NO20111748A1

NO20111748A1 - Portabel radar for bestemmelse av oljeutslipps fordelig og tykkelse

Info

Publication number: NO20111748A1
Application number: NO20111748A
Authority: NO
Inventors: Richard Norland
Original assignee: Ispas As
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-20
Also published as: GB2511254A; US9470785B2; AU2012354293B2; GB201410224D0; GB2511254B; NO337289B1; WO2013095159A1; US20140327563A1; AU2012354293A1

Abstract

Flerfunksjonen, frekvensmodulert (FMCW) radar for å detektere og kvantifisere olje på stille vann samt detektere olje på vann med sjøbølger.

Description

Bakgrunn

Bestemmelse av et oljeutslipps størrelse og kvalitet er en prioritert oppgave for effektiv bekjempelse av oljeforurensing, ref. "Forskrift om utføring av aktiviteter i petroleumsvirksomheten":

§ 57. Fjernmåling av akutt forurensning

Operatøren skal etablere fjernmålingssystem som gir tilstrekkelig informasjon til å sikre at akutt forurensning fra innretningen raskt blir oppdaget og kartlagt slik at utslippsmengde og spredning kan fastslås. Fjernmålingssystemet skal ses i sammenheng med regionale fjernmålingsplaner som nevnt i denne forskriften § 78.

I følge veiledningsteksten til ovennevnte paragraf fremgår det bl.a følgende:

• Med fjernmåling menes et system som uavhengig av sikt, lys og værforhold kan oppdage og kartlegge posisjon, areal, mengde og egenskaper til akutt forurensning.

• For at fjernmålingssystemet skal oppdage akutt forurensning av betydning,

bør området rundt innretningen fjernmåles regelmessig. Dette innebærer at responstid for fjernmåling ikke bør overstige minste drivtid til sårbare ressurser ved kysten, på havoverflaten eller i vannsøylen.

I følge Norsk Oljevernforening For Operatørselskap (NOFO) definerer Klima- og forurensningsdirektoratet (Klif) responstiden til ned mot 3 timer.

Dagens sensorer er tradisjonelle X-bånds navigasjons-radarer med spesialtilpasset signal - og data - prosessering samt infrarødt kamera. Infrarøde kamera har begrensninger ved høy luftfuktighet og dårlig sikt, f.eks. tåke, nedbør (regn, snø), mens X-bånds radarer har begrensninger ved stille hav, dvs. vindhastigheter mindre enn ca 3 m/s. På bakgrunn av forsterkede krav fra Klif ift responstiden er det derfor aktuelt å utvikle en ny radar med rekkevidde opp til ca 2000 m som kan bestemme både oljeutslippets størrelse og tykkelsesfordeling under de fleste værforhold. Radaren skal stå på plattformer der høyden skal være 50 - 70 m over havet.

Problemstilling

Bestemmelse av et oljeutslipps størrelse og tykkelse er delvis uavhengige oppgaver ved at oljeutslippets størrelse bestemmes på bakgrunn av kontrasten i refleksjon mellom sjøen og oljedempet sjø, mens tykkelse må bestemmes på bakgrunn av oljens elektromagnetiske refleksj onskarakteristikk.

Oljeutslippets størrelse

Oljeutslippets størrelse bestemmes vanligvis på bakgrunn av kontrasten mellom sjø og oljedempet sjø, der antagelsen vil være at refleksjonsnivået for oljedempet sjø er lavest. Den nedre grensen for identifikasjon av en kontrast blir da det reflekterte signalnivået for sjø i forhold til mottagerens termiske støy, der signalnivået primært er en funksjon av radarparametrene som utsendt effekt, pulslengde og antenneforsterkning samt sjøen's refleksjonskarakteristikk. Sjøen's refleksjonskarakteristikk er igjen en funksjon av radarens frekvens, polarisasjon og bestrykningsvinkel. Riktig valg av radarparametre vil således være vesentlig for muligheten til å bestemme oljeutslippets størrelse. Den etterfølgende dataprosessering kan da i prinsippet vurderes uavhengig av selve radaren.

