船舶尾迹与尾迹气泡光学遥感研究.pdf

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1、第29卷第3期海洋技术V01．29，No．32010年9月OCEANTECHNOLOGYSept，2010船舶尾迹与尾迹气泡光学遥感研究张宇1，-，袁震宇3，王华2(1．海军航空工程学院航空宇航科学与技术博士后流动站。山东烟台264001；2．海军大连舰艇学院科研部，辽宁大连116018；3．海军大连舰艇学院装备系统与自动化系，辽宁大连116018)摘要：通过研究船舶航行产生的三类尾迹(表面渡尾迹、湍流尾迹、内波尾迹)形成机制。以及深入分析尾迹的微波、热红外、声学以及光学特性以及尾迹气泡相关特征．从理论上寻求星栽光学传感器探测舰船尾迹的适用性依据，满足充分挖掘卫星遥感监测海洋应用能力的目

2、的。结论认为现实条件下运用星栽合成孔径雷达最适合监测船舶尾迹。星戢热红外传感器不适合探测船舶尾迹。而星栽光学传感器作为一种重要的补充手段有着独到的优势。关键词：光学遥感；水体光谱；船舶尾迹；气泡中图分类号：P71．P73文献标识码：A文章编号：1003—202912010)03珈82-051引言在海洋中航行的水面舰船。由于船体表面与海水的摩擦、螺旋桨的扰动以及船体产生的表面兴波的影响，从船首开始到离船尾很远的区域内都将形成一条清晰可辨的痕迹，通常称之为舰船尾迹。由于舰船尾迹中含有丰富的物理、微波、红外、声学以及光学特征，因此可以通过这些特征对水面舰艇进行大范围、高精度、大信息量的遥感监测

3、。而在军事应用方面．获取舰船尾迹信息在某种程度上比获取船目标本身信息更为重要和容易，因为单个目标可能易于伪装(比如释放角反射体模拟船目标微波反射特征)，但对于空间范围远大于船体尺寸的尾迹，目前来说，还难以办到。因此，获取船舶尾迹信息在某种意义上来说比探测船目标本身要更容易且更具有应用价值。2尾迹形成机制舰船尾迹虽然在不同传感器中反映的信息以及形态不一．但按照其形成机制一般可分成表面波尾迹、湍流尾迹、内波尾迹等三类。2．1表面波尾迹表面波尾迹主要是由于船只产生的发散波(又称尖波)与海面横向波相互作用而形成。此种尾迹由两个子类组成，一类是窄“V”字形尾迹．该型尾迹几何形状与传统的由移动压力点

4、引起的离散与横向波所组成的Kelvin尾迹形状有着收稿日期：2010—06-28基金项目：中国博士后科学基金资助项目(20080440220)作者简介：张宇(1975一)．男。湖南祁东人，海军航空工程学院在站博士后。主要从事卫星遥感应用研究。明显的不同，其能够在SAR图像中成像应该归因于水面船只生成相对短的波引起的Bragg散射；另一类是典型Kelvin波，其由较之前一类要长的重力波组成。沿着船舶的航迹线产生的波结构相干形成两个渡阵面集。这两个波阵面集构成Kelvin尾迹系统【l】o2．2湍流尾迹当有足够粗糙海面作背景的情况下．由于船舶运动时船体边缘所产生的水平方向旋涡以及湍流尾迹的净后

5、向流抑制了船只航迹线附近的表面波，并且使这片平滑区域边缘的波得到加强．从而形成在SAR图像中显现为一条稍宽的带有一边或两边亮线的暗区域．这就是船舶运动产生的湍流尾迹。而能被光学传感器探测到的含气泡尾迹主要集中在这片区域。2．3内波尾迹船舶内波尾迹的生成主要是因为船只运动生成内波所产生的海表层流与风致短波的相互作用。而出现强而浅的密度跃层时，船体本身的偏移以及船体的两侧产生的旋涡也可产生内波嘲。船体生成的内波尾迹引起了位移．这些位移表明有表层水流存在，并且水流与小尺度表面波相互作用导致海表粗糙度发生变化，使某些传感器(如SAR、立体成像光学传感器)能检测到这些作用效果。3尾迹气泡形成机制船

6、尾迹在目视情况下是呈一条带有海表泡沫以及水淹气泡的条纹，由于气泡表面的自然附着性，它们会吸收其他微粒和有机质附着在它的表面并推迟气泡破碎的时间囹．当气泡在海面破碎后会释放出附着在它们表面的微粒和有机质，从而形成海表的表面活化膜。表面活化膜能够剧烈改变短重力毛细波的传播，湍流尾迹通过附在海表的表面活化膜而抑制了海表面的毛细波和小尺度重力波使海水表面变得第3期张字，等：船舶尾迹与尾迹气泡光学遥感研究83非常光滑网。从而对SAR与光学传感器的工作波段都能造成影响。针对舰船航行时产生的含气泡尾迹．我们在不同水体中实施观测试验时发现：在沿岸极度混浊水体中，由于气泡表面附着物的影响．波浪破碎以及螺旋

7、桨旋转引起的尾迹气泡上浮到水表面后长时间不会破碎而呈海表泡沫状持续相当长的时间，而在其它水体，无论船只大小、航速如何变化，船只后方呈自浪、白泡云、气泡沫等状态的尾迹长度一般不超过100m．之后能在更远距离上影响水体反射率的则是螺旋桨高速旋转产生的水下一定深度内的气泡(也就是水淹气泡)[sl。总体而言．尾迹中的气泡是由以下几种情况产生的：a．舰船螺旋桨高速旋转下产生的空化作用．b．舰船船首波与船尾波的破碎；c．船体周围湍流边界层的裹挟