GNSS-R石油平台溢油探测方法

俞永庆，王林峰

GNSS-R石油平台溢油探测方法

俞永庆，王林峰

（中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司海洋采油厂，山东 东营 257000）

针对海面溢油监测中常用的雷达监测功耗大、成本高，光学探测易受天气干扰，且2种方法的监测时间受限制、易受其他物质干扰等问题，提出以全球卫星导航系统反射信号（GNSS-R）技术反演介电常数的岸基探测方法：通过污油池实验和海上抛油实验对介电常数进行分析，总结介电常数的变化规律；并结合实际的实验场景，建立介电常数变化与油膜覆盖状态的初步关系，对介电常数是否适用于海面溢油探测进行分析。实验结果表明，GNSS-R探测方法能区分海面有无油膜，且介电常数的数值大小与油膜覆盖面占比存在负相关性，介电常数可以作为判断海面溢油的基准参量。

全球卫星导航系统反射信号；海上溢油；岸基；介电常数

0 引言

石油是现代工业最重要的原材料之一，其需求量巨大且不断增加，其中海上石油生产在石油供应链占据重要的地位，在石油的开采、存储、运输过程中存在诸多溢油风险，溢油污染会波及到工业、渔业、水产养殖、旅游等多个产业，更重要的是其会对生态系统产生持续的污染[1]。国内外曾发生过许多溢油事件，如1967年“Torrey Canyon”号邮轮漏油事件、1991年波斯湾漏油事件，国内埕岛油田6A-5石油钻井泄露事件等。其中国内埕岛油田事件持续半年，污染区域面积为250 km2，造成重大经济损失[2]。因此如何及早发现海上溢油，从而做到早发现早治理，对减少或杜绝大面积溢油污染有重要的意义。

目前，世界各国采用较多的监测手段包括利用以合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）和侧视机载雷达（side-looking airborne radar，SLAR）等微波传感器以及包括可见光和红外/紫外遥感在内的光学检测器[3]，其中雷达监测功耗大、成本高，光学探测受天气干扰严重，且2种方法监测时间受限制，会受到其他物质的干扰而产生虚警的问题。

全球卫星导航系统反射信号（global navigation satellite system-reflection，GNSS-R）遥感技术是一种新兴的遥感技术，采用导航卫星信号作为信号源，具有信号源资源丰富、设备无源简单、高时间分辨、便于组网等特点。除此之外，导航卫星信号对于电离层阻碍物穿透力强，受到气候环境因素的影响小。目前对GNSS-R遥感技术研究包括盐度探测、风场探测、波高探测、浮冰分布探测、海面溢油探、雪层厚度探测、土壤湿度探测、移动目标探测等多方面[4-11]（如图1所示）。

图1 GNSS-R遥感技术的应用

文献[12]首次提出了GNSS-R理论，并利用全球定位系统（global positioning system，GPS）导航卫星信号实现了海面风速的测量；文献[13]中提出了‘Z-V’模型，建立了信号相关功率和散射率之间的数学关系，这一模型成为了后续GNSS-R技术研究的重要基础；文献[14]利用 GNSS-R技术对海面溢油进行了探测，通过时延-多普勒图（delay Doppler maps, DDM）获得了溢油区域图；文献[15]利用2013年11月青岛的溢油事故数据，获得了准确度很高溢油区域仿真结果；文献[16]采用北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）的卫星反射信号进行了岸基污油池油膜探测试验，首次利用接收的直、反射信号的相关功率计算反射率，通过反射率反演了介电常数，证明了通过GNSS-R反射信号反演海面介电常数的可行性；在文献[16]基础上，文献[17]中引入了对海况的分析，并提出了3天线的方法来消除海况对介电常数反演结果的影响，提高了溢油的反演精度。本文在此基础上，对实验中溢油探测结果数据随时间的变化情况进行进一步的分析。

1 GNSS-R海面介电常数反演

1.1 GNSS-R海面溢油探测模式

本文中以相对介电常数（以下简称介电常数）的数值为判据区分海面的油和水，海水的介电常数在80左右，石油的介电常数在5以下，如表1所示。

表1 不同油品相对介电常数

表1列出了原油、重油、煤油、柴油和汽油这5种最容易出现在溢油事故中的原油制品的介电常数。由此可以看出，原油制品和海水的介电常数之间存在明显差别，因此可利用介电常数来对溢油有无进行判断。

本文中利用GNSS-R技术来反演海面介电常数，具体的探测模式如图2所示。

图2 GNSS-R溢油探测模式

图2中采用3天线探测模式，即1个右旋圆极化直射天线、1个左旋圆极化反射天线与1个右旋圆极化反射天线。通过反射信号左、右旋分量与直射信号的变化关系来反演海面的介电常数，以介电常数的数值为判据判断有无溢油。

