GNSS-R石油平臺溢油探測方法

俞永慶，王林峰

GNSS-R石油平臺溢油探測方法

俞永慶，王林峰

（中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司海洋采油廠，山東 東營 257000）

針對海面溢油監(jiān)測中常用的雷達(dá)監(jiān)測功耗大、成本高，光學(xué)探測易受天氣干擾，且2種方法的監(jiān)測時間受限制、易受其他物質(zhì)干擾等問題，提出以全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反射信號（GNSS-R）技術(shù)反演介電常數(shù)的岸基探測方法：通過污油池實(shí)驗(yàn)和海上拋油實(shí)驗(yàn)對介電常數(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)介電常數(shù)的變化規(guī)律；并結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)場景，建立介電常數(shù)變化與油膜覆蓋狀態(tài)的初步關(guān)系，對介電常數(shù)是否適用于海面溢油探測進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GNSS-R探測方法能區(qū)分海面有無油膜，且介電常數(shù)的數(shù)值大小與油膜覆蓋面占比存在負(fù)相關(guān)性，介電常數(shù)可以作為判斷海面溢油的基準(zhǔn)參量。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反射信號；海上溢油；岸基；介電常數(shù)

0 引言

石油是現(xiàn)代工業(yè)最重要的原材料之一，其需求量巨大且不斷增加，其中海上石油生產(chǎn)在石油供應(yīng)鏈占據(jù)重要的地位，在石油的開采、存儲、運(yùn)輸過程中存在諸多溢油風(fēng)險，溢油污染會波及到工業(yè)、漁業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等多個產(chǎn)業(yè)，更重要的是其會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)的污染[1]。國內(nèi)外曾發(fā)生過許多溢油事件，如1967年“Torrey Canyon”號郵輪漏油事件、1991年波斯灣漏油事件，國內(nèi)埕島油田6A-5石油鉆井泄露事件等。其中國內(nèi)埕島油田事件持續(xù)半年，污染區(qū)域面積為250 km2，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此如何及早發(fā)現(xiàn)海上溢油，從而做到早發(fā)現(xiàn)早治理，對減少或杜絕大面積溢油污染有重要的意義。

目前，世界各國采用較多的監(jiān)測手段包括利用以合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）和側(cè)視機(jī)載雷達(dá)（side-looking airborne radar，SLAR）等微波傳感器以及包括可見光和紅外/紫外遙感在內(nèi)的光學(xué)檢測器[3]，其中雷達(dá)監(jiān)測功耗大、成本高，光學(xué)探測受天氣干擾嚴(yán)重，且2種方法監(jiān)測時間受限制，會受到其他物質(zhì)的干擾而產(chǎn)生虛警的問題。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反射信號（global navigation satellite system-reflection，GNSS-R）遙感技術(shù)是一種新興的遙感技術(shù)，采用導(dǎo)航衛(wèi)星信號作為信號源，具有信號源資源豐富、設(shè)備無源簡單、高時間分辨、便于組網(wǎng)等特點(diǎn)。除此之外，導(dǎo)航衛(wèi)星信號對于電離層阻礙物穿透力強(qiáng)，受到氣候環(huán)境因素的影響小。目前對GNSS-R遙感技術(shù)研究包括鹽度探測、風(fēng)場探測、波高探測、浮冰分布探測、海面溢油探、雪層厚度探測、土壤濕度探測、移動目標(biāo)探測等多方面[4-11]（如圖1所示）。

