機載海洋溢油探測任務系統(tǒng)

王根成 高超

摘? ?要： 比較分析了海洋溢油探測的主要傳感器，提出了基于合成孔徑雷達（SAR）、激光熒光傳感器（LFS）、船載自動識別系統(tǒng)（AIS）的機載海洋溢油探測任務系統(tǒng)。機動探測主要探測的內容包括航路、油井及事故突發(fā)海域溢油位置、面積、油量、種類等數據，并動態(tài)監(jiān)視油膜運動趨勢。分析了載荷、通信、地面保障、信息處理4個分系統(tǒng)，研究了AIS接收機（帶安裝架）、AIS天線的信息處理功能。實例驗證表明該系統(tǒng)易于安裝、成本低、實用性強。

關鍵詞： 合成孔徑雷達（SAR）;激光熒光傳感器（LFS）;船載自動識別系統(tǒng)（AIS）;機載;海洋;溢油探測

引言

海洋溢油災害是指大量石油泄露到海洋里所造成的災害[1]。海洋溢油的原因是多方面的，主要包括船舶碰撞、翻沉、海洋采油平臺儲油輸油設施泄露等[2]。沿海煉油廠及其他石油工業(yè)企業(yè)排放的含油污水亦會污染附近海域[3]。此外，油輪壓載水的惡意排放也會導致海洋溢油事故發(fā)生[4]。

海洋溢油事故往往造成大面積海域污染，造成嚴重的生態(tài)破壞，已經引起了各國的重視。各國都在積極參與海洋溢油的監(jiān)視和遙感監(jiān)測，主要手段包括衛(wèi)星遙感探測、航空遙感監(jiān)測。衛(wèi)星遙感探測具備探測范圍大、數據易解譯的優(yōu)點，但衛(wèi)星遙感成像比例尺小、地面分辨率低，不具備機動、靈活的特點，誤判率高，一定程度上限制了海洋溢油探測的應用效果。航空遙感監(jiān)測具有靈活、機動的優(yōu)勢，是發(fā)達國家進行海洋監(jiān)測的重要手段，也是事故監(jiān)測工作中使用最多而且有效的技術，其中最常使用的航空遙感器有合成孔徑雷達（SAR）、激光熒光探測器（LFS）、紅外/紫外傳感器（IR/UV）等。

我國激光誘導熒光探測海面溢油技術在20世紀90年代以來也得到了長足的進展。李穎等率先對海上溢油遙感監(jiān)測技術進行了大量的研究，研制了機載激光熒光溢油探測系統(tǒng)，并且得到了良好的應用，能夠獲取幾種常見船舶的溢油（原油、重燃油、輕柴油及機油等）的光譜信息，以識別油種[5]。該系統(tǒng)做到了真正的小型化、輕量化。

本文在前人工作的基礎上，基于相關傳感器性能比較，進一步分析研究機載海洋溢油探測任務系統(tǒng)，尤其是設計了載荷、通信、地面保障、信息處理4個分系統(tǒng)。

1? 相關傳感器性能比較

機載遙感溢油探測傳感器包括：側視機載雷達（SLAR）、合成孔徑雷達（SAR）、可見光傳感器（VIS）、紅外/紫外傳感器（IR/UV）、激光熒光傳感器（LFS）、微波輻射計（MWR）、搜索雷達（SR）、前視紅外傳感器（FLIR）等[6-8]。表1對部分傳感器進行了比較。其中，LFS是大功率紫外線激光儀，可以向水體表面發(fā)出短波脈沖（5～20 nm）。激光感應振蕩產生的熒光和反散射由熒光望遠鏡接收，并作出溢油種類鑒別和油層厚度測量，它是目前唯一能夠區(qū)別海草油污染、探測海灘溢油、鑒別溢油種類的傳感器，也是目前唯一能夠探測冰、雪油污染的可靠的手段，是各類溢油探測應用中的強有力工具[9]。

不同油類物質的熒光光譜特征如圖1所示，它們有比較大的差異。一般地，僅用肉眼就可以通過這些熒光譜線識別出對應的油種。根據圖1，對各油種的波譜特征，如峰值波長、對應通道及熒光強度等進行總結，如表2所示。