1.2 介电常数反演

GNSS-R遥感技术中，接收机接收到的导航卫星的直、反射信号分别为

在实际应用中，不能直接获得信号功率，需增加相关运算，进而取得信号的相关功率。

全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）卫星信号在海面的直反射能量关系可用菲涅尔反射系数表达，菲涅尔反射系数的表达式[18]为

即

在双反射天线模式中，通过处理接收的导航卫星右旋直射信号和左、右旋反射信号，并经过相关运算分别计算出左旋反射信号和右旋反射信号的相关功率，利用其比值与卫星高度角以及介电常数的函数关系反演出海面介电常数，以介电常数的数值为判据判断有无溢油。

2 实验与结果分析

本章在岸基溢油探测的相关原理的基础上，结合污油池实验和海上抛油实验的实验场景，对介电常数反演结果进行了分析。

2.1 污油池实验

污油池实验的时间为2016年9月，实验地点是位于山东省东营市胜利石油管理局孤东采油七队47号收油点的1个污油池，所处的坐标为（37°52′N，119°02′E）。

污油池长宽分别为20和5 m，实验安装了接收直射、左旋反射和右旋反射信号的3个天线作为1组天线。反射天线主瓣宽度为45 °，天线架高为1.5 m，反射天线的最大增益方向设置与水平面保持45 °夹角，天线正面朝向油面，直射天线朝向与反射天线朝向保持90 °夹角。直射天线方向朝上以获得更好的对卫星的跟踪能力，保证了不同天线之间在接收方向上具有一定的隔离度。实验场景如图3所示。

图3 污油池实验场景

图3中4个子图分别表示原油的注入（非连续事件）过程中油膜对污油池内海面的覆盖情况。在此过程中，反演得到的介电常数数值变化情况如图4所示。

图4中可明显地区分4个相对集中的介电常数数值分布区域，其分布的时间区域分别为0~ 130 s、150~250 s、260 ~360 s、380 ~500 s，分别对应图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）。可以看出，随着石油不断的流入污油池，池面历经油花、块状油膜、絮状油膜、密实油膜的状态，油膜的面积依次增大，介电常数逐渐减小，从接近70降低至10以下后保持稳定，可以得出介电常数数值与油膜覆盖面积负相关。

图4 油膜介电常数反演结果

2.2 海上抛油实验

海上抛油实验的实验地点为渤海海上某石油平台西0.5 km，实验时间分别为2017年3月31日和4月17日，以下称为一期实验和二期实验。实验目的是研究真实海况下GNSS-R技术对溢油的探测能力。实验中用馈线将天线与信号采集卡相连，用通用串行总线（universal serial bus,USB）将信号采集卡与数据处理电脑连接，采集到的数据存入移动硬盘。共准备3套采集设备，其中2套为8 bit采集卡，采集GPS数据，采样周期2 min，间隔10 s，接收天线的增益最大方向与垂直向上方向之间的夹角为55°；1套2 bit采集卡，采集GPS数据，采样周期2 min，间隔140 s，接收天线的增益最大方向与垂直向上方向之间的夹角为75°。一期实验中在石油平台架设2 bit采集设备，天线架高约40 m，在抛油船不同位置架设2组8 bit采集设备，天线架高约6.7 m。二期实验仅在跟踪船架设天线，为了适应实验现场的多变性，增加容错率，确保试验成功，同时在船体两侧和船尾分别架设天线，天线架设高度约6 m。实验依次进行了一期实验（40 L+40 L原油、600 L豆油）、二期实验（900 L豆油）。一期实验在14:18:45第1次倾倒约40 L原油，14:20:55第2次倾倒约40 L原油，14:45第3次倾倒600 L豆油，实验场景如图5所示。

实验采集数据反演的介电常数结果分别如图6和图7所示。

图6 一期实验石油平台探测结果

图7 一期实验抛油船探测结果

图6为一期实验某石油平台探测结果，从介电常数结果中可以看出：在14:27介电常数为52，此时第1次40 L原油经约9 min漂流至天线覆盖区；14:31介电常数数值出现短暂下降，最低值约为39，此时第2次40 L原油经约11 min也漂流至天线覆盖区，说明此时2次抛油后形成的油膜均在天线覆盖区，油膜占比增加，介电常数降低；14:36经约18 min第一块油膜漂移出覆盖区；14:41经约21 min第二块油膜也移出覆盖区，2块油膜达到覆盖区的时间有略微差别，这是因为抛油船为保持原位，叶轮运转功率不稳定，从而导致船舶后部的尾流初速度不一致，但2块油膜流经天线覆盖区的时长均在10 min左右，不过由于油膜区域较小，介电常数数值并未降至10以下。

