GNSS-R石油平臺溢油探測方法

俞永慶，王林峰

GNSS-R石油平臺溢油探測方法

俞永慶，王林峰

（中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司海洋采油廠，山東 東營 257000）

針對海面溢油監測中常用的雷達監測功耗大、成本高，光學探測易受天氣干擾，且2種方法的監測時間受限制、易受其他物質干擾等問題，提出以全球衛星導航系統反射信號（GNSS-R）技術反演介電常數的岸基探測方法：通過污油池實驗和海上拋油實驗對介電常數進行分析，總結介電常數的變化規律；并結合實際的實驗場景，建立介電常數變化與油膜覆蓋狀態的初步關系，對介電常數是否適用于海面溢油探測進行分析。實驗結果表明，GNSS-R探測方法能區分海面有無油膜，且介電常數的數值大小與油膜覆蓋面占比存在負相關性，介電常數可以作為判斷海面溢油的基準參量。

全球衛星導航系統反射信號；海上溢油；岸基；介電常數

0 引言

石油是現代工業最重要的原材料之一，其需求量巨大且不斷增加，其中海上石油生產在石油供應鏈占據重要的地位，在石油的開采、存儲、運輸過程中存在諸多溢油風險，溢油污染會波及到工業、漁業、水產養殖、旅游等多個產業，更重要的是其會對生態系統產生持續的污染[1]。國內外曾發生過許多溢油事件，如1967年“Torrey Canyon”號郵輪漏油事件、1991年波斯灣漏油事件，國內埕島油田6A-5石油鉆井泄露事件等。其中國內埕島油田事件持續半年，污染區域面積為250 km2，造成重大經濟損失[2]。因此如何及早發現海上溢油，從而做到早發現早治理，對減少或杜絕大面積溢油污染有重要的意義。

目前，世界各國采用較多的監測手段包括利用以合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）和側視機載雷達（side-looking airborne radar，SLAR）等微波傳感器以及包括可見光和紅外/紫外遙感在內的光學檢測器[3]，其中雷達監測功耗大、成本高，光學探測受天氣干擾嚴重，且2種方法監測時間受限制，會受到其他物質的干擾而產生虛警的問題。

全球衛星導航系統反射信號（global navigation satellite system-reflection，GNSS-R）遙感技術是一種新興的遙感技術，采用導航衛星信號作為信號源，具有信號源資源豐富、設備無源簡單、高時間分辨、便于組網等特點。除此之外，導航衛星信號對于電離層阻礙物穿透力強，受到氣候環境因素的影響小。目前對GNSS-R遙感技術研究包括鹽度探測、風場探測、波高探測、浮冰分布探測、海面溢油探、雪層厚度探測、土壤濕度探測、移動目標探測等多方面[4-11]（如圖1所示）。

圖1 GNSS-R遙感技術的應用

文獻[12]首次提出了GNSS-R理論，并利用全球定位系統（global positioning system，GPS）導航衛星信號實現了海面風速的測量；文獻[13]中提出了‘Z-V’模型，建立了信號相關功率和散射率之間的數學關系，這一模型成為了后續GNSS-R技術研究的重要基礎；文獻[14]利用 GNSS-R技術對海面溢油進行了探測，通過時延-多普勒圖（delay Doppler maps, DDM）獲得了溢油區域圖；文獻[15]利用2013年11月青島的溢油事故數據，獲得了準確度很高溢油區域仿真結果；文獻[16]采用北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）的衛星反射信號進行了岸基污油池油膜探測試驗，首次利用接收的直、反射信號的相關功率計算反射率，通過反射率反演了介電常數，證明了通過GNSS-R反射信號反演海面介電常數的可行性；在文獻[16]基礎上，文獻[17]中引入了對海況的分析，并提出了3天線的方法來消除海況對介電常數反演結果的影響，提高了溢油的反演精度。本文在此基礎上，對實驗中溢油探測結果數據隨時間的變化情況進行進一步的分析。

1 GNSS-R海面介電常數反演

1.1 GNSS-R海面溢油探測模式

本文中以相對介電常數（以下簡稱介電常數）的數值為判據區分海面的油和水，海水的介電常數在80左右，石油的介電常數在5以下，如表1所示。

表1 不同油品相對介電常數

表1列出了原油、重油、煤油、柴油和汽油這5種最容易出現在溢油事故中的原油制品的介電常數。由此可以看出，原油制品和海水的介電常數之間存在明顯差別，因此可利用介電常數來對溢油有無進行判斷。