圖1 GNSS-R遙感技術(shù)的應(yīng)用

文獻(xiàn)[12]首次提出了GNSS-R理論，并利用全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）導(dǎo)航衛(wèi)星信號實(shí)現(xiàn)了海面風(fēng)速的測量；文獻(xiàn)[13]中提出了‘Z-V’模型，建立了信號相關(guān)功率和散射率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，這一模型成為了后續(xù)GNSS-R技術(shù)研究的重要基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[14]利用 GNSS-R技術(shù)對海面溢油進(jìn)行了探測，通過時延-多普勒圖（delay Doppler maps, DDM）獲得了溢油區(qū)域圖；文獻(xiàn)[15]利用2013年11月青島的溢油事故數(shù)據(jù)，獲得了準(zhǔn)確度很高溢油區(qū)域仿真結(jié)果；文獻(xiàn)[16]采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）的衛(wèi)星反射信號進(jìn)行了岸基污油池油膜探測試驗(yàn)，首次利用接收的直、反射信號的相關(guān)功率計算反射率，通過反射率反演了介電常數(shù)，證明了通過GNSS-R反射信號反演海面介電常數(shù)的可行性；在文獻(xiàn)[16]基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[17]中引入了對海況的分析，并提出了3天線的方法來消除海況對介電常數(shù)反演結(jié)果的影響，提高了溢油的反演精度。本文在此基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)中溢油探測結(jié)果數(shù)據(jù)隨時間的變化情況進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

1 GNSS-R海面介電常數(shù)反演

1.1 GNSS-R海面溢油探測模式

本文中以相對介電常數(shù)（以下簡稱介電常數(shù)）的數(shù)值為判據(jù)區(qū)分海面的油和水，海水的介電常數(shù)在80左右，石油的介電常數(shù)在5以下，如表1所示。

表1 不同油品相對介電常數(shù)

表1列出了原油、重油、煤油、柴油和汽油這5種最容易出現(xiàn)在溢油事故中的原油制品的介電常數(shù)。由此可以看出，原油制品和海水的介電常數(shù)之間存在明顯差別，因此可利用介電常數(shù)來對溢油有無進(jìn)行判斷。

本文中利用GNSS-R技術(shù)來反演海面介電常數(shù)，具體的探測模式如圖2所示。

圖2 GNSS-R溢油探測模式

圖2中采用3天線探測模式，即1個右旋圓極化直射天線、1個左旋圓極化反射天線與1個右旋圓極化反射天線。通過反射信號左、右旋分量與直射信號的變化關(guān)系來反演海面的介電常數(shù)，以介電常數(shù)的數(shù)值為判據(jù)判斷有無溢油。

1.2 介電常數(shù)反演

GNSS-R遙感技術(shù)中，接收機(jī)接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星的直、反射信號分別為

在實(shí)際應(yīng)用中，不能直接獲得信號功率，需增加相關(guān)運(yùn)算，進(jìn)而取得信號的相關(guān)功率。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）衛(wèi)星信號在海面的直反射能量關(guān)系可用菲涅爾反射系數(shù)表達(dá)，菲涅爾反射系數(shù)的表達(dá)式[18]為

即

在雙反射天線模式中，通過處理接收的導(dǎo)航衛(wèi)星右旋直射信號和左、右旋反射信號，并經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算分別計算出左旋反射信號和右旋反射信號的相關(guān)功率，利用其比值與衛(wèi)星高度角以及介電常數(shù)的函數(shù)關(guān)系反演出海面介電常數(shù)，以介電常數(shù)的數(shù)值為判據(jù)判斷有無溢油。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本章在岸基溢油探測的相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合污油池實(shí)驗(yàn)和海上拋油實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)場景，對介電常數(shù)反演結(jié)果進(jìn)行了分析。

2.1 污油池實(shí)驗(yàn)

污油池實(shí)驗(yàn)的時間為2016年9月，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)是位于山東省東營市勝利石油管理局孤東采油七隊47號收油點(diǎn)的1個污油池，所處的坐標(biāo)為（37°52′N，119°02′E）。

污油池長寬分別為20和5 m，實(shí)驗(yàn)安裝了接收直射、左旋反射和右旋反射信號的3個天線作為1組天線。反射天線主瓣寬度為45 °，天線架高為1.5 m，反射天線的最大增益方向設(shè)置與水平面保持45 °夾角，天線正面朝向油面，直射天線朝向與反射天線朝向保持90 °夾角。直射天線方向朝上以獲得更好的對衛(wèi)星的跟蹤能力，保證了不同天線之間在接收方向上具有一定的隔離度。實(shí)驗(yàn)場景如圖3所示。

