海底电缆全天候安全监控技术应用

3 光电一体化海面雷达监控技术

3.1 海面雷达探测原理及作用

海面雷达探测系统是一套固态有源相互控制的雷达系统，主要实现大范围海面船舶目标的超视距搜索。雷达天线在工作时，通过周期性地向周围发射超高频电磁波信号，同时实时接收反射回来的电磁波，当发现进入海底电缆海域范围内目标船舶，通过锁定目标船舶进行同步跟踪，建立目标船舶的航行轨迹，并具有对目标船舶航向、航速等运动属性的测量功能。通过一套计算模型来判断所遮挡物体船舶的大小、距离等信息，从而起到探测海底电缆海域内船舶的作用。

海面雷达装置探到船舶等所测物体发回反射波，提取接收反射信号提供方位信息，经A/D转换模块转换成数据信息，再进行极坐标转换，后经图像处理后与海图坐标匹配，最后通过叠加技术形成可用雷达海图。海面雷达探测技术原理如图3所示。

海面雷达可实时不间断地搜索探测海底电缆海域范围内的船舶情况，及时发现并确认可疑目标船舶的位置。特别在夜间、浓雾等能见度低的情况下，能够全天候地监视可疑的锚害肇事船舶目标。在海岸线附近船舶锚害高发海域内，通过增强型光电成像高分辨率设备可精准识别船舶目标;配合功能完备的软件管控平台，形成雷达光电一体化海面监控系统，对海底电缆监控海域进行全方位覆盖和监控。结合AIS系统自动筛选过滤功能，实现对可疑锚害肇事船舶快速发现、远程预警和实时跟踪，对进入警戒海域可能造成锚害肇事船舶及时驱逐，确保海底电缆安全稳定运行[11-17]。

光电一体化海面雷达监控系统与现有视频监控装置比较，主要优势有：(1)点多、线长、面广、技术特征突出，可长距离、大范围、多目标地探测识别海底电缆海域过往可疑锚害肇事船舶，并有预警防范能力;(2)海面雷达和视频光电有机结合联动，实现全天候、多环境下锚害肇事船舶的远程发现、实时跟踪、隐患报警、智能处置;(3)系统可方便对雷达、光电等监测数据进行存储、外传、回放、查询，能实时查看海底电缆海域现场报警出现时的情况。

3.2 光电一体化雷达监控系统组成

光电一体化雷达监控系统主要由安装在海底电缆登陆点附近的前端雷达/视频监测装置和海底电缆远程监控中心2部分组成。

前端雷达/视频监测完成光电信号采集接收以及基础数据处理，实现视频数据、雷达数据、卫星AIS数据的识别、整合、判断处理，并将信息数据通过电力专用通信网传输至海底电缆远程监控中心，从而实现对海底电缆所在海域过往船舶的远程监控。

光电一体化雷达监控系统组成如图4所示。

(1)前端监测装置。前端监测装置包括视频采集模块、雷达模块、卫星AIS模块、远程控制模块、数据传输模块等。

视频采集模块：由远距离红外热成像仪和双目长焦可见光摄像机、云台等组成。与雷达模块、卫星AIS模块通信联动，拍摄海底电缆登陆点海域附近过往船舶影像信息。

雷达模块：由雷达信号天线、收发机、数据处理器等组成，实现长距离海底电缆大范围海域内船舶情况搜索功能，在夜间、浓雾等能见度低的情况下及时发现并确定可疑船舶目标的位置，并通过AIS与视频采集模块联动。

卫星AIS模块：配合雷达模块自动获取所探测到的海底电缆海域内船舶目标并形成航迹信息接入AIS网络，并与视频模块联动。

远程控制模块：对前端监测设备进行远程控制管理，包括设备状态转换、开关重启、云台移动等控制功能。

数据传输模块：将前端监控装置采集的数据通过电力专用通信网络与远程的输变电设备在线监测诊断系统(OMDS)的海底电缆监控中心联网，实现对海底电缆海域远程监控管理。

(2)海底电缆监控中心。海底电缆监控中心主要包括数据传输存储模块、监控中心模块、管理工作模块、远程访问模块等。将收集雷达前端装置报送的全部数据(包括雷达回波信号、雷达目标、光电视频、雷达工作状态等数据)，进行融合处理和实时记录，在监控中心实时显示海底电缆海域的实时状态，并按海底电缆管理权限分发给相关地市供电公司及分支机构显示终端。

数据存储模块：负责前端监控装置数据的接收，并对有效数据进行存储分析和维护管理。

监控中心模块：将视频数据、雷达数据、卫星AIS三者数据融合后，形成的大范围广域监控态势图，显示在海底电缆监控远程中心大屏幕上，并自动保存目标运动轨迹和光电图像，支持回放功能[18-21]。

管理工作模块：人机交互界面，完成数据结果统计显示、和设备控制操作。

远程访问模块：利用VPN隧道实现远端电脑、手机设备的访问。

可见光成像传感器和长焦镜头视频装置在现有海底电缆安全监控中已成熟应用多年，相关技术不再介绍。

4 全天候安全监控技术应用

福建中部沿海某海岛风力发电场送出消纳的海底电缆长度约14 km，采用单一的视频监控技术显然无法满足对海底电缆走廊海域的实时监控需求，根据实际情况采用光电一体化海面雷达监控技术，结合AIS系统获取海底电缆海域过往船舶实时信息。

光电一体化雷达视频监控系统运用远程光电视频设备完成长距离海底电缆大范围海域监控，减少系统安装调试时光缆、电缆的布线;360度全方位重载转台采用球形结构，降低风的阻力，具备较高的抗风能力和稳定性，最大程度降低图像抖动;转台轴系进行密封设计，防淋雨、防盐酸，满足海上恶劣的使用环境要求，大大降低系统建设难度和运行中故障率，减轻后期维护成本和工作量。

当船舶进入海底电缆轴线两侧2 km警戒范围内，设置海面雷达设备自动进入动态工作模式;当船舶进入距离海岸线5 km视频监控范围内，设置视频装置自动进入对可疑目标跟踪拍摄状态。通过近端视频监控装置和远程光电雷达系统融合联动，实现对长距离海底电缆大范围警戒海域内可能锚害肇事船舶的全天候、全方位安全监控，确保了海上风力发电持续稳定地输送消纳。安全监控工作流程如图5所示。

光电一体化雷达监控系统可以不依赖其他系统独立运行，也可以与输变电设备在线监测诊断系统(online monitoring and diagnostic system，OMDS)远程联网，通过探测海底电缆警戒区海域内所有的船舶目标，无论过往船舶是否安装有AIS设备或AIS开启与否，都能形成对海底电缆海域全覆盖态势，实现对长距离海底电缆海域的过往船舶无空隙的安全监控，保障跨海电网安全稳定运行。

由于海底电缆所在海域过往船舶等目标较多，根据国际海事组织规定，所有300 t及以上的国际航行船舶，和500 t及以上的非国际航行船舶，必须强制安装船舶自动识别系统。大量小于500 t的小型船舶对海底电缆运行威胁不大，可通过AIS系统自动滤除，让有限的海上监控资源重点关注对海底电缆安全运行危害较大的关键目标。