機載小型SAR研發(fā)與海洋溢油監(jiān)測試驗研究

宋莎莎，趙宇鵬，王巖飛，安偉

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司北京安全環(huán)保工程技術(shù)研究院 天津 300457； 2.中國科學院電子學研究所 北京 100190)

?

機載小型SAR研發(fā)與海洋溢油監(jiān)測試驗研究

宋莎莎1，趙宇鵬1，王巖飛2，安偉1

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司北京安全環(huán)保工程技術(shù)研究院 天津 300457； 2.中國科學院電子學研究所 北京 100190)

基于海上溢油監(jiān)測需求，自主研發(fā)了小型合成孔徑雷達(SAR)，并基于機載平臺開展海上監(jiān)測試驗，進行應(yīng)用測試。研發(fā)的小型SAR工作在C波段，極化方式為VV，質(zhì)量24 kg，可搭載于有人或無人飛行器，對較大面積海域進行實時連續(xù)成像，在獲取設(shè)定分辨率的SAR實時影像的同時，完整記錄原始回波信息，可進一步地面處理生成精細影像。2015年8—9月在山東煙臺威海近海海域開展了機載小型SAR海洋監(jiān)測試驗，獲取了海上目標包括平臺、船只、浮筏和海上疑似油膜現(xiàn)象的SAR影像，成像良好。海上試驗研究表明，小型SAR可以提供高質(zhì)量的海面SAR影像數(shù)據(jù)，為海面目標及油膜的實時監(jiān)測提供有利支持。

小型SAR；飛行試驗；海洋監(jiān)測；溢油

海上溢油污染危害嚴重，海上溢油監(jiān)測是當今海洋環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。目前廣泛應(yīng)用的SAR衛(wèi)星遙感受到重訪周期的限制，不能實現(xiàn)溢油的實時、靈活監(jiān)測；地面監(jiān)視監(jiān)測存在工作量大、人力成本高等問題；遠程視頻監(jiān)控則存在拍攝范圍較小等問題。機載SAR 系統(tǒng)的研制工作起始于20世紀70年代，發(fā)展至90年代逐步進入應(yīng)用階段[1]。機載SAR在海洋環(huán)境監(jiān)測如海冰、風場、海浪、內(nèi)波探測中得到應(yīng)用[2-6]。隨著機載SAR研發(fā)技術(shù)的進步和對無人機應(yīng)用需求的增加，對小型化SAR設(shè)備的需求也在增加，為海洋監(jiān)測應(yīng)用提供了新的選擇。機載小型SAR遙感監(jiān)測與衛(wèi)星SAR遙感監(jiān)測相比，可搭載到有人機、無人機等飛行平臺上，按預(yù)定航線自主飛行、攝像，獲取高分辨率遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有靈活、機動、監(jiān)測成本低及時效性強、適用于低空監(jiān)測等應(yīng)用優(yōu)勢，可以有效彌補衛(wèi)星遙感監(jiān)測的不足，是對傳統(tǒng)海洋監(jiān)測技術(shù)的良好補充和有效提升[7-8]。常規(guī)監(jiān)測或事故應(yīng)急監(jiān)測時，將設(shè)備安裝到飛行平臺上，便可對海上溢油污染狀況進行實時、靈活、全天時全天候的監(jiān)測，為事故現(xiàn)場指揮、輔助調(diào)查取證與事故評估提供支持，為海上溢油立體化監(jiān)測提供保障，切實提高海洋溢油監(jiān)測綜合技術(shù)水平。

1 小型SAR設(shè)備研發(fā)

小型SAR搭載于機載平臺，可對較大面積海域進行連續(xù)實時成像，并完整記錄原始回波信息，也可在具備無線傳輸鏈路的條件下從機上通過鏈路傳輸至地面進行接收顯示。為滿足小型SAR設(shè)備搭載于有人或無人飛行平臺的需求，在滿足小型SAR設(shè)計性能要求的同時，研發(fā)中重點考慮小型SAR設(shè)備的輕型化和小型化設(shè)計。

1.1 小型SAR設(shè)備組成

小型SAR設(shè)備包括機載部分和地面部分。機載部分包括天線及其穩(wěn)定平臺、固態(tài)發(fā)射機和綜合電子單元(圖1)。

天線及其穩(wěn)定平臺：天線采用貼片微帶形式，在滿足天線增益的條件下，微帶天線具有重量輕、天線副瓣低、加工制作周期短等技術(shù)優(yōu)勢，適合小型SAR采用。為減輕重量，天線穩(wěn)定平臺采用方位和橫滾兩軸穩(wěn)定機構(gòu)。