在14:45进行第3次600 L豆油的抛洒，实验时为了使油膜尽量大，采用了船舶垂直于海流的方向，一边航行一边抛油，此时船舶位置发生改变。抛油后经约20 min于15:05油膜移至天线覆盖区，介电常数在12左右，经14 min油膜基本移出覆盖区。

实验中2组GNSS天线安装在船舶一侧不同位置，由于位置原因，仅1组天线探测到有效数据。图7为一期实验中抛油船上有效天线的探测结果。第1、2次所抛油膜贴船侧后移，未能经过天线覆盖区，也即未采集到油膜反射信号。第3次在14:45开始抛油，此时采集到油膜数据，介电常数在10以下；后船舶侧向航行，由于船舶移动造成天线未对准油膜区，至14:52船舶移至油膜方向并随流漂移，介电常数在10以下，并持续约10 min；至15:05船舶移动至平台天线探测区边缘，船舶停止漂移。此时GPS的16、23、26、27、28号星能获得的介电常数结果较好，反演的介电常数数值集中在5以内，其均值为3.41。GPS9号星数据波动大。图8为15时的卫星星空图，可以看到GPS9号星的卫星仰角低，信号质量较差，反演误差较大。

图8 一期实验时卫星星空图

二期实验于4月17日19:04抛豆油900 L，天线架设在跟踪船上，在抛油后跟踪船无动力随流漂流，从而尽可能长时间探测到数据。实验中，油膜向东南方向漂移，监测船舶位于油膜的东北方向，其船体一侧天线探测到有效油膜反射信号，有效天线朝向西南，实验结果如图9所示。

图9中GPS1、GPS11、GPS17、GPS22、GPS28、GPS30分别表示接收机针对GPS的1号星、11号星、17号星、22号星、28号星、30号星的探测结果。从图9中可以看出接收机能够接收到上述6颗GPS星在实验期间的反射信号，在监测船漂浮监测的1 h中，介电常数均值为3.48，前0.5 h数值较低，后0.5 h数值有所增长，这是因为油膜在漂浮的过程中扩散，油膜变薄破裂、海水占比增加的原因。

图9 二期实验探测结果

图10为二期实验时GPS卫星星空图，图10（a）为实验初始时刻，图10（b）为实验结束时刻。实验中，反射天线面向西南，可以看出：GPS1、GPS11、GPS22在天线的背面，也即采集到的反射信号为卫星后向散射信号；GPS17、GPS28、GPS30在天线正面，采集到的信号为卫星前向散射信号。说明GNSS溢油探测不仅能利用斜前方的卫星，也能利用斜后方的卫星。图9中GPS30号星由于仰角的快速变小，信号质量下降明显，19:20后未能监测到数据；GPS28号星由于位置在天线的侧面，天线采集到的信号质量也较差，信号断续明显；天线所采集到的GPS1、GPS11、GPS17、GPS22卫星信号质量较好，反射信号采集完整性高，反演的介电常数基本维持在10以内，其中GPS1号星在19:44的反演数据有所突变，这可能是因为天线背面船舶高处的障碍物遮挡引起的。

图10 二期实验时卫星星空图

实验表明：在天线对准油膜且油膜在天线覆盖区中占比较高时，反演的介电常数与海水介电常数存在明显差异，且当卫星导航信号质量较好时，介电常数数值相对稳定；因此可以采用介电常数来对海面溢油进行判断。表2为溢油模拟试验中4次抛油探测结果的对比。

表2 溢油模拟试验中4次抛油探测结果的对比

从表2可以看出，GNSS-R方法能把原油或豆油油膜从海水面中区分出，当油量越多，油膜覆盖面越大时，反演的介电常数值越小。

3 结束语

本文利用GNSS-R方法进行海洋岸基溢油探测的问题研究，以介电常数作为判据来区分油面和海水面。本文研究了3天线的GNSS反射信号反演介电常数的方法，设计并实现了污油池实验和海面溢油模拟实验。在污油池实验中，分油花、块状油膜、絮状油膜、密实油膜4种情况进行了数据分析，得出其介电常数分别在60左右、40左右、10左右以及10以下。密实油膜的反演结果与油膜介电常数理论值接近，且油膜在水面的占比多少与介电常数反演值呈负相关，也即油膜覆盖越大，介电常数越小，越接近油的介电常数。在海面溢油模拟实验中，进行了真实海面的4次抛油实验，通过在船舶和平台上分别架设GNSS直反射天线，采集到不同油量、不同油品和不同天线布局下的GNSS直反射数据。结合卫星星空分布，得出GNSS-R海面溢油探测不仅能利用卫星的前向散射信号，也能利用卫星的后向散射信号；但当卫星位于低仰角或天线侧方向时，天线接收到的信号微弱，数据质量较差，反演结果较差。同时在真实海面下同样得到了油膜在探测区域占比越大，反演的介电常数值越小，越能将油膜从海水面中区分出的结论；在油膜基本覆盖探测面时，介电常数在3.4左右。

