船載雷達在冰區(qū)石油平臺應用研究

船載雷達在冰區(qū)石油平臺應用研究

0雷達海冰監(jiān)測預報技術(shù)渤海是中國最大的內(nèi)海，每年冬季都會發(fā)生不同程度的冰情。在這一海域，遼東灣是中國最北部的冰洋區(qū)，也是渤海海冰的起源地。在灣區(qū)城區(qū)的石油平臺上，由于冰印的持續(xù)不斷移動，冰排放和積聚形成并積累的冰，這給冰區(qū)油船的外輸安全帶來了嚴重危害。首次利用船載雷達技術(shù)系統(tǒng)在遼東灣開發(fā)區(qū)油氣平臺上進行雷達海冰監(jiān)測和預測技術(shù)系統(tǒng)，對現(xiàn)場雷達海冰進行監(jiān)測，并對直觀地觀測和獲得冰級海冰圖像進行數(shù)值處理。主要研究內(nèi)容包括冰場類型、冰厚度、冰場密度、冰速、方向、冰區(qū)分布、冰場沼澤沼澤等。同時，采用了自己開發(fā)的小冰場預測模式，即冰場工程點預測模式。2002年2月至2004年2月，在現(xiàn)場冰區(qū)進行了雷達海冰監(jiān)測技術(shù)的跟蹤和報告，并在冰區(qū)外輸。這是首次在冰場工程中實施冰場預測器技術(shù)的應用。該研究的技術(shù)成就不僅反映了冰場區(qū)域內(nèi)船舶的探測距離，也為冷場區(qū)域港口工程、冷區(qū)油田和氣田生產(chǎn)防災減災研究提供了科學合理的基礎(chǔ)。1雷達冰敏監(jiān)測1.1流冰實時監(jiān)測和監(jiān)測雷達海冰監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)主要包括雷達系統(tǒng)、海冰雷達圖像記錄儀、遠程海冰數(shù)字監(jiān)測儀和高分辨率的系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)處理終端.該系統(tǒng)能夠?qū)崟r識別海冰類型;實時確定流冰的分布狀態(tài)、流冰密集度以及海冰的表面狀態(tài);能夠?qū)崟r監(jiān)測并確定流冰的運動速度、流冰的運動方向、流冰的厚度以及冰間水域參數(shù)等要素信息;并通過海冰數(shù)值圖像顯示儀將現(xiàn)場監(jiān)測的實時畫面通過衛(wèi)星直接傳遞給陸上調(diào)度指揮中心,及時準確地提供現(xiàn)場海面的流冰分布動態(tài),為冰區(qū)內(nèi)油船作業(yè)安全提供保障.1.1.1雷達探測技術(shù)系統(tǒng)的主要性能參數(shù)(1)雷達段X波段;波長3cm;波束寬度:水平0.8°,垂直25°;發(fā)射功率10kW.(2)酶檢測精度20、10、5MHz;幅度分層12b;采幅:PPI顯示1024×768,B顯示2048×6540;精度:象素點15m×15m;全自動圖像采速:1幅/min.圖1～圖4分別是2004年1月7日和2月12日的雷達采集圖像及雷達海冰分析圖.1.1.2海冰圖像中的數(shù)字視頻圖像我們分別選取于2004年1月7日和2月12日采集的雷達海冰圖像,由圖1～圖4的內(nèi)容可見,雷達海冰圖像實現(xiàn)了數(shù)據(jù)化處理,得到雷達海冰數(shù)值實況圖,主要參數(shù)有流冰模型及冰厚度、流冰密集度、流冰速度和方向,以及冰區(qū)船舶動態(tài)位置等.1.2遼東灣海域流冰雷達圖像的研究連續(xù)3年(2002年～2004年)的12月到翌年2月間對遼東灣的冰區(qū)海域流冰的現(xiàn)場監(jiān)測,其冰區(qū)海域流冰的現(xiàn)場雷達圖像的解釋、數(shù)字圖像處理、數(shù)據(jù)融合、定量分析結(jié)果歸納見表1.1.3現(xiàn)場實時雷達海冰監(jiān)測數(shù)值跟蹤圖的驗證根據(jù)冰區(qū)油船外輸作業(yè)的需要,研制出冰區(qū)小尺度即冰區(qū)工程點預報模式.