機(jī)載海洋溢油探測(cè)任務(wù)系統(tǒng)

王根成 高超

摘? ?要： 比較分析了海洋溢油探測(cè)的主要傳感器，提出了基于合成孔徑雷達(dá)（SAR）、激光熒光傳感器（LFS）、船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）的機(jī)載海洋溢油探測(cè)任務(wù)系統(tǒng)。機(jī)動(dòng)探測(cè)主要探測(cè)的內(nèi)容包括航路、油井及事故突發(fā)海域溢油位置、面積、油量、種類等數(shù)據(jù)，并動(dòng)態(tài)監(jiān)視油膜運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。分析了載荷、通信、地面保障、信息處理4個(gè)分系統(tǒng)，研究了AIS接收機(jī)（帶安裝架）、AIS天線的信息處理功能。實(shí)例驗(yàn)證表明該系統(tǒng)易于安裝、成本低、實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 合成孔徑雷達(dá)（SAR）;激光熒光傳感器（LFS）;船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）;機(jī)載;海洋;溢油探測(cè)

引言

海洋溢油災(zāi)害是指大量石油泄露到海洋里所造成的災(zāi)害[1]。海洋溢油的原因是多方面的，主要包括船舶碰撞、翻沉、海洋采油平臺(tái)儲(chǔ)油輸油設(shè)施泄露等[2]。沿海煉油廠及其他石油工業(yè)企業(yè)排放的含油污水亦會(huì)污染附近海域[3]。此外，油輪壓載水的惡意排放也會(huì)導(dǎo)致海洋溢油事故發(fā)生[4]。

海洋溢油事故往往造成大面積海域污染，造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞，已經(jīng)引起了各國(guó)的重視。各國(guó)都在積極參與海洋溢油的監(jiān)視和遙感監(jiān)測(cè)，主要手段包括衛(wèi)星遙感探測(cè)、航空遙感監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星遙感探測(cè)具備探測(cè)范圍大、數(shù)據(jù)易解譯的優(yōu)點(diǎn)，但衛(wèi)星遙感成像比例尺小、地面分辨率低，不具備機(jī)動(dòng)、靈活的特點(diǎn)，誤判率高，一定程度上限制了海洋溢油探測(cè)的應(yīng)用效果。航空遙感監(jiān)測(cè)具有靈活、機(jī)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，是發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行海洋監(jiān)測(cè)的重要手段，也是事故監(jiān)測(cè)工作中使用最多而且有效的技術(shù)，其中最常使用的航空遙感器有合成孔徑雷達(dá)（SAR）、激光熒光探測(cè)器（LFS）、紅外/紫外傳感器（IR/UV）等。

我國(guó)激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)海面溢油技術(shù)在20世紀(jì)90年代以來(lái)也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)展。李穎等率先對(duì)海上溢油遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，研制了機(jī)載激光熒光溢油探測(cè)系統(tǒng)，并且得到了良好的應(yīng)用，能夠獲取幾種常見(jiàn)船舶的溢油（原油、重燃油、輕柴油及機(jī)油等）的光譜信息，以識(shí)別油種[5]。該系統(tǒng)做到了真正的小型化、輕量化。

本文在前人工作的基礎(chǔ)上，基于相關(guān)傳感器性能比較，進(jìn)一步分析研究機(jī)載海洋溢油探測(cè)任務(wù)系統(tǒng)，尤其是設(shè)計(jì)了載荷、通信、地面保障、信息處理4個(gè)分系統(tǒng)。

