СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦ РАЗЛИВА НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В МОРЕ Российский патент 2011 года по МПК G01C13/00 

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - способам обнаружения с авиасредств экологически опасных нефтяных загрязнений в море путем регистрации изменений гидрометеорологических характеристик морской поверхности, и может быть использовано для выявления и картирования границ нефтяных пятен в сложных метеорологических условиях, в частности при низкой облачности, при тумане и в условиях полярной ночи.

Известен способ обнаружения морских нефтяных загрязнений, при котором облучают поверхность моря электромагнитным излучением и регистрируют отраженный поверхностью сигнал, а границу выявляют по выявленному контрасту гидрометеорологических характеристик поверхности /1/. В этом известном способе поверхность облучают инфракрасным лазером на длинах волн преимущественно в области 10-12 мкм, при этом периодически прерывают излучение, контролируя излучаемую лазером мощность. Границу положения нефтяной пленки выявляют по контрасту отражательных способностей воды в указанном диапазоне длин волн /1/.

Однако этот известный способ может использоваться с летательных аппаратов только в условиях отсутствия низкой облачности или тумана, поскольку ИК-излучение не проходит через эти среды. Кроме того, в способе требуется весьма жесткая ориентация оптической системы, что затруднено на летательном аппарате. Все это сильно ограничивает функциональные возможности способа.

Известен способ, при котором также облучают поверхность моря электромагнитным излучением и регистрируют отраженный поверхностью сигнал, а границу выявляют по контрасту гидрометеорологических характеристик поверхности /2/. В отличие от предыдущего способа здесь облучение производят в сантиметровом диапазоне длин волн, преимущественно в области от 0,8 до 4,5 см при импульсном характере облучения, а контрасты выявляют в значениях радиояркостной температуры /2/. Эта температура зависит от диэлектрических свойств отражающей поверхности - чистой воды или воды с пленкой нефти. Преимущественное развитие этот известный способ получил при мониторинге нефтяных загрязнений с искусственных спутников Земли /2/.

В этом известном способе благодаря применению сантиметрового диапазона длин волн возможны наблюдения в условиях низкой облачности или тумана. Однако способ обладает низкой надежностью из-за необходимости измерений с малыми углами облучения относительно вертикали (практически в «надир») и низкого контраста радиояркостных температур. Кроме того, сильное влияние на результаты измерений оказывает морское волнение, поскольку при этом меняются уклоны отражающей поверхности. Соответственно, меняется величина отраженного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, при котором облучают поверхность моря электромагнитным излучением в сантиметровом диапазоне длин волн и регистрируют отраженный морской поверхностью сигнал, а нефтяное пятно выявляют по контрасту зарегистрированных гидрометеорологических характеристик /3/. Контраст в этом способе выделяют по так называемым «сликам» - зонам сглаживания морского волнения пленкой нефти. В этом известном способе применяют облучение морской поверхности в вертикальном направлении, преимущественно в «надир», и регистрируют отраженный в вертикальном направлении (в «зенит») сигнал. Способ разработан для задач мониторинга нефтяных загрязнений с искусственных спутников Земли /3/.

При использовании со спутников снижается надежность из-за влияния всего слоя атмосферы, в частности из-за поглощения излучения в сантиметровой области газами атмосферы и гидрометеорами, а также рассеяния на гидрометеорах /4/. Кроме того, у спутниковых радиолокационных станций слишком мала разрешающая способность по направлению до 2-3 км в направлении полета /5/, что создает ошибку в определении границы тоже до 2-3 км.

Кроме снижения надежности, в известном способе при использовании с авиасредств велики энергозатраты на проведение разведки в силу применения пилотируемых авиасредств.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности обнаружения границ морских нефтяных загрязнений в сложных гидрометеорологических условиях и снижение энергозатрат на проведение разведки.

В заявляемом способе используют некоторые известные существенные признаки аналогов и прототипа. В нем облучают поверхность моря электромагнитным излучением и регистрируют формируемый поверхностью вторичный сигнал, а границу выявляют по выявленному контрасту гидрометеорологических характеристик этой поверхности.

Отличия заявляемого способа состоят в том, что измерения осуществляют не менее чем с двух летательных аппаратов, например, беспилотного вертолетного типа, следующих параллельными курсами на одинаковых высотах, при этом на этих курсах определяют спектральные характеристики морского волнения с обоих аппаратов на оптимальной дистанции между этими аппаратами, а границу разливов нефти определяют по контрасту высокочастотных составляющих характеристик волнения, измеренных с обоих аппаратов.

