CN113567352B - 一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法及装置。其中，该方法包括：获取预设条件数据；根据所述预设条件数据，选择海洋溢油检测配置；将所述海洋溢油检测配置采集到的数据传输至海洋偏振镜，生成海洋溢油数据；将所述海洋溢油数据进行输出。本发明解决了现有技术中的海洋溢油检测无法去除海面反射中天空辐射的影响，经过海面或油膜反射的天空光，本身带有油膜的特性，而来自于海洋油膜散射的光很少，因此散射的溢油检测精度很低的技术问题。

Description

一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及海洋光学特性测试领域，具体而言，涉及一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法及装置。

背景技术

随着智能化科技的不断发展，人们的生活、工作、学习之中越来越多地用到了智能化设备，使用智能化科技手段，提高了人们生活的质量，增加了人们学习和工作的效率。

海洋溢油检测中较为重要的是，去除海面反射中天空辐射的影响，只得海洋散射光。经过海面或油膜反射的天空光，本身带有油膜的特性，而来自于海洋油膜散射的光很少，因此采用传统散射的溢油检测精度很低。此外太阳和天空在不同季节、时段、天气条件下，其辐射值不同，经过不同的浪高、观察方向、观察距离，最后反射到探测器中的值也不尽相同。直观的，正对太阳时在海洋检测中存在大量的耀斑，严重影响到溢油的检测。

偏振是光学中另一维参量，能够提供传统的强度、光谱等所不能提供信息。偏振能够反映海面浪纹的变化，溢油、海水的理化属性，对环境光十分敏感。在溢油检测中，一是气象条件，偏振随太阳、云层、角度等的变化而变化；二是海浪条件，海浪在不同时刻、不同风强等的变化而变化；此外，偏振探测器的姿态、距离、视场等，也会影响到探测的结果。为了能够在复杂的气象和海浪条件下，实现对海洋表面物的精确检测，需要太阳及天空的偏振辐射度值、不同海水或油膜的偏振反射或离水辐射值。本申请设计了一种半球空域偏振态检测装置和海面偏振成像装置、离水和近镜面偏振算法，可实现复杂条件下高精度的海洋油膜的反演。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法及装置，以至少解决现有技术中的海洋溢油检测无法去除海面反射中天空辐射的影响，经过海面或油膜反射的天空光，本身带有油膜的特性，而来自于海洋油膜散射的光很少，因此散射的溢油检测精度很低的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法，包括：获取预设条件数据；根据所述预设条件数据，选择海洋溢油检测配置；将所述海洋溢油检测配置采集到的数据传输至海洋偏振镜，生成海洋溢油数据；将所述海洋溢油数据进行输出。

可选的，所述预设条件数据包括：气象条件、试验目的、试验条件。

可选的，所述海洋溢油检测配置包括：天空辐射软件、天空光度计、天空偏振镜。

可选的，所述根据所述预设条件数据，选择海洋溢油检测配置包括：当所述预设条件数据满足第一条件时，选择所述天空辐射软件；当所述预设条件数据满足第二条件时，选择所述天空光度计；当所述预设条件数据满足第三条件时，选择所述天空偏振镜。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测装置，包括：获取模块，用于获取预设条件数据；选择模块，用于根据所述预设条件数据，选择海洋溢油检测配置；生成模块，用于将所述海洋溢油检测配置采集到的数据传输至海洋偏振镜，生成海洋溢油数据；输出模块，用于将所述海洋溢油数据进行输出。

可选的，所述预设条件数据包括：气象条件、试验目的、试验条件。

可选的，所述海洋溢油检测配置包括：天空辐射软件、天空光度计、天空偏振镜。

可选的，所述选择模块包括：第一选择单元，用于当所述预设条件数据满足第一条件时，选择所述天空辐射软件；第二选择单元，用于当所述预设条件数据满足第二条件时，选择所述天空光度计；第三选择单元，用于当所述预设条件数据满足第三条件时，选择所述天空偏振镜。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种非易失性存储介质，所述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时控制非易失性存储介质所在的设备执行一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电子装置，包含处理器和存储器；所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器用于运行所述计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令运行时执行一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法。

在本发明实施例中，采用获取预设条件数据；根据所述预设条件数据，选择海洋溢油检测配置；将所述海洋溢油检测配置采集到的数据传输至海洋偏振镜，生成海洋溢油数据；将所述海洋溢油数据进行输出的方式，解决了现有技术中的海洋溢油检测无法去除海面反射中天空辐射的影响，经过海面或油膜反射的天空光，本身带有油膜的特性，而来自于海洋油膜散射的光很少，因此散射的溢油检测精度很低的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明实施例，提供了一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法的方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

