微波雷达具有全天时、全天候、高分辨率工作的优势,并且随着极化技术的发展,极化雷达不但能够获取海面油膜的后向散射和几何等特征,还能获取多种极化信息,更能体现油膜的物理特性。目前,极化合成孔径雷达(Pol SAR)已是公认的大面积快速溢油检测的重要手段。然而,针对极化雷达溢油监测的应用,仍存在很多问题需要进行研究。首先针对Pol SAR,目前已发展有全极化、双极化和简缩极化等模式,其中简缩极化SAR作为新兴的模式,不仅能实现大幅宽观测(可达350km),还能获取接近全极化的极化散射信息。然而,简缩极化SAR在溢油探测应用方面的研究尚不充分,还有如下两个问题尚未解决:1)简缩极化SAR已发展了较多溢油检测特征,但对于众多的特征尚未进行全面的对比分析;2)尚未有利用简缩极化SAR开展油膜分类的工作。另一方面,以往的研究主要集中于溢油检测与分类,未考虑油膜自身属性变化对油膜散射特性的影响,特别是忽略了溢油乳化过程的影响。实际上,溢油进入海洋后油膜与海水会发生乳化反应形成油水乳化物,由于吸收了大量的海水,乳化反应使油膜自身的性质发生很大变化,油膜的粘度、表面张力、体积会大幅增加。溢油的乳化会给海洋生态系统带来了更大危害,同时还会阻碍大多数机械回收设备的有效操作。因此,监测溢油的乳化,对于制定有效的溢油应急计划和优化溢油清理决策都有重要意义。然而在溢油乳化的遥感监测中,由于溢油乳化过程油膜表面微波散射特性的机理尚不清楚,制约着Pol SAR油水乳化物监测技术的应用。为此,本文针对简缩极化SAR溢油检测与分类和溢油乳化过程油膜表面微波散射特性两个方面的问题,开展了极化雷达溢油探测的实验研究,收集了当前国内外有效的实验数据,并设计了溢油乳化的极化实验,尝试解决上述两个问题。本文的主要研究内容和结论如下:(1)简缩极化SAR溢油检测与油膜分类的研究本文基于1994年德国北海和日本海溢油实验,以及2014年NOFO北海溢油实验获取的同步星载SAR数据,开展了简缩极化SAR溢油检测与油膜分类的研究。首先,利用欧式距离全面分析了简缩极化SAR的36种极化特征在溢油检测与油膜分类中的性能,发现简缩极化特征中的奇次散射系数的溢油检测性能最好,简缩极化熵的疑似溢油鉴别性能最好。在此基础上,提出了结合二叉树原理的简缩极化SAR溢油检测与油膜分类算法,并利用模拟的简缩极化数据开展实验。实验结果表明,本文引入的简缩极化特征奇次散射系数能够有效的区分油膜和清洁海面,具有很大的溢油检测应用潜力;利用奇次散射系数和简缩极化熵,结合二叉树分类思想的溢油分类方法能够有效的区分溢油和疑似溢油,所发展的方法对于溢油的检测精度可达到95.67%,对于疑似溢油的识别精度可达95.71%,证明了简缩极化SAR在溢油检测与分类中具有较好的应用前景。(2)溢油乳化过程油膜表面微波散射特性机理研究采用全极化C波段微波散射计和矢量网络分析仪等测量设备,设计并开展了室外水槽溢油乳化过程观测实验,利用上述设备对易发生乳化反应沥青含量小于3%的原油(A型油)、油田中新开采出的原油(B型油)和经过脱水去杂质处理的工业原油(C型油)进行观测。文中详细分析了在C波段微波下乳化油膜与平静水面的后向散射差异和油膜乳化过程对后向散射的影响,以及乳化过程中不同类型油膜间的后向散射差异。实验结果显示,在低风速、无浪的条件下,原油的乳化反应可通过表面粗糙度和自身介电常数的变化来调制雷达后向散射,并且这两种方式中表面粗糙度的影响占主导地位。对比B型和C型原油在乳化状态和未乳化状态下的表面后向散射,结果显示在各状态下B型油膜表面后向散射均大于C型油,在未乳化状态时VV、HH、HV/VH极化方式下两者后向散射平均差异分别为2.19 d B、2.63 d B、2.21 d B,在20%油膜含水率的乳化状态下差异较未乳化状态时小,平均差异分别为0.98 d B、1.49 d B、1.5 d B,结果表明不同类型油种间由于成分和油膜属性的不同会在一定程度上导致油膜表面粗糙度存在差异,影响油膜表面后向散射。