1? 相關(guān)傳感器性能比較

機(jī)載遙感溢油探測(cè)傳感器包括：側(cè)視機(jī)載雷達(dá)（SLAR）、合成孔徑雷達(dá)（SAR）、可見(jiàn)光傳感器（VIS）、紅外/紫外傳感器（IR/UV）、激光熒光傳感器（LFS）、微波輻射計(jì)（MWR）、搜索雷達(dá)（SR）、前視紅外傳感器（FLIR）等[6-8]。表1對(duì)部分傳感器進(jìn)行了比較。其中，LFS是大功率紫外線激光儀，可以向水體表面發(fā)出短波脈沖（5～20 nm）。激光感應(yīng)振蕩產(chǎn)生的熒光和反散射由熒光望遠(yuǎn)鏡接收，并作出溢油種類鑒別和油層厚度測(cè)量，它是目前唯一能夠區(qū)別海草油污染、探測(cè)海灘溢油、鑒別溢油種類的傳感器，也是目前唯一能夠探測(cè)冰、雪油污染的可靠的手段，是各類溢油探測(cè)應(yīng)用中的強(qiáng)有力工具[9]。

不同油類物質(zhì)的熒光光譜特征如圖1所示，它們有比較大的差異。一般地，僅用肉眼就可以通過(guò)這些熒光譜線識(shí)別出對(duì)應(yīng)的油種。根據(jù)圖1，對(duì)各油種的波譜特征，如峰值波長(zhǎng)、對(duì)應(yīng)通道及熒光強(qiáng)度等進(jìn)行總結(jié)，如表2所示。

2? 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

基于各個(gè)傳感器的特點(diǎn)，只要選擇SAR與LFS的組合，就可達(dá)到非常良好的應(yīng)用效果。采用SAR進(jìn)行遠(yuǎn)距離大范圍探測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)疑似溢油區(qū)域，就提供溢油位置、面積信息，再采用LFS進(jìn)行近距離監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)溢油確認(rèn)、油膜種類鑒定、油膜厚度計(jì)算[10]。再配備AIS（國(guó)際海事組織建立的船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的縮寫）、GPS、GIS進(jìn)行疑似肇事船只判定、綜合數(shù)據(jù)分析等[11]。

系統(tǒng)包括任務(wù)載荷分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、地面保障分系統(tǒng)、信息處理分系統(tǒng)4大部分。

（1）任務(wù)載荷分系統(tǒng)包括SAR、LFS、AIS、任務(wù)監(jiān)控、探測(cè)資料處理5個(gè)子系統(tǒng)，是實(shí)施溢油探測(cè)的任務(wù)載荷，依托載機(jī)平臺(tái)在空中實(shí)施溢油探測(cè)。

（2）通信分系統(tǒng)負(fù)責(zé)地面與空中的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)地面指揮中心與飛行平臺(tái)之間任務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。

（3）地面保障分系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供探測(cè)飛行所需要的備品備件支持以及系統(tǒng)的運(yùn)輸、檢測(cè)、維修。

（4）信息處理分系統(tǒng)負(fù)責(zé)飛行探測(cè)后的探測(cè)數(shù)據(jù)處理以及飛行結(jié)束后的數(shù)據(jù)上報(bào)。

2.1? 任務(wù)載荷分系統(tǒng)

任務(wù)載荷分系統(tǒng)包括SAR、LFS、AIS、任務(wù)監(jiān)控、探測(cè)資料處理5個(gè)子系統(tǒng)。SAR子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大面積搜索及實(shí)時(shí)成像。實(shí)時(shí)成像結(jié)果發(fā)送至探測(cè)資料處理子系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、識(shí)別。疑似溢油圖像、位置、面積信息發(fā)送至任務(wù)監(jiān)控子系統(tǒng)。飛行員及操作員操作系統(tǒng)進(jìn)入LFS模式，熒光數(shù)據(jù)發(fā)送至探測(cè)資料處理子系統(tǒng)，進(jìn)行油膜確認(rèn)、溢油種類提取、厚度信息提取。處理結(jié)果發(fā)送至任務(wù)監(jiān)控子系統(tǒng)，任務(wù)監(jiān)控子系統(tǒng)將溢油位置、面積、種類、厚度信息打包，通過(guò)衛(wèi)星通信發(fā)送至地面指揮中心。

2.1.1? SAR子系統(tǒng)

SAR子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)海面溢油的全天候、全天時(shí)動(dòng)態(tài)探測(cè)。