圖1 小型SAR機載部分組成

地面部分是數(shù)據(jù)回放與成像單元，將機上綜合電子單元記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為成像處理單元可以訪問的原始數(shù)據(jù)，并對原始數(shù)據(jù)進行高精度成像，為海洋監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 小型SAR加裝適配設(shè)計

為了滿足飛行平臺的安裝與使用要求，小型SAR的加裝適配設(shè)計主要從結(jié)構(gòu)安裝、接口設(shè)計、振動設(shè)計、熱設(shè)計以及防濕熱鹽霧等方面加以考慮。

以采用運12飛機為例，小型SAR的安裝需要針對飛行平臺進行適應(yīng)性調(diào)整，天線與天線穩(wěn)定平臺掛裝在機腹下天線罩內(nèi)，固態(tài)發(fā)射機和綜合電子單元根據(jù)互聯(lián)關(guān)系和加裝條件進行適當排布。與運12類似，基用無人機平臺也可以采用類似的安裝方式。

小型SAR與飛機的接口包括供電接口、遙控接口、實時數(shù)據(jù)接口、導航接口。同時針對機載環(huán)境和海上應(yīng)用，還需考慮抗振動、傳導散熱以及防濕熱、鹽霧措施等。

1.3 小型SAR原理樣機試飛

完成小型SAR設(shè)備制造及加裝適配后，在內(nèi)蒙古鄂爾多斯進行了小型SAR樣機的外場飛行試驗，共飛行了2個架次。根據(jù)飛行試驗獲取的數(shù)據(jù)，對小型SAR樣機的技術(shù)指標進行測量與檢驗，具體結(jié)果如表1所示。

表1 小型SAR技術(shù)指標測量結(jié)果

2 機載小型SAR海洋監(jiān)測試驗

2.1 試驗情況

基于研制的小型SAR樣機，開展海洋監(jiān)測試驗。2015年8月27日至9月16日，在山東煙臺進行了4次機載小型SAR海洋監(jiān)測試驗。海上飛行試驗采用的飛行平臺為運12有人機，巡航速度為292 km/h。試驗共飛行4個航次，受航空管制等限制，飛行高度最高3 100 m，主要對海上平臺、航道等重點區(qū)域進行了觀測，具體見表2。

表2 機載小型SAR海洋監(jiān)測試驗航次

2.2 數(shù)據(jù)情況

通過本次飛行試驗，獲取了海上艦船、養(yǎng)殖基地、海浪、疑似油膜現(xiàn)象等的高分辨率SAR圖像。圖2是煙臺海岸附近影像，圖2中右側(cè)散布著海面強后向散射目標，考慮近岸海域，合理判別該亮目標為船舶，同時圖中分布有黑色條紋狀類油膜現(xiàn)象。圖3是威海海岸的小型SAR圖像，能夠?qū)︷B(yǎng)殖情況、船舶動態(tài)、港口等不同目標進行監(jiān)測。圖3(a)中，港口、碼頭、船只、養(yǎng)殖區(qū)清晰可見；圖3(b)中可以清楚的分辨出養(yǎng)殖浮筏的條狀細節(jié)結(jié)構(gòu)，海面波浪條紋也可清楚觀察到。

圖2 煙臺海岸小型SAR獲取的影像

圖3 威海海岸小型SAR獲取的影像

2.3 數(shù)據(jù)解譯

小型SAR設(shè)備機上實時成像，響應(yīng)速度快，可在溢油應(yīng)急情況下快速提供海面油膜位置。但機上實時成像分辨率相對較低，本試驗中為對海面目標及海面暗斑進行精細識別，利用SAR成像處理軟件對SAR原始數(shù)據(jù)進行回放成像，SAR原始數(shù)據(jù)經(jīng)過高速回放與高分辨率處理后，生成SAR圖像二級產(chǎn)品。此時的圖像沒有經(jīng)緯度信息。通過SAR圖像處理軟件的幾何精校正(圖像配準處理)，得到帶有經(jīng)緯度信息的三級圖像產(chǎn)品(圖4(a))。對幾何校正后的SAR圖像進行類油膜暗目標識別[9-10]，結(jié)合形狀、紋理、后向散射特征，提取類油膜現(xiàn)象輪廓見圖4(b)，從而獲取類油膜目標位置、分布和面積等，類油膜現(xiàn)象面積約4.6 km2。