本文中利用GNSS-R技術來反演海面介電常數，具體的探測模式如圖2所示。

圖2 GNSS-R溢油探測模式

圖2中采用3天線探測模式，即1個右旋圓極化直射天線、1個左旋圓極化反射天線與1個右旋圓極化反射天線。通過反射信號左、右旋分量與直射信號的變化關系來反演海面的介電常數，以介電常數的數值為判據判斷有無溢油。

1.2 介電常數反演

GNSS-R遙感技術中，接收機接收到的導航衛星的直、反射信號分別為

在實際應用中，不能直接獲得信號功率，需增加相關運算，進而取得信號的相關功率。

全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）衛星信號在海面的直反射能量關系可用菲涅爾反射系數表達，菲涅爾反射系數的表達式[18]為

即

在雙反射天線模式中，通過處理接收的導航衛星右旋直射信號和左、右旋反射信號，并經過相關運算分別計算出左旋反射信號和右旋反射信號的相關功率，利用其比值與衛星高度角以及介電常數的函數關系反演出海面介電常數，以介電常數的數值為判據判斷有無溢油。

2 實驗與結果分析

本章在岸基溢油探測的相關原理的基礎上，結合污油池實驗和海上拋油實驗的實驗場景，對介電常數反演結果進行了分析。

2.1 污油池實驗

污油池實驗的時間為2016年9月，實驗地點是位于山東省東營市勝利石油管理局孤東采油七隊47號收油點的1個污油池，所處的坐標為（37°52′N，119°02′E）。

污油池長寬分別為20和5 m，實驗安裝了接收直射、左旋反射和右旋反射信號的3個天線作為1組天線。反射天線主瓣寬度為45 °，天線架高為1.5 m，反射天線的最大增益方向設置與水平面保持45 °夾角，天線正面朝向油面，直射天線朝向與反射天線朝向保持90 °夾角。直射天線方向朝上以獲得更好的對衛星的跟蹤能力，保證了不同天線之間在接收方向上具有一定的隔離度。實驗場景如圖3所示。

圖3 污油池實驗場景

圖3中4個子圖分別表示原油的注入（非連續事件）過程中油膜對污油池內海面的覆蓋情況。在此過程中，反演得到的介電常數數值變化情況如圖4所示。

圖4中可明顯地區分4個相對集中的介電常數數值分布區域，其分布的時間區域分別為0~ 130 s、150~250 s、260 ~360 s、380 ~500 s，分別對應圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）。可以看出，隨著石油不斷的流入污油池，池面歷經油花、塊狀油膜、絮狀油膜、密實油膜的狀態，油膜的面積依次增大，介電常數逐漸減小，從接近70降低至10以下后保持穩定，可以得出介電常數數值與油膜覆蓋面積負相關。

圖4 油膜介電常數反演結果

2.2 海上拋油實驗

海上拋油實驗的實驗地點為渤海海上某石油平臺西0.5 km，實驗時間分別為2017年3月31日和4月17日，以下稱為一期實驗和二期實驗。實驗目的是研究真實海況下GNSS-R技術對溢油的探測能力。實驗中用饋線將天線與信號采集卡相連，用通用串行總線（universal serial bus,USB）將信號采集卡與數據處理電腦連接，采集到的數據存入移動硬盤。共準備3套采集設備，其中2套為8 bit采集卡，采集GPS數據，采樣周期2 min，間隔10 s，接收天線的增益最大方向與垂直向上方向之間的夾角為55°；1套2 bit采集卡，采集GPS數據，采樣周期2 min，間隔140 s，接收天線的增益最大方向與垂直向上方向之間的夾角為75°。一期實驗中在石油平臺架設2 bit采集設備，天線架高約40 m，在拋油船不同位置架設2組8 bit采集設備，天線架高約6.7 m。二期實驗僅在跟蹤船架設天線，為了適應實驗現場的多變性，增加容錯率，確保試驗成功，同時在船體兩側和船尾分別架設天線，天線架設高度約6 m。實驗依次進行了一期實驗（40 L+40 L原油、600 L豆油）、二期實驗（900 L豆油）。一期實驗在14:18:45第1次傾倒約40 L原油，14:20:55第2次傾倒約40 L原油，14:45第3次傾倒600 L豆油，實驗場景如圖5所示。

