• 中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • ISSN 1007-6336
  • CN 21-1168/X

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

面向核电冷源安全的雷达海冰监测系统设计

宋丽娜 王紫竹 赵博强 杨永俊 王平 袁帅

引用本文:
Citation:

面向核电冷源安全的雷达海冰监测系统设计

    作者简介: 宋丽娜(1982-),女,辽宁大连人,高级工程师,硕士,主要研究方向为基于雷达的海冰监测、海洋动力环境监测技术,E-mail:lnsong@nmemc.org.cn;
  • 基金项目: 国家重大科学仪器设备开发专项项目(2013YQ29045108)
  • 中图分类号: X84

Design of the radar monitoring system of sea ice for the safety of nuclear power cold source

图(4)表(1)
计量
  • 文章访问数:  85
  • HTML全文浏览量:  67
  • PDF下载量:  2
出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-07
  • 录用日期:  2021-01-28
  • 刊出日期:  2021-08-20

面向核电冷源安全的雷达海冰监测系统设计

    作者简介:宋丽娜(1982-),女,辽宁大连人,高级工程师,硕士,主要研究方向为基于雷达的海冰监测、海洋动力环境监测技术,E-mail:lnsong@nmemc.org.cn
  • 1. 中国海洋大学 信息科学与工程学院,山东 青岛 266100
  • 2. 国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023
  • 3. 辽宁红沿河核电有限公司,辽宁 大连 116319
基金项目: 国家重大科学仪器设备开发专项项目(2013YQ29045108)

摘要: 随着我国首座冰区核电站——红沿河核电站的建成,冰区核电的冷源安全保障技术受到管理者和有关学者的广泛关注。本文根据核电站冬季冰期海水利用工程安全保障的监测需求,分析了雷达在取水口近岸海域监测浮冰的优势,并以雷达技术为核心设计了面向冰区核电站的雷达海冰监测系统,介绍了系统在红沿河核电站中的应用。系统实时提供的海冰信息,可为有关部门采取有效的防灾减灾措施提供依据。

English Abstract

  • 渤海和北黄海是我国纬度最高的海区,每年冬季都会有不同程度的结冰现象。海冰是该海域主要致灾要素之一[1-3]。同时,渤海及其周边地区也是我国重要的经济开发区。随着海洋经济的快速发展,为满足日益增长的能源需求,并减轻由此带来的环境压力,大型核电工程的建设已势在必行。目前辽宁省红沿河核电站一期已经投入运行,徐大堡核电站正在修建,东港核电站也在筹建中[4]。冰区核电站冬季安全运行的保障技术也受到广泛的关注。目前冰区核电站灾害风险评估、预测技术尚不完善,因此核电站取水口附近海域冰情的连续观测数据对监测体系的完善和预警技术都至关重要。

    目前,我国海冰监测有卫星遥感、航空遥感、飞机监测、可见光视频监测、雷达监测、基于船舶和陆地的人工监测等方式。卫星遥感、航空遥感、飞机监测等监测范围较广,但受天气影响较大,难以实现长时间、实时、连续监测,更无法实现对冰块的连续跟踪,尤其对于浅海区域,海冰监测结果的准确度较低。可见光视频监测获取图像的直观性较好,但监测范围有限。雷达监测范围介于两者之间,监测范围一般为距岸10 km以内,这可以有效弥补卫星遥感对近岸海域海冰监测的不足,并且能够对目标海域进行长时间的连续监测,可以满足核电站取水口附近冰情监测的需求。

