淺談無(wú)人機(jī)航空遙感在核電項(xiàng)目溫排水原型觀測(cè)中的應(yīng)用

于 強(qiáng)

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧 大連 116001

1 引言

核電站在運(yùn)行過(guò)程中需要大量的冷卻水對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行冷卻,冷卻水吸收熱量后溫度升高,經(jīng)排水口排出后進(jìn)入受體海域,混合后會(huì)造成局部海域溫度升高,溫升區(qū)因受潮汐狀態(tài)、海流、氣溫等的影響處于動(dòng)態(tài)變化的,核電站在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)確保其溫排水引起的溫升范圍等滿(mǎn)足已批準(zhǔn)的近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃的要求。通過(guò)無(wú)人機(jī)航空遙感的方式,可對(duì)溫排水的實(shí)際影響范圍和程度進(jìn)行精確測(cè)量,并可為溫排水?dāng)?shù)模預(yù)報(bào)模型參數(shù)的合理選取以及溫排水環(huán)境影響后評(píng)估提供技術(shù)支撐。

2 技術(shù)方案(以國(guó)內(nèi)某核電站為例)

2.1 技術(shù)要求 1)溫度場(chǎng)測(cè)量范圍：以排放口為中心,沿漲落潮方向長(zhǎng)20km,水面寬度6km 的海域,海面溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)范圍覆蓋1℃以上溫升影響區(qū)域;2)溫度場(chǎng)測(cè)量時(shí)段：進(jìn)行夏季大潮、中潮和小潮期的三個(gè)潮型,在漲潮、落潮、高平、低平四個(gè)特征潮態(tài)時(shí)進(jìn)行航空遙感和同步海面實(shí)測(cè),每個(gè)潮態(tài)要求在1 小時(shí)內(nèi)完成測(cè)量,條帶之間需保持有必要的重疊度(20%～30%);3)測(cè)量精度：航空遙感的溫度分辨率0.1℃、精度0.3℃,地面定位誤差小于5m;

2.2 技術(shù)路線 以國(guó)內(nèi)某核電已開(kāi)展的溫排水原型觀測(cè)的技術(shù)路線為例,其以紅外遙感技術(shù)為主要手段,采用無(wú)人機(jī)航空遙感為主、衛(wèi)星航天遙感為輔,并采用海面船只實(shí)測(cè)驗(yàn)證的方式,開(kāi)展在運(yùn)機(jī)組的溫排水溫度場(chǎng)遙感測(cè)量,利用遙感實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度反演,并最終完成核電廠溫排水的溫度場(chǎng)分布圖,詳見(jiàn)圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

2.3 技術(shù)重點(diǎn) 依據(jù)前節(jié)對(duì)比分析,綜合考慮成熟性、先進(jìn)性等因素,開(kāi)展溫排水原型觀測(cè)可采用無(wú)人機(jī)掛載小型紅外熱像儀進(jìn)行紅外遙感測(cè)量為主,結(jié)合水面測(cè)溫校正為主為輔的技術(shù)路線。其測(cè)量工作技術(shù)路線的技術(shù)重點(diǎn)包括：

2.3.1 紅外設(shè)備的測(cè)溫精度

因在無(wú)人機(jī)上使用,體積、重量以及供電要求是設(shè)備選擇的重要限制因素。在這些限制條件下,紅外設(shè)備的設(shè)備性能、測(cè)溫精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性等能否滿(mǎn)足測(cè)量要求是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題;

為保證紅外熱像儀的測(cè)溫性能,、工作穩(wěn)定性等,通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外多家紅外熱像儀進(jìn)行比較,可選取適用于無(wú)人機(jī)搭載使用的德國(guó)歐普士PI640紅外熱像儀,其參數(shù)如下：

項(xiàng)目 規(guī)格工作溫度 0℃～50℃相對(duì)濕度 10～95%,非冷凝材質(zhì) 鋁,陽(yáng)極氧化表面/塑料尺寸 46mm×56 mm×84 mm重量 207g供電電壓 5VDC(通過(guò)USB 2.0接口供電)電流消耗 最大500m A數(shù)字接口 USB2.0測(cè)溫范圍 －20℃～＋100℃分辨率 640×480視場(chǎng)角 60°×45°系統(tǒng)精度 ±2℃或±2%靈敏度 0.075K幀速率 32HZ光譜范圍 7.5～13μm

2.3.2 無(wú)人機(jī)的安全穩(wěn)定性

無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中機(jī)體的穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力關(guān)系到紅外圖像的質(zhì)量,且每個(gè)潮態(tài)要求無(wú)人機(jī)飛行測(cè)量時(shí)間約1小時(shí)(以國(guó)內(nèi)某核電站為例),這對(duì)無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力、抗風(fēng)能力、載荷能力、姿態(tài)穩(wěn)定性都提出很高的要求;

通過(guò)測(cè)試,國(guó)內(nèi)某核電站選定的電動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī),抗風(fēng)能力強(qiáng),其含有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、遙控與遙測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)著陸系統(tǒng)等;

