船載溢油雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

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(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457；2.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300452)

海上溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)體系是溢油應(yīng)急反應(yīng)體系中的第一環(huán)節(jié)，溢油監(jiān)測(cè)獲取的信息有利于及早發(fā)現(xiàn)溢油事故并對(duì)污染油膜進(jìn)行準(zhǔn)確定位，在此基礎(chǔ)上對(duì)油膜擴(kuò)散范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，可為海上清污資源調(diào)度和配置提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。目前主要的溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)有衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)、航空遙感監(jiān)測(cè)、船舶監(jiān)測(cè)和浮標(biāo)監(jiān)測(cè)等。船載溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)，與海上溢油清污主力船只密切配合，在溢油監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要的作用，可全天候、實(shí)時(shí)、高效獲取船舶周圍一定范圍內(nèi)海面溢油污染狀況，實(shí)現(xiàn)溢油污染災(zāi)害快速預(yù)警和溢油應(yīng)急輔助決策，為突發(fā)海上溢油污染事件的應(yīng)急監(jiān)視監(jiān)測(cè)、決策指揮和污染處置提供技術(shù)支持。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)外溢油監(jiān)視雷達(dá)的研究已經(jīng)取得令人矚目的成就，歐美一些國(guó)家(特別是北歐一些海事技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家)早在上世紀(jì)80年代就開始了溢油監(jiān)視雷達(dá)的研究工作，已經(jīng)研制出成熟的溢油監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)，除具備監(jiān)測(cè)油膜的功能以外，還可以對(duì)海況進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，通過分析流場(chǎng)和波浪譜，對(duì)油膜的未來運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。國(guó)外的溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)主要有：荷蘭Seadarq(荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織TNO物理電子實(shí)驗(yàn)室與荷蘭軍工技術(shù)企業(yè) Tech 5 B.V.聯(lián)合開發(fā))、Miros OSD(挪威Miros公司產(chǎn)品)、Sigma S6(加拿大Rutter公司產(chǎn)品)、 Selesmar OSD(瑞典Consilium公司產(chǎn)品)及Mantadigital Radar Detection Systems(英國(guó)Kelvin Hughes公司產(chǎn)品)等。其中，SEADARQ雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)在多次海上溢油事故中發(fā)揮了巨大的作用，是現(xiàn)在國(guó)際上公認(rèn)的最成熟和最完善的海上溢油雷達(dá)監(jiān)測(cè)設(shè)備。2002年“威望號(hào)”溢油事故中，Arca號(hào)應(yīng)急船借助配備的Seadarq雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)，準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到油膜形態(tài)和動(dòng)向，實(shí)現(xiàn)了惡劣海況下高效率的回收能力。

國(guó)內(nèi)在溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)技術(shù)方面的研究起步比較晚，部分院校研究所等機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)的研究工作[1-4]。大連海事大學(xué)于2001年在渤海海域進(jìn)行了海面人工撒油監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)首次采用了航海船載雷達(dá)對(duì)海面溢油進(jìn)行觀測(cè)，采用雷達(dá)圖像處理技術(shù)得到了雷達(dá)溢油圖像數(shù)字圖，識(shí)別溢油區(qū)形狀及輪廓，計(jì)算海面溢油的重要參數(shù)，如溢油面積、溢油漂移速度和方向等情況[5]。中船重工第七二四研究所鵬力科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)的“X波段雷達(dá)溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”將雷達(dá)采集到的信息進(jìn)行雜波處理、油污檢測(cè)、油污提取、報(bào)警、歷史記錄，以及對(duì)油污的面積、厚度、漂移、擴(kuò)散、蒸發(fā)、乳化等各個(gè)過程的跟蹤記錄。但總體來講，目前我國(guó)海上溢油雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備集成、溢油監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)和專用軟件主要依賴進(jìn)口，亟需發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的溢油雷達(dá)監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)。

2 溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)

2.1 工作原理

雷達(dá)不停地發(fā)射和接收電磁波，其發(fā)射的電磁波遇到海面微尺度波發(fā)生Bragg散射，后向散射回波被雷達(dá)接收機(jī)接收，生成海雜波圖像。由海面反射回來的雷達(dá)波受到海面的風(fēng)、浪、水面油污染以及海底地形等因素的影響，其雜波包含很多非常有價(jià)值的信息，普通的雷達(dá)將雜波抑制掉，因此無法提取這些信息，而溢油雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)并不對(duì)雜波進(jìn)行過濾，而是分析處理雜波并提取其中包含的有用信息。通過對(duì)雜波進(jìn)行處理，可以有效獲取水流、流速、水深、海底地形等各種有用信息。

溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)之所以能檢測(cè)到海面浮油，是因?yàn)楦∮湍軌蚴购Ｃ娓悠交瑥亩a(chǎn)生很弱的雷達(dá)回波，雷達(dá)回波在雷達(dá)顯示器上顯示為黑補(bǔ)丁一樣的黑色區(qū)域，溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)利用此原理，充分提取海面雜波的有用信息，對(duì)溢油進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。

