船载雷达在冰区石油平台应用研究

船载雷达在冰区石油平台应用研究

0雷达海冰监测预报技术渤海是中国最大的内海，每年冬季都会发生不同程度的冰情。在这一海域，辽东湾是中国最北部的冰洋区，也是渤海海冰的起源地。在湾区城区的石油平台上，由于冰印的持续不断移动，冰排放和积聚形成并积累的冰，这给冰区油船的外输安全带来了严重危害。首次利用船载雷达技术系统在辽东湾开发区油气平台上进行雷达海冰监测和预测技术系统，对现场雷达海冰进行监测，并对直观地观测和获得冰级海冰图像进行数值处理。主要研究内容包括冰场类型、冰厚度、冰场密度、冰速、方向、冰区分布、冰场沼泽沼泽等。同时，采用了自己开发的小冰场预测模式，即冰场工程点预测模式。2002年2月至2004年2月，在现场冰区进行了雷达海冰监测技术的跟踪和报告，并在冰区外输。这是首次在冰场工程中实施冰场预测器技术的应用。该研究的技术成就不仅反映了冰场区域内船舶的探测距离，也为冷场区域港口工程、冷区油田和气田生产防灾减灾研究提供了科学合理的基础。1雷达冰敏监测1.1流冰实时监测和监测雷达海冰监测技术系统主要包括雷达系统、海冰雷达图像记录仪、远程海冰数字监测仪和高分辨率的系统显示数据处理终端.该系统能够实时识别海冰类型;实时确定流冰的分布状态、流冰密集度以及海冰的表面状态;能够实时监测并确定流冰的运动速度、流冰的运动方向、流冰的厚度以及冰间水域参数等要素信息;并通过海冰数值图像显示仪将现场监测的实时画面通过卫星直接传递给陆上调度指挥中心,及时准确地提供现场海面的流冰分布动态,为冰区内油船作业安全提供保障.1.1.1雷达探测技术系统的主要性能参数(1)雷达段X波段;波长3cm;波束宽度:水平0.8°,垂直25°;发射功率10kW.(2)酶检测精度20、10、5MHz;幅度分层12b;采幅:PPI显示1024×768,B显示2048×6540;精度:象素点15m×15m;全自动图像采速:1幅/min.图1～图4分别是2004年1月7日和2月12日的雷达采集图像及雷达海冰分析图.1.1.2海冰图像中的数字视频图像我们分别选取于2004年1月7日和2月12日采集的雷达海冰图像,由图1～图4的内容可见,雷达海冰图像实现了数据化处理,得到雷达海冰数值实况图,主要参数有流冰模型及冰厚度、流冰密集度、流冰速度和方向,以及冰区船舶动态位置等.1.2辽东湾海域流冰雷达图像的研究连续3年(2002年～2004年)的12月到翌年2月间对辽东湾的冰区海域流冰的现场监测,其冰区海域流冰的现场雷达图像的解释、数字图像处理、数据融合、定量分析结果归纳见表1.1.3现场实时雷达海冰监测数值跟踪图的验证根据冰区油船外输作业的需要,研制出冰区小尺度即冰区工程点预报模式.它主要包括风场、潮流场和雷达冰漂流场组成的现场实时雷达海冰监测数值跟踪预报系统程序.冰情监测期间,可根据现场冰情,随时发布12h、24h雷达海冰监测数值跟踪图,实时掌握监测海域的流冰动态.在2002年12月～2004年2月期间进行了3个冰期的现场实时雷达海冰监测数值跟踪预报.通过现场卫星海冰监测实况图的验证,采用雷达进行海冰监测的数值跟踪预报是可行的,可解决工程(点)海冰实时预报,并有很高的实用价值.通过把2004年1月28日、29日期间12h和24h的雷达海冰数值跟踪预报图(见图5、6)及与之对应的实时卫星海冰监测实况图(见图7)相对比可知,雷达海冰数值跟踪预报图结果比较吻合.2冰沉、位移方向和速度的监测2.1流冰漂浮轨迹流冰漂移轨迹可以直观地表现流冰的漂移方向、速度以及漂移距离等主要特征.确定流冰漂移轨迹,首先要选择能够代表海面大多数流冰移动方向的冰块,确定监测的流冰块特征点,通过测定其方位和水平距离随时间的变化,计算得出其漂移的方向和速度,进而做出相应的流冰漂移轨迹图.根据2002年1月3日雷达对流冰在涨潮和落潮时的监测数据得出的流冰漂移轨迹图,详见图8.根据对辽东湾3个冰期的雷达海冰监测数据的统计分析,在风和潮流的共同作用下,此海域流冰漂移基本上是沿着N-NE方向(10°～65°)和S-WSW方向(185°～240°)之间做往复的运动,其中落潮的速度一般要大于涨潮的速度.2.2流冰运动漂浮通过观测可知,引起辽东湾海域流冰漂移的主要因素是潮流,其次是风及风引起的风海流、风拖曳力等因素.通过对流冰的现场雷达测量与该海区的潮流计算的同步比较表明(见图9),雷达测量的流冰速度和方向与本海区的潮流计算结果具有很好的一致性.因此采用雷达监测流冰运动漂移的方法具有准确性和实用性,测量精度上满足工程上辽东湾油田平台冰区油船外输作业和采油钻井作业的现场实时预报要求.2.3冰漂浮场场分析在辽东湾冰区石油平台作业区内,利用船载雷达对海冰进行了长达3个冰期的连续现场观测.通过对现场采集的雷达海冰图像进行的互相关分析,可得二维冰漂流场矢量分布图.图10和图11分别为两组雷达海冰图像以及与之相对应的雷达冰漂流矢量场图,借此可预报出在此观测时间段内冰漂移流场,即冰的漂移范围动态.3海冰监测技术在国内应用情况(1)现场船载雷达海冰监测和数值跟踪预报,直接应用于冰区小尺度即工程点上的作业生产,同时现场实时海冰数字图像的处理,流冰图像远程传输系统研制获得成功,此应用技术在国内目前尚属首次,具有理论和实践的先进性.(2)海湾冰区小尺度即冰区工程点预报模式、成像规律、海冰遥感信息的特征获取,尤其现场冰漂流矢量