机载海洋溢油探测任务系统

王根成 高超

摘   要： 比较分析了海洋溢油探测的主要传感器，提出了基于合成孔径雷达（SAR）、激光荧光传感器（LFS）、船载自动识别系统（AIS）的机载海洋溢油探测任务系统。机动探测主要探测的内容包括航路、油井及事故突发海域溢油位置、面积、油量、种类等数据，并动态监视油膜运动趋势。分析了载荷、通信、地面保障、信息处理4个分系统，研究了AIS接收机（带安装架）、AIS天线的信息处理功能。实例验证表明该系统易于安装、成本低、实用性强。

关键词： 合成孔径雷达（SAR）;激光荧光传感器（LFS）;船载自动识别系统（AIS）;机载;海洋;溢油探测

引言

海洋溢油灾害是指大量石油泄露到海洋里所造成的灾害[1]。海洋溢油的原因是多方面的，主要包括船舶碰撞、翻沉、海洋采油平台储油输油设施泄露等[2]。沿海炼油厂及其他石油工业企业排放的含油污水亦会污染附近海域[3]。此外，油轮压载水的恶意排放也会导致海洋溢油事故发生[4]。

海洋溢油事故往往造成大面积海域污染，造成严重的生态破坏，已经引起了各国的重视。各国都在积极参与海洋溢油的监视和遥感监测，主要手段包括卫星遥感探测、航空遥感监测。卫星遥感探测具备探测范围大、数据易解译的优点，但卫星遥感成像比例尺小、地面分辨率低，不具备机动、灵活的特点，误判率高，一定程度上限制了海洋溢油探测的应用效果。航空遥感监测具有灵活、机动的优势，是发达国家进行海洋监测的重要手段，也是事故监测工作中使用最多而且有效的技术，其中最常使用的航空遥感器有合成孔径雷达（SAR）、激光荧光探测器（LFS）、红外/紫外传感器（IR/UV）等。

我国激光诱导荧光探测海面溢油技术在20世纪90年代以来也得到了长足的进展。李颖等率先对海上溢油遥感监测技术进行了大量的研究，研制了机载激光荧光溢油探测系统，并且得到了良好的应用，能够获取几种常见船舶的溢油（原油、重燃油、轻柴油及机油等）的光谱信息，以识别油种[5]。该系统做到了真正的小型化、轻量化。

本文在前人工作的基础上，基于相关传感器性能比较，进一步分析研究机载海洋溢油探测任务系统，尤其是设计了载荷、通信、地面保障、信息处理4个分系统。

1  相关传感器性能比较

机载遥感溢油探测传感器包括：侧视机载雷达（SLAR）、合成孔径雷达（SAR）、可见光传感器（VIS）、红外/紫外传感器（IR/UV）、激光荧光传感器（LFS）、微波辐射计（MWR）、搜索雷达（SR）、前视红外传感器（FLIR）等[6-8]。表1对部分传感器进行了比较。其中，LFS是大功率紫外线激光仪，可以向水体表面发出短波脉冲（5～20 nm）。激光感应振荡产生的荧光和反散射由荧光望远镜接收，并作出溢油种类鉴别和油层厚度测量，它是目前唯一能够区别海草油污染、探测海滩溢油、鉴别溢油种类的传感器，也是目前唯一能够探测冰、雪油污染的可靠的手段，是各类溢油探测应用中的强有力工具[9]。

不同油类物质的荧光光谱特征如图1所示，它们有比较大的差异。一般地，仅用肉眼就可以通过这些荧光谱线识别出对应的油种。根据图1，对各油种的波谱特征，如峰值波长、对应通道及荧光强度等进行总结，如表2所示。

2  系统组成及特点

基于各個传感器的特点，只要选择SAR与LFS的组合，就可达到非常良好的应用效果。采用SAR进行远距离大范围探测，一旦发现疑似溢油区域，就提供溢油位置、面积信息，再采用LFS进行近距离监测，实现溢油确认、油膜种类鉴定、油膜厚度计算[10]。再配备AIS（国际海事组织建立的船载自动识别系统的缩写）、GPS、GIS进行疑似肇事船只判定、综合数据分析等[11]。