圖4 小型SAR影像解譯

3 結(jié)論與討論

研發(fā)了可搭載于有人或無人飛行器的小型SAR原理樣機，初步的海上監(jiān)測試驗表明，小型SAR傳感器可對各種海面場景進行成像，對海面船

只、平臺、港口碼頭、養(yǎng)殖區(qū)、海面暗斑成像清晰，辨識度高，可用于近實時的溢油監(jiān)測識別，有效補充海面衛(wèi)星遙感監(jiān)測的周期性限制。

由于試驗條件限制，試驗過程中未開展同步光學圖像的采集與對比分析。下步將在實際海面監(jiān)測中對該小型SAR設(shè)備繼續(xù)完善，并增加紅外、光學等傳感器，實現(xiàn)機載光學與SAR小型設(shè)備的聯(lián)合監(jiān)測。

[1] 曲長文，何友，龔沈光.機載SAR發(fā)展概況[J].現(xiàn)代雷達，2002，24(1):1-10.

[2] 蔣旭惠，張漢德，董梁，等.機載SAR在海冰航空監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].海洋開發(fā)與管理，2014,31(5)：44-47.

[3] 劉文俊，孔毅，趙現(xiàn)斌，等.基于交叉譜法的C波段機載SAR海浪反演[J].解放軍理工大學學報，2014,15(4)：380-385.

[4] 劉麗娜，陳曦，趙現(xiàn)斌，等.機載SAR探測海面風場、海浪和海洋內(nèi)波方法的分析與研究[J].氣象水文海洋儀器，2012(2)：6-10.

[5] 張珣.機載SAR圖像的海冰檢測方法的研究[D].大連：大連海事大學，2012.

[6] 高志遠，王秋玉.基于機載X-SAR海浪監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2011，30(7):115-118.

[7] LIU P，LI X，WANG W，et al.Oil spill detection with fully polarimetric UAVSAR data[J].Marine Pollution Bulletin，2011，62(12):2611-2618.

[8] JONES C E，MINCHEW B，HOLT B，et al.Studies of the deepwater horizon oil spill with the UAVSAR radar[J].Geophysical Monograph，2011，195:33-50.

[9] 宋莎莎，趙宇鵬，蘇騰飛,等.海上溢油SAR遙感監(jiān)測及溢油漂移快速數(shù)值預(yù)報技術(shù)研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2013，28(5):928-933.

[10] 宋莎莎，趙宇鵬,安偉，等.海上溢油SAR遙感監(jiān)測及溢油漂移快速數(shù)值預(yù)報技術(shù)研究[J].海洋科學進展，2016，34(1):138-146.

The Aerial Minitype SAR Development and Experiment on Marine Oil Spill Monitoring

SONG Shasha1，ZHAO Yupeng1，WANG Yanfei2，AN Wei1

(1.Beijing Security Environmental Protection Engineering Technology Research Institute，CNOOC Energy Technology & Services Limited，Tianjin 300457,China；2.Insititute of Electrics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190,China)

Minitype SAR was developed to realize the near real time monitoring of oil spill，and experiment on airborne platform was carried out for application test.The minitype SAR was developed to work on C band，VV polarization，with the weight of 24 kg and finest resolution of 0.5m，and could be aboard on manned and unmanned aerial vehicles.The minitype SAR made the real time and continual imaging of large coverage available，and recorded the original signals for fine imaging further back to ground.The experiment was carried out in August and September of 2015 in Yantai and Weihai offshore waters，with the mini SAR on board the cruiser of State Oceanic Administration.Images of oil rigs，vessels，floating rafts and oil-look-likes were acquired with good quality.It was indicated that the mini SAR provided high quality SAR images，supporting the oil slick detection and marine monitoring.

Mini type SAR，F(xiàn)light experiment，Marine monitoring，Oil spill

2017-03-06；

2017-03-27

中國海洋石油總公司科技項目“海上溢油衛(wèi)星自動識別和預(yù)警業(yè)務(wù)化系統(tǒng)研發(fā)”(CNOOC-KJ 125 ZDXM 25JAB NFCY 2012-01).

宋莎莎，工程師，碩士，研究方向為海上溢油污染防治技術(shù)研究，電子信箱:songshsh2@cnooc.com.cn

P7

A

1005-9857(2017)05-0087-04