图1是根据本发明实施例的一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，获取预设条件数据。

步骤S104，根据所述预设条件数据，选择海洋溢油检测配置。

步骤S106，将所述海洋溢油检测配置采集到的数据传输至海洋偏振镜，生成海洋溢油数据。

步骤S108，将所述海洋溢油数据进行输出。

可选的，所述预设条件数据包括：气象条件、试验目的、试验条件。

可选的，所述海洋溢油检测配置包括：天空辐射软件、天空光度计、天空偏振镜。

可选的，所述根据所述预设条件数据，选择海洋溢油检测配置包括：当所述预设条件数据满足第一条件时，选择所述天空辐射软件；当所述预设条件数据满足第二条件时，选择所述天空光度计；当所述预设条件数据满足第三条件时，选择所述天空偏振镜。

本发明实施例的技术目的在于得到海面的反射和海洋的散色，提高溢油测试精度。因此为实现上述目的，本发明实施例依据预设条件数据，即气象条件、时间和精度要求不同，可分别采用半球空域辐射特性软件、天空光度计、天空偏振镜来采集用于海洋溢油检测的参数数据，并根据偏振天空光的分布、海洋浪纹的曲率、海洋偏振相机的参数，求得海面的反射和海洋的散射，进而求得海洋溢油的参数。其中，半球空域辐射特性软件、天空光度计、天空偏振镜可以包括如下构成：

(1)天空辐射软件，根据站点信息，如精度、维度、高程；观测信息，如时间，可得太阳天顶角、方位角；波段设置，可设置单独的波段，也可设置波段范围；气溶胶光学厚度、Angstorm指数，或者能见度、天气类型；地表的返照率、气溶胶类型等，就可以生成偏振图I、Q、U，及DOLP、AOP。

需要说明的是，天空辐射软件包括散射计算和矢量辐射传输计算。散射计算：将不同气溶胶粒子微观特性参数，包括气溶胶粒子复折射指数实部和虚部、半径、形状、粒子尺度谱分布、粒子形状谱分布，输入到散射计算模块，得到光学特性参数，包括消光效率因子、散射效率因子、单次散射反照率、散射相函数矩阵、相函数展开系数。其中球形粒子采用Mie散射计算；尺度参数较小的非球形粒子采用T矩阵；尺度参数较大的非球形粒子采用改进几何光学方法IGOM近似计算。矢量辐射传输模拟：采用高分辨率矢量辐射传输模型SCIATRAN进行模拟计算，方法为离散坐标法。在气溶胶模拟方面可以与Mie散射、T矩阵模块等很好地衔接，能改变粒子光学厚度、单次散射反照率、不对称因子、消光系数等参数，还可以直接输入散射相矩阵的展开系数，充分满足模拟不同气溶胶对天空光偏振角影响的需要。其特点包括：可以模拟计算大气辐射强度、权重函数、大气质量、柱含量、辐射通量；可反演痕量气体垂直廓线，云顶高度；离散高度校正。其覆盖的波段范围从紫外到热红外波段。可进行任意观测几何和传感器位置下的模拟。地表是反射率随波长变化的朗伯体，也可以是双反射体。

(2)天空光度计，天空光度计光学***由偏振镜组、光谱镜组、探测器组件组成，机械***由套筒、步进电机、方位臂、俯仰臂、基座组成。天空光度计由紫外、可见光、近红外上三个波段共9个波长，三个波段的三组偏振角共计9个角度的玻片，每个波长和波片安装在二个转轮上，探测器安装在长桶内防止干扰，每次运动可依据太阳位置绕方位、俯仰方向运动，也可对准海面测量。

需要说明的是，光度计套筒主要由滤光片轮、线偏振轮和探测器组三部分组成，套筒由三个部分叠加而成，套筒长度为约0.5m，上下紧固口各留有太阳瞄准孔，直径约为0.3mm。滤光片轮由紫外340nm、380nm、412nm玻片，可见光440nm、550nm、670nm玻片，近红外937nm、1024nm、1640nm玻片组成，玻片每三个一组，步进电机带动旋转，一组转完后，回到原来的角度位置，以霍尔和接触式传感器为准。线偏振轮分紫外、可见光和红外三类，每一类分为0°、60°、120°三种共计9种，三种线偏振片对应三种波段的滤波片，步进电机的旋转方式相同，以位置传感器到位为准。在探测器组由紫外、可见光和近红外组成，与滤波轮、线偏振轮一致，所有数据由RS232链接，电源和数据线从套筒底部引出。

