CN101118284A

CN101118284A - 航海雷达溢油监测技术系统

Info

Publication number: CN101118284A
Application number: CNA2007100123533A
Authority: CN
Inventors: 邵秘华; 陶平; 孙延维; 赵宝刚
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2008-02-06

Abstract

本发明的航海雷达溢油监测技术系统属于海洋环境监测技术领域，该系统主要由航海雷达、通讯接口、雷达溢油图像记录仪和计算机组成，完成海面溢油监测、图像采集与传输，并实现溢油图像的数值化处理，获得溢油发生的位置、范围、分布形态、溢油漂移方向、速度等相关参数，实现溢油图像的动态显示以及图像传输功能，整体完成航海雷达溢油监测图像数值化处理技术。本发明的有益效果在于，该系统可全天候、实时、高效、准确提供近岸海域、航线、锚地等区域较大范围海面溢油最新动态信息，为溢油监测和溢油事故应急反应系统决策提供技术支持。

Description

航海雷达溢油监测技术系统

技术领域

本发明属于海洋环境监测技术领域，涉及一种应用航海雷达对海上溢油进行实时监测、图像处理的技术系统。

背景技术

面对二十一世纪海洋石油的开发利用，海面溢油对近海海域的污染是世界各国政府高度重视研究课题之一，海上溢油事故是特别关注的热点。在海面溢油监测系统中，雷达遥感是最重要和最有效的手段之一。根据雷达所搭载的平台，目前海洋溢油监视监测方法有以下三种：航天卫星雷达(SAR)、机载雷达(SLAR)和船载雷达(Shipborne Radar)。

航空遥感和卫星遥感监视海上溢油是目前世界各国普遍采用的方法。从现有资料统计分析发现：发达国家都在积极运用航空遥感监测海上溢油，其中大约有一半国家同时也运用卫星遥感监测海上溢油。卫星遥感适合监测大面积的溢油污染，航空遥感则适合小面积、海岸上石头和沙子、植物等上面的溢油污染，特别适合指挥清除和治理工作。合成孔径雷达卫星是唯一被部署用来执行跟踪监测海上溢油的日常任务卫星，许多溢油事故的监测结果证明了这种遥感器的日夜、全天候监测海上溢油的能力。由于溢油在广阔海面上受风、浪、流的共同作用，具有动态特性，因此航空遥感系统在溢油应急处理过程中起主导作用。另外，航空遥感在部署上的灵活性、机动性以及遥感器的可选择性等优点对溢油应急处理来说都是至关重要的。而卫星遥感则主要在确定溢油位置和面积等方面能够提供整个溢油污染水域宏观图像。

对于慢性泄漏而言，越来越多的海事国家主要利用卫星图像来监视这些污染源。当环境条件变坏时，即有云或雾遮挡时，这项监测任务就变得非常困难了。

目前，国内外的基本趋势是航天、航空、船载遥感数据和图像与全球定位系统(GPS)实现一体化，尤其对于港口船舶漏油监测一直是我国海事部门的难题，其特点是范围小、突发性强、扩散快、难发现、难清除，直接影响港口附近海域的环境保护和治理。为了有效地防治海洋溢油污染，必须对港口、锚地、近海水道的船舶漏油进行有效监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种航海雷达溢油监测技术系统，能够全天候、快速、准确地提供大范围的或局部海区的海面溢油分布变化，连续跟踪海面溢油扩散，提供溢油漂移范围、速度、方向，为海面溢油应急行动、迅速采取溢油清除和预测措施以及加速海洋油污染监测执法力度，提供了新的强有力的技术手段和溢油应急预报。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

航海雷达溢油监测技术系统，主要由雷达2、通讯接口4、溢油图像记录仪5、通讯接口6和计算机7组成；雷达2通过通讯接口4与溢油图像记录仪5连接，其通过雷达天线1扫描海面溢油信号，通过雷达收发机发射波长为3cm的X波段的微波给雷达天线1，并接收雷达扫描海面溢油的回波信号，通过雷达显示器3直接显示雷达天线1扫描的未经处理的海面溢油图像；溢油图像记录仪5通过通讯接口6与计算机7连接，其用于实现溢油图像信号的采集、数值化转换和处理；计算机7用于实现溢油图像的显示、处理、计算、存储、打印等操作。

所述溢油图像记录仪5主要由电压可调装置13、A/D转换器14、桢存储器15、D/A转换器16和逻辑控制模块17组成；电压可调装置13与A/D转换器14连接，其用于输出0.5V稳定电压，使得雷达触发稳定；A/D转换器14与桢存储器15连接，其用于将图像信号转变为数字信号；桢存储器15与D/A转换器16连接，其用于存储图像；D/A转换器16用于将数字信号转变为视频信号输出；逻辑控制模块17分别与A/D转换器14、桢存储器15、D/A转换器16连接，逻辑控制模块17由若干电子元件组成，其功能是得到不同的重复频率和不同的采集速率；逻辑控制模块17通过通讯接口6与计算机7连接，通讯接口6用于实现信号传输，计算机7根据输入的经过逻辑控制和数值转换的信号，进行图像识别、处理、存储等操作。

所述的逻辑控制模块17主要由分频器18、分频器19、分频器20、展宽输出接口21、双通道接收器22、脉宽选择电路23和速率选择电路24组成；分频器18、分频器19、分频器20分别单独与展宽输出接口21连接，分频器18对应于雷达量程为0.25～0.75海里，得到2400Hz的脉冲重复频率，分频器19对应于雷达量程为1.5～3.0海里，得到1200 Hz的脉冲重复频率，分频器20对应于雷达量程为6～24海里，得到600Hz的脉冲重复频率；脉宽选择电路23与展宽输出接口21连接，其包括三个脉冲频率转换器，实现不同脉冲宽度的选择；展宽输出接口21、速率选择电路24同时与双通道接收器22连接，脉宽选择电路23选择的三个不同脉冲宽度，通过展宽输出接口21后控制雷达回波和主脉冲的分频选择，双通道接收器22分别接收分频后的回波和主脉冲信号，A/D转换速率的选择依据不同图像的采集速率，速率选择电路24实现不同A/D转换速率的选择。

本发明的航海雷达溢油监测技术系统用于现场实施对海面溢油的监视监测工作，经过数字化、图像化处理，以数字图像格式进入计算机，经计算机处理，最终得到溢油图像数据结果。该技术系统是依据受到油膜覆盖的海面对于船载雷达发射出的脉冲波的散射系数明显比周围没有油膜覆盖的清洁海面的要小得多，则雷达接收到的油膜回波信号要比清洁海区的雷达回波信号弱。这种差别可以使雷达图像上区分出清洁海区和溢油区，清洁海区回波信号比较强，是高亮度显示，而溢油区回波信号很弱，在图像上呈黑区显示。这就是航海雷达溢油监测的机理。

针对溢油目标，用航海雷达系统进行观测和数据采集，把溢油雷达回波，即辐度特性，通过雷达溢油图像记录仪电路接口送入计算机，利用计算机采用概率频率分布函数来描述溢油纹理，用统计过滤和图像处理的空间分析给出溢油的分布轮廓即范围，对雷达溢油图像、数据进行分析处理，用航海雷达对海面溢油目标进行分类识别的效果与雷达系统录取对识别有价值的溢油目标特征能力密切相关，最终给出溢油的相关信息。

本发明的有益效果在于：该系统可全天候、实时、高效、准确提供近岸海域、航线、锚地等区域较大范围海面溢油最新动态信息，为溢油监测和溢油事故应急反应系统决策提供技术支持。

附图说明

图1是本发明的航海雷达溢油监测技术系统的结构框图。

图2是本发明的航海雷达溢油图像记录仪的结构框图。

图3是本发明的逻辑控制模块的示意图。

图中：1、雷达天线，2、雷达，3、雷达显示器，4、通讯接口，5、溢油图像记录仪，6、通讯接口，7、计算机，8、溢油图像显示器，9、溢油图像处理器，10、定量计算，11、动态显示，12、存储、传输及打印，13、电压可调装置，14、A/D转换器，15、桢存储器，16、D/A转换器，17、逻辑控制模块，1 8、分频器，19、分频器，20、分频器，21、展宽输出接口，22、双通道接收器，23、脉宽选择电路，24、速率选择电路，A、主脉冲信号，B、雷达回波信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细地描述：

如图1所示，将航海雷达2的触发器触发，通过航海雷达天线1扫描溢油区，航海雷达2的收发机接收溢油、海浪以及海水的回波信号，并输入雷达显示器3显示，同时回波信号经过通讯接口4输入雷达溢油图像记录仪5。为了加大雷达对海面溢油的监测范围，雷达天线的架设高度距地面大于10米以上为佳，一般以雷达天线和扫描区域之间无障碍为宜。

雷达溢油图像记录仪5将海面溢油的雷达回波信号进行高速A/D变换等一系列逻辑运算与处理，将雷达图像以数字图像的格式，由通讯接口6输入计算机7进行图像处理。计算机7包括溢油图像显示器8、溢油图像处理器9、定量计算10、动态显示11、存储、传输及打印12等功能模块，溢油图像显示器8将雷达天线1扫描的溢油图像信号经航海雷达溢油图像记录仪5数值化处理后得到的数字图像以PPI显示、B显示、A显示三种方式加以显示；溢油图像处理器9采用目前已有的图像处理软件，例如，image-pro图像软件实现图像预处理、图像识别与分类等功能；定量计算10计算溢油面积和溢油量；动态显示11对溢油漂移轨迹进行连续显示；存储、传输及打印12实现溢油实况图的存储、打印及传输功能；此外，计算机7还可实现导航监视和GPS定位等功能。

如图2所示，其为本发明的航海雷达溢油图像记录仪的结构框图。雷达回波信号B和主脉冲信号A经过电压调解装置13调节，使雷达触发稳定，主脉冲信号A通过A/D转换器14转变为数值信号，同时输入的图像信号即雷达回波信号B也通过A/D转换器14转变为数值信号，即转变为数值化的图像格式(date)、图像数值化的显示格式(Bmp或Jpg)，输入桢存储器15进行存储，逻辑控制模块17将回波信号B与基准参数电压进行比较，通过通讯接口6从计算机7接受指令，进行写作、读取等操作，控制A/D转换器14按波门来记录雷达回波信号B并控制桢存储器15，此处的波门是指在雷达显示器上要详细观测雷达图像任一位置的雷达回波状态时，所取的移动的300米范围的观测窗；A/D转换器14将雷达回波信号B转换为数字信号，与具体的地面视标即雷达监测海域周围具有代表性的稳定物体相对应顺序存入桢存储器15，并由逻辑控制模块17反复读出来，经D/A转换器16转换为视频信号输出单点目标图像的显示即A显示。

如图3所示，其为本发明的逻辑控制模块的示意图。逻辑控制模块17的控制原理如下：以船首线为采集起始点，对不同的目标方位，控制不同的脉冲宽度，需要不同的重复频率和不同的采集速率，故雷达主脉冲由分频器18、分频器19、分频器20进行分频，再经过脉宽选择电路23中的三个脉冲频率转换器，即2400Hz脉冲频率转换器、1200Hz脉冲频率转换器和600Hz脉冲频率转换器，选择脉冲宽度，通过展宽输出接口21输出控制回波和主脉冲的分频选择；依据采集速率决定的不同A/D转换速率，由速率选择电路24选择。分频后的回波和主脉冲信号经过双通道接收器22由已选择的A/D转换速率控制，输出数值图像信号。

本发明的航海雷达溢油图像记录仪5的操作流程如下：1)采样参数设置：a.雷达正北方位调整，b.采样参数设置；2)选择计算机7的显示方式即PPI显示、B显示和A显示；3)选择采集频率，如100MHz、40MHz、20MHz、10MHz、5MHz；4)选择脉冲重复频率，如2400Hz、1200Hz、600Hz；5)航海雷达溢油图像记录仪开始采集溢油图像信号，显示器显示图像结果；6)保存图像文件；7)进行图像处理。

本发明的航海雷达溢油监测技术系统的技术指标如下：

1)航海雷达主要性能指标如下：

波段：x波段波长：3cm

脉冲宽度和重复频率：0.08μs/4000Hz、0.25μs/2000Hz、1.2μs/500Hz

波束宽度：水平0.8°、垂直25°

发射功率：50KW

2)雷达溢油图像记录仪性能指标如下：

采速：100MHz、40MHz、20MHz、10MHz、5MHz可任选

幅度分层：12bit

采幅：PPI显1024×1280

B显 2048×6540

分辨率： 15m×15m像素点、7.5m×7.5m像素点

自动采速：1幅/min

3)计算机终端配置：

内存：1G

显示器：1024×1280。

Claims

1.航海雷达溢油监测技术系统，其特征在于，该系统主要由雷达(2)、通讯接口(4)、溢油图像记录仪(5)、通讯接口(6)和计算机(7)组成，雷达(2)通过通讯接口(4)与溢油图像记录仪(5)连接，溢油图像记录仪(5)通过通讯接口(6)与计算机(7)连接。

2.如权利要求1所述的航海雷达溢油监测技术系统，其特征在于，所述溢油图像记录仪(5)主要由电压可调装置(13)、A/D转换器(14)、桢存储器(15)、D/A转换器(16)和逻辑控制模块(17)组成，电压可调装置(13)与A/D转换器(14)连接，A/D转换器(14)与桢存储器(15)连接，桢存储器(15)与D/A转换器(16)连接，逻辑控制模块(1 7)分别与A/D转换器(14)、桢存储器(15)、D/A转换器(16)连接，逻辑控制模块(17)通过通讯接口(6)与计算机(7)连接。

3.如权利要求2所述的航海雷达溢油监测技术系统，其特征在于，所述的逻辑控制模块(17)主要由分频器(18)、分频器(19)、分频器(20)、展宽输出接口(21)、双通道接收器(22)、脉宽选择电路(23)和速率选择电路(24)组成，分频器(18)、分频器(19)、分频器(20)分别单独与展宽输出接口(21)连接，脉宽选择电路(23)与展宽输出接口(21)连接，展宽输出接口(21)、速率选择电路(24)同时与双通道接收器(22)连接。