實驗采集數據反演的介電常數結果分別如圖6和圖7所示。

圖6 一期實驗石油平臺探測結果

圖7 一期實驗拋油船探測結果

圖6為一期實驗某石油平臺探測結果，從介電常數結果中可以看出：在14:27介電常數為52，此時第1次40 L原油經約9 min漂流至天線覆蓋區；14:31介電常數數值出現短暫下降，最低值約為39，此時第2次40 L原油經約11 min也漂流至天線覆蓋區，說明此時2次拋油后形成的油膜均在天線覆蓋區，油膜占比增加，介電常數降低；14:36經約18 min第一塊油膜漂移出覆蓋區；14:41經約21 min第二塊油膜也移出覆蓋區，2塊油膜達到覆蓋區的時間有略微差別，這是因為拋油船為保持原位，葉輪運轉功率不穩定，從而導致船舶后部的尾流初速度不一致，但2塊油膜流經天線覆蓋區的時長均在10 min左右，不過由于油膜區域較小，介電常數數值并未降至10以下。

在14:45進行第3次600 L豆油的拋灑，實驗時為了使油膜盡量大，采用了船舶垂直于海流的方向，一邊航行一邊拋油，此時船舶位置發生改變。拋油后經約20 min于15:05油膜移至天線覆蓋區，介電常數在12左右，經14 min油膜基本移出覆蓋區。

實驗中2組GNSS天線安裝在船舶一側不同位置，由于位置原因，僅1組天線探測到有效數據。圖7為一期實驗中拋油船上有效天線的探測結果。第1、2次所拋油膜貼船側后移，未能經過天線覆蓋區，也即未采集到油膜反射信號。第3次在14:45開始拋油，此時采集到油膜數據，介電常數在10以下；后船舶側向航行，由于船舶移動造成天線未對準油膜區，至14:52船舶移至油膜方向并隨流漂移，介電常數在10以下，并持續約10 min；至15:05船舶移動至平臺天線探測區邊緣，船舶停止漂移。此時GPS的16、23、26、27、28號星能獲得的介電常數結果較好，反演的介電常數數值集中在5以內，其均值為3.41。GPS9號星數據波動大。圖8為15時的衛星星空圖，可以看到GPS9號星的衛星仰角低，信號質量較差，反演誤差較大。

圖8 一期實驗時衛星星空圖

二期實驗于4月17日19:04拋豆油900 L，天線架設在跟蹤船上，在拋油后跟蹤船無動力隨流漂流，從而盡可能長時間探測到數據。實驗中，油膜向東南方向漂移，監測船舶位于油膜的東北方向，其船體一側天線探測到有效油膜反射信號，有效天線朝向西南，實驗結果如圖9所示。

圖9中GPS1、GPS11、GPS17、GPS22、GPS28、GPS30分別表示接收機針對GPS的1號星、11號星、17號星、22號星、28號星、30號星的探測結果。從圖9中可以看出接收機能夠接收到上述6顆GPS星在實驗期間的反射信號，在監測船漂浮監測的1 h中，介電常數均值為3.48，前0.5 h數值較低，后0.5 h數值有所增長，這是因為油膜在漂浮的過程中擴散，油膜變薄破裂、海水占比增加的原因。

圖9 二期實驗探測結果

圖10為二期實驗時GPS衛星星空圖，圖10（a）為實驗初始時刻，圖10（b）為實驗結束時刻。實驗中，反射天線面向西南，可以看出：GPS1、GPS11、GPS22在天線的背面，也即采集到的反射信號為衛星后向散射信號；GPS17、GPS28、GPS30在天線正面，采集到的信號為衛星前向散射信號。說明GNSS溢油探測不僅能利用斜前方的衛星，也能利用斜后方的衛星。圖9中GPS30號星由于仰角的快速變小，信號質量下降明顯，19:20后未能監測到數據；GPS28號星由于位置在天線的側面，天線采集到的信號質量也較差，信號斷續明顯；天線所采集到的GPS1、GPS11、GPS17、GPS22衛星信號質量較好，反射信號采集完整性高，反演的介電常數基本維持在10以內，其中GPS1號星在19:44的反演數據有所突變，這可能是因為天線背面船舶高處的障礙物遮擋引起的。