还需要说明的是，在调整光度计水平之后，***自检，数据所需增益分为三个部分：太阳、辉光、天空。太阳的增益与测量范围0°～±1.5°，辉光的增益与测量范围为±2°～±6°，天空的增益与测量范围为8°～，最大天顶角为±80°。确定光度计太阳所处的方位和俯仰值三次。第一步，测量俯仰值：用0°测量太阳的值，调整到天顶角为+80°，设为天空增益并测量；逐步调整到辉光所在的俯仰角+6°～+2°，设为辉光增益并测量；调整到太阳所在+1.5°～-1.5°的俯仰角，设为太阳增益并测量；调整到辉光所在的俯仰角-2°～-6°，设为辉光增益并测量；逐步调整到天顶角为-80°，设为天空增益并测量；最后，用0°测量太阳的值。第二步，测量平纬值：与俯仰值一致，不再进行辉光测量，直至切换转轮。根据海浪反演的需要，可增加或减少测量光谱、俯仰和平纬的点数，也可对准海洋测量。

(3)天空偏振镜，天空偏振镜由大视场镜头、偏振CCD、太阳遮挡卡扣、方位轴、俯仰轴、步进电机、RS232数据线等组成。大视场镜头为180°半球空域镜头，偏振CCD为焦平面阵列，大视场镜头与偏振CCD组合，考虑到低仰角的通视，实际视场为150°。太阳遮挡卡扣安装在偏振CCD外部套筒处，遮挡板距离大视场镜头约25cm，挡板成圆形约3cm，在数据引导的步进电机，进行“O”型方位和“U”俯仰角的运动，遮挡太阳。

需要说明的是，天空偏振镜之太阳遮挡装置由遮挡卡扣、方位轴、方位电机、俯仰轴、俯仰电机、挡板、RS232数据接口。遮挡卡扣安装在天空偏振相机的底部，与底座固连；方位轴在方位电机的带动下做“O”运动，俯仰轴在俯仰电机的带动下做“U”运动。顶部挡板成圆形，数据通过RS232链接。首先，天空偏振镜通过水平仪调制水平；镜头光圈调到最小、积分时间调到最小，逐步增大积分时间，使CCD的增益约为太阳辐射强度占满量值的2/3，若仍不能满足要求，调整镜头光圈至中等、积分时间调到最小，逐渐增大，记录图像，记录经纬度、高程、时间，记录太阳所在的位置。然后，太阳遮挡装置的方位轴正交太阳的方位轴，俯仰轴正对准太阳。镜头光圈调到中等、积分时间调到最小，逐渐增大，若仍不能满足，光圈调至最大、积分时间调制最小，逐渐增大，记录图像，记录经纬度、高程、时间，记录太阳所在的位置。最后，太阳遮挡装置俯仰轴收回，记录图像，记录经纬度、高程、时间，记录太阳所在的位置等待下一次测量。镜头的光圈和CCD的积分时间产生的增益，基本成线性，为降低现场辐照动态测试的难度，光圈和积分时间留有一定余量。偏振CCD所获得的图像由3幅图像，第一幅主要记录太阳的辐射，第二幅主要记录天空的辐射，第三幅主要记录不存在太阳遮挡装置的辐射，由于太阳遮挡装置不在相面上，所以第二幅去掉的比较多，形成一幅完整的辐射图。畸变校正如下：由光学设计软件或标定图，取5个点(含首尾共7的点)，视场为0.2、0.35、0.5、0.707、0.85，转化为0°～±75°，得到图像疏密的程度，用“°/°”表示；CCD采样的图像，采用二次样条插值，重新排列，得到天空的原始图。

另外，本发明实施例在获取到了半球空域辐射特性软件、天空光度计、天空偏振镜的相关采集数据之后，需要将采集到的数据输入海洋偏振镜，其中，本发明实施例上述的海洋偏振镜由镜头、偏振CCD、测距机和寻北仪组成，镜头根据岸基或机载的视场需要选择，一般岸基要比机载大；偏振CCD通常选择焦平面型，防止分时CCD分步成像所带来的误差；测距机与偏振相机视场平行，位于视场中央，通常每隔10min测量一次，若观察的物体发生移动，或机载平台移动较大，可人工补测；寻北仪用于提供整个***的方位角和俯仰角。例如，当相机接收到外触发，同时寻北仪和测距仪通过RS232上传至计算机中。海洋偏振镜首先依据寻北仪的旋转，得到标准的全局坐标系下穆勒矩阵Ms，即海洋偏振镜在天顶坐标系下正视；然后，将全局坐标系转换为局部变量Mal，变成海面坐标系下入射光，以便于pBRDF相乘MBRDF；最后还原至全局坐标系，与Mao相乘。全部表达式如：

全局与局部坐标系的转化如：

入射或出射旋转角度为：

其中，对于每一个像素，反映亮暗就是α的变化。而不同像素的变化，则由相机的视场、测距机的值、寻北仪的方位和俯仰值。当海浪的反射率发生变化，相当于油膜，就可以从I图像上看出来；或者从多幅图像比较中的出。