2.2 系統(tǒng)組成

溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)硬件組成包括：X波段雷達(dá)、雷達(dá)信號(hào)接收與處理單元、計(jì)算機(jī)、顯示器及保障設(shè)備(如UPS，為了防止雷達(dá)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于突然停電而對(duì)設(shè)備造成損壞，溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)需選擇加裝UPS)等。雷達(dá)天線長(zhǎng)度一般為6～8英尺，Seadarq天線為12英尺或更長(zhǎng)，雷達(dá)收發(fā)天線的最佳安裝位置在大桅或在頂層甲板，這樣才能獲得最佳的雷達(dá)回波信號(hào)并使小目標(biāo)不易丟失。顯示器可固定在控制臺(tái)也可固定在選配的機(jī)箱上，原則是安裝在方便觀測(cè)和操作的位置，顯示器的背后應(yīng)留有足夠的空間以便背后面板的接線，避免連線過緊和彎曲。安裝位置必須遠(yuǎn)離一些設(shè)備以避免引起干擾，例如發(fā)動(dòng)機(jī)、磁羅經(jīng)、發(fā)電機(jī)、無線電發(fā)射機(jī)/接收機(jī)等。為了防止雷達(dá)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于突然停電而對(duì)設(shè)備造成損壞，溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)需選擇加裝UPS。軟件系統(tǒng)包括溢油監(jiān)測(cè)模塊和海況監(jiān)測(cè)模塊。溢油監(jiān)測(cè)模塊功能是發(fā)現(xiàn)海面油膜，確定油膜位置，計(jì)算油膜面積；海況監(jiān)測(cè)模塊可獲取海流和波浪信息，為溢油預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

3 溢油雷達(dá)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

基于安裝在海洋石油251環(huán)保作業(yè)船上的溢油雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)開展溢油監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。海洋石油251環(huán)保作業(yè)船隸屬于中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司。作為擁有船舶污染清除單位一級(jí)資質(zhì)和5艘專業(yè)環(huán)保船的專業(yè)化溢油應(yīng)急響應(yīng)公司，環(huán)保公司在海洋石油251等多條環(huán)保作業(yè)船上安裝了溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)。2008年8月6日19∶30～22∶00，在乳山灣乳山船廠附近海域開展溢油雷達(dá)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件要求風(fēng)速不小于2 m/s。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

1)裝載100 L大豆油的小艇就位。

2)布好圍油欄。

3)啟動(dòng)GPS和羅經(jīng)，為雷達(dá)提供準(zhǔn)確的方位參照信息。

4)啟動(dòng)溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)，進(jìn)入溢油監(jiān)測(cè)工作模式，見圖1(背景為乳山灣海圖)。

圖1 覆蓋在海圖上的雷達(dá)圖像

5)駕駛小艇在距離雷達(dá)系統(tǒng)2 km左右的距離處，傾倒了20 L大豆油。

6)等待大豆油在水面擴(kuò)散并形成油膜，用對(duì)講機(jī)通知溢油雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作員對(duì)油膜進(jìn)行搜索定位。

7)操作員利用溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)油膜進(jìn)行搜尋監(jiān)視，觀測(cè)到的畫面見圖2(局部放大后的截圖)，并測(cè)量油膜面積。

圖2 油膜面積標(biāo)注

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中測(cè)得油膜面積約140 m2，油膜中心位置36°47’24.10N，121°28’45.10E。溢油雷達(dá)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，白天和黑夜都可以有效地搜索到溢油，并能估算溢油的面積及準(zhǔn)確定位油膜。

4 應(yīng)用前景

2011年8月18日國(guó)家海洋局北海分局在蓬萊19-3油田B平臺(tái)安裝了首套雷達(dá)溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)試運(yùn)行時(shí)間為3個(gè)月，于年底投入正式業(yè)務(wù)化運(yùn)行。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)平臺(tái)周邊3.5 km半徑范圍內(nèi)的海域開展全天候溢油監(jiān)視監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)溢油自動(dòng)報(bào)警，提供溢油位置、面積、跟蹤軌跡及風(fēng)浪流等信息。國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心和中國(guó)海監(jiān)第一支隊(duì)對(duì)雷達(dá)溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況開展了十余次驗(yàn)證，結(jié)果顯示，準(zhǔn)確率達(dá)90%以上[6]。此外，大港油田投資建設(shè)的海上溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大港油田目前開發(fā)的全部海上作業(yè)區(qū)的覆蓋，系統(tǒng)還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)過往船只因拋錨等可能損壞海底管道的情況，及時(shí)進(jìn)行規(guī)避作業(yè)。船載溢油雷達(dá)具有全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，是監(jiān)測(cè)海洋溢油的有效技術(shù)手段。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)海上溢油立體化監(jiān)測(cè)技術(shù)體系的發(fā)展和推進(jìn)，船載溢油雷達(dá)監(jiān)測(cè)的作用日益凸顯。衛(wèi)星遙感、航空遙感和船舶跟蹤監(jiān)測(cè)等溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，各有優(yōu)勢(shì)和不足。船載溢油雷達(dá)監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間的溢油污染預(yù)警，縮短應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于控制污染擴(kuò)散和保護(hù)海洋環(huán)境具有重要的意義。隨著我國(guó)海上溢油立體化監(jiān)測(cè)技術(shù)體系的發(fā)展和推進(jìn)，船載溢油監(jiān)測(cè)雷達(dá)將在溢油污染災(zāi)害快速預(yù)警和溢油應(yīng)急輔助決策中發(fā)揮越來越重要的作用。

[1] 王 兵,邳進(jìn)仕.SRT-340型海上溢油雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)在大港油田埕海1-1人工島上的應(yīng)用[J].中國(guó)無線電,2013,(3):37-40.

[2] 楊文玉,劉康煒.基于固定式雷達(dá)組網(wǎng)的溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].安全、健康和環(huán)境,2012,12(12):32-34.

[3] 索永峰,楊神化,陳國(guó)權(quán).基于紋理識(shí)別的航海雷達(dá)溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào),2014,19(2):113-117.

[4] 葉 偉,宋 薇.利用雷達(dá)建立近岸海域溢油污染監(jiān)測(cè)體系的探索[J].水道港口,2012,33(5):436-439.

[5] 王子寅.航海雷達(dá)監(jiān)測(cè)海面溢油方法與技術(shù)的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2011.

[6] 曲 亮,董軍宇.雷達(dá)溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在海洋管理中的應(yīng)用[J].科技風(fēng),2012(22):79.