2.3.3 鏡頭畸變校正

因原型觀測(cè)需進(jìn)行大范圍的海域測(cè)量,無(wú)人機(jī)搭載的紅外熱像儀需使用廣角鏡頭,廣角鏡頭存在鏡頭畸變的問(wèn)題,對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的定位影響較大,是溫排水原型觀測(cè)中必須要解決的技術(shù)問(wèn)題;

對(duì)于鏡頭畸變問(wèn)題,通過(guò)鏡頭畸變?cè)囼?yàn)采集網(wǎng)格畸變數(shù)據(jù),分析畸變規(guī)律和畸變參數(shù),建立每個(gè)鏡頭的畸變校正模型,并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。將校正后的模型通過(guò)專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件,可有效解決該問(wèn)題;

2.3.4 定位精度及幾何校正

無(wú)人機(jī)在空中受風(fēng)力影響姿態(tài)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致紅外影像產(chǎn)生幾何畸變,影響溫排水測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)定位的精度;

針對(duì)海面定位精度問(wèn)題,在進(jìn)行溫排水原型觀測(cè)時(shí),無(wú)人機(jī)采用搭載云臺(tái)、PPK 設(shè)備和傾角儀,從而提高紅外影像定位精度和幾何校正質(zhì)量;

2.3.5 溫度反演和校正

由于高空中大氣參數(shù)的影響,包括氣溫、濕度、氣壓等,不同條件下紅外線的透射率也不同,從而導(dǎo)致測(cè)溫存在誤差;

針對(duì)大氣對(duì)測(cè)溫精度的影響,可在無(wú)人機(jī)進(jìn)行溫排水原型觀測(cè)的同時(shí),采用探空氣球等方式進(jìn)行測(cè)量高度內(nèi)的氣象觀測(cè)(國(guó)內(nèi)某核電站無(wú)人機(jī)進(jìn)行溫排水原型觀測(cè)時(shí)飛行高度為600m),為大氣修正提供依據(jù),后續(xù)可通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算修正;

通過(guò)水面船只測(cè)量典型區(qū)域內(nèi)的海面水溫?cái)?shù)據(jù)與紅外遙感測(cè)量溫度進(jìn)行對(duì)比校正;

2.4 船只測(cè)量 無(wú)人機(jī)航空紅外遙感的溫度反演和定標(biāo)工作需要海面溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為參考,通過(guò)對(duì)海面溫度實(shí)測(cè)同步點(diǎn)的提取,獲取若干采樣點(diǎn),對(duì)比紅外遙感測(cè)量值的差異,通過(guò)軟件分析規(guī)律,建立溫度反演模型,從而提高整體紅外遙感測(cè)量溫度的精度。

2.5 觀測(cè)成果 通過(guò)上述章節(jié)對(duì)技術(shù)方案的完善,在實(shí)施無(wú)人機(jī)觀測(cè)時(shí),應(yīng)根據(jù)核電項(xiàng)目的溫排水實(shí)際排放情況,規(guī)劃無(wú)人機(jī)航線行程、船測(cè)路線等。

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在國(guó)內(nèi)某核電站已實(shí)施的溫排水原型觀測(cè)成果如下(小潮低平潮態(tài))：夏季小潮低平潮態(tài)時(shí),潮流作用力較弱,溫排水羽跡清晰,溫排水以排水口為中心向四周擴(kuò)散,在出流動(dòng)量的作用下,高溫區(qū)沿排水口方向向西擴(kuò)散,同時(shí)由于之前落潮的影響,南側(cè)灣內(nèi)較大區(qū)域內(nèi)存在殘余熱水帶。詳見(jiàn)圖2。

3 結(jié)論

本技術(shù)方案采用無(wú)人機(jī)航空紅外遙感為主,利用熱紅外遙感技術(shù)進(jìn)行海面溫度反演,并輔以海面船只同步測(cè)溫進(jìn)行反演后的溫度校正和精度驗(yàn)證,其總體技術(shù)路線可行。

通過(guò)國(guó)內(nèi)某核電站的實(shí)施,進(jìn)一步證明無(wú)人機(jī)航空遙感在可操作性和精度方面能夠滿(mǎn)足核電項(xiàng)目溫排水監(jiān)測(cè)的需求,能夠反映每個(gè)潮態(tài)溫度場(chǎng)的變化特征。該技術(shù)路線既能彌補(bǔ)衛(wèi)星航天遙感測(cè)溫精度及無(wú)法與潮汐同步的缺陷,又在能夠達(dá)到載人飛機(jī)航空遙感測(cè)溫精度的前提下,實(shí)施起來(lái)更加靈活方便、操作性更強(qiáng)、且成本更低,為未來(lái)核電項(xiàng)目溫排水溫度監(jiān)測(cè)提供又一可行方案。

圖2 小潮低平潮溫度場(chǎng)分布圖