Отличия заявляемого способа состоят также в том, что определения спектральных характеристик морского волнения производят путем облучения морской поверхности электромагнитным излучением, например импульсным излучением, в сантиметровом диапазоне длин волн с одного из аппаратов при больших углах относительно вертикали, преимущественно 40-80°, а регистрацию рассеянного морской поверхностью излучения осуществляют со второго аппарата, при этом облучающий и приемный летательные аппараты периодически, например через одно измерение, изменяют свои функции на противоположные.

Отличия заявляемого способа состоят также в том, что движение обоих летательных аппаратов задают с обеспечивающего судна преимущественно по галсам, перпендикулярным к выявленной на предыдущих галсах границе разлива, на установленных вне зоны разлива оптимальных дистанциях между галсами.

Отличия заявляемого способа состоят также в том, что выбор оптимальных дистанций между галсами осуществляют вне зоны разлива нефтяных загрязнений выявлением максимума рассеянных морской поверхностью сигналов в высокочастотной области характеристик волнения путем управляемого изменения расстояния между аппаратами при постоянных высотах полета и постоянных заданных углах облучения поверхности от обоих аппаратов.

Отличия заявляемого способа состоят также в том, что выбор оптимальных дистанций между галсами при фактических гидрометеорологических условиях осуществляют вне зоны разлива нефтяных загрязнений путем облучения морской поверхности с первого летательного аппарата, при этом перемещают второй летательный аппарат до получения максимума сигнала, рассеянного высокочастотными составляющими спектра морского волнения, а после этого облучают поверхность моря со второго летательного аппарата, регистрацию проводят с первого аппарата, перемещая этот аппарат до получения максимума рассеянного сигнала и сопоставляют величины принимаемых сигналов на обоих аппаратах, а оптимальную дистанцию между аппаратами задают как среднее значение между расстояниями, выявленными вне зоны разлива нефти по максимумам принимаемых сигналов.

Отличия заявляемого способа состоят также в том, что движение обоих летательных аппаратов задают преимущественно по нормали к направлению ветра над поверхностью моря, а при несоответствии ориентации этой нормали по отношению к границе разлива задают смещение полета аппаратов в направлении их движения до получения коллинеарности линий облучения и приема электромагнитного излучения по отношению к направлению ветра.

Отличия заявляемого способа состоят также в том, что выбор оптимальных дистанций между галсами осуществляют путем изменения относительно вертикали углов облучения морской поверхности и приема рассеянных сигналов обоими аппаратами и выявления максимума рассеянных морской поверхностью сигналов, при этом расстояние между галсами задают по соотношению

,

где L - расстояние между галсами; Н - высота полета аппаратов; β_опт - угол облучения морской поверхности относительно вертикали при максимуме зарегистрированного сигнала, рассеянного высокочастотными составляющими волнения; α_опт - угол относительно вертикали приема сигнала, рассеянного высокочастотными составляющими волнения.

Сущность изобретения пояснена чертежами. На фиг.1 показана общая схема разведки с применением беспилотных летательных аппаратов вертолетного типа. На фиг.2 - схема выбора оптимального расстояния между галсами. На фиг.3 приведена схема формирования рассеянного морской поверхностью сигнала при облучении этой поверхности электромагнитным излучением. На фиг.4 показан пример формирования контрастов в высокочастотной области морского волнения вне зоны разлива нефти и после прохождения зоны разлива.

Способ реализуют следующим образом.

С обеспечивающего судна 1 (фиг.1) запускают два беспилотных летательных аппарата 2 и 3, например, вертолетного типа. Для аппаратов 2 и 3 задают одинаковую скорость движения, высоты полета и одинаковые направления движения на галсах 4 и 5 с дистанцией между этими аппаратами, равной L. При движении аппаратов вне ожидаемой зоны разлива нефтяных загрязнений 6 определяют спектральные характеристики волнения на море 7 с обоих аппаратов на оптимальной дистанции между этими аппаратами.