圖10 二期實驗時衛星星空圖

實驗表明：在天線對準油膜且油膜在天線覆蓋區中占比較高時，反演的介電常數與海水介電常數存在明顯差異，且當衛星導航信號質量較好時，介電常數數值相對穩定；因此可以采用介電常數來對海面溢油進行判斷。表2為溢油模擬試驗中4次拋油探測結果的對比。

表2 溢油模擬試驗中4次拋油探測結果的對比

從表2可以看出，GNSS-R方法能把原油或豆油油膜從海水面中區分出，當油量越多，油膜覆蓋面越大時，反演的介電常數值越小。

3 結束語

本文利用GNSS-R方法進行海洋岸基溢油探測的問題研究，以介電常數作為判據來區分油面和海水面。本文研究了3天線的GNSS反射信號反演介電常數的方法，設計并實現了污油池實驗和海面溢油模擬實驗。在污油池實驗中，分油花、塊狀油膜、絮狀油膜、密實油膜4種情況進行了數據分析，得出其介電常數分別在60左右、40左右、10左右以及10以下。密實油膜的反演結果與油膜介電常數理論值接近，且油膜在水面的占比多少與介電常數反演值呈負相關，也即油膜覆蓋越大，介電常數越小，越接近油的介電常數。在海面溢油模擬實驗中，進行了真實海面的4次拋油實驗，通過在船舶和平臺上分別架設GNSS直反射天線，采集到不同油量、不同油品和不同天線布局下的GNSS直反射數據。結合衛星星空分布，得出GNSS-R海面溢油探測不僅能利用衛星的前向散射信號，也能利用衛星的后向散射信號；但當衛星位于低仰角或天線側方向時，天線接收到的信號微弱，數據質量較差，反演結果較差。同時在真實海面下同樣得到了油膜在探測區域占比越大，反演的介電常數值越小，越能將油膜從海水面中區分出的結論；在油膜基本覆蓋探測面時，介電常數在3.4左右。

綜上，本文利用GNSS 3天線探測方法，通過污油池實驗和海面溢油模擬實驗，得到了水面和海面下不同油膜分布的介電常數反演值，以及油膜在探測區占比與介電常數大小的負相關性，表明了GNSS-R探測海面溢油的可行性，為海面溢油遙感監測提供了參考思路。

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Detection method of oil spill for GNSS-R oil platform

YU Yongqing, WANG Linfeng

（Haiyang Oil Production Plant, Shengli Oil Field of China Petroleum and Chemical Corporation, Dongying, Shandong 257000, China）

Aiming at the problems that there are large power consumption and high cost for radar monitoring, and it is susceptible to weather interference for optical detection, which are commonly used in the monitoring of oil spill on the sea surface and both interfered by limited monitoring time and other substances, the paper proposed a detection method of shore-based platform using GNSS-R technology to retrieve dielectric constants: the dielectric constant data were analyzed through the experiments of oil pool and offshore oil throwing, and the change rule of dielectric constants was summarized; then the tentative relationship between dielectric constant change and oil film coverage was established, and the applicability of dielectric constants for oil spill detection on the sea surface was analyzed finally. Experimental result showed that the proposed method could distinguish oil film from sea surface, moreover, the value of dielectric constants would have a negative correlation with the proportion of oil film coverage, which verified that the dielectric constant could be used as a reference parameter to judge oil spill on the sea surface.

global navigation satellite system-reflection (GNSS-R); offshore oil spill; shore-based platform; dielectric constant

P228

A

2095-4999(2019)04-0080-07

俞永慶，王林峰.GNSS-R石油平臺溢油探測方法[J].導航定位學報,2019,7(4): 80-86.（YU Yongqing, WANG Linfeng.Detection method of oil spill for GNSS-R oil platform[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 80-86.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190415.

2018-12-26

俞永慶（1972—），男，山東東營人，博士，高級工程師，研究方向為物理海洋。

王林峰（1987—），男，山東東營人，本科，工程師，研究方向為物理海洋。