SAR子系統(tǒng)基本功能如下：

（1）具備對(duì)海成像能力;

（2）機(jī)上完成實(shí)時(shí)成像處理及自動(dòng)溢油檢測(cè)、識(shí)別、報(bào)警;

（3）工作模式預(yù)裝訂或由人工控制;

（4）具備自檢測(cè)能力。

SAR子系統(tǒng)由3個(gè)可更換單元（LRU）——天線單元、低功率射頻單元和綜合電子單元組成。

雷達(dá)工作于條帶模式，在實(shí)施任務(wù)規(guī)劃時(shí)，預(yù)先確定成像帶，并根據(jù)任務(wù)規(guī)劃確定相應(yīng)的飛行航線。明確飛行航線與成像帶后，即可確定雷達(dá)工作的相關(guān)參數(shù)，如場(chǎng)景中心距離、天線下視角等。當(dāng)飛機(jī)沿指定的飛行路徑飛到成像帶起始點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)無(wú)縫的條帶成像，直到指定的成像帶終點(diǎn)或雷達(dá)被命令完成其他功能為止。

2.1.2? LFS子系統(tǒng)

LFS子系統(tǒng)基本功能如下：

（1）生成不同油種熒光光譜;

（2）自動(dòng)識(shí)別常見(jiàn)溢油（原油、柴油、機(jī)油等）油種;

（3）系統(tǒng)時(shí)序及增益可控。

LFS子系統(tǒng)主要由激光器、激光束擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光學(xué)收集和光譜分光系統(tǒng)、光電探測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

LFS子系統(tǒng)工作模式為點(diǎn)狀測(cè)量。在飛行過(guò)程中，激光器垂直向海面發(fā)射一定頻率的脈沖激光，并通過(guò)參數(shù)的設(shè)置來(lái)接收海面產(chǎn)生的熒光信號(hào)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)天氣及環(huán)境情況制定飛行方案，確定飛行高度及速度，設(shè)置系統(tǒng)延時(shí)、積分時(shí)間、門寬等參數(shù)。程序啟動(dòng)后先進(jìn)行初始化，調(diào)節(jié)冷卻溫度進(jìn)行制冷。可選擇觸發(fā)方式。啟動(dòng)激光器激發(fā)樣品熒光，同時(shí)獲取光譜數(shù)據(jù)，這期間可調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)，以獲取最佳效果，最后將光譜圖像顯示出來(lái)，保存光譜數(shù)據(jù)，并自動(dòng)識(shí)別油種。

一旦發(fā)現(xiàn)海面溢油，即降低飛行高度至700 m以下的指定高度，獲取油種數(shù)據(jù)，傳輸油種識(shí)別結(jié)果至地面站。地面指揮中心結(jié)合飛行路線及GPS，結(jié)合GIS，給出不同油種分布的結(jié)果，用于溢油應(yīng)急決策。

2.1.3? AIS子系統(tǒng)

AIS是通過(guò)廣播通信系統(tǒng)方式，在本船與其他一些船舶以及海岸空臺(tái)站之間建立導(dǎo)航數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在一個(gè)或多個(gè)頻道上工作的，是由兩個(gè)或更多個(gè)電臺(tái)構(gòu)成的無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

AIS子系統(tǒng)主要用于偵收海區(qū)船舶發(fā)送的AIS信息，按照《船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)特性（ITU-R M.1371-4）》[12]解析接收到的全部報(bào)文，并通過(guò)接口上報(bào)AIS信息給上位處理機(jī)，實(shí)現(xiàn)民船目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別、定位和管理等功能。

AIS子系統(tǒng)由AIS接收機(jī)（帶安裝架）、AIS天線、一體化工控機(jī)、高頻電纜、信號(hào)電纜等組成。

2.1.4? 任務(wù)監(jiān)控子系統(tǒng)

