船載溢油雷達監測技術研究

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

海上溢油監測技術體系是溢油應急反應體系中的第一環節，溢油監測獲取的信息有利于及早發現溢油事故并對污染油膜進行準確定位，在此基礎上對油膜擴散范圍進行預測，可為海上清污資源調度和配置提供技術支持和決策依據。目前主要的溢油監測技術有衛星遙感監測、航空遙感監測、船舶監測和浮標監測等。船載溢油監測雷達，與海上溢油清污主力船只密切配合，在溢油監測中發揮重要的作用，可全天候、實時、高效獲取船舶周圍一定范圍內海面溢油污染狀況，實現溢油污染災害快速預警和溢油應急輔助決策，為突發海上溢油污染事件的應急監視監測、決策指揮和污染處置提供技術支持。

1 國內外發展狀況

國外溢油監視雷達的研究已經取得令人矚目的成就，歐美一些國家(特別是北歐一些海事技術發達國家)早在上世紀80年代就開始了溢油監視雷達的研究工作，已經研制出成熟的溢油監視雷達系統，除具備監測油膜的功能以外，還可以對海況進行準確測量，通過分析流場和波浪譜，對油膜的未來運動趨勢進行準確預報。國外的溢油監測雷達主要有：荷蘭Seadarq(荷蘭應用科學研究組織TNO物理電子實驗室與荷蘭軍工技術企業 Tech 5 B.V.聯合開發)、Miros OSD(挪威Miros公司產品)、Sigma S6(加拿大Rutter公司產品)、 Selesmar OSD(瑞典Consilium公司產品)及Mantadigital Radar Detection Systems(英國Kelvin Hughes公司產品)等。其中，SEADARQ雷達監視系統在多次海上溢油事故中發揮了巨大的作用，是現在國際上公認的最成熟和最完善的海上溢油雷達監測設備。2002年“威望號”溢油事故中，Arca號應急船借助配備的Seadarq雷達監視系統，準確地監測到油膜形態和動向，實現了惡劣海況下高效率的回收能力。

國內在溢油監測雷達技術方面的研究起步比較晚，部分院校研究所等機構開展了相關的研究工作[1-4]。大連海事大學于2001年在渤海海域進行了海面人工撒油監測試驗，在國內首次采用了航海船載雷達對海面溢油進行觀測，采用雷達圖像處理技術得到了雷達溢油圖像數字圖，識別溢油區形狀及輪廓，計算海面溢油的重要參數，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業集團的“X波段雷達溢油監測系統”將雷達采集到的信息進行雜波處理、油污檢測、油污提取、報警、歷史記錄，以及對油污的面積、厚度、漂移、擴散、蒸發、乳化等各個過程的跟蹤記錄。但總體來講，目前我國海上溢油雷達監測系統的設備集成、溢油監測關鍵技術和專用軟件主要依賴進口，亟需發展自主知識產權的溢油雷達監測設備和技術。

2 溢油監測雷達系統

2.1 工作原理

雷達不停地發射和接收電磁波，其發射的電磁波遇到海面微尺度波發生Bragg散射，后向散射回波被雷達接收機接收，生成海雜波圖像。由海面反射回來的雷達波受到海面的風、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值的信息，普通的雷達將雜波抑制掉，因此無法提取這些信息，而溢油雷達監視系統并不對雜波進行過濾，而是分析處理雜波并提取其中包含的有用信息。通過對雜波進行處理，可以有效獲取水流、流速、水深、海底地形等各種有用信息。

溢油監測雷達系統之所以能檢測到海面浮油，是因為浮油能夠使海面更加平滑，從而產生很弱的雷達回波，雷達回波在雷達顯示器上顯示為黑補丁一樣的黑色區域，溢油監測雷達利用此原理，充分提取海面雜波的有用信息，對溢油進行監測和預報。