圖3 污油池實(shí)驗(yàn)場景

圖3中4個子圖分別表示原油的注入（非連續(xù)事件）過程中油膜對污油池內(nèi)海面的覆蓋情況。在此過程中，反演得到的介電常數(shù)數(shù)值變化情況如圖4所示。

圖4中可明顯地區(qū)分4個相對集中的介電常數(shù)數(shù)值分布區(qū)域，其分布的時間區(qū)域分別為0~ 130 s、150~250 s、260 ~360 s、380 ~500 s，分別對應(yīng)圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）。可以看出，隨著石油不斷的流入污油池，池面歷經(jīng)油花、塊狀油膜、絮狀油膜、密實(shí)油膜的狀態(tài)，油膜的面積依次增大，介電常數(shù)逐漸減小，從接近70降低至10以下后保持穩(wěn)定，可以得出介電常數(shù)數(shù)值與油膜覆蓋面積負(fù)相關(guān)。

圖4 油膜介電常數(shù)反演結(jié)果

2.2 海上拋油實(shí)驗(yàn)

海上拋油實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為渤海海上某石油平臺西0.5 km，實(shí)驗(yàn)時間分別為2017年3月31日和4月17日，以下稱為一期實(shí)驗(yàn)和二期實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯空鎸?shí)海況下GNSS-R技術(shù)對溢油的探測能力。實(shí)驗(yàn)中用饋線將天線與信號采集卡相連，用通用串行總線（universal serial bus,USB）將信號采集卡與數(shù)據(jù)處理電腦連接，采集到的數(shù)據(jù)存入移動硬盤。共準(zhǔn)備3套采集設(shè)備，其中2套為8 bit采集卡，采集GPS數(shù)據(jù)，采樣周期2 min，間隔10 s，接收天線的增益最大方向與垂直向上方向之間的夾角為55°；1套2 bit采集卡，采集GPS數(shù)據(jù)，采樣周期2 min，間隔140 s，接收天線的增益最大方向與垂直向上方向之間的夾角為75°。一期實(shí)驗(yàn)中在石油平臺架設(shè)2 bit采集設(shè)備，天線架高約40 m，在拋油船不同位置架設(shè)2組8 bit采集設(shè)備，天線架高約6.7 m。二期實(shí)驗(yàn)僅在跟蹤船架設(shè)天線，為了適應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的多變性，增加容錯率，確保試驗(yàn)成功，同時在船體兩側(cè)和船尾分別架設(shè)天線，天線架設(shè)高度約6 m。實(shí)驗(yàn)依次進(jìn)行了一期實(shí)驗(yàn)（40 L+40 L原油、600 L豆油）、二期實(shí)驗(yàn)（900 L豆油）。一期實(shí)驗(yàn)在14:18:45第1次傾倒約40 L原油，14:20:55第2次傾倒約40 L原油，14:45第3次傾倒600 L豆油，實(shí)驗(yàn)場景如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)反演的介電常數(shù)結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 一期實(shí)驗(yàn)石油平臺探測結(jié)果

圖7 一期實(shí)驗(yàn)拋油船探測結(jié)果

圖6為一期實(shí)驗(yàn)?zāi)呈推脚_探測結(jié)果，從介電常數(shù)結(jié)果中可以看出：在14:27介電常數(shù)為52，此時第1次40 L原油經(jīng)約9 min漂流至天線覆蓋區(qū)；14:31介電常數(shù)數(shù)值出現(xiàn)短暫下降，最低值約為39，此時第2次40 L原油經(jīng)約11 min也漂流至天線覆蓋區(qū)，說明此時2次拋油后形成的油膜均在天線覆蓋區(qū)，油膜占比增加，介電常數(shù)降低；14:36經(jīng)約18 min第一塊油膜漂移出覆蓋區(qū)；14:41經(jīng)約21 min第二塊油膜也移出覆蓋區(qū)，2塊油膜達(dá)到覆蓋區(qū)的時間有略微差別，這是因?yàn)閽佊痛瑸楸３衷唬~輪運(yùn)轉(zhuǎn)功率不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致船舶后部的尾流初速度不一致，但2塊油膜流經(jīng)天線覆蓋區(qū)的時長均在10 min左右，不過由于油膜區(qū)域較小，介電常數(shù)數(shù)值并未降至10以下。