因此，在对半球空域辐射特性软件、天空光度计、天空偏振镜进行选择的时候，可以根据气象条件、试验目的、试验条件等，所采取的配置和组合不同：

第一种情况，当天气良好、基本无云的时候，或有扬尘或沙尘时，且海洋溢油探测精度不高时，可使用所述的天空辐射计算软件。在输入站址信息、时间信息、工作波段、气溶胶的相关参设，可得太阳和天空的Q、U图像，提供给所述的海洋偏振镜。

第二种情况，当天气尚可、短时间变化不大，或者固定位置、长期监测，对海洋波面翻转的阶数不高，海浪较为平缓，可使用所述的天空光度计。天空光度计利用了紫外、可见光、红外中的各3个波长，0°、60°和120°的线偏振，通过太阳、辉光、天空的扫描，得到半球空域的Q、U图像，提供给所述的海洋偏振镜。

第三种情况，当波段要求不多、气象条件复杂，对海面波面翻转比较高，可使用所述的天空偏振镜。天空偏振镜针对每一幅图像采样了三幅图：太阳辐射、天空辐射、不存在太阳遮挡的辐射，利用太阳遮挡装置中挡板的位置，以及偏振图，删除像素；利用不存在太阳遮挡辐射来补全图像，提供给所述的海洋偏振镜。

所述的天空偏振镜首先利用寻北仪确定海洋的方位角和俯仰角，利用测距仪和方位角、俯仰角，校正与标定每个像素的反射光方向；每个像素都含有海面的倾角，利用半球空域的Q、U图可算出倾角，结合海面的反射率及不同，或多次反射的规律，得到海洋溢油的规律。

本发明实施例的技术效果在于：(1)提出了一种基于天空辐射的海洋溢油的检测设备及方法，相比于传统的海洋成像装置，对太阳和天空的测量更加精准，特别是对于动态海面，采用了偏振中Q、U的图像索引，得到当前局部的海面倾角，从而计算出海面的反射和海洋的散射，以及反射、散射中的偏振量。(2)提出了一种天空辐射计算软件，在散射特性中采用了Mie散射、T散射和IGOM计算方法，在辐射传输模拟中采用了SCIATRAN模拟计算，可实现气象较好的偏振仿真计算。(3)提出了一种适用于海洋的天空光度计的套筒光路的组合模式，三光路组合的方式，以及天空光路的扫描模式，太阳定位和天空普扫的方式，可调点处理。(4)提出一种天空偏振镜的太阳遮挡装置的结构和工作模式，太阳模式、遮挡模式、天空模式，综合三幅图像得到完整的半球图；和一种天空偏振镜的疏密校正方法，提高偏振的位置精度。(5)提出一种海洋偏振镜的由于姿态变化而导致的图像变化的偏振校正方法，一种坐标海洋表面的转换方式，辐照的全局变量转换为海洋表面的局部变量，在局部坐标系下计算辐照与海水表面的反射，再将其转换为全局变量。

通过上述实施例，解决了现有技术中的海洋溢油检测无法去除海面反射中天空辐射的影响，经过海面或油膜反射的天空光，本身带有油膜的特性，而来自于海洋油膜散射的光很少，因此散射的溢油检测精度很低的技术问题。

实施例二

图2是根据本发明实施例的一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测装置的结构框图，如图2所示，该装置包括：

获取模块20，用于获取预设条件数据。

选择模块22，用于根据所述预设条件数据，选择海洋溢油检测配置。

生成模块24，用于将所述海洋溢油检测配置采集到的数据传输至海洋偏振镜，生成海洋溢油数据。

输出模块26，用于将所述海洋溢油数据进行输出。

可选的，所述预设条件数据包括：气象条件、试验目的、试验条件。

可选的，所述海洋溢油检测配置包括：天空辐射软件、天空光度计、天空偏振镜。

可选的，所述选择模块包括：第一选择单元，用于当所述预设条件数据满足第一条件时，选择所述天空辐射软件；第二选择单元，用于当所述预设条件数据满足第二条件时，选择所述天空光度计；第三选择单元，用于当所述预设条件数据满足第三条件时，选择所述天空偏振镜。

具体的，本发明实施例的技术目的在于得到海面的反射和海洋的散色，提高溢油测试精度。因此为实现上述目的，本发明实施例依据预设条件数据，即气象条件、时间和精度要求不同，可分别采用半球空域辐射特性软件、天空光度计、天空偏振镜来采集用于海洋溢油检测的参数数据，并根据偏振天空光的分布、海洋浪纹的曲率、海洋偏振相机的参数，求得海面的反射和海洋的散射，进而求得海洋溢油的参数。其中，半球空域辐射特性软件、天空光度计、天空偏振镜可以包括如下构成：