2.2 系統組成

溢油監測雷達系統硬件組成包括：X波段雷達、雷達信號接收與處理單元、計算機、顯示器及保障設備(如UPS，為了防止雷達在正常運轉時由于突然停電而對設備造成損壞，溢油監測雷達系統需選擇加裝UPS)等。雷達天線長度一般為6～8英尺，Seadarq天線為12英尺或更長，雷達收發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回波信號并使小目標不易丟失。顯示器可固定在控制臺也可固定在選配的機箱上，原則是安裝在方便觀測和操作的位置，顯示器的背后應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。安裝位置必須遠離一些設備以避免引起干擾，例如發動機、磁羅經、發電機、無線電發射機/接收機等。為了防止雷達在正常運轉時由于突然停電而對設備造成損壞，溢油監測雷達系統需選擇加裝UPS。軟件系統包括溢油監測模塊和海況監測模塊。溢油監測模塊功能是發現海面油膜，確定油膜位置，計算油膜面積；海況監測模塊可獲取海流和波浪信息，為溢油預測提供數據支持。

3 溢油雷達監測實驗

基于安裝在海洋石油251環保作業船上的溢油雷達監視系統開展溢油監測實驗。海洋石油251環保作業船隸屬于中海石油環保服務(天津)有限公司。作為擁有船舶污染清除單位一級資質和5艘專業環保船的專業化溢油應急響應公司，環保公司在海洋石油251等多條環保作業船上安裝了溢油監測雷達系統。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監測實驗，實驗條件要求風速不小于2 m/s。

3.1 實驗過程

1)裝載100 L大豆油的小艇就位。

2)布好圍油欄。

3)啟動GPS和羅經，為雷達提供準確的方位參照信息。

4)啟動溢油監測雷達系統，進入溢油監測工作模式，見圖1(背景為乳山灣海圖)。

圖1 覆蓋在海圖上的雷達圖像

5)駕駛小艇在距離雷達系統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散并形成油膜，用對講機通知溢油雷達監測系統操作員對油膜進行搜索定位。

7)操作員利用溢油監測雷達系統對油膜進行搜尋監視，觀測到的畫面見圖2(局部放大后的截圖)，并測量油膜面積。

圖2 油膜面積標注

3.2 實驗結果

實驗中測得油膜面積約140 m2，油膜中心位置36°47’24.10N，121°28’45.10E。溢油雷達系統在監測范圍內，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確定位油膜。

4 應用前景

2011年8月18日國家海洋局北海分局在蓬萊19-3油田B平臺安裝了首套雷達溢油監測系統，該系統設計試運行時間為3個月，于年底投入正式業務化運行。該監測系統可對平臺周邊3.5 km半徑范圍內的海域開展全天候溢油監視監測，實現溢油自動報警，提供溢油位置、面積、跟蹤軌跡及風浪流等信息。國家海洋局北海環境監測中心和中國海監第一支隊對雷達溢油監測系統的運行情況開展了十余次驗證，結果顯示，準確率達90%以上[6]。此外，大港油田投資建設的海上溢油監測雷達預警系統項目，實現了對大港油田目前開發的全部海上作業區的覆蓋，系統還能及時發現過往船只因拋錨等可能損壞海底管道的情況，及時進行規避作業。船載溢油雷達具有全天候實時監測的優點，是監測海洋溢油的有效技術手段。

5 結束語

隨著我國海上溢油立體化監測技術體系的發展和推進，船載溢油雷達監測的作用日益凸顯。衛星遙感、航空遙感和船舶跟蹤監測等溢油監測技術手段，各有優勢和不足。船載溢油雷達監測可實現第一時間的溢油污染預警，縮短應急響應時間，對于控制污染擴散和保護海洋環境具有重要的意義。隨著我國海上溢油立體化監測技術體系的發展和推進，船載溢油監測雷達將在溢油污染災害快速預警和溢油應急輔助決策中發揮越來越重要的作用。

[1] 王 兵,邳進仕.SRT-340型海上溢油雷達監視系統在大港油田埕海1-1人工島上的應用[J].中國無線電,2013,(3):37-40.

[2] 楊文玉,劉康煒.基于固定式雷達組網的溢油監測技術研究[J].安全、健康和環境,2012,12(12):32-34.

[3] 索永峰,楊神化,陳國權.基于紋理識別的航海雷達溢油監測系統[J].集美大學學報,2014,19(2):113-117.

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

[5] 王子寅.航海雷達監測海面溢油方法與技術的研究[D].大連:大連海事大學,2011.

[6] 曲 亮,董軍宇.雷達溢油監測系統在海洋管理中的應用[J].科技風,2012(22):79.