Спектральные характеристики морского волнения определяют путем облучения морской поверхности импульсным электромагнитным излучением в сантиметровом диапазоне длин волн с одного из аппаратов, например с аппарата 2 (фиг.2). Облучение проводят при больших углах β относительно вертикали, преимущественно 40-80°, в пределах луча 8 при высоте полета Н. В аппарате 3 принимают рассеянный морской поверхностью сигнал, ориентируя ось диаграммы направленности приемника под углом α относительно вертикали в направлении луча 9. В этом принятом сигнале выделяют амплитудную модуляцию и далее путем ее анализа выявляют высокочастотные составляющие в спектре морского волнения, преимущественно в гравитационно-капиллярной области (рябь). После этого облучение морской поверхности производят с аппарата 3 аналогично при больших углах относительно вертикали, преимущественно 40-80°, а прием рассеянного сигнала осуществляют в аппарате 2. Далее процесс повторяется с периодическим изменением функций обоих аппаратов.

Описанные условия необходимы исходя из следующих физических закономерностей. При больших углах облучения относительно вертикали рассеяние обеспечивается преимущественно высокочастотными составляющими морского волнения, в частности в гравитационно-капиллярной области (рябь). При отсутствии зыби (периоды 7-15 с) и типичных ветровых волн (периоды 4-7 с) рассеяние сигнала производится гравитационно-капиллярными волнами (рябью) в значительной мере в обратную сторону (отражение) из-за больших уклонов этой ряби и в меньшей степени вверх и в другие стороны (диффузное рассеяние). Однако при наличии ветровых волн или зыби, что преимущественно характерно для реальных условий открытого моря, диффузное рассеяние сигнала при больших углах облучения становится преобладающим, поскольку обусловливается вторичным отражением от соседних высокочастотных волн (ряби) на склонах ветровых волн или зыби. Например, отражение луча 8 (фиг.3) от ряби 10 на наветренном склоне длинных волн приводит к формированию лучей 11, которые отражаются от ряби 12 на подветренном склоне 13. Результирующий сигнал 9 формируется под углом к поверхности моря в направлении «вперед» по отношению к облучающему лучу 8. Условия рассмотрены при направлении ветра 14.

Направление луча 9 зависит от уклона длинных волн (ветровых или зыби). При реальных гидрометеорологических условиях вне зоны разлива нефти выбирают оптимум дистанции между аппаратами 2 и 3 при заданных углах облучения β и приема α и при заданной высоте полета Н (фиг.2). Этот оптимум, зависящий от уклона длинных волн, определяют экспериментально путем выявления максимума рассеянного морской поверхностью сигнала в высокочастотной области спектра морского волнения (ряби).

Изменения расстояния между аппаратами производят с обеспечивающего судна 1 управляемым перемещением одного из аппаратов, например аппарата 3, при постоянной регистрации с этого аппарата рассеянного поверхностью сигнала. После прохождения управляемым аппаратом выявленного максимума сигнала возвращают этот аппарат на дистанцию L, при которой получен максимум. Далее меняют функции обоих аппаратов - облучение производят с аппарата 3, а прием аппаратом 2, который перемещают до получения аналогичного максимума сигнала. Оптимальную дистанцию задают как среднее значение между полученными расстояниями.

В дальнейшем сохраняют выбранные характеристики вплоть до прохождения выявленной границы разлива.

В связи с описанными особенностями рассеяния наиболее целесообразно задавать направление облучения и приема коллинеарно направлению распространения длинных волн (ветровых и зыби) и, соответственно, коллинеарно направлению ветра 14. Для этого требуется задавать движение аппаратов по нормали к направлению ветра над поверхностью моря. Однако это условие может не соответствовать ранее выбранному условию движения по нормали к границе разлива нефти 6 (фиг.4). В этом случае задают смещение полета аппаратов 2 и 3 в направлении их движения на расстояние l до получения коллинеарности линий облучения и приема по отношению к направлению ветра 14. При этом дистанцию L между аппаратами задают под углом к направлению движения.

В варианте способа выбирают оптимальную дистанцию между аппаратами при заданной высоте полета Н путем изменений углов облучения β и приема α сигналов (фиг.2). При этом угол облучения β_опт выбирают по минимуму сигнала, отраженного в обратном направлении, а оптимальный угол приема α_опт выбирают по максимуму регистрируемого рассеянного сигнала после выбора угла β_опт. Оптимальную дистанцию L_опт задают в соответствии с выражением:

.

