機載小型SAR研發與海洋溢油監測試驗研究

宋莎莎，趙宇鵬，王巖飛，安偉

(1.中海油能源發展股份有限公司北京安全環保工程技術研究院 天津 300457； 2.中國科學院電子學研究所 北京 100190)

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機載小型SAR研發與海洋溢油監測試驗研究

宋莎莎1，趙宇鵬1，王巖飛2，安偉1

(1.中海油能源發展股份有限公司北京安全環保工程技術研究院 天津 300457； 2.中國科學院電子學研究所 北京 100190)

基于海上溢油監測需求，自主研發了小型合成孔徑雷達(SAR)，并基于機載平臺開展海上監測試驗，進行應用測試。研發的小型SAR工作在C波段，極化方式為VV，質量24 kg，可搭載于有人或無人飛行器，對較大面積海域進行實時連續成像，在獲取設定分辨率的SAR實時影像的同時，完整記錄原始回波信息，可進一步地面處理生成精細影像。2015年8—9月在山東煙臺威海近海海域開展了機載小型SAR海洋監測試驗，獲取了海上目標包括平臺、船只、浮筏和海上疑似油膜現象的SAR影像，成像良好。海上試驗研究表明，小型SAR可以提供高質量的海面SAR影像數據，為海面目標及油膜的實時監測提供有利支持。

小型SAR；飛行試驗；海洋監測；溢油

海上溢油污染危害嚴重，海上溢油監測是當今海洋環境監測的重要內容之一。目前廣泛應用的SAR衛星遙感受到重訪周期的限制，不能實現溢油的實時、靈活監測；地面監視監測存在工作量大、人力成本高等問題；遠程視頻監控則存在拍攝范圍較小等問題。機載SAR 系統的研制工作起始于20世紀70年代，發展至90年代逐步進入應用階段[1]。機載SAR在海洋環境監測如海冰、風場、海浪、內波探測中得到應用[2-6]。隨著機載SAR研發技術的進步和對無人機應用需求的增加，對小型化SAR設備的需求也在增加，為海洋監測應用提供了新的選擇。機載小型SAR遙感監測與衛星SAR遙感監測相比，可搭載到有人機、無人機等飛行平臺上，按預定航線自主飛行、攝像，獲取高分辨率遙感監測數據，具有靈活、機動、監測成本低及時效性強、適用于低空監測等應用優勢，可以有效彌補衛星遙感監測的不足，是對傳統海洋監測技術的良好補充和有效提升[7-8]。常規監測或事故應急監測時，將設備安裝到飛行平臺上，便可對海上溢油污染狀況進行實時、靈活、全天時全天候的監測，為事故現場指揮、輔助調查取證與事故評估提供支持，為海上溢油立體化監測提供保障，切實提高海洋溢油監測綜合技術水平。

1 小型SAR設備研發

小型SAR搭載于機載平臺，可對較大面積海域進行連續實時成像，并完整記錄原始回波信息，也可在具備無線傳輸鏈路的條件下從機上通過鏈路傳輸至地面進行接收顯示。為滿足小型SAR設備搭載于有人或無人飛行平臺的需求，在滿足小型SAR設計性能要求的同時，研發中重點考慮小型SAR設備的輕型化和小型化設計。

1.1 小型SAR設備組成

小型SAR設備包括機載部分和地面部分。機載部分包括天線及其穩定平臺、固態發射機和綜合電子單元(圖1)。

天線及其穩定平臺：天線采用貼片微帶形式，在滿足天線增益的條件下，微帶天線具有重量輕、天線副瓣低、加工制作周期短等技術優勢，適合小型SAR采用。為減輕重量，天線穩定平臺采用方位和橫滾兩軸穩定機構。

圖1 小型SAR機載部分組成

地面部分是數據回放與成像單元，將機上綜合電子單元記錄的數據轉換為成像處理單元可以訪問的原始數據，并對原始數據進行高精度成像，為海洋監測提供基礎數據。

1.2 小型SAR加裝適配設計

為了滿足飛行平臺的安裝與使用要求，小型SAR的加裝適配設計主要從結構安裝、接口設計、振動設計、熱設計以及防濕熱鹽霧等方面加以考慮。

以采用運12飛機為例，小型SAR的安裝需要針對飛行平臺進行適應性調整，天線與天線穩定平臺掛裝在機腹下天線罩內，固態發射機和綜合電子單元根據互聯關系和加裝條件進行適當排布。與運12類似，基用無人機平臺也可以采用類似的安裝方式。

小型SAR與飛機的接口包括供電接口、遙控接口、實時數據接口、導航接口。同時針對機載環境和海上應用，還需考慮抗振動、傳導散熱以及防濕熱、鹽霧措施等。

1.3 小型SAR原理樣機試飛

完成小型SAR設備制造及加裝適配后，在內蒙古鄂爾多斯進行了小型SAR樣機的外場飛行試驗，共飛行了2個架次。根據飛行試驗獲取的數據，對小型SAR樣機的技術指標進行測量與檢驗，具體結果如表1所示。

