn)產(chǎn)生的波結(jié)構(gòu)相干形成兩個(gè)渡陣面集。這兩個(gè)波陣面集構(gòu)成Kelvin尾跡系統(tǒng)【l】o2．2湍流尾跡當(dāng)有足夠粗糙海面作背景的情況下．由于船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)船體邊緣所產(chǎn)生的水平方向旋渦以及湍流尾跡的凈后

5、向流抑制了船只航跡線(xiàn)附近的表面波，并且使這片平滑區(qū)域邊緣的波得到加強(qiáng)．從而形成在SAR圖像中顯現(xiàn)為一條稍寬的帶有一邊或兩邊亮線(xiàn)的暗區(qū)域．這就是船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的湍流尾跡。而能被光學(xué)傳感器探測(cè)到的含氣泡尾跡主要集中在這片區(qū)域。2．3內(nèi)波尾跡船舶內(nèi)波尾跡的生成主要是因?yàn)榇贿\(yùn)動(dòng)生成內(nèi)波所產(chǎn)生的海表層流與風(fēng)致短波的相互作用。而出現(xiàn)強(qiáng)而淺的密度躍層時(shí)，船體本身的偏移以及船體的兩側(cè)產(chǎn)生的旋渦也可產(chǎn)生內(nèi)波嘲。船體生成的內(nèi)波尾跡引起了位移．這些位移表明有表層水流存在，并且水流與小尺度表面波相互作用導(dǎo)致海表粗糙度發(fā)生變化，使某些傳感器(如SAR、立體成像光學(xué)傳感器)能檢測(cè)到這些作用效果。3尾跡氣泡形成機(jī)制船

6、尾跡在目視情況下是呈一條帶有海表泡沫以及水淹氣泡的條紋，由于氣泡表面的自然附著性，它們會(huì)吸收其他微粒和有機(jī)質(zhì)附著在它的表面并推遲氣泡破碎的時(shí)間囹．當(dāng)氣泡在海面破碎后會(huì)釋放出附著在它們表面的微粒和有機(jī)質(zhì)，從而形成海表的表面活化膜。表面活化膜能夠劇烈改變短重力毛細(xì)波的傳播，湍流尾跡通過(guò)附在海表的表面活化膜而抑制了海表面的毛細(xì)波和小尺度重力波使海水表面變得第3期張字，等：船舶尾跡與尾跡氣泡光學(xué)遙感研究83非常光滑網(wǎng)。從而對(duì)SAR與光學(xué)傳感器的工作波段都能造成影響。針對(duì)艦船航行時(shí)產(chǎn)生的含氣泡尾跡．我們?cè)诓煌w中實(shí)施觀(guān)測(cè)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：在沿岸極度混濁水體中，由于氣泡表面附著物的影響．波浪破碎以及螺旋

7、槳旋轉(zhuǎn)引起的尾跡氣泡上浮到水表面后長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)破碎而呈海表泡沫狀持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，而在其它水體，無(wú)論船只大小、航速如何變化，船只后方呈自浪、白泡云、氣泡沫等狀態(tài)的尾跡長(zhǎng)度一般不超過(guò)100m．之后能在更遠(yuǎn)距離上影響水體反射率的則是螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的水下一定深度內(nèi)的氣泡(也就是水淹氣泡)[sl?？傮w而言．尾跡中的氣泡是由以下幾種情況產(chǎn)生的：a．艦船螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的空化作用．b．艦船船首波與船尾波的破碎；c．船體周?chē)牧鬟吔鐚拥墓鼟?/p>