原油乳化微波散射特性实验及应用研究

	原油乳化微波散射特性实验及应用研究
其他题名	Experimental Research on the Microwave Scattering Characteristics of Crude Oil Emulsification and Application
	许晨琪
学位类型	硕士
导师	过杰
	2021-05-09
培养单位	中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	中国科学院烟台海岸带研究所
学位名称	工程硕士
学位专业	环境工程
关键词	原油乳化油水后向散射系数差值含水率油膜厚度阻尼比
摘要	合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）卫星传感器以其高效性、实时性、不受云雨干扰的优势在海面溢油监测中发挥着主力军的作用。目前，SAR溢油监测研究主要集中于溢油与疑似溢油的识别，针对原油乳化进程对微波后向散射特性影响方面的研究内容较少。本文通过开展C波段全极化散射计原油乳化观测实验，研究原油乳化微波散射特性，结合机载高光谱成像光谱仪和三维激光扫描仪观测数据，以期在SAR监测原油乳化、合理评估溢油量方面有所突破。主要研究内容为：（1）研究原油乳化对后向散射系数（Normalized radar cross section，NRCS）的影响。（2）基于实测油膜粗糙度、含水率，通过散射理论模型模拟乳化进程中的油膜NRCS并与实测数据对比，探究原油乳化散射机制。（3）通过分析油膜与近邻海水后向散射系数差值（0）、阻尼比（Damping ratio，DR）以及同极化比（Co-polarization ratio，CPR）随原油乳化进程的变化，定量研究原油均匀乳化进程中反映原油乳化程度的微波散射敏感参数。（4）基于定量原油均匀乳化观测数据，探究原油乳化进程中油膜厚度与微波散射溢油敏感参数的关系；基于自然乳化观测实验中全极化散射计与机载高光谱联合观测数据，构建油膜NRCS与油膜厚度之间的经验关系并验证。（5）利用星载SAR卫星影像，将原油乳化微波散射溢油敏感参数与油膜厚度微波散射经验公式应用于海上溢油监测实例。主要结论如下：（1）乳化物的形成改变原油微波散射特性，乳化一定程度增大油膜NRCS。（2）利用实测的油膜表面粗糙度与含水率基于散射理论模型模拟油膜NRCS，探求了原油乳化后向散射机制，油膜NRCS变化受油膜介电常数和表面粗糙度的共同调制，且介电常数的影响占主导地位。（3）基于定量原油均匀乳化进程数据分析发现0与DR能够一定程度反映油膜乳化程度，且在VV极化下最显著。（4）初步构建了接近自然溢油状态下原油与乳化油混合的油膜厚度估算经验公式，结果显示随0的减小油膜厚度增加。（5）利用星载SAR卫星影像数据，将原油乳化微波散射敏感参数0、DR与接近自然溢油状态下构建的油膜厚度经验公式应用于海上溢油实例，成功解释了海面溢油（重质油）油膜相对厚度的分布与乳化特征，为精确海上溢油遥感监测提供了实验参数和方法支持。
目录	第 1 章引言 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 原油乳化特性研究现状 2 1.2.2 海上溢油遥感监测研究现状 4 1.2.3 溢油实验研究现状 8 1.3 研究内容与技术路线 10 1.3.1 研究内容 10 1.3.2 技术路线 11 1.4 论文章节安排 12 第 2 章实验设置及数据准备 15 2.1 实验油品及乳化油制备 15 2.2 内场实验——原油乳化物理特性 17 2.2.1 密度、粘度及张力随原油乳化进程的变化 18 2.2.2 实验油品挥发情况 20 2.2.3 复介电常数随原油乳化进程的变化 21 2.2.4 油膜表面粗糙度与厚度随原油乳化进程的变化 23 2.3 外场试验—— C波段散射计原油乳化观测 26 2.3.1 实验方案及实验设置 26 2.3.2 实验观测过程 28 2.3.3 实验环境条件 30 2.4 星载SAR海上溢油监测数据 31 2.5 本章小结 32 第 3 章原油乳化微波散射特性分析 33 3.1 原油乳化微波散射敏感参数选取 33 3.1.1 油水微波散射差值（0）与阻尼比（DR） 33 3.1.2 同极化比（CPR） 34 3.2 原油乳化散射特性研究 34 3.2.1 原油乳化过程对油膜后向散射的影响 35 3.2.2 基于理论模拟的原油乳化散射机制探索 36 3.2.3 原油乳化微波散射敏感参数 40 3.3 构建乳化油膜后向散射与厚度的经验关系 41 3.3.1 定量原油乳化进程中敏感参数与油膜厚度的关系 42 3.3.2 自然溢油状态下（原油与乳化原油混合）油膜厚度估算公式 46 3.4 本章小结 50 第 4 章星载SAR海上溢油微波敏感参数实例应用 51 4.1 海上溢油事故概况 51 4.1.1 墨西哥湾“深水地平线”钻井平台溢油事故 51 4.1.2 蓬莱19-3油田溢油事故 51 4.2 SAR数据预处理 52 4.2.1 辐射校正 52 4.2.2 几何校正 53 4.2.3 图像滤波 53 4.3 星载SAR海上溢油监测结果及分析 54 4.3.1 星载SAR海上溢油0与DR值的计算 54 4.3.2 星载SAR海上溢油实例监测结果与分析 55 4.4 本章小结 60 第 5 章结论与展望 61 5.1 本文结论 61 5.2 本文创新点 62 5.3 研究展望 62 参考文献 63 致谢 69 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 71
页数	84
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/28410
专题	中国科学院烟台海岸带研究所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	许晨琪. 原油乳化微波散射特性实验及应用研究[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院大学,2021.

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毕设0520-许晨琪.pdf（65373KB）	学位论文		限制开放	CC BY-NC-SA	请求全文