系统包括任务载荷分系统、通信分系统、地面保障分系统、信息处理分系统4大部分。

（1）任务载荷分系统包括SAR、LFS、AIS、任务监控、探测资料处理5个子系统，是实施溢油探测的任务载荷，依托载机平台在空中实施溢油探测。

（2）通信分系统负责地面与空中的数据传输，实现地面指挥中心与飞行平台之间任务数据的传输。

（3）地面保障分系统负责提供探测飞行所需要的备品备件支持以及系统的运输、检测、维修。

（4）信息处理分系统负责飞行探测后的探测数据处理以及飞行结束后的数据上报。

2.1  任务载荷分系统

任务载荷分系统包括SAR、LFS、AIS、任务监控、探测资料处理5个子系统。SAR子系统实现大面积搜索及实时成像。实时成像结果发送至探测资料处理子系统进行自动检测、识别。疑似溢油图像、位置、面积信息发送至任务监控子系统。飞行员及操作员操作系统进入LFS模式，荧光数据发送至探测资料处理子系统，进行油膜确认、溢油种类提取、厚度信息提取。处理结果发送至任务监控子系统，任务监控子系统将溢油位置、面积、种类、厚度信息打包，通过卫星通信发送至地面指挥中心。

2.1.1  SAR子系统

SAR子系统实现对海面溢油的全天候、全天时动态探测。

SAR子系统基本功能如下：

（1）具备对海成像能力;

（2）机上完成实时成像处理及自动溢油检测、识别、报警;

（3）工作模式预装订或由人工控制;

（4）具备自检测能力。

SAR子系统由3个可更换单元（LRU）——天线单元、低功率射频单元和综合电子单元组成。

雷达工作于条带模式，在实施任务规划时，预先确定成像带，并根据任务规划确定相应的飞行航线。明确飞行航线与成像带后，即可确定雷达工作的相关参数，如场景中心距离、天线下视角等。当飞机沿指定的飞行路径飞到成像带起始点时，开始进行连续无缝的条带成像，直到指定的成像带终点或雷达被命令完成其他功能为止。

2.1.2  LFS子系统

LFS子系统基本功能如下：

（1）生成不同油种荧光光谱;

（2）自动识别常见溢油（原油、柴油、机油等）油种;

（3）系统时序及增益可控。

LFS子系统主要由激光器、激光束扩束准直系统、光学收集和光谱分光系统、光电探测系统、数据采集和数据处理系统组成。

LFS子系统工作模式为点状测量。在飞行过程中，激光器垂直向海面发射一定频率的脉冲激光，并通过参数的设置来接收海面产生的荧光信号。

根据现场天气及环境情况制定飞行方案，确定飞行高度及速度，设置系统延时、积分时间、门宽等参数。程序启动后先进行初始化，调节冷却温度进行制冷。可选择触发方式。启动激光器激发样品荧光，同时获取光谱数据，这期间可调节设备参数，以获取最佳效果，最后将光谱图像显示出来，保存光谱数据，并自动识别油种。

一旦发现海面溢油，即降低飞行高度至700 m以下的指定高度，获取油种数据，传输油种识别结果至地面站。地面指挥中心结合飞行路线及GPS，结合GIS，给出不同油种分布的结果，用于溢油应急决策。

2.1.3  AIS子系统

AIS是通过广播通信系统方式，在本船与其他一些船舶以及海岸空台站之间建立导航数据交换的系统。该系统是在一个或多个频道上工作的，是由两个或更多个电台构成的无线电数据链系统。

AIS子系统主要用于侦收海区船舶发送的AIS信息，按照《船载自动识别系统技术特性（ITU-R M.1371-4）》[12]解析接收到的全部报文，并通过接口上报AIS信息给上位处理机，实现民船目标的自动识别、定位和管理等功能。

AIS子系统由AIS接收机（带安装架）、AIS天线、一体化工控机、高频电缆、信号电缆等组成。

2.1.4  任务监控子系统

任务监控子系统包括任务监控终端及任务监控软件。任务监控软件运行在任务监控终端设备上，主要完成任务载荷工作调度及任务切换、处理结果的输出显示，主要功能概述如下：

（1）控制SAR、LFS、AIS等任务载荷的任务开启与调度切换;

