船载溢油雷达监测技术研究

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(1.中海油能源发展采油服务公司，天津 300457；2.中海石油环保服务(天津)有限公司，天津 300452)

海上溢油监测技术体系是溢油应急反应体系中的第一环节，溢油监测获取的信息有利于及早发现溢油事故并对污染油膜进行准确定位，在此基础上对油膜扩散范围进行预测，可为海上清污资源调度和配置提供技术支持和决策依据。目前主要的溢油监测技术有卫星遥感监测、航空遥感监测、船舶监测和浮标监测等。船载溢油监测雷达，与海上溢油清污主力船只密切配合，在溢油监测中发挥重要的作用，可全天候、实时、高效获取船舶周围一定范围内海面溢油污染状况，实现溢油污染灾害快速预警和溢油应急辅助决策，为突发海上溢油污染事件的应急监视监测、决策指挥和污染处置提供技术支持。

1 国内外发展状况

国外溢油监视雷达的研究已经取得令人瞩目的成就，欧美一些国家(特别是北欧一些海事技术发达国家)早在上世纪80年代就开始了溢油监视雷达的研究工作，已经研制出成熟的溢油监视雷达系统，除具备监测油膜的功能以外，还可以对海况进行准确测量，通过分析流场和波浪谱，对油膜的未来运动趋势进行准确预报。国外的溢油监测雷达主要有：荷兰Seadarq(荷兰应用科学研究组织TNO物理电子实验室与荷兰军工技术企业 Tech 5 B.V.联合开发)、Miros OSD(挪威Miros公司产品)、Sigma S6(加拿大Rutter公司产品)、 Selesmar OSD(瑞典Consilium公司产品)及Mantadigital Radar Detection Systems(英国Kelvin Hughes公司产品)等。其中，SEADARQ雷达监视系统在多次海上溢油事故中发挥了巨大的作用，是现在国际上公认的最成熟和最完善的海上溢油雷达监测设备。2002年“威望号”溢油事故中，Arca号应急船借助配备的Seadarq雷达监视系统，准确地监测到油膜形态和动向，实现了恶劣海况下高效率的回收能力。

国内在溢油监测雷达技术方面的研究起步比较晚，部分院校研究所等机构开展了相关的研究工作[1-4]。大连海事大学于2001年在渤海海域进行了海面人工撒油监测试验，在国内首次采用了航海船载雷达对海面溢油进行观测，采用雷达图像处理技术得到了雷达溢油图像数字图，识别溢油区形状及轮廓，计算海面溢油的重要参数，如溢油面积、溢油漂移速度和方向等情况[5]。中船重工第七二四研究所鹏力科技产业集团的“X波段雷达溢油监测系统”将雷达采集到的信息进行杂波处理、油污检测、油污提取、报警、历史记录，以及对油污的面积、厚度、漂移、扩散、蒸发、乳化等各个过程的跟踪记录。但总体来讲，目前我国海上溢油雷达监测系统的设备集成、溢油监测关键技术和专用软件主要依赖进口，亟需发展自主知识产权的溢油雷达监测设备和技术。

2 溢油监测雷达系统

2.1 工作原理

雷达不停地发射和接收电磁波，其发射的电磁波遇到海面微尺度波发生Bragg散射，后向散射回波被雷达接收机接收，生成海杂波图像。由海面反射回来的雷达波受到海面的风、浪、水面油污染以及海底地形等因素的影响，其杂波包含很多非常有价值的信息，普通的雷达将杂波抑制掉，因此无法提取这些信息，而溢油雷达监视系统并不对杂波进行过滤，而是分析处理杂波并提取其中包含的有用信息。通过对杂波进行处理，可以有效获取水流、流速、水深、海底地形等各种有用信息。

溢油监测雷达系统之所以能检测到海面浮油，是因为浮油能够使海面更加平滑，从而产生很弱的雷达回波，雷达回波在雷达显示器上显示为黑补丁一样的黑色区域，溢油监测雷达利用此原理，充分提取海面杂波的有用信息，对溢油进行监测和预报。