Физическая сущность способа состоит в следующем. Повышенная вязкость нефтяной пленки на поверхности моря сглаживает (гасит) преимущественно высокочастотные составляющие в спектре морского волнения. Это известное явление, описанное, например, в источнике /5/. В результате на границе разлива нефти формируется контраст между значениями спектральной плотности 15 (фиг.5) на длинах волн ряби - λ_ряби, полученными после отфильтровывания остаточного влияния длиннопериодных составляющих (ветровых волн и зыби). При этом вне зоны разлива в реальных гидрометеорологических условиях выделяется пик спектральной плотности 16, а после прохождения границы разлива спектральная плотность на длинах волн ряби резко уменьшается (контраст) до значений пика 17 либо полностью исчезает в зависимости от толщины нефтяной пленки.

Пример реализации способа. Для проведения наблюдений применяют беспилотные летательные аппараты вертолетного типа, например, российской фирмы «ZALA», управляемые с обеспечивающего судна, например судна-нефтесборщика. Дальность полета аппаратов - до 240 км при крейсерской скорости 80 км/час. На обоих аппаратах установлены: излучатель импульсного электромагнитного поля в сантиметровом диапазоне преимущественно на частоте 10 ГГц (длина волны λ_обл 3 см). Для этой длины волны коэффициент отражения от морской поверхности составляет примерно 0,5, а глубина проникновения в воду не более 1 см. Излучатель представляет собой облегченный вариант самолетной радиолокационной станции бокового обзора (РЛС БО). При длине волн ряби λ_ряби и длине волны облучения 3 см наиболее целесообразно задавать изначальный угол облучения β относительно вертикали примерно в 60°, а угол приема примерно 40°. Оптимальную дистанцию между аппаратами определяют экспериментально вне зоны разлива нефти по описанной в данной заявке процедуре.

При выбранных оптимальных условиях (высота полета, дистанция, углы облучения и приема) летательные аппараты передают получаемые данные по радиоканалам связи на обеспечивающее судно. На этом судне данные анализируют и по результатам этого анализа задают дальнейшее движение летательных аппаратов (повороты обратно) при сохранении заявленных здесь условий разведки границы разлива нефти.

Обоснование существенности признаков. Как следует из описания, все примененные в заявляемом способе признаки являются необходимыми, а их совокупность достаточна для получения важного технического результата - повышения надежности определений границ разливов нефти в море в сложных гидрометеорологических условиях (штормовое волнение, низкая облачность, туман и др.) при одновременном снижении энергозатрат на проведение наблюдений.

Обоснование изобретательского уровня. Заявляемое техническое решение было исследовано на соответствие критерию «изобретательский уровень». Для этого были использованы источники информации как в данной, так и в смежных областях техники. Так, по источнику /6/ выявлен признак облучения морской поверхности импульсным электромагнитным излучением в сантиметровом диапазоне длин волн под большими углами визирования относительно вертикали (до 20-80°). Однако в этом известном способе этот признак использован по иному назначению, а именно для определения характеристик приводного ветра, и в ином сочетании признаков, а именно в нем регистрируют сигнал, отраженный в обратном направлении, преимущественно максимальные значения этого сигнала. В заявляемом способе регистрируют сигнал, рассеянный преимущественно «вперед» в направлении плоскости облучения, а угол облучения выбирают по минимуму отраженного сигнала в обратном направлении. Таким образом, это не порочит заявляемый способ.

По источнику /7/ выявлен признак движения летательного аппарата галсами по отношению к контрасту гидрометеорологических характеристик, а конкретнее - по отношению к магистральной трещине в ледяном покрове моря, где направления галсов задают по максимумам зарегистрированных сигналов электромагнитного излучения. Однако в этом известном способе этот признак использован в иной совокупности признаков, а именно для управления движением одного летательного аппарата, при этом направления галсов задают по вычисляемым различным углам по отношению к выявляемому направлению простирания трещины, а регистрацию контраста производят без облучения поверхности, а с использованием естественного электромагнитного излучения ледяного покрова. Тем самым это тоже не порочит сущность заявляемого способа.

Таким образом, по мнению заявителя и авторов, предлагаемое техническое решение способа определения границ нефтяных загрязнений в море в своей неразрывной совокупности признаков является новым, явным образом не следует из уровня техники и позволяет получить важный технический результат - повышение надежности определений границ в сложных гидрометеорологических условиях при одновременном снижении энергозатрат на проведение наблюдений.

Источники информации

1. Оптико-физические средства исследования океана / Коллектив авторов. - Л.: Судостроение, 1984. - С.31-77, рис.2.3, 2.7, 2.11, 2.22.