任務(wù)監(jiān)控子系統(tǒng)包括任務(wù)監(jiān)控終端及任務(wù)監(jiān)控軟件。任務(wù)監(jiān)控軟件運(yùn)行在任務(wù)監(jiān)控終端設(shè)備上，主要完成任務(wù)載荷工作調(diào)度及任務(wù)切換、處理結(jié)果的輸出顯示，主要功能概述如下：

（1）控制SAR、LFS、AIS等任務(wù)載荷的任務(wù)開(kāi)啟與調(diào)度切換;

（2）控制任務(wù)載荷的工作參數(shù)設(shè)置;

（3）實(shí)時(shí)接收各類與任務(wù)執(zhí)行相關(guān)的有效信息（包括SAR探測(cè)圖像、LFS探測(cè)數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)、飛行平臺(tái)狀態(tài)、飛行平臺(tái)參數(shù)、任務(wù)載荷狀態(tài)等）;

（4）實(shí)時(shí)顯示SAR處理圖像、LFS光譜圖像，自動(dòng)檢測(cè)油膜參數(shù)信息。

2.1.5? 探測(cè)資料處理子系統(tǒng)

探測(cè)資料處理子系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)記錄。具體功能如下：

（1）依據(jù)雷達(dá)輸入的SAR探測(cè)圖像，實(shí)時(shí)檢測(cè)是否存在疑似油膜，輸出油膜參數(shù)（面積、中心位置）至任務(wù)監(jiān)控子系統(tǒng);

（2）依據(jù)LFS探測(cè)數(shù)據(jù)，確定是否存在油膜，輸出油膜光譜圖像、油膜參數(shù)（種類、來(lái)源、厚度）至監(jiān)控終端子系統(tǒng);

（3）完成SAR圖像數(shù)據(jù)、LFS實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)記錄。

2.2? 通信分系統(tǒng)

通信分系統(tǒng)將溢油探測(cè)結(jié)果（油污位置、面積、種類、油量）以報(bào)文形式分發(fā)給地面指揮中心，以確定溢油事故等級(jí)，作為生態(tài)索賠依據(jù)，并為最終清理措施提供信息支撐。同時(shí)通信分系統(tǒng)還需具備飛行平臺(tái)與海面清污船的語(yǔ)音通信功能。本系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用SCOTTY超視距系統(tǒng)。

SCOTTY超視距系統(tǒng)通過(guò)L波段衛(wèi)星通信，全天候工作，不限作用距離，這使得地面站可在千里之外遙控指揮飛機(jī)。SCOTTY超視距系統(tǒng)在飛機(jī)頂部安裝一個(gè)工作于衛(wèi)星模式的定位天線以及一個(gè)衛(wèi)星通信處理系統(tǒng)。這個(gè)衛(wèi)星通信處理系統(tǒng)與艙外監(jiān)視設(shè)備和飛機(jī)艙內(nèi)通信系統(tǒng)相連。

2.3? 地面保障分系統(tǒng)

地面保障分系統(tǒng)位于地面指揮中心，負(fù)責(zé)提供飛行探測(cè)所需要的備品備件支持以及系統(tǒng)的運(yùn)輸、檢測(cè)、維修服務(wù)。

2.4? 信息處理分系統(tǒng)

信息處理分系統(tǒng)位于地面指揮中心，負(fù)責(zé)飛行探測(cè)后的探測(cè)數(shù)據(jù)處理以及飛行結(jié)束后的數(shù)據(jù)上報(bào)。

3? 結(jié)束語(yǔ)

以SAR和LFS為核心的機(jī)載海洋溢油探測(cè)任務(wù)系統(tǒng)，可以機(jī)動(dòng)探測(cè)主要航路、油井及事故突發(fā)海域溢油位置、面積、油量、種類等數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)視油膜運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為判定事故等級(jí)、追溯肇事船只、依法進(jìn)行生態(tài)索賠等提供依據(jù)，為油污清理提供信息支持。

同時(shí)，該系統(tǒng)易于安裝到中小型固定翼飛機(jī)，如奧地利鉆石飛機(jī)公司的DA42MPP飛機(jī)上，成本低，實(shí)用性強(qiáng)。

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