(1)天空辐射软件，根据站点信息，如精度、维度、高程；观测信息，如时间，可得太阳天顶角、方位角；波段设置，可设置单独的波段，也可设置波段范围；气溶胶光学厚度、Angstorm指数，或者能见度、天气类型；地表的返照率、气溶胶类型等，就可以生成偏振图I、Q、U，及DOLP、AOP。

需要说明的是，天空辐射软件包括散射计算和矢量辐射传输计算。散射计算：将不同气溶胶粒子微观特性参数，包括气溶胶粒子复折射指数实部和虚部、半径、形状、粒子尺度谱分布、粒子形状谱分布，输入到散射计算模块，得到光学特性参数，包括消光效率因子、散射效率因子、单次散射反照率、散射相函数矩阵、相函数展开系数。其中球形粒子采用Mie散射计算；尺度参数较小的非球形粒子采用T矩阵；尺度参数较大的非球形粒子采用改进几何光学方法IGOM近似计算。矢量辐射传输模拟：采用高分辨率矢量辐射传输模型SCIATRAN进行模拟计算，方法为离散坐标法。在气溶胶模拟方面可以与Mie散射、T矩阵模块等很好地衔接，能改变粒子光学厚度、单次散射反照率、不对称因子、消光系数等参数，还可以直接输入散射相矩阵的展开系数，充分满足模拟不同气溶胶对天空光偏振角影响的需要。其特点包括：可以模拟计算大气辐射强度、权重函数、大气质量、柱含量、辐射通量；可反演痕量气体垂直廓线，云顶高度；离散高度校正。其覆盖的波段范围从紫外到热红外波段。可进行任意观测几何和传感器位置下的模拟。地表是反射率随波长变化的朗伯体，也可以是双反射体。

(2)天空光度计，天空光度计光学***由偏振镜组、光谱镜组、探测器组件组成，机械***由套筒、步进电机、方位臂、俯仰臂、基座组成。天空光度计由紫外、可见光、近红外上三个波段共9个波长，三个波段的三组偏振角共计9个角度的玻片，每个波长和波片安装在二个转轮上，探测器安装在长桶内防止干扰，每次运动可依据太阳位置绕方位、俯仰方向运动，也可对准海面测量。

需要说明的是，光度计套筒主要由滤光片轮、线偏振轮和探测器组三部分组成，套筒由三个部分叠加而成，套筒长度为约0.5m，上下紧固口各留有太阳瞄准孔，直径约为0.3mm。滤光片轮由紫外340nm、380nm、412nm玻片，可见光440nm、550nm、670nm玻片，近红外937nm、1024nm、1640nm玻片组成，玻片每三个一组，步进电机带动旋转，一组转完后，回到原来的角度位置，以霍尔和接触式传感器为准。线偏振轮分紫外、可见光和红外三类，每一类分为0°、60°、120°三种共计9种，三种线偏振片对应三种波段的滤波片，步进电机的旋转方式相同，以位置传感器到位为准。在探测器组由紫外、可见光和近红外组成，与滤波轮、线偏振轮一致，所有数据由RS232链接，电源和数据线从套筒底部引出。

还需要说明的是，在调整光度计水平之后，***自检，数据所需增益分为三个部分：太阳、辉光、天空。太阳的增益与测量范围0°～±1.5°，辉光的增益与测量范围为±2°～±6°，天空的增益与测量范围为8°～，最大天顶角为±80°。确定光度计太阳所处的方位和俯仰值三次。第一步，测量俯仰值：用0°测量太阳的值，调整到天顶角为+80°，设为天空增益并测量；逐步调整到辉光所在的俯仰角+6°～+2°，设为辉光增益并测量；调整到太阳所在+1.5°～-1.5°的俯仰角，设为太阳增益并测量；调整到辉光所在的俯仰角-2°～-6°，设为辉光增益并测量；逐步调整到天顶角为-80°，设为天空增益并测量；最后，用0°测量太阳的值。第二步，测量平纬值：与俯仰值一致，不再进行辉光测量，直至切换转轮。根据海浪反演的需要，可增加或减少测量光谱、俯仰和平纬的点数，也可对准海洋测量。

(3)天空偏振镜，天空偏振镜由大视场镜头、偏振CCD、太阳遮挡卡扣、方位轴、俯仰轴、步进电机、RS232数据线等组成。大视场镜头为180°半球空域镜头，偏振CCD为焦平面阵列，大视场镜头与偏振CCD组合，考虑到低仰角的通视，实际视场为150°。太阳遮挡卡扣安装在偏振CCD外部套筒处，遮挡板距离大视场镜头约25cm，挡板成圆形约3cm，在数据引导的步进电机，进行“O”型方位和“U”俯仰角的运动，遮挡太阳。