2. Матвеев А.Я., Боев А.Г. Радиолокационное квазивертикальное зондирование нефтяных загрязнений морской поверхности // Четвертая всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» / Сборник тезисов конференции, 13-17 ноября 2006 г. - М.: ИКИ РАН. - С.161.

3. Затягалова В.В., Иванов А.Ю. Мониторинг нефтяных загрязнений в море с помощью ГИС-технологии. Режим доступа http://gisa.ru/35856.html (прототип).

4. Царев В.А., Коровин В.П. Неконтактные методы измерений в океанологии. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2005. - С.138-139.

5. Ермаков С.А., Сергиевская И.А., Гущин Л.А., Щегольков Ю.Б. Гашение гравитационно-капиллярных волн пленками нефтепродуктов поверхности // Четвертая всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» / Сборник тезисов конференции, 13-17 ноября 2006 г. - М.: ИКИ РАН - С.152.

6. Царев В.А., Коровин В.П. Неконтактные методы измерений в океанологии. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2005. - С.134-135.

7. А.с. SU № 1151107, М.кл. G01V 3/16. Способ ледовой аэроэлектроразведки трещин в ледяном покрове. Авт.: И.А.Степанюк, Ю.М.Бацких. Приоритет от 27.12.1983 г., зарегистр. 15.12.1984 г. - ДСП.

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение для обнаружения с авиасредств экологически опасных нефтяных загрязнений в море в сложных метеорологических условиях, в частности при низкой облачности, при тумане и в условиях полярной ночи. Технический результат - повышение надежности обнаружения границ морских нефтяных загрязнений в сложных гидрометеорологических условиях и снижение энергозатрат на проведение разведки. Указанный технический результат достигается тем, что измерения осуществляют не менее чем с двух летательных аппаратов, следующих параллельными курсами на одинаковых высотах. При этом на этих курсах определяют спектральные характеристики морского волнения с обоих аппаратов на оптимальной дистанции между этими аппаратами. Границу разливов нефти определяют по контрасту высокочастотных составляющих характеристик волнения, измеренных с обоих аппаратов. Определение спектральных характеристик морского волнения производят путем облучения морской поверхности электромагнитным излучением, например импульсным излучением, в сантиметровом диапазоне длин волн с одного из аппаратов при больших углах относительно вертикали. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения границ разлива нефтяных загрязнений в море, при котором с авиасредств разведки выявляют контрасты в гидрометеорологических характеристиках морской поверхности при облучении этой поверхности электромагнитным излучением с регистрацией рассеянного поверхностью сигнала, отличающийся тем, что измерения осуществляют не менее чем с двух летательных аппаратов, например беспилотного вертолетного типа, следующих параллельными галсами на одинаковых высотах, при этом на этих галсах определяют спектральные характеристики морского волнения с обоих аппаратов на оптимальной дистанции между этими аппаратами, а границу разлива нефти выявляют по совпадению контрастов высокочастотных составляющих характеристик волнения, измеренных с обоих аппаратов.

2. Способ определения границ разлива нефтяных загрязнений в море по п.1, отличающийся тем, что определения спектральных характеристик морского волнения производят путем облучения морской поверхности электромагнитным излучением, например импульсным излучением, в сантиметровом диапазоне длин волн с одного из аппаратов при больших углах относительно вертикали, преимущественно 40-80°, а регистрацию рассеянного морской поверхностью излучения осуществляют со второго аппарата, при этом облучающий и приемный летательные аппараты периодически, например через одно измерение, изменяют свои функции на противоположные.

3. Способ определения границ разлива нефтяных загрязнений в море по п.1, отличающийся тем, что движение обоих летательных аппаратов задают с обеспечивающего судна преимущественно по галсам, перпендикулярным к выявляемой границе разлива нефти, на установленной вне зоны разлива оптимальной дистанции между галсами.

4. Способ определения границ разлива нефтяных загрязнений в море по п.3, отличающийся тем, что выбор оптимальной дистанции между аппаратами осуществляют вне зоны разлива нефти выявлением максимума рассеянных морской поверхностью сигналов в высокочастотной области характеристик волнения путем управляемого изменения расстояния между аппаратами при постоянных, изначально заданных высоте полета и углах облучения и приема у обоих аппаратов.

5. Способ определения границ разлива нефтяных загрