海上固定平臺(tái)測(cè)波雷達(dá)比測(cè)試驗(yàn)研究

謝波濤，高大魯，雷方輝，王俊勤

(1.中海油研究總院，北京 100080； 2.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

隨著海洋油氣業(yè)的發(fā)展，油氣勘探和開發(fā)、石油平臺(tái)設(shè)計(jì)、海底輸油管道敷設(shè)、平臺(tái)拖航定位等海洋石油工程的建設(shè)，迫切需要提供作業(yè)海區(qū)的海洋環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和專項(xiàng)預(yù)報(bào)[1]。為獲取海面波浪信息，基于加速度測(cè)量的浮標(biāo)測(cè)波技術(shù)一致是應(yīng)用較為廣泛的波浪測(cè)量技術(shù)，其測(cè)量結(jié)果的可靠性也在過(guò)去幾十年里的應(yīng)用中得到了很好的驗(yàn)證。雖然測(cè)得的波浪參數(shù)準(zhǔn)確性較高，但由于波浪浮標(biāo)的安全性較差，容易丟失，使用浮標(biāo)獲取長(zhǎng)時(shí)間序列的波浪數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)。

雷達(dá)測(cè)波[2]是近幾年剛剛興起的波浪遙測(cè)技術(shù)，由于設(shè)備安裝在平臺(tái)上，不接觸海水，安全性好，可以很好地滿足海洋工程對(duì)波浪測(cè)量長(zhǎng)期性、連續(xù)性和穩(wěn)定性的要求。但由于遙感設(shè)備在水深較大的海域安裝條件有限，我國(guó)之前尚未有遙感測(cè)波儀器與浮標(biāo)關(guān)于測(cè)波性能的系統(tǒng)測(cè)試與比較。

為了解海上固定平臺(tái)測(cè)波雷達(dá)的觀測(cè)性能，課題2011年在我國(guó)南海番禺30-1(簡(jiǎn)稱PY30-1)油田開展了遙感實(shí)驗(yàn)設(shè)備與浮標(biāo)的比測(cè)試驗(yàn)，對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)備獲取的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、比較。

1 站點(diǎn)位置及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

比測(cè)是指在規(guī)定條件下，對(duì)相同準(zhǔn)確度等級(jí)的同種計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器具之間的量值進(jìn)行的比較[3]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)可以得到被驗(yàn)儀器設(shè)備所采集數(shù)據(jù)的可靠性，并且通過(guò)分析被檢儀器與“基準(zhǔn)”儀器數(shù)據(jù)偏差的原因，可對(duì)儀器設(shè)計(jì)制造等環(huán)節(jié)提供有價(jià)值的參考。

圖1 C波段測(cè)波雷達(dá)各部件構(gòu)成Fig.1 The composing of C-band wave observation radar

海洋石油平臺(tái)作為海洋的觀測(cè)平臺(tái)，具有高可靠性——固定基礎(chǔ)、穩(wěn)定供電、可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸保障。課題觀測(cè)設(shè)備所在的PY30-1平臺(tái)海域水深200 m，試驗(yàn)所用遙感測(cè)波儀器為挪威MIROS公司的SM-050測(cè)波雷達(dá)構(gòu)成，該測(cè)波雷達(dá)使用多普勒方法，通過(guò)對(duì)海面覆蓋的短波脈沖和接收回波的波長(zhǎng)控制，來(lái)排除其他無(wú)用的反射波等，從而計(jì)算波浪的高度；在北海和墨西哥石油平臺(tái)上均有大量應(yīng)用。該系統(tǒng)由C波發(fā)射器、數(shù)據(jù)接口單元、工控機(jī)、顯示設(shè)備等組成(圖1)。

該設(shè)備有著以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)目前唯一使用雙軌跡多普勒法測(cè)量海浪和利用微波雙頻率法測(cè)量海流的傳感器，其測(cè)量方法比傳統(tǒng)的測(cè)量方法上得出的結(jié)果要更為精確；2)由于該測(cè)波雷達(dá)使用的觀測(cè)頻段為C波，其抗衰能力減要高于其他波段，更適合環(huán)境較為惡劣的海上長(zhǎng)期觀測(cè)。

圖2為現(xiàn)場(chǎng)的安裝照片及設(shè)備的工作界面。安裝位置在PY30-1平臺(tái)上甲板1號(hào)、2號(hào)救生艇甲板護(hù)欄外側(cè)；安裝高度41 m，面向東南，符合測(cè)波雷達(dá)安裝要求(8～100 m)。

圖2 測(cè)波雷達(dá)安裝位置及工作界面Fig.2 The installation position and working interface of the wave observation radar

本試驗(yàn)在距離平臺(tái)2 km、面向測(cè)波雷達(dá)的水域布放一套荷蘭生產(chǎn)的波浪騎士測(cè)波浮標(biāo)，其測(cè)量結(jié)果在自容式儲(chǔ)存的同時(shí)，通過(guò)短波通信實(shí)時(shí)傳輸?shù)狡脚_(tái)基岸站上進(jìn)行儲(chǔ)存。利用該測(cè)量結(jié)果可以對(duì)測(cè)波雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析研究，提高測(cè)波雷達(dá)的測(cè)量精度。表1為測(cè)波雷達(dá)與波浪浮標(biāo)系統(tǒng)各性能指標(biāo)。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備各性能指標(biāo)Table 1 The performance indices of the test equipment

2 不同實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)比測(cè)試研究

C波段測(cè)波雷達(dá)的觀測(cè)的波浪要素包括：有效波高、有效周期等要素。 由圖3、圖4可見(jiàn)，測(cè)波雷達(dá)數(shù)據(jù)起伏、趨勢(shì)、大小均與波浪騎士數(shù)據(jù)保持一致，表明C波段雷達(dá)在波高測(cè)量方面較為準(zhǔn)確、可靠。

圖3 測(cè)波雷達(dá)與波浪騎士有效波高實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.3 The curves of significant wave heights observed at C-band with wave observation radar and waverider buoy

圖4 測(cè)波雷達(dá)與波浪騎士有效波高數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖Fig.4 The scatter diagram of significant wave heights observed with wave observation radar and waverider buoy

圖5顯示了2011年P(guān)Y海區(qū)夏季(4-10月)有效波高同步數(shù)據(jù)，其中包括了2011年強(qiáng)“納莎”臺(tái)風(fēng)的波浪情況；圖6為2011年P(guān)Y海區(qū)冬季(11-4月)有效波高同步數(shù)據(jù)。由圖5、圖6可見(jiàn)，波浪浮標(biāo)與測(cè)波雷達(dá)在南海海況較為惡劣的臺(tái)風(fēng)期間及冬季風(fēng)期間工作狀態(tài)良好，其觀測(cè)到的極端海況下的海高也保持較好的一致性與準(zhǔn)確性。

圖5 測(cè)波雷達(dá)與波浪騎士夏季同步有效波高數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5 Comparison of synchronous significant wave heights observed with wave observation radar and waverider buoy in summer

圖6 測(cè)波雷達(dá)與波浪騎士冬季同步有效波高數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Comparison of synchronous significant wave heights observed with wave observation radar and waverider buoy in winter

圖7 測(cè)波雷達(dá)與波浪騎士最大波高數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of maximal wave heights observed with wave observation radar and waverider

由圖7可知，當(dāng)波浪<1 m時(shí)，C波段測(cè)波雷達(dá)數(shù)據(jù)會(huì)有少量畸變，出現(xiàn)較為劇烈的峰值。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)當(dāng)海況較好時(shí)，石油平臺(tái)附件會(huì)有作業(yè)船、補(bǔ)給船長(zhǎng)時(shí)間游弋，此時(shí)雷達(dá)會(huì)將照射在船上，造成測(cè)波誤差。因此在處理的時(shí)候，應(yīng)合理判斷，剔除異常數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

由圖8可見(jiàn)，測(cè)波雷達(dá)與波浪騎士波周期數(shù)據(jù)的一致性也較好。但C波段測(cè)波雷達(dá)任有部分譜峰周期數(shù)據(jù)偏大(Tp>15s)。經(jīng)檢查，此類數(shù)據(jù)點(diǎn)為波高畸變同步數(shù)據(jù)，因此可判斷為噪聲。除去此類噪點(diǎn)，兩套設(shè)備波浪周期的一致性也較好。

圖8 測(cè)波雷達(dá)與波浪騎士波周期數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.8 Comparison of wave periods observed with wave observation radar and waverider buoy

由表2可知，波高相關(guān)系數(shù)在96%～98%之間，表明測(cè)波雷達(dá)對(duì)波高的測(cè)量比較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)可用性較強(qiáng)；周期的相關(guān)系數(shù)超過(guò)87%，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可廣泛開展相關(guān)應(yīng)用研究。

表2 測(cè)波雷達(dá)與波浪騎士波浪要素的相關(guān)系數(shù)Table 2 The correlation coefficients of wave elements observed with wave observation radar and waverider buoy

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)測(cè)波雷達(dá)和波浪騎士的海上比測(cè)試驗(yàn)結(jié)果可知，兩種設(shè)備有效波高的相關(guān)系數(shù)在96.8%，最大波高的相關(guān)系數(shù)更是達(dá)到98.57%，對(duì)波高的測(cè)量準(zhǔn)確度非常高，表明測(cè)波雷達(dá)的波浪數(shù)據(jù)質(zhì)量非?？煽?，可以用來(lái)替代波浪騎士所測(cè)的波浪高度數(shù)據(jù)。此外，海上石油平臺(tái)上有可靠的結(jié)構(gòu)支撐、穩(wěn)定的電源供給、便捷的通訊傳輸，可作為海上遙感測(cè)波理想的依托平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

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