综上，本文利用GNSS 3天线探测方法，通过污油池实验和海面溢油模拟实验，得到了水面和海面下不同油膜分布的介电常数反演值，以及油膜在探测区占比与介电常数大小的负相关性，表明了GNSS-R探测海面溢油的可行性，为海面溢油遥感监测提供了参考思路。

[1] 王志霞, 刘敏燕. 溢油对海洋生态系统的损害研究进展[J]. 水道港口, 2008(5): 367-371.

[2] 周政权. 基于蓬莱19-3溢油事故和莱州现场模拟实验探究溢油对大型底栖动物群落结构的影响[D]. 上海: 中国科学院大学(中国科学院烟台海岸带研究所), 2018.

[3] 苏伟光, 苏奋振, 周成虎, 等. 海面溢油光学卫星遥感监测能力分析[J]. 地球信息科学学报, 2012, 14(4): 523-530.

[4] FABRA F, CARDELLACH E, RIUS A, et al. Phase altimetry with dual polarization GNSS-R over sea ice[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2012, 50(99): 1-10.

[5] RODRIGUEZ-ALVAREZ N, BOSCH-LUIS X, CAMPS A, et al. Soil moisture retrieval using GNSS-R techniques: experimental results over a bare soil field[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2009: 3616-3624.

[6] ALONSO-ARROYO A, CAMPS A, PARK H, et al. Retrieval of significant wave height and mean sea surface level using the GNSS-R interference pattern technique: results from a three-month field campaign[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2015, 53(6): 3198-3209.

[7] SABIA R, CAPARRINI M, RUFFINI G. Potential synergetic use of GNSS-R signals to improve the sea-state correction in the sea surface salinity estimation: application to the SMOS mission[J]. Geoscience & Remote Sensing IEEE Transactions on, 2007, 45(7): 2088-2097.

[8] JI W, XIU C, LI W, et al. Ocean surface target detection and positioning using the spaceborne GNSS-R delay-Doppler maps[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2014: 3806-3809.

[9] RODRIGUEZ-ALVAREZ N, AKOS D M, ZAVOROTNY V U, et al. Airborne GNSS-R wind retrievals using delay–Doppler maps[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2013, 51(1): 626-641.

[10] JACOBSON M D. Dielectric-covered ground reflectors in GPS multipath reception—theory and measurement[J]. IEEE Geoscience & Remote Sensing Letters, 2008, 5(3): 396-399.

[11] CARDELLACH E, FABRA F, NOGUES-CORREIG O, et al. GNSS-R ground-based and airborne campaigns for ocean, land, ice, and snow techniques: application to the GOLD-RTR data sets[J]. Radio Science, 2011, 46(6): 3604-3629.

[12] HALL C D, CORDEY R A. Multistatic scatterometry[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 1988(1): 561-562.

[13] ZAVOROTNY V U, VORONOVICH A G. Scattering of GPS signals from the ocean with wind remote sensing application[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2000, 38(2): 951-964.

[14] VALENCIA E, CAMPS A, RODRIGUEZ-ALVAREZ N, et al. Using GNSS-R imaging of the ocean surface for oil slick detection[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations & Remote Sensing, 2013, 6(1): 217-223.

[15] 陈闪闪, 张云, 洪中华, 等. GNSS反射信号海面溢油回波DDM仿真研究[J]. 全球定位系统, 2017, 42(3): 15-19.

[16] 吴军, 张波, 洪学宝, 等. 基于北斗卫星反射信号的海面溢油探测方法及实验[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(1): 193-199.

[17] 贾紫樱, 张波, 吴军, 等. 岸基GNSS-R海上溢油探测方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(2): 383-390.

[18] STOGRYN A. Equations for calculating the dielectric constant of saline water(correspondence)[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 1971, 19(8): 733-736.

[19] BECKMANN P, SPIZZICHINO A. The scattering of electromagnetic waves from rough surfaces[M]. New York: Pergamon Press, 1963: 90-200.

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

俞永庆，王林峰.GNSS-R石油平台溢油探测方法[J].导航定位学报,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

俞永庆（1972—），男，山东东营人，博士，高级工程师，研究方向为物理海洋。

王林峰（1987—），男，山东东营人，本科，工程师，研究方向为物理海洋。