表1 小型SAR技術指標測量結果

2 機載小型SAR海洋監測試驗

2.1 試驗情況

基于研制的小型SAR樣機，開展海洋監測試驗。2015年8月27日至9月16日，在山東煙臺進行了4次機載小型SAR海洋監測試驗。海上飛行試驗采用的飛行平臺為運12有人機，巡航速度為292 km/h。試驗共飛行4個航次，受航空管制等限制，飛行高度最高3 100 m，主要對海上平臺、航道等重點區域進行了觀測，具體見表2。

表2 機載小型SAR海洋監測試驗航次

2.2 數據情況

通過本次飛行試驗，獲取了海上艦船、養殖基地、海浪、疑似油膜現象等的高分辨率SAR圖像。圖2是煙臺海岸附近影像，圖2中右側散布著海面強后向散射目標，考慮近岸海域，合理判別該亮目標為船舶，同時圖中分布有黑色條紋狀類油膜現象。圖3是威海海岸的小型SAR圖像，能夠對養殖情況、船舶動態、港口等不同目標進行監測。圖3(a)中，港口、碼頭、船只、養殖區清晰可見；圖3(b)中可以清楚的分辨出養殖浮筏的條狀細節結構，海面波浪條紋也可清楚觀察到。

圖2 煙臺海岸小型SAR獲取的影像

圖3 威海海岸小型SAR獲取的影像

2.3 數據解譯

小型SAR設備機上實時成像，響應速度快，可在溢油應急情況下快速提供海面油膜位置。但機上實時成像分辨率相對較低，本試驗中為對海面目標及海面暗斑進行精細識別，利用SAR成像處理軟件對SAR原始數據進行回放成像，SAR原始數據經過高速回放與高分辨率處理后，生成SAR圖像二級產品。此時的圖像沒有經緯度信息。通過SAR圖像處理軟件的幾何精校正(圖像配準處理)，得到帶有經緯度信息的三級圖像產品(圖4(a))。對幾何校正后的SAR圖像進行類油膜暗目標識別[9-10]，結合形狀、紋理、后向散射特征，提取類油膜現象輪廓見圖4(b)，從而獲取類油膜目標位置、分布和面積等，類油膜現象面積約4.6 km2。

圖4 小型SAR影像解譯

3 結論與討論

研發了可搭載于有人或無人飛行器的小型SAR原理樣機，初步的海上監測試驗表明，小型SAR傳感器可對各種海面場景進行成像，對海面船

只、平臺、港口碼頭、養殖區、海面暗斑成像清晰，辨識度高，可用于近實時的溢油監測識別，有效補充海面衛星遙感監測的周期性限制。

由于試驗條件限制，試驗過程中未開展同步光學圖像的采集與對比分析。下步將在實際海面監測中對該小型SAR設備繼續完善，并增加紅外、光學等傳感器，實現機載光學與SAR小型設備的聯合監測。

[1] 曲長文，何友，龔沈光.機載SAR發展概況[J].現代雷達，2002，24(1):1-10.

[2] 蔣旭惠，張漢德，董梁，等.機載SAR在海冰航空監測中的應用研究[J].海洋開發與管理，2014,31(5)：44-47.

[3] 劉文俊，孔毅，趙現斌，等.基于交叉譜法的C波段機載SAR海浪反演[J].解放軍理工大學學報，2014,15(4)：380-385.

[4] 劉麗娜，陳曦，趙現斌，等.機載SAR探測海面風場、海浪和海洋內波方法的分析與研究[J].氣象水文海洋儀器，2012(2)：6-10.

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[9] 宋莎莎，趙宇鵬，蘇騰飛,等.海上溢油SAR遙感監測及溢油漂移快速數值預報技術研究[J].遙感技術與應用，2013，28(5):928-933.

[10] 宋莎莎，趙宇鵬,安偉，等.海上溢油SAR遙感監測及溢油漂移快速數值預報技術研究[J].海洋科學進展，2016，34(1):138-146.

The Aerial Minitype SAR Development and Experiment on Marine Oil Spill Monitoring

SONG Shasha1，ZHAO Yupeng1，WANG Yanfei2，AN Wei1

(1.Beijing Security Environmental Protection Engineering Technology Research Institute，CNOOC Energy Technology & Services Limited，Tianjin 300457,China；2.Insititute of Electrics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190,China)

Minitype SAR was developed to realize the near real time monitoring of oil spill，and experiment on airborne platform was carried out for application test.The minitype SAR was developed to work on C band，VV polarization，with the weight of 24 kg and finest resolution of 0.5m，and could be aboard on manned and unmanned aerial vehicles.The minitype SAR made the real time and continual imaging of large coverage available，and recorded the original signals for fine imaging further back to ground.The experiment was carried out in August and September of 2015 in Yantai and Weihai offshore waters，with the mini SAR on board the cruiser of State Oceanic Administration.Images of oil rigs，vessels，floating rafts and oil-look-likes were acquired with good quality.It was indicated that the mini SAR provided high quality SAR images，supporting the oil slick detection and marine monitoring.

Mini type SAR，Flight experiment，Marine monitoring，Oil spill

2017-03-06；

2017-03-27

中國海洋石油總公司科技項目“海上溢油衛星自動識別和預警業務化系統研發”(CNOOC-KJ 125 ZDXM 25JAB NFCY 2012-01).

宋莎莎，工程師，碩士，研究方向為海上溢油污染防治技術研究，電子信箱:songshsh2@cnooc.com.cn

P7

A

1005-9857(2017)05-0087-04