需要说明的是，天空偏振镜之太阳遮挡装置由遮挡卡扣、方位轴、方位电机、俯仰轴、俯仰电机、挡板、RS232数据接口。遮挡卡扣安装在天空偏振相机的底部，与底座固连；方位轴在方位电机的带动下做“O”运动，俯仰轴在俯仰电机的带动下做“U”运动。顶部挡板成圆形，数据通过RS232链接。首先，天空偏振镜通过水平仪调制水平；镜头光圈调到最小、积分时间调到最小，逐步增大积分时间，使CCD的增益约为太阳辐射强度占满量值的2/3，若仍不能满足要求，调整镜头光圈至中等、积分时间调到最小，逐渐增大，记录图像，记录经纬度、高程、时间，记录太阳所在的位置。然后，太阳遮挡装置的方位轴正交太阳的方位轴，俯仰轴正对准太阳。镜头光圈调到中等、积分时间调到最小，逐渐增大，若仍不能满足，光圈调至最大、积分时间调制最小，逐渐增大，记录图像，记录经纬度、高程、时间，记录太阳所在的位置。最后，太阳遮挡装置俯仰轴收回，记录图像，记录经纬度、高程、时间，记录太阳所在的位置等待下一次测量。镜头的光圈和CCD的积分时间产生的增益，基本成线性，为降低现场辐照动态测试的难度，光圈和积分时间留有一定余量。偏振CCD所获得的图像由3幅图像，第一幅主要记录太阳的辐射，第二幅主要记录天空的辐射，第三幅主要记录不存在太阳遮挡装置的辐射，由于太阳遮挡装置不在相面上，所以第二幅去掉的比较多，形成一幅完整的辐射图。畸变校正如下：由光学设计软件或标定图，取5个点(含首尾共7的点)，视场为0.2、0.35、0.5、0.707、0.85，转化为0°～±75°，得到图像疏密的程度，用“°/°”表示；CCD采样的图像，采用二次样条插值，重新排列，得到天空的原始图。

另外，本发明实施例在获取到了半球空域辐射特性软件、天空光度计、天空偏振镜的相关采集数据之后，需要将采集到的数据输入海洋偏振镜，其中，本发明实施例上述的海洋偏振镜由镜头、偏振CCD、测距机和寻北仪组成，镜头根据岸基或机载的视场需要选择，一般岸基要比机载大；偏振CCD通常选择焦平面型，防止分时CCD分步成像所带来的误差；测距机与偏振相机视场平行，位于视场中央，通常每隔10min测量一次，若观察的物体发生移动，或机载平台移动较大，可人工补测；寻北仪用于提供整个***的方位角和俯仰角。例如，当相机接收到外触发，同时寻北仪和测距仪通过RS232上传至计算机中。海洋偏振镜首先依据寻北仪的旋转，得到标准的全局坐标系下穆勒矩阵Ms，即海洋偏振镜在天顶坐标系下正视；然后，将全局坐标系转换为局部变量Mal，变成海面坐标系下入射光，以便于pBRDF相乘MBRDF；最后还原至全局坐标系，与Mao相乘。全部表达式如：

全局与局部坐标系的转化如：

入射或出射旋转角度为：

其中，对于每一个像素，反映亮暗就是α的变化。而不同像素的变化，则由相机的视场、测距机的值、寻北仪的方位和俯仰值。当海浪的反射率发生变化，相当于油膜，就可以从I图像上看出来；或者从多幅图像比较中的出。

因此，在对半球空域辐射特性软件、天空光度计、天空偏振镜进行选择的时候，可以根据气象条件、试验目的、试验条件等，所采取的配置和组合不同：

第一种情况，当天气良好、基本无云的时候，或有扬尘或沙尘时，且海洋溢油探测精度不高时，可使用所述的天空辐射计算软件。在输入站址信息、时间信息、工作波段、气溶胶的相关参设，可得太阳和天空的Q、U图像，提供给所述的海洋偏振镜。

第二种情况，当天气尚可、短时间变化不大，或者固定位置、长期监测，对海洋波面翻转的阶数不高，海浪较为平缓，可使用所述的天空光度计。天空光度计利用了紫外、可见光、红外中的各3个波长，0°、60°和120°的线偏振，通过太阳、辉光、天空的扫描，得到半球空域的Q、U图像，提供给所述的海洋偏振镜。

第三种情况，当波段要求不多、气象条件复杂，对海面波面翻转比较高，可使用所述的天空偏振镜。天空偏振镜针对每一幅图像采样了三幅图：太阳辐射、天空辐射、不存在太阳遮挡的辐射，利用太阳遮挡装置中挡板的位置，以及偏振图，删除像素；利用不存在太阳遮挡辐射来补全图像，提供给所述的海洋偏振镜。