它主要包括風場、潮流場和雷達冰漂流場組成的現(xiàn)場實時雷達海冰監(jiān)測數(shù)值跟蹤預報系統(tǒng)程序.冰情監(jiān)測期間,可根據(jù)現(xiàn)場冰情,隨時發(fā)布12h、24h雷達海冰監(jiān)測數(shù)值跟蹤圖,實時掌握監(jiān)測海域的流冰動態(tài).在2002年12月～2004年2月期間進行了3個冰期的現(xiàn)場實時雷達海冰監(jiān)測數(shù)值跟蹤預報.通過現(xiàn)場衛(wèi)星海冰監(jiān)測實況圖的驗證,采用雷達進行海冰監(jiān)測的數(shù)值跟蹤預報是可行的,可解決工程(點)海冰實時預報,并有很高的實用價值.通過把2004年1月28日、29日期間12h和24h的雷達海冰數(shù)值跟蹤預報圖(見圖5、6)及與之對應的實時衛(wèi)星海冰監(jiān)測實況圖(見圖7)相對比可知,雷達海冰數(shù)值跟蹤預報圖結(jié)果比較吻合.2冰沉、位移方向和速度的監(jiān)測2.1流冰漂浮軌跡流冰漂移軌跡可以直觀地表現(xiàn)流冰的漂移方向、速度以及漂移距離等主要特征.確定流冰漂移軌跡,首先要選擇能夠代表海面大多數(shù)流冰移動方向的冰塊,確定監(jiān)測的流冰塊特征點,通過測定其方位和水平距離隨時間的變化,計算得出其漂移的方向和速度,進而做出相應的流冰漂移軌跡圖.根據(jù)2002年1月3日雷達對流冰在漲潮和落潮時的監(jiān)測數(shù)據(jù)得出的流冰漂移軌跡圖,詳見圖8.根據(jù)對遼東灣3個冰期的雷達海冰監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,在風和潮流的共同作用下,此海域流冰漂移基本上是沿著N-NE方向(10°～65°)和S-WSW方向(185°～240°)之間做往復的運動,其中落潮的速度一般要大于漲潮的速度.2.2流冰運動漂浮通過觀測可知,引起遼東灣海域流冰漂移的主要因素是潮流,其次是風及風引起的風海流、風拖曳力等因素.通過對流冰的現(xiàn)場雷達測量與該海區(qū)的潮流計算的同步比較表明(見圖9),雷達測量的流冰速度和方向與本海區(qū)的潮流計算結(jié)果具有很好的一致性.因此采用雷達監(jiān)測流冰運動漂移的方法具有準確性和實用性,測量精度上滿足工程上遼東灣油田平臺冰區(qū)油船外輸作業(yè)和采油鉆井作業(yè)的現(xiàn)場實時預報要求.2.3冰漂浮場場分析在遼東灣冰區(qū)石油平臺作業(yè)區(qū)內(nèi),利用船載雷達對海冰進行了長達3個冰期的連續(xù)現(xiàn)場觀測.通過對現(xiàn)場采集的雷達海冰圖像進行的互相關(guān)分析,可得二維冰漂流場矢量分布圖.圖10和圖11分別為兩組雷達海冰圖像以及與之相對應的雷達冰漂流矢量場圖,借此可預報出在此觀測時間段內(nèi)冰漂移流場,即冰的漂移范圍動態(tài).3海冰監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)應用情況(1)現(xiàn)場船載雷達海冰監(jiān)測和數(shù)值跟蹤預報,直接應用于冰區(qū)小尺度即工程點上的作業(yè)生產(chǎn),同時現(xiàn)場實時海冰數(shù)字圖像的處理,流冰圖像遠程傳輸系統(tǒng)研制獲得成功,此應用技術(shù)在國內(nèi)目前尚屬首次,具有理論和實踐的先進性.(2)海灣冰區(qū)小尺度即冰區(qū)工程點預報模式、成像規(guī)律、海冰遙感信息的特征獲取,尤其現(xiàn)場冰漂流矢量