（2）控制任务载荷的工作参数设置;

（3）实时接收各类与任务执行相关的有效信息（包括SAR探测图像、LFS探测数据、AIS数据、飞行平台状态、飞行平台参数、任务载荷状态等）;

（4）实时显示SAR处理图像、LFS光谱图像，自动检测油膜参数信息。

2.1.5  探测资料处理子系统

探测资料处理子系统完成数据处理和数据记录。具体功能如下：

（1）依据雷达输入的SAR探测图像，实时检测是否存在疑似油膜，输出油膜参数（面积、中心位置）至任务监控子系统;

（2）依据LFS探测数据，确定是否存在油膜，输出油膜光谱图像、油膜参数（种类、来源、厚度）至监控终端子系统;

（3）完成SAR图像数据、LFS实时处理数据、AIS数据记录。

2.2  通信分系统

通信分系统将溢油探测结果（油污位置、面积、种类、油量）以报文形式分发给地面指挥中心，以确定溢油事故等级，作为生态索赔依据，并为最终清理措施提供信息支撑。同时通信分系统还需具备飞行平台与海面清污船的语音通信功能。本系统通信网络采用SCOTTY超视距系统。

SCOTTY超视距系统通过L波段卫星通信，全天候工作，不限作用距离，这使得地面站可在千里之外遥控指挥飞机。SCOTTY超视距系统在飞机顶部安装一个工作于卫星模式的定位天线以及一个卫星通信处理系统。这个卫星通信处理系统与舱外监视设备和飞机舱内通信系统相连。

2.3  地面保障分系统

地面保障分系統位于地面指挥中心，负责提供飞行探测所需要的备品备件支持以及系统的运输、检测、维修服务。

2.4  信息处理分系统

信息处理分系统位于地面指挥中心，负责飞行探测后的探测数据处理以及飞行结束后的数据上报。

3  结束语

以SAR和LFS为核心的机载海洋溢油探测任务系统，可以机动探测主要航路、油井及事故突发海域溢油位置、面积、油量、种类等数据，动态监视油膜运动趋势，为判定事故等级、追溯肇事船只、依法进行生态索赔等提供依据，为油污清理提供信息支持。

同时，该系统易于安装到中小型固定翼飞机，如奥地利钻石飞机公司的DA42MPP飞机上，成本低，实用性强。

参考文献

[1] Brekke C， Solberg A H S. Oil spill detection by satellite remote sensing[J]. Remote Sensing of Environment， 2005， 95（1）： 1-13.

[2] 陈辉， 赵朝方. MODIS多光谱信息在海上溢油检测中的应用[J]. 海洋湖沼通报， 2009（3）： 46-52.

[3] Fingas M， Brown C. Review of oil spill remote sensing[J]. Marine Pollution Bulletin， 2014， 83（1）： 9-23.

[4] 尹奇志， 初秀民， 孙星， 等. 船舶溢油监测方法的应用现状及发展趋势[J]. 船海工程， 2010， 39（5）： 246-250.

[5] 李颖， 刘丙新， 陈澎. 高光谱遥感技术在水上溢油监测中的研究进展[J]. 海洋环境科学， 2012， 31（3）： 460-464.

[6] 刘康炜， 杨文玉. 海上溢油监测技术研究进展[J]. 安全，健康和环境， 2012， 12（7）： 1-3.

[7] 李四海. 海上溢油遥感探测技术及其应用进展[J]. 遥感信息， 2004（2）： 53-57.

[8] 安居白. 航空遥感探测海上溢油的技术[J]. 交通环保， 2002， 23（1）： 24-26.

[9] 刘兴权， 苏伟光， 苏奋振. 基于SAR图像的海洋溢油提取方法研究[J]. 黑龙江科技信息， 2008（22）： 56-57.

[10] 陈海菊， 安居白， 刘建鑫. 基于SVM的激光诱导荧光遥感识别海面溢油[J]. 应用能源技术， 2008（2）： 6-9.

[11] 兰国新， 李颖， 李宝玉， 等. 基于多源遥感的海上溢油应急监测研究与应用[J]. 大连海事大学学报， 2012， 38（1）： 97-100.

[12] 船载自动识别系统技术特性： ITU-R M.1371-4[S].