所述的天空偏振镜首先利用寻北仪确定海洋的方位角和俯仰角，利用测距仪和方位角、俯仰角，校正与标定每个像素的反射光方向；每个像素都含有海面的倾角，利用半球空域的Q、U图可算出倾角，结合海面的反射率及不同，或多次反射的规律，得到海洋溢油的规律。

本发明实施例的技术效果在于：(1)提出了一种基于天空辐射的海洋溢油的检测设备及方法，相比于传统的海洋成像装置，对太阳和天空的测量更加精准，特别是对于动态海面，采用了偏振中Q、U的图像索引，得到当前局部的海面倾角，从而计算出海面的反射和海洋的散射，以及反射、散射中的偏振量。(2)提出了一种天空辐射计算软件，在散射特性中采用了Mie散射、T散射和IGOM计算方法，在辐射传输模拟中采用了SCIATRAN模拟计算，可实现气象较好的偏振仿真计算。(3)提出了一种适用于海洋的天空光度计的套筒光路的组合模式，三光路组合的方式，以及天空光路的扫描模式，太阳定位和天空普扫的方式，可调点处理。(4)提出一种天空偏振镜的太阳遮挡装置的结构和工作模式，太阳模式、遮挡模式、天空模式，综合三幅图像得到完整的半球图；和一种天空偏振镜的疏密校正方法，提高偏振的位置精度。(5)提出一种海洋偏振镜的由于姿态变化而导致的图像变化的偏振校正方法，一种坐标海洋表面的转换方式，辐照的全局变量转换为海洋表面的局部变量，在局部坐标系下计算辐照与海水表面的反射，再将其转换为全局变量。

通过上述实施例，解决了现有技术中的海洋溢油检测无法去除海面反射中天空辐射的影响，经过海面或油膜反射的天空光，本身带有油膜的特性，而来自于海洋油膜散射的光很少，因此散射的溢油检测精度很低的技术问题。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测方法，其特征在于，包括：

获取预设条件数据，其中，所述预设条件数据即气象条件、时间和精度要求不同，可分别采用半球空域辐射特性软件、天空光度计、天空偏振镜来采集用于海洋溢油检测的参数数据，并根据偏振天空光的分布、海洋浪纹的曲率、海洋偏振相机的参数，求得海面的反射和海洋的散射，进而求得海洋溢油的参数；

根据所述预设条件数据，选择海洋溢油检测配置，其中，所述海洋溢油检测配置包括：第一种情况，当天气良好、基本无云的时候，或有扬尘或沙尘时，且海洋溢油探测精度不高时，可使用天空辐射计算软件，输入站址信息、时间信息、工作波段、气溶胶的相关参设，可得太阳和天空的Q、U图像，提供给海洋偏振镜；第二种情况，当天气短时间变化不大，或者固定位置、长期监测，对海洋波面翻转的阶数不高，海浪较为平缓，可使用所述的天空光度计，天空光度计利用了紫外、可见光、红外中的各3个波长，0°、60°和120°的线偏振，通过太阳、辉光、天空的扫描，得到半球空域的Q、U图像，提供给所述的海洋偏振镜；第三种情况，当波段要求不多、气象条件复杂，对海面波面翻转高，可使用所述的天空偏振镜；天空偏振镜针对每一幅图像采样了三幅图：太阳辐射、天空辐射、不存在太阳遮挡的辐射，利用太阳遮挡装置中挡板的位置，以及偏振图，删除像素；利用不存在太阳遮挡辐射来补全图像，提供给所述的海洋偏振镜；

将所述海洋溢油检测配置采集到的数据传输至海洋偏振镜，生成海洋溢油数据，其中，所述海洋溢油数据包括海洋偏振镜由镜头、偏振CCD、测距机和寻北仪，镜头根据岸基或机载的视场需要选择，岸基要比机载大；偏振CCD选择焦平面型，防止分时CCD分步成像所带来的误差；测距机与偏振相机视场平行，位于视场中央，每隔10min测量一次，若观察的物体发生移动，或机载平台移动较大，可人工补测；寻北仪用于提供整个***的方位角和俯仰角，当相机接收到外触发，同时寻北仪和测距仪通过RS232上传至计算机中，海洋偏振镜首先依据寻北仪的旋转，得到标准的全局坐标系下穆勒矩阵Ms，即海洋偏振镜在天顶坐标系下正视；然后，将全局坐标系转换为局部变量Mal，变成海面坐标系下入射光，以便于pBRDF相乘MBRDF；最后还原至全局坐标系，与Mao相乘，全部表达式如：