在14:45進(jìn)行第3次600 L豆油的拋灑，實(shí)驗(yàn)時為了使油膜盡量大，采用了船舶垂直于海流的方向，一邊航行一邊拋油，此時船舶位置發(fā)生改變。拋油后經(jīng)約20 min于15:05油膜移至天線覆蓋區(qū)，介電常數(shù)在12左右，經(jīng)14 min油膜基本移出覆蓋區(qū)。

實(shí)驗(yàn)中2組GNSS天線安裝在船舶一側(cè)不同位置，由于位置原因，僅1組天線探測到有效數(shù)據(jù)。圖7為一期實(shí)驗(yàn)中拋油船上有效天線的探測結(jié)果。第1、2次所拋油膜貼船側(cè)后移，未能經(jīng)過天線覆蓋區(qū)，也即未采集到油膜反射信號。第3次在14:45開始拋油，此時采集到油膜數(shù)據(jù)，介電常數(shù)在10以下；后船舶側(cè)向航行，由于船舶移動造成天線未對準(zhǔn)油膜區(qū)，至14:52船舶移至油膜方向并隨流漂移，介電常數(shù)在10以下，并持續(xù)約10 min；至15:05船舶移動至平臺天線探測區(qū)邊緣，船舶停止漂移。此時GPS的16、23、26、27、28號星能獲得的介電常數(shù)結(jié)果較好，反演的介電常數(shù)數(shù)值集中在5以內(nèi)，其均值為3.41。GPS9號星數(shù)據(jù)波動大。圖8為15時的衛(wèi)星星空圖，可以看到GPS9號星的衛(wèi)星仰角低，信號質(zhì)量較差，反演誤差較大。

圖8 一期實(shí)驗(yàn)時衛(wèi)星星空圖

二期實(shí)驗(yàn)于4月17日19:04拋豆油900 L，天線架設(shè)在跟蹤船上，在拋油后跟蹤船無動力隨流漂流，從而盡可能長時間探測到數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中，油膜向東南方向漂移，監(jiān)測船舶位于油膜的東北方向，其船體一側(cè)天線探測到有效油膜反射信號，有效天線朝向西南，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9中GPS1、GPS11、GPS17、GPS22、GPS28、GPS30分別表示接收機(jī)針對GPS的1號星、11號星、17號星、22號星、28號星、30號星的探測結(jié)果。從圖9中可以看出接收機(jī)能夠接收到上述6顆GPS星在實(shí)驗(yàn)期間的反射信號，在監(jiān)測船漂浮監(jiān)測的1 h中，介電常數(shù)均值為3.48，前0.5 h數(shù)值較低，后0.5 h數(shù)值有所增長，這是因?yàn)橛湍ぴ谄〉倪^程中擴(kuò)散，油膜變薄破裂、海水占比增加的原因。

圖9 二期實(shí)驗(yàn)探測結(jié)果

圖10為二期實(shí)驗(yàn)時GPS衛(wèi)星星空圖，圖10（a）為實(shí)驗(yàn)初始時刻，圖10（b）為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時刻。實(shí)驗(yàn)中，反射天線面向西南，可以看出：GPS1、GPS11、GPS22在天線的背面，也即采集到的反射信號為衛(wèi)星后向散射信號；GPS17、GPS28、GPS30在天線正面，采集到的信號為衛(wèi)星前向散射信號。說明GNSS溢油探測不僅能利用斜前方的衛(wèi)星，也能利用斜后方的衛(wèi)星。圖9中GPS30號星由于仰角的快速變小，信號質(zhì)量下降明顯，19:20后未能監(jiān)測到數(shù)據(jù)；GPS28號星由于位置在天線的側(cè)面，天線采集到的信號質(zhì)量也較差，信號斷續(xù)明顯；天線所采集到的GPS1、GPS11、GPS17、GPS22衛(wèi)星信號質(zhì)量較好，反射信號采集完整性高，反演的介電常數(shù)基本維持在10以內(nèi)，其中GPS1號星在19:44的反演數(shù)據(jù)有所突變，這可能是因?yàn)樘炀€背面船舶高處的障礙物遮擋引起的。

