淺談無人機航空遙感在核電項目溫排水原型觀測中的應用

于 強

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧 大連 116001

1 引言

核電站在運行過程中需要大量的冷卻水對反應堆進行冷卻,冷卻水吸收熱量后溫度升高,經排水口排出后進入受體海域,混合后會造成局部海域溫度升高,溫升區因受潮汐狀態、海流、氣溫等的影響處于動態變化的,核電站在運行過程中應確保其溫排水引起的溫升范圍等滿足已批準的近岸海域環境功能區劃的要求。通過無人機航空遙感的方式,可對溫排水的實際影響范圍和程度進行精確測量,并可為溫排水數模預報模型參數的合理選取以及溫排水環境影響后評估提供技術支撐。

2 技術方案(以國內某核電站為例)

2.1 技術要求 1)溫度場測量范圍：以排放口為中心,沿漲落潮方向長20km,水面寬度6km 的海域,海面溫度場實測范圍覆蓋1℃以上溫升影響區域;2)溫度場測量時段：進行夏季大潮、中潮和小潮期的三個潮型,在漲潮、落潮、高平、低平四個特征潮態時進行航空遙感和同步海面實測,每個潮態要求在1 小時內完成測量,條帶之間需保持有必要的重疊度(20%～30%);3)測量精度：航空遙感的溫度分辨率0.1℃、精度0.3℃,地面定位誤差小于5m;

2.2 技術路線 以國內某核電已開展的溫排水原型觀測的技術路線為例,其以紅外遙感技術為主要手段,采用無人機航空遙感為主、衛星航天遙感為輔,并采用海面船只實測驗證的方式,開展在運機組的溫排水溫度場遙感測量,利用遙感實測數據進行溫度反演,并最終完成核電廠溫排水的溫度場分布圖,詳見圖1。

圖1 技術路線圖

2.3 技術重點 依據前節對比分析,綜合考慮成熟性、先進性等因素,開展溫排水原型觀測可采用無人機掛載小型紅外熱像儀進行紅外遙感測量為主,結合水面測溫校正為主為輔的技術路線。其測量工作技術路線的技術重點包括：

2.3.1 紅外設備的測溫精度

因在無人機上使用,體積、重量以及供電要求是設備選擇的重要限制因素。在這些限制條件下,紅外設備的設備性能、測溫精準度、穩定性等能否滿足測量要求是需要重點關注的問題;

為保證紅外熱像儀的測溫性能,、工作穩定性等,通過對國內外多家紅外熱像儀進行比較,可選取適用于無人機搭載使用的德國歐普士PI640紅外熱像儀,其參數如下：

項目 規格工作溫度 0℃～50℃相對濕度 10～95%,非冷凝材質 鋁,陽極氧化表面/塑料尺寸 46mm×56 mm×84 mm重量 207g供電電壓 5VDC(通過USB 2.0接口供電)電流消耗 最大500m A數字接口 USB2.0測溫范圍 －20℃～＋100℃分辨率 640×480視場角 60°×45°系統精度 ±2℃或±2%靈敏度 0.075K幀速率 32HZ光譜范圍 7.5～13μm

2.3.2 無人機的安全穩定性

無人機飛行過程中機體的穩定性和抗風能力關系到紅外圖像的質量,且每個潮態要求無人機飛行測量時間約1小時(以國內某核電站為例),這對無人機的續航能力、抗風能力、載荷能力、姿態穩定性都提出很高的要求;

通過測試,國內某核電站選定的電動固定翼無人機,抗風能力強,其含有自動駕駛系統、程序控制系統、遙控與遙測系統、自動導航系統、自動著陸系統等;

2.3.3 鏡頭畸變校正

因原型觀測需進行大范圍的海域測量,無人機搭載的紅外熱像儀需使用廣角鏡頭,廣角鏡頭存在鏡頭畸變的問題,對測溫數據的定位影響較大,是溫排水原型觀測中必須要解決的技術問題;

對于鏡頭畸變問題,通過鏡頭畸變試驗采集網格畸變數據,分析畸變規律和畸變參數,建立每個鏡頭的畸變校正模型,并通過試驗進行驗證。將校正后的模型通過專業的數據處理軟件,可有效解決該問題;

2.3.4 定位精度及幾何校正

無人機在空中受風力影響姿態發生變化,從而導致紅外影像產生幾何畸變,影響溫排水測溫數據定位的精度;

針對海面定位精度問題,在進行溫排水原型觀測時,無人機采用搭載云臺、PPK 設備和傾角儀,從而提高紅外影像定位精度和幾何校正質量;

2.3.5 溫度反演和校正

由于高空中大氣參數的影響,包括氣溫、濕度、氣壓等,不同條件下紅外線的透射率也不同,從而導致測溫存在誤差;

針對大氣對測溫精度的影響,可在無人機進行溫排水原型觀測的同時,采用探空氣球等方式進行測量高度內的氣象觀測(國內某核電站無人機進行溫排水原型觀測時飛行高度為600m),為大氣修正提供依據,后續可通過專業軟件進行模擬計算修正;

通過水面船只測量典型區域內的海面水溫數據與紅外遙感測量溫度進行對比校正;

2.4 船只測量 無人機航空紅外遙感的溫度反演和定標工作需要海面溫度實測數據作為參考,通過對海面溫度實測同步點的提取,獲取若干采樣點,對比紅外遙感測量值的差異,通過軟件分析規律,建立溫度反演模型,從而提高整體紅外遙感測量溫度的精度。

2.5 觀測成果 通過上述章節對技術方案的完善,在實施無人機觀測時,應根據核電項目的溫排水實際排放情況,規劃無人機航線行程、船測路線等。

無人機遙感技術在國內某核電站已實施的溫排水原型觀測成果如下(小潮低平潮態)：夏季小潮低平潮態時,潮流作用力較弱,溫排水羽跡清晰,溫排水以排水口為中心向四周擴散,在出流動量的作用下,高溫區沿排水口方向向西擴散,同時由于之前落潮的影響,南側灣內較大區域內存在殘余熱水帶。詳見圖2。

3 結論

本技術方案采用無人機航空紅外遙感為主,利用熱紅外遙感技術進行海面溫度反演,并輔以海面船只同步測溫進行反演后的溫度校正和精度驗證,其總體技術路線可行。

通過國內某核電站的實施,進一步證明無人機航空遙感在可操作性和精度方面能夠滿足核電項目溫排水監測的需求,能夠反映每個潮態溫度場的變化特征。該技術路線既能彌補衛星航天遙感測溫精度及無法與潮汐同步的缺陷,又在能夠達到載人飛機航空遙感測溫精度的前提下,實施起來更加靈活方便、操作性更強、且成本更低,為未來核電項目溫排水溫度監測提供又一可行方案。

圖2 小潮低平潮溫度場分布圖