    • 国家海洋环境监测中心已连续开展了5个冰期的红沿河核电站海冰监测。以此为基础,结合国外冰区核电站的调研情况,可以明确海冰对冷源取水的潜在风险主要为巨厚冰块(直径8~15 m,厚度2~5 m)堵塞、碎冰下潜堵塞、冰絮在细格栅和转鼓滤网上骤凝等几种模式。针对不同的风险,需要采用不同的手段开展监测。对于巨厚冰块堵塞的预防,应在取水口临近的敏感海域对巨厚冰块进行识别、跟踪,监测范围一般在10 km,针对这一需求,目前比较有效的手段为雷达监测。国际上,应用雷达对海冰进行监测已有较长的历史,在此方面进行研究应用的国家主要有日本、美国、德国、加拿大、瑞典、芬兰和中国。部分国家有固定的测冰雷达站。日本曾经利用3个固定雷达组成了世界上唯一的雷达测冰网站;美国拥有两个测冰雷达站,分别位于阿拉斯加巴罗角和南极半岛帕尔默;加拿大拥有一个雷达测冰站,位于巴芬岛北部斯皮尔根;芬兰相关机构以船载雷达和岸基雷达站作为数据获取端,建立了海冰观测网络[5-7]。上述测冰所用的雷达都为X波段雷达。

      我国学者自20世纪七八十年代开始利用X波段雷达进行渤海海冰监测的研究,主要研究单位有大连理工大学、大连海事大学、国家海洋环境监测中心、国家海洋局北海预报中心等。国家海洋环境监测中心在鲅鱼圈建立了我国迄今为止唯一的岸基雷达观测站,每年为国家防灾减灾监测体系和地方管理单位提供鲅鱼圈海域冰情数据及报告。大连理工大学和大连海事大学应用冰区石油平台上的雷达进行海冰数据采集与分析,采用的方法主要通过数字化处理雷达图像,再通过图像的方法比对各时刻的海冰形状,获得海冰速度和分布范围等参数[8-12]。以上研究的服务对象主要为石油平台和港口,研究的落脚点在于防止流冰的巨大推力破坏石油平台等冰区建筑。针对核电站冷源安全的雷达海冰监测,目前国际和国内的研究较少,以此为基础进行的监测系统设计研究尚无先例。与冰区石油平台和港口的监测需求不同,核电站主要关心冷源取水口近岸敏感区内的浮冰。除了海冰信息外,对监测的区域和范围、监测海域内的图像信息、天气状况及夜间远程数据的传输等提出了要求。

      雷达的监测范围可以通过雷达方程计算得到。雷达探测目标的原理是向目标发射电磁波,通过接收目标反射的电磁波进行目标探测和识别。根据雷达方程可以计算出目标物体所反射的电磁波能量,即雷达接收的功率,表达公式如下[13]

      由式(1)可以得到,探测距离为:

      式中:$ R $为探测物体与雷达之间的距离;$ {P}_{r} $为雷达的接收功率;$ {P}_{t} $为雷达的发射功率;$ G $为增益,是相对于一个各向同性辐射体的辐射增量;$ {\rm{\lambda }} $为雷达发射波长;$ \sigma $为后向散射系数。电磁波能量会随着传播距离的增加而衰减,由物体反射回来的能量值等于雷达接收门限值时,此时物体与雷达之间的距离是雷达能够探测到这个物体的最远距离。

    • 为了满足对核电站取水口近岸海域致险冰块监测的需求,雷达海冰监测系统需要具备实时获取冰块的位置信息、气象信息、海面图像信息、雷达运行信息等。同时,为满足不同冰期监测范围不同的要求,雷达海冰监测系统应具有移动灵活的特点。基于以上功能需求,雷达海冰监测系统集成了雷达、云台、气象、短波电台等设备,并将各个部分集成在车体上(系统构架如图1所示)。为节省操作空间,雷达海冰监测系统将雷达控制、数据收发和处理部分进行了整合。

      图  1  海冰监测系统构架图

      Figure 1.  The frame of sea ice monitoring system

    • 雷达是雷达海冰监测系统的核心,包含控制单元、收发单元、天线、升降单元和数据处理等。雷达系统的性能参数如表1所示。

      主要技术指标 数值
      工作频率 9.35 GHz
      脉冲重频 750 Hz/1500 Hz/3000 Hz
      发射功率 50 W
      噪声系数 ≤3.0
      转速 28 r/min
      辐射器长度 8 ft
      垂直波束宽度 ≤25°
      水平波束宽度 0.95°