2.2 系统组成

溢油监测雷达系统硬件组成包括：X波段雷达、雷达信号接收与处理单元、计算机、显示器及保障设备(如UPS，为了防止雷达在正常运转时由于突然停电而对设备造成损坏，溢油监测雷达系统需选择加装UPS)等。雷达天线长度一般为6～8英尺，Seadarq天线为12英尺或更长，雷达收发天线的最佳安装位置在大桅或在顶层甲板，这样才能获得最佳的雷达回波信号并使小目标不易丢失。显示器可固定在控制台也可固定在选配的机箱上，原则是安装在方便观测和操作的位置，显示器的背后应留有足够的空间以便背后面板的接线，避免连线过紧和弯曲。安装位置必须远离一些设备以避免引起干扰，例如发动机、磁罗经、发电机、无线电发射机/接收机等。为了防止雷达在正常运转时由于突然停电而对设备造成损坏，溢油监测雷达系统需选择加装UPS。软件系统包括溢油监测模块和海况监测模块。溢油监测模块功能是发现海面油膜，确定油膜位置，计算油膜面积；海况监测模块可获取海流和波浪信息，为溢油预测提供数据支持。

3 溢油雷达监测实验

基于安装在海洋石油251环保作业船上的溢油雷达监视系统开展溢油监测实验。海洋石油251环保作业船隶属于中海石油环保服务(天津)有限公司。作为拥有船舶污染清除单位一级资质和5艘专业环保船的专业化溢油应急响应公司，环保公司在海洋石油251等多条环保作业船上安装了溢油监测雷达系统。2008年8月6日19∶30～22∶00，在乳山湾乳山船厂附近海域开展溢油雷达监测实验，实验条件要求风速不小于2 m/s。

3.1 实验过程

1)装载100 L大豆油的小艇就位。

2)布好围油栏。

3)启动GPS和罗经，为雷达提供准确的方位参照信息。

4)启动溢油监测雷达系统，进入溢油监测工作模式，见图1(背景为乳山湾海图)。

图1 覆盖在海图上的雷达图像

5)驾驶小艇在距离雷达系统2 km左右的距离处，倾倒了20 L大豆油。

6)等待大豆油在水面扩散并形成油膜，用对讲机通知溢油雷达监测系统操作员对油膜进行搜索定位。

7)操作员利用溢油监测雷达系统对油膜进行搜寻监视，观测到的画面见图2(局部放大后的截图)，并测量油膜面积。

图2 油膜面积标注

3.2 实验结果

实验中测得油膜面积约140 m2，油膜中心位置36°47’24.10N，121°28’45.10E。溢油雷达系统在监测范围内，白天和黑夜都可以有效地搜索到溢油，并能估算溢油的面积及准确定位油膜。

4 应用前景

2011年8月18日国家海洋局北海分局在蓬莱19-3油田B平台安装了首套雷达溢油监测系统，该系统设计试运行时间为3个月，于年底投入正式业务化运行。该监测系统可对平台周边3.5 km半径范围内的海域开展全天候溢油监视监测，实现溢油自动报警，提供溢油位置、面积、跟踪轨迹及风浪流等信息。国家海洋局北海环境监测中心和中国海监第一支队对雷达溢油监测系统的运行情况开展了十余次验证，结果显示，准确率达90%以上[6]。此外，大港油田投资建设的海上溢油监测雷达预警系统项目，实现了对大港油田目前开发的全部海上作业区的覆盖，系统还能及时发现过往船只因抛锚等可能损坏海底管道的情况，及时进行规避作业。船载溢油雷达具有全天候实时监测的优点，是监测海洋溢油的有效技术手段。

5 结束语

随着我国海上溢油立体化监测技术体系的发展和推进，船载溢油雷达监测的作用日益凸显。卫星遥感、航空遥感和船舶跟踪监测等溢油监测技术手段，各有优势和不足。船载溢油雷达监测可实现第一时间的溢油污染预警，缩短应急响应时间，对于控制污染扩散和保护海洋环境具有重要的意义。随着我国海上溢油立体化监测技术体系的发展和推进，船载溢油监测雷达将在溢油污染灾害快速预警和溢油应急辅助决策中发挥越来越重要的作用。

[1] 王 兵,邳进仕.SRT-340型海上溢油雷达监视系统在大港油田埕海1-1人工岛上的应用[J].中国无线电,2013,(3):37-40.

[2] 杨文玉,刘康炜.基于固定式雷达组网的溢油监测技术研究[J].安全、健康和环境,2012,12(12):32-34.

[3] 索永峰,杨神化,陈国权.基于纹理识别的航海雷达溢油监测系统[J].集美大学学报,2014,19(2):113-117.

[4] 叶 伟,宋 薇.利用雷达建立近岸海域溢油污染监测体系的探索[J].水道港口,2012,33(5):436-439.

[5] 王子寅.航海雷达监测海面溢油方法与技术的研究[D].大连:大连海事大学,2011.

[6] 曲 亮,董军宇.雷达溢油监测系统在海洋管理中的应用[J].科技风,2012(22):79.