Figur 1 viser normalisert radartverrsnitt for sjø for henholdsvis 9.5 og 15.5 GHz med respektive lineære polarisasjoner, horisontal - horisontal (HH) og vertikal - vertikal (W) iht. Georgia Institute of Technology's sjø- radartverrsnitt modell.

Som det fremgår av figur 1 gir W betydelig bedre refleksjon enn HH og 15.5 GHz gir bedre refleksjon enn 9.5 GHz. En radar med 15.5 GHz og W polarisasjon burde således gi en bedre kontrast til oljedempet sjø enn dagens X-bånds radarer med HH polarisasjon.

Oljeutslippets tykkelse

Estimering av oljeutslippets tykkelse må baseres på direkte radarmålinger av oljen på sjøen. Enten ved vurdering av målingenes statistiske egenskaper eller ved analyse av oljens refleksjon mhp fase og amplitude, dvs. puls - puls interferometrisk måling.

Olje og vann reflekterer forskjellig pga. stor forskjell i den dielektriske konstanten, der oljen er forholdsvis transparent for elektromagnetiske bølger. Derved vil refleksjonen fra sjøen være dominerende og fasen vil vise variasjonen i gangtid relativt til luften. Tykkelsen av oljen kan da estimeres på bakgrunn av fasen.

Emulgert olje

Emulgert olje består av en kombinasjon av olje og vann. Ettersom oljen er delvis transparent for elektromagnetiske bølger, reflekteres signalet hovedsakelig fra vannet som er blandet i oljen. Under forutsetning av at vannet er uniformt fordelt i oljen er det nærliggende å tro at emulgert olje reflekterer med et radartverrsnitt tilsvarende det projiserte fysiske arealet, dvs. 1 m<2>emulgert olje (belyst av radaren) tilsvarer et mål med lm<2>radartverrsnitt. Dette tilsvarer radar refleksjonen fra en robåt.

Fordeler ved oppfinnelsen

Det viser seg altså at for deteksjon av olje på sjøen viser at kontrasten øker ved økende frekvens, oljetykkelse og oljetype [1]. Det kan derfor være aktuelt å benytte en høyere frekvens enn eksisterende radarer på X-båndet for å forbedre deteksjonen av olje på sjøen. En høyere frekvens vil også kunne gi en bedre romlig oppløsning ved at antenneloben blir smalere, samt forbedre signal - støy forholdet. ISPAS har tidligere gjennomført studier av de statistiske egenskapene av sjø som funksjon av avstandsoppløsning og frekvens ved bakkebasert radar [2], [3] og [4] og anser at en høyere frekvens, f.eks 15.5 GHz med vertikal polarisasjon, bør gi gode resultater.

ISPAS AS har gjennomført testmålinger i Kystverkets basseng 6-12 april 2010 [5]. Hensikten med målingene var å undersøke potensialet for radaren før en eventuell utvikling av en operasjonell radar ble bestemt.

Målingene av olje på vann i Kystverkets basseng demonstrerte at oljen kan detekteres på sjøen ved stille sjø og små bestrykningsvinkler. Målingene har også påvist effekten av fasen ved overgang mellom rent vann og olje.

De gjennomførte målingene bekrefter således konseptet og demonstrerer muligheten for å detektere olje på vann under rolige sjøtilstander samt estimere oljetykkelsen. I tillegg er det sannsynlig at radaren gir bedre ytelse for deteksjon av emulgert olje og olje på vann ved bølger enn tradisjonelle X-bånds radarer.

Teoretisk bakgrunn for måleteknikken

Utgangspunktet for måleteknikken er Fresnel ligningene for polarisasjonsavhengig refleksjon [6], der den komplekse refleksjonskoeffesienten for horisontal polarisasjon er gitt ved

og for vertikal polarisasjon

Der a er bestrykningsvinkelen og den komplekse dielektriske konstanten e er gitt ved

Figur 2 viser typiske verdier for den komplekse dielektriske konstanten for sjøvann som funksjon av sjøtemperatur.

