海上固定平台测波雷达比测试验研究

谢波涛，高大鲁，雷方辉，王俊勤

(1.中海油研究总院，北京 100080； 2.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

随着海洋油气业的发展，油气勘探和开发、石油平台设计、海底输油管道敷设、平台拖航定位等海洋石油工程的建设，迫切需要提供作业海区的海洋环境实时数据和专项预报[1]。为获取海面波浪信息，基于加速度测量的浮标测波技术一致是应用较为广泛的波浪测量技术，其测量结果的可靠性也在过去几十年里的应用中得到了很好的验证。虽然测得的波浪参数准确性较高，但由于波浪浮标的安全性较差，容易丢失，使用浮标获取长时间序列的波浪数据在实际应用中较难实现。

雷达测波[2]是近几年刚刚兴起的波浪遥测技术，由于设备安装在平台上，不接触海水，安全性好，可以很好地满足海洋工程对波浪测量长期性、连续性和稳定性的要求。但由于遥感设备在水深较大的海域安装条件有限，我国之前尚未有遥感测波仪器与浮标关于测波性能的系统测试与比较。

为了解海上固定平台测波雷达的观测性能，课题2011年在我国南海番禺30-1(简称PY30-1)油田开展了遥感实验设备与浮标的比测试验，对两种实验设备获取的波浪数据进行了分析、比较。

1 站点位置及实验设备

比测是指在规定条件下，对相同准确度等级的同种计量基准、标准或工作计量器具之间的量值进行的比较[3]。通过现场比测可以得到被验仪器设备所采集数据的可靠性，并且通过分析被检仪器与“基准”仪器数据偏差的原因，可对仪器设计制造等环节提供有价值的参考。

图1 C波段测波雷达各部件构成Fig.1 The composing of C-band wave observation radar

海洋石油平台作为海洋的观测平台，具有高可靠性——固定基础、稳定供电、可靠的数据存储和传输保障。课题观测设备所在的PY30-1平台海域水深200 m，试验所用遥感测波仪器为挪威MIROS公司的SM-050测波雷达构成，该测波雷达使用多普勒方法，通过对海面覆盖的短波脉冲和接收回波的波长控制，来排除其他无用的反射波等，从而计算波浪的高度；在北海和墨西哥石油平台上均有大量应用。该系统由C波发射器、数据接口单元、工控机、显示设备等组成(图1)。

该设备有着以下几个优点：1)目前唯一使用双轨迹多普勒法测量海浪和利用微波双频率法测量海流的传感器，其测量方法比传统的测量方法上得出的结果要更为精确；2)由于该测波雷达使用的观测频段为C波，其抗衰能力减要高于其他波段，更适合环境较为恶劣的海上长期观测。

图2为现场的安装照片及设备的工作界面。安装位置在PY30-1平台上甲板1号、2号救生艇甲板护栏外侧；安装高度41 m，面向东南，符合测波雷达安装要求(8～100 m)。

图2 测波雷达安装位置及工作界面Fig.2 The installation position and working interface of the wave observation radar

本试验在距离平台2 km、面向测波雷达的水域布放一套荷兰生产的波浪骑士测波浮标，其测量结果在自容式储存的同时，通过短波通信实时传输到平台基岸站上进行储存。利用该测量结果可以对测波雷达的测量结果进行对比、分析研究，提高测波雷达的测量精度。表1为测波雷达与波浪浮标系统各性能指标。

表1 实验设备各性能指标Table 1 The performance indices of the test equipment

2 不同实验设备对比测试研究

C波段测波雷达的观测的波浪要素包括：有效波高、有效周期等要素。 由图3、图4可见，测波雷达数据起伏、趋势、大小均与波浪骑士数据保持一致，表明C波段雷达在波高测量方面较为准确、可靠。

图3 测波雷达与波浪骑士有效波高实测数据曲线Fig.3 The curves of significant wave heights observed at C-band with wave observation radar and waverider buoy

图4 测波雷达与波浪骑士有效波高数据散点图Fig.4 The scatter diagram of significant wave heights observed with wave observation radar and waverider buoy

图5显示了2011年PY海区夏季(4-10月)有效波高同步数据，其中包括了2011年强“纳莎”台风的波浪情况；图6为2011年PY海区冬季(11-4月)有效波高同步数据。由图5、图6可见，波浪浮标与测波雷达在南海海况较为恶劣的台风期间及冬季风期间工作状态良好，其观测到的极端海况下的海高也保持较好的一致性与准确性。

图5 测波雷达与波浪骑士夏季同步有效波高数据对比Fig.5 Comparison of synchronous significant wave heights observed with wave observation radar and waverider buoy in summer

图6 测波雷达与波浪骑士冬季同步有效波高数据对比Fig.6 Comparison of synchronous significant wave heights observed with wave observation radar and waverider buoy in winter

图7 测波雷达与波浪骑士最大波高数据对比Fig.7 Comparison of maximal wave heights observed with wave observation radar and waverider

由图7可知，当波浪<1 m时，C波段测波雷达数据会有少量畸变，出现较为剧烈的峰值。经调查发现当海况较好时，石油平台附件会有作业船、补给船长时间游弋，此时雷达会将照射在船上，造成测波误差。因此在处理的时候，应合理判断，剔除异常数据，以保证数据的准确性。

由图8可见，测波雷达与波浪骑士波周期数据的一致性也较好。但C波段测波雷达任有部分谱峰周期数据偏大(Tp>15s)。经检查，此类数据点为波高畸变同步数据，因此可判断为噪声。除去此类噪点，两套设备波浪周期的一致性也较好。

图8 测波雷达与波浪骑士波周期数据对比Fig.8 Comparison of wave periods observed with wave observation radar and waverider buoy

由表2可知，波高相关系数在96%～98%之间，表明测波雷达对波高的测量比较准确，数据可用性较强；周期的相关系数超过87%，数据质量较好，可广泛开展相关应用研究。

表2 测波雷达与波浪骑士波浪要素的相关系数Table 2 The correlation coefficients of wave elements observed with wave observation radar and waverider buoy

3 结 论

通过对测波雷达和波浪骑士的海上比测试验结果可知，两种设备有效波高的相关系数在96.8%，最大波高的相关系数更是达到98.57%，对波高的测量准确度非常高，表明测波雷达的波浪数据质量非常可靠，可以用来替代波浪骑士所测的波浪高度数据。此外，海上石油平台上有可靠的结构支撑、稳定的电源供给、便捷的通讯传输，可作为海上遥感测波理想的依托平台。

参考文献：

[1] 赵维三,李希玲.海洋监测仪器的现场校准和比测[J].气象水文海洋仪器,2004,(1):52-54.

[2] 王静,唐军武,冯林强,等.海上固定平台雷达测波技术及典型数据处理算法[J].海洋技术,2012,21(2):49-53.

[3] 胡波,李晖,张川.UCTD海上比测方法探讨[J].海洋技术,2011,30(1):41-43.

[4] 吴炳昭,李占桥,孙辉.ADCP比测试验的统计分析[J].海洋测绘,2010,30(6):74-76.