圖10 二期實(shí)驗(yàn)時衛(wèi)星星空圖

實(shí)驗(yàn)表明：在天線對準(zhǔn)油膜且油膜在天線覆蓋區(qū)中占比較高時，反演的介電常數(shù)與海水介電常數(shù)存在明顯差異，且當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號質(zhì)量較好時，介電常數(shù)數(shù)值相對穩(wěn)定；因此可以采用介電常數(shù)來對海面溢油進(jìn)行判斷。表2為溢油模擬試驗(yàn)中4次拋油探測結(jié)果的對比。

表2 溢油模擬試驗(yàn)中4次拋油探測結(jié)果的對比

從表2可以看出，GNSS-R方法能把原油或豆油油膜從海水面中區(qū)分出，當(dāng)油量越多，油膜覆蓋面越大時，反演的介電常數(shù)值越小。

3 結(jié)束語

本文利用GNSS-R方法進(jìn)行海洋岸基溢油探測的問題研究，以介電常數(shù)作為判據(jù)來區(qū)分油面和海水面。本文研究了3天線的GNSS反射信號反演介電常數(shù)的方法，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了污油池實(shí)驗(yàn)和海面溢油模擬實(shí)驗(yàn)。在污油池實(shí)驗(yàn)中，分油花、塊狀油膜、絮狀油膜、密實(shí)油膜4種情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，得出其介電常數(shù)分別在60左右、40左右、10左右以及10以下。密實(shí)油膜的反演結(jié)果與油膜介電常數(shù)理論值接近，且油膜在水面的占比多少與介電常數(shù)反演值呈負(fù)相關(guān)，也即油膜覆蓋越大，介電常數(shù)越小，越接近油的介電常數(shù)。在海面溢油模擬實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了真實(shí)海面的4次拋油實(shí)驗(yàn)，通過在船舶和平臺上分別架設(shè)GNSS直反射天線，采集到不同油量、不同油品和不同天線布局下的GNSS直反射數(shù)據(jù)。結(jié)合衛(wèi)星星空分布，得出GNSS-R海面溢油探測不僅能利用衛(wèi)星的前向散射信號，也能利用衛(wèi)星的后向散射信號；但當(dāng)衛(wèi)星位于低仰角或天線側(cè)方向時，天線接收到的信號微弱，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，反演結(jié)果較差。同時在真實(shí)海面下同樣得到了油膜在探測區(qū)域占比越大，反演的介電常數(shù)值越小，越能將油膜從海水面中區(qū)分出的結(jié)論；在油膜基本覆蓋探測面時，介電常數(shù)在3.4左右。

綜上，本文利用GNSS 3天線探測方法，通過污油池實(shí)驗(yàn)和海面溢油模擬實(shí)驗(yàn)，得到了水面和海面下不同油膜分布的介電常數(shù)反演值，以及油膜在探測區(qū)占比與介電常數(shù)大小的負(fù)相關(guān)性，表明了GNSS-R探測海面溢油的可行性，為海面溢油遙感監(jiān)測提供了參考思路。

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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

俞永慶，王林峰.GNSS-R石油平臺溢油探測方法[J].導(dǎo)航定位學(xué)報,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

俞永慶（1972—），男，山東東營人，博士，高級工程師，研究方向?yàn)槲锢砗Ｑ蟆?/p>

王林峰（1987—），男，山東東營人，本科，工程師，研究方向?yàn)槲锢砗Ｑ蟆?/p>