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(nèi)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(shù)據(jù)，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(jīng)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(shù)據(jù)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(cè)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(chǎn)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(zhì)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(jù)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(jié)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)地面指揮中心與飛行平臺之間任務數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理以及飛行結(jié)束后的數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)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(jié)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(jù)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(shù)，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(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)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(shù)的設置來接收海面產(chǎn)生的熒光信號。

根據(jù)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(shù)。程序啟動后先進行初始化，調(diào)節(jié)冷卻溫度進行制冷。可選擇觸發(fā)方式。啟動激光器激發(fā)樣品熒光，同時獲取光譜數(shù)據(jù)，這期間可調(diào)節(jié)設備參數(shù)，以獲取最佳效果，最后將光譜圖像顯示出來，保存光譜數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，傳輸油種識別結(jié)果至地面站。地面指揮中心結(jié)合飛行路線及GPS，結(jié)合GIS，給出不同油種分布的結(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(diào)度及任務切換、處理結(jié)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(diào)度切換;

（2）控制任務載荷的工作參數(shù)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(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)、飛行平臺狀態(tài)、飛行平臺參數(shù)、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(shù)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(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)記錄。具體功能如下：

（1）依據(jù)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(shù)（面積、中心位置）至任務監(jiān)控子系統(tǒng);

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

（3）完成SAR圖像數(shù)據(jù)、LFS實時處理數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)記錄。

2.2? 通信分系統(tǒng)

通信分系統(tǒng)將溢油探測結(jié)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(jù)，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(wǎng)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(nèi)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(shù)據(jù)處理以及飛行結(jié)束后的數(shù)據(jù)上報。

3? 結(jié)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(shù)據(jù)，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(jù)，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。

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