2? 系統(tǒng)組成及特點

基于各個傳感器的特點，只要選擇SAR與LFS的組合，就可達到非常良好的應用效果。采用SAR進行遠距離大范圍探測，一旦發(fā)現(xiàn)疑似溢油區(qū)域，就提供溢油位置、面積信息，再采用LFS進行近距離監(jiān)測，實現(xiàn)溢油確認、油膜種類鑒定、油膜厚度計算[10]。再配備AIS（國際海事組織建立的船載自動識別系統(tǒng)的縮寫）、GPS、GIS進行疑似肇事船只判定、綜合數據分析等[11]。

系統(tǒng)包括任務載荷分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、地面保障分系統(tǒng)、信息處理分系統(tǒng)4大部分。

（1）任務載荷分系統(tǒng)包括SAR、LFS、AIS、任務監(jiān)控、探測資料處理5個子系統(tǒng)，是實施溢油探測的任務載荷，依托載機平臺在空中實施溢油探測。

（2）通信分系統(tǒng)負責地面與空中的數據傳輸，實現(xiàn)地面指揮中心與飛行平臺之間任務數據的傳輸。

（3）地面保障分系統(tǒng)負責提供探測飛行所需要的備品備件支持以及系統(tǒng)的運輸、檢測、維修。

（4）信息處理分系統(tǒng)負責飛行探測后的探測數據處理以及飛行結束后的數據上報。

2.1? 任務載荷分系統(tǒng)

任務載荷分系統(tǒng)包括SAR、LFS、AIS、任務監(jiān)控、探測資料處理5個子系統(tǒng)。SAR子系統(tǒng)實現(xiàn)大面積搜索及實時成像。實時成像結果發(fā)送至探測資料處理子系統(tǒng)進行自動檢測、識別。疑似溢油圖像、位置、面積信息發(fā)送至任務監(jiān)控子系統(tǒng)。飛行員及操作員操作系統(tǒng)進入LFS模式，熒光數據發(fā)送至探測資料處理子系統(tǒng)，進行油膜確認、溢油種類提取、厚度信息提取。處理結果發(fā)送至任務監(jiān)控子系統(tǒng)，任務監(jiān)控子系統(tǒng)將溢油位置、面積、種類、厚度信息打包，通過衛(wèi)星通信發(fā)送至地面指揮中心。

2.1.1? SAR子系統(tǒng)

SAR子系統(tǒng)實現(xiàn)對海面溢油的全天候、全天時動態(tài)探測。

SAR子系統(tǒng)基本功能如下：

（1）具備對海成像能力;

（2）機上完成實時成像處理及自動溢油檢測、識別、報警;

（3）工作模式預裝訂或由人工控制;

（4）具備自檢測能力。

SAR子系統(tǒng)由3個可更換單元（LRU）——天線單元、低功率射頻單元和綜合電子單元組成。

雷達工作于條帶模式，在實施任務規(guī)劃時，預先確定成像帶，并根據任務規(guī)劃確定相應的飛行航線。明確飛行航線與成像帶后，即可確定雷達工作的相關參數，如場景中心距離、天線下視角等。當飛機沿指定的飛行路徑飛到成像帶起始點時，開始進行連續(xù)無縫的條帶成像，直到指定的成像帶終點或雷達被命令完成其他功能為止。

2.1.2? LFS子系統(tǒng)

LFS子系統(tǒng)基本功能如下：

（1）生成不同油種熒光光譜;

（2）自動識別常見溢油（原油、柴油、機油等）油種;

（3）系統(tǒng)時序及增益可控。

LFS子系統(tǒng)主要由激光器、激光束擴束準直系統(tǒng)、光學收集和光譜分光系統(tǒng)、光電探測系統(tǒng)、數據采集和數據處理系統(tǒng)組成。

LFS子系統(tǒng)工作模式為點狀測量。在飛行過程中，激光器垂直向海面發(fā)射一定頻率的脈沖激光，并通過參數的設置來接收海面產生的熒光信號。

根據現(xiàn)場天氣及環(huán)境情況制定飛行方案，確定飛行高度及速度，設置系統(tǒng)延時、積分時間、門寬等參數。程序啟動后先進行初始化，調節(jié)冷卻溫度進行制冷?？蛇x擇觸發(fā)方式。啟動激光器激發(fā)樣品熒光，同時獲取光譜數據，這期間可調節(jié)設備參數，以獲取最佳效果，最后將光譜圖像顯示出來，保存光譜數據，并自動識別油種。