      表 1  雷达主要性能参数

      Table 1.  Main function index of the radar

    • 本系统选用了集光、机、电、图像于一体的云台作为视频监控设备,其中图像采集设备为一体化智能激光摄像机。云台由随动激光照明、动力机构、精密传动装置、CCD摄像头、数字解码器、高性能图像处理单元和控制器等部分组成,可以满足监测过程中定位精度和恶劣天气条件下的可靠性需求。视频监控系统具有多点目标预置、记忆、自动巡航等功能;能任意定位;能自动适应环境的亮度自动调节目标的远近距离及图像的大小。云台监控系统实现了雷达与云台的联动,当发现致险冰块后,点击雷达回波图像中的目标,云台会自动对准并对焦,采集并记录目标海冰视频图像。

    • 本系统集成了一体化气象站,可采集风、温、湿、光照、雨量、太阳辐射、紫外辐射、气压、露点等气象因子,并可自动生成气象报告和趋势分析,配合软件更可以实现网络远程数据传输和网络实时气象状况监测,可以通过配置GPRS远程控制模块实现远程控制和远程数据传输。

    • 为实现高精度的定向定位,车顶前后分别安装了差分GPS天线,通过获得的方位信息对雷达方位进行校正,解决了雷达因车体移动导致的回波指向不准确的问题。

    • 为满足各种网络覆盖环境条件下的数据回传问题,本系统采用了功耗低,尺寸小的4G路由器。同时将4G转WIFI,方便平台中其他的设备进行通讯。

    • 为满足野外作业的用电需要,系统配备了3种电力供应模式,分别为市电、发电机和车逆变供应。为保证电力的平稳供应,每种外接电均通过UPS,再供给系统各个设备应用。

    • 监测系统连续两个冬季(2015-2016年,2016-2017年)布放在冷源取水口上游约800 m处,坐标为121.4819°E,39.8108°N(见图2)。

      图  2  雷达海冰监测系统

      Figure 2.  The sea ice monitoring system based on radar

      雷达辐射天线距海面高度约为20 m,能有效地探测到4 km以内的海冰,完全覆盖了冷源取水口区域。雷达海冰监测系统在2015-2016年和2016-2017年两个冰期中,累计工作约180天,提供了10000多幅海冰数据。

      现场监测中,通过连续的雷达图像可以明显看出海冰位置的变化,但定量的运动速度和方向需要后续计算得出。在应用过程中系统每隔5 min存储一批雷达数据,经过了累积、滤波、互相关分析确认两幅图像中相同冰块的位移,计算出冰块的运动速度,计算原理如图3所示。受限于雷达图像的分辨率、冰表状态和噪声等,雷达海冰图像细节较为模糊,需要人为干预,手动选择特征明显的海冰进行计算。

      图  3  测量原理示意

      Figure 3.  Schematic diagram of measurement

      假设$ t _1$时刻,海冰处于实线圆所在位置,对应的信号为$ p\left(x,y\right)=I\left(x,y\right)+{n}_{1}(x,y) $$ t _2$时刻,海冰处于虚线所在位置,对应信号为$q\left(x,y\right)=I(x+\Delta x,y+ $$ \Delta y)+ {n}_{2}(x,y)$,其中$ {n}_{1} $$ {n}_{2} $为随机噪声,与图像信号不相关。根据相关函数的定义,两个信号的相关函数公式为:

      式中:$ {r}_{pq} $为信号$ p $$ q $的相关函数;$ p $代表$ t _1$时刻$ \left(x,y\right) $位置的雷达信号;$ q $代表$ t_2 $时刻$(x+\Delta x, $$ y+\Delta y)$位置雷达的信号;$ I\left(x,y\right) $表示在$ \left(x,y\right) $ 位置海冰产生的信号强度;$ I(x+\Delta x,y+\Delta y) $表示在$(x+\Delta x, $$ y+\Delta y)$位置海冰产生的信号强度。海冰运动前后位置信号的相关系数最大。

      在核电站取水口东北方向约1500 m的小湾向海面方向有大量固定冰分布,固定冰沿着海岸一直向海延伸约1000 m。连续监测可明显区分出固定冰区与浮冰区,两种冰区的分界线与正北方向成25°角。固定冰区伴随浮冰的生长逐渐生成,2016年2月10日,观测到固定冰区海冰脱离海岸,固定冰区面积逐渐减小。