全局与局部坐标系的转化如：

入射或出射旋转角度为：

其中，对于每一个像素，反映亮暗就是α的变化，而不同像素的变化，则由相机的视场、测距机的值、寻北仪的方位和俯仰值，当海浪的反射率发生变化，相当于油膜，就可以从I图像上看出来；或者从多幅图像比较中得出；

将所述海洋溢油数据进行输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设条件数据包括：气象条件、试验目的、试验条件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述海洋溢油检测配置包括：天空辐射软件、天空光度计、天空偏振镜。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述预设条件数据，选择海洋溢油检测配置包括：

当所述预设条件数据满足第一条件时，选择所述天空辐射软件；

当所述预设条件数据满足第二条件时，选择所述天空光度计；

当所述预设条件数据满足第三条件时，选择所述天空偏振镜。

5.一种基于偏振半球空域辐照的海洋溢油的检测装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取预设条件数据，其中，所述预设条件数据即气象条件、时间和精度要求不同，可分别采用半球空域辐射特性软件、天空光度计、天空偏振镜来采集用于海洋溢油检测的参数数据，并根据偏振天空光的分布、海洋浪纹的曲率、海洋偏振相机的参数，求得海面的反射和海洋的散射，进而求得海洋溢油的参数；

选择模块，用于根据所述预设条件数据，选择海洋溢油检测配置，其中，所述海洋溢油检测配置包括：第一种情况，当天气良好、基本无云的时候，或有扬尘或沙尘时，且海洋溢油探测精度不高时，可使用天空辐射计算软件，在输入站址信息、时间信息、工作波段、气溶胶的相关参设，可得太阳和天空的Q、U图像，提供给海洋偏振镜；第二种情况，当天气短时间变化不大，或者固定位置、长期监测，对海洋波面翻转的阶数不高，海浪较为平缓，可使用所述的天空光度计，天空光度计利用了紫外、可见光、红外中的各3个波长，0°、60°和120°的线偏振，通过太阳、辉光、天空的扫描，得到半球空域的Q、U图像，提供给所述的海洋偏振镜；第三种情况，当波段要求不多、气象条件复杂，对海面波面翻转高，可使用所述的天空偏振镜，天空偏振镜针对每一幅图像采样了三幅图：太阳辐射、天空辐射、不存在太阳遮挡的辐射，利用太阳遮挡装置中挡板的位置，以及偏振图，删除像素；利用不存在太阳遮挡辐射来补全图像，提供给所述的海洋偏振镜；

生成模块，用于将所述海洋溢油检测配置采集到的数据传输至海洋偏振镜，生成海洋溢油数据，其中，所述海洋溢油数据包括海洋偏振镜由镜头、偏振CCD、测距机和寻北仪，镜头根据岸基或机载的视场需要选择，岸基要比机载大；偏振CCD选择焦平面型，防止分时CCD分步成像所带来的误差；测距机与偏振相机视场平行，位于视场中央，每隔10min测量一次，若观察的物体发生移动，或机载平台移动较大，可人工补测；寻北仪用于提供整个***的方位角和俯仰角；当相机接收到外触发，同时寻北仪和测距仪通过RS232上传至计算机中；海洋偏振镜首先依据寻北仪的旋转，得到标准的全局坐标系下穆勒矩阵Ms，即海洋偏振镜在天顶坐标系下正视；然后，将全局坐标系转换为局部变量Mal，变成海面坐标系下入射光，以便于pBRDF相乘MBRDF；最后还原至全局坐标系，与Mao相乘，全部表达式如：

全局与局部坐标系的转化如：

入射或出射旋转角度为：

其中，对于每一个像素，反映亮暗就是α的变化；而不同像素的变化，则由相机的视场、测距机的值、寻北仪的方位和俯仰值，当海浪的反射率发生变化，相当于油膜，就可以从I图像上看出来；或者从多幅图像比较中得出；

输出模块，用于将所述海洋溢油数据进行输出。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述预设条件数据包括：气象条件、试验目的、试验条件。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述海洋溢油检测配置包括：天空辐射软件、天空光度计、天空偏振镜。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述选择模块包括：

第一选择单元，用于当所述预设条件数据满足第一条件时，选择所述天空辐射软件；

第二选择单元，用于当所述预设条件数据满足第二条件时，选择所述天空光度计；

第三选择单元，用于当所述预设条件数据满足第三条件时，选择所述天空偏振镜。

9.一种非易失性存储介质，其特征在于，所述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时控制非易失性存储介质所在的设备执行权利要求1至4中任意一项所述的方法。

10.一种电子装置，其特征在于，包含处理器和存储器；所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器用于运行所述计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令运行时执行权利要求1至4中任意一项所述的方法。

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