一旦發(fā)現(xiàn)海面溢油，即降低飛行高度至700 m以下的指定高度，獲取油種數據，傳輸油種識別結果至地面站。地面指揮中心結合飛行路線及GPS，結合GIS，給出不同油種分布的結果，用于溢油應急決策。

2.1.3? AIS子系統(tǒng)

AIS是通過廣播通信系統(tǒng)方式，在本船與其他一些船舶以及海岸空臺站之間建立導航數據交換的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在一個或多個頻道上工作的，是由兩個或更多個電臺構成的無線電數據鏈系統(tǒng)。

AIS子系統(tǒng)主要用于偵收海區(qū)船舶發(fā)送的AIS信息，按照《船載自動識別系統(tǒng)技術特性（ITU-R M.1371-4）》[12]解析接收到的全部報文，并通過接口上報AIS信息給上位處理機，實現(xiàn)民船目標的自動識別、定位和管理等功能。

AIS子系統(tǒng)由AIS接收機（帶安裝架）、AIS天線、一體化工控機、高頻電纜、信號電纜等組成。

2.1.4? 任務監(jiān)控子系統(tǒng)

任務監(jiān)控子系統(tǒng)包括任務監(jiān)控終端及任務監(jiān)控軟件。任務監(jiān)控軟件運行在任務監(jiān)控終端設備上，主要完成任務載荷工作調度及任務切換、處理結果的輸出顯示，主要功能概述如下：

（1）控制SAR、LFS、AIS等任務載荷的任務開啟與調度切換;

（2）控制任務載荷的工作參數設置;

（3）實時接收各類與任務執(zhí)行相關的有效信息（包括SAR探測圖像、LFS探測數據、AIS數據、飛行平臺狀態(tài)、飛行平臺參數、任務載荷狀態(tài)等）;

（4）實時顯示SAR處理圖像、LFS光譜圖像，自動檢測油膜參數信息。

2.1.5? 探測資料處理子系統(tǒng)

探測資料處理子系統(tǒng)完成數據處理和數據記錄。具體功能如下：

（1）依據雷達輸入的SAR探測圖像，實時檢測是否存在疑似油膜，輸出油膜參數（面積、中心位置）至任務監(jiān)控子系統(tǒng);

（2）依據LFS探測數據，確定是否存在油膜，輸出油膜光譜圖像、油膜參數（種類、來源、厚度）至監(jiān)控終端子系統(tǒng);

（3）完成SAR圖像數據、LFS實時處理數據、AIS數據記錄。

2.2? 通信分系統(tǒng)

通信分系統(tǒng)將溢油探測結果（油污位置、面積、種類、油量）以報文形式分發(fā)給地面指揮中心，以確定溢油事故等級，作為生態(tài)索賠依據，并為最終清理措施提供信息支撐。同時通信分系統(tǒng)還需具備飛行平臺與海面清污船的語音通信功能。本系統(tǒng)通信網絡采用SCOTTY超視距系統(tǒng)。

SCOTTY超視距系統(tǒng)通過L波段衛(wèi)星通信，全天候工作，不限作用距離，這使得地面站可在千里之外遙控指揮飛機。SCOTTY超視距系統(tǒng)在飛機頂部安裝一個工作于衛(wèi)星模式的定位天線以及一個衛(wèi)星通信處理系統(tǒng)。這個衛(wèi)星通信處理系統(tǒng)與艙外監(jiān)視設備和飛機艙內通信系統(tǒng)相連。

2.3? 地面保障分系統(tǒng)

地面保障分系統(tǒng)位于地面指揮中心，負責提供飛行探測所需要的備品備件支持以及系統(tǒng)的運輸、檢測、維修服務。

2.4? 信息處理分系統(tǒng)

信息處理分系統(tǒng)位于地面指揮中心，負責飛行探測后的探測數據處理以及飛行結束后的數據上報。

3? 結束語

以SAR和LFS為核心的機載海洋溢油探測任務系統(tǒng)，可以機動探測主要航路、油井及事故突發(fā)海域溢油位置、面積、油量、種類等數據，動態(tài)監(jiān)視油膜運動趨勢，為判定事故等級、追溯肇事船只、依法進行生態(tài)索賠等提供依據，為油污清理提供信息支持。

同時，該系統(tǒng)易于安裝到中小型固定翼飛機，如奧地利鉆石飛機公司的DA42MPP飛機上，成本低，實用性強。

參考文獻

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