Ved å måle refleksjonen på de to linære polarisasjonene og beregne forholdet mellom disse, dvs TH ITy, fåes følgende sammenheng mellom de to polarisasjonene som funksjon av vinkel ved en sjøtemperatur på 11.8 grader og salinitet 12 promille, se figur 3.

Et eksempel på måling av det normerte signalet mellom de to polarisasjonene er vist i følgende plott,figur 4, Ved å sammenligne to-veis faseforskyvning for refleksjonen fra henholdsvis vann og olje kan tykkelsen av oljen estimeres ved å beregne fasen

Der rH og r v er målt kompleks refleksjon med henholdsvis horisontal og vertikal polarisasjon som hver omfatter av I/Q.

Figur 5 viser beregnet fase for sjøvann ved en sjøtemperatur på 11.8 grader og salinitet 12 promille.

Figur 6 viser fasen for målingene presentert i figur 4, måling 115341. Som figur 6 viser er der en betydelig forskjell i fasen basert på det normerte forholdet mellom polarisasjonene og forskjellen korrelerer med beregnet faseforskjell for vann iht figur 5.

Oljedetekterende radar

I en utførelse av oppfinnelsen omfatter radaren følgende parametere for bestemmelse av oljeutslipps fordeling og tykkelse:

Figur 7 viser en mulig løsning for den fysiske utformingen av radaren henholdsvis front (venstre) og bak ( høyre).

I en utførelse av oppfinnelsen er antennens bredde 100 cm og høyde 30 cm der signalbehandling og prosessering integreres i bakkant av antennen.

Følgende figur 8 viser hovedelementene i radaren i en utførelse av oppfinnelsen.

Claims

1. Flerfunksjonen, frekvensmodulert (FMCW) radar for å detektere og kvantifisere olje på stille vann samt detektere olje på vann med sjøbølger

2. Radaren skal endre både pulslengde og pulsrepetisjonsfrekvens for å optimalisere deteksjon og kvantifisering av olje på vann

3. Sender og mottaker antenne med elektronisk styring og begge polarisasjoner for å finne og kvantifisere olje på vann

4. Mottaker for respektive polarisasjoner som normaliserer det komplekse signalet bestående av i-fase og kvadratur -fase (I,Q) ved

der forskjellen i tid mellom de respektive polarisasjonsmålingene er mindre enn 0.2 sekund.

5. Mottaker for respektive polarisasjoner som beregner amplituden av det normaliserete komplekse signalet bestående av i-fase og kvadratur -fase (I,Q) ved

6. Mottaker for respektive polarisasjoner som beregner fasen av det normaliserete komplekse signalet bestående av i-fase og kvadratur -fase (I,Q) ved

7. Presentasjonsenhet som viser samtidig områder uten olje på vann og områder med olje.

1. References [1] V. Wismann, Radar Signatures of Mineral Oil Spills Measured by an Airborne Multi- frequency Radar and the ERS- 1 SAR, Proceedings of IGARSS, 1993, pp. 940-942. [2] RNorland, Spatial Propagation Interference in High Range Resolution Radar Sea Clutter, Printed in the proceedings of The International Radar Symposium 2004, Warszawa, Poland, May 2004 [3] R Norland, A. Løberg, A Comparison of Sea Waves in Open Sea and Coastal Waters. Proceedings 2001 IEEE/CTE International Conference on Radar, Beijing, China, Oet. 2001 [4] R Norland, Sea Clutter Behaviour as a Function of Range Resolution and Frequency, NATO RTO Symposium Low Grazing Angle Clutter: Its Characterization, Measurement and Application, Laurel, Maryland, USA, April 2000 [5] R Norland, Måling av olje på vann i Kystverkets basseng, Prosjekt Cl -05, Portabel radar for bestemmelse av oljeutslipps fordeling og tykkelse, Teknologiutviklingsprogram for oljevern 2010 ved Norsk Oljevernforening For Operatørselskap (NOFO) [6] N. Levanon, Radar Principles, John Wiley & Sons, 1988