      通过整个冰期雷达回波图可以看出,雷达以北,南偏西70°至北偏东35°是有效的浮冰运动监测区域,其余区域为固定冰区和陆地。在整个冰期观测中,可清晰地看出海面浮冰在潮流和风的作用下沿岸做往复运动,海冰在平动中伴有旋转,尤其在转流前后,旋转现象较为明显。经过相关性计算,可以得到海冰的运动规律。海冰运动受风和潮汐影响较大,在无风的条件下,浮冰运动方向与潮流流向符合程度较高。以雷达以北偏西60°,距离雷达1600 m(坐标为121.4725°E,39.8231°N)的浮冰为例,计算2016年2月4日8:45至2月6日00:00共38 h,间隔为10 min的浮冰运动信息,计算结果与此处的潮流结果进行比对(结果见图4)。

      图  4  模拟流向与海冰运动方向对比

      Figure 4.  Contrast of simulated flow direction and sea ice movement direction

      图4可以看出,海冰的运动方向与模拟得到的潮流方向大体一致。2月5日0点至8点一致性良好,这段时间风力较弱,浮冰主要受潮流的影响。其他时刻,一方面,由于浮冰受到风的影响,运动方向与潮汐方向有所偏离;另一方面,当海冰出现旋转等其他运动形式时,互相关方法计算出现偏差。监测获得的海冰运动特征与前人对渤海海冰运动研究结果较为一致[14-16]。浮冰运动是潮流和风共同作用的结果,其中受潮流的影响较大。潮流对海冰漂移作用基本上是一种往复运动,而风是造成海冰长距离运动的主要动力。

    • 经过连续长时间的运行,发现系统在设计之初需要注意和需要进一步完善之处。

      (1)在融冰期,大片冰群在潮流、风等动力条件下大多解体为大块浮冰独立存在,尤其沿岸固定厚冰逐渐与岸堤分离,形成厚冰块漂浮在海面上。这个时刻的浮冰块很容易在雷达回波图上被识别,但是当遇到大风天气的时候,海冰信息很容易被海浪的回波淹没,难以分辨。目前采用的方法是通过多幅图像的场间积累,消除快速变化的海浪信息,再进行滤波提取冰信息,其准确度需要进一步验证。

      (2)雷达是系统中获取海冰运动信息的核心设备,其性能直接影响到海冰监测的精度。不考虑计算能力的情况下,分辨率越高的雷达对海冰位置信息获取的精度越高,雷达采样时间间隔越短,所测得海冰运动速度的精度越高。但这需要天线有较大孔径和高转速,由此对系统的升降、运动平台、电机等其他部分有更高的要求,因此在设计之初要综合考虑。

      (3)提供连续和准确的冰情信息为雷达海冰监测系统设计的初衷。但海冰在生长过程中,因受到挤压、碰撞,冰盘周围常常发生卷曲,而冰体中心表面却较为平整光滑,光滑的表面在雷达回波图上与水区相似,灰度较低,导致平整冰和水的区分度较低。同时,海冰在运动过程中,旋转、形变、碰撞再分离等情况经常出现,目前采用网格划分并结合相关性分析得到的结果不够准确。系统设计云台获取实时海面图像信息对雷达进行校准,但云台可视范围有限,并且受天气(雾)影响较大,因此,实现雷达在海冰信息中的自动化提取是亟待解决的问题。

    • 针对核电站取水安全的需求,本文提出了针对巨厚冰块的监测方法,以雷达为核心技术,与云台、气象设备和数据传输等技术有机结合,获取海冰信息并及时回传给管理者,为风险评估提供技术支持。

      雷达海冰监测系统首次将雷达监测技术应用到核电站冷源取水安全保障中,并在实际应用中取得了较好的效果。以雷达为核心的监测系统建成后,可以获取核电站敏感区的海冰信息,为核电站冷源安全提供海冰数据,再结合核电站自身的预警体系进行后续处理。同时,雷达海冰监测系统的研究成果还可应用到冰区港口、石油平台等部门,为降低海冰灾害提供技术支持。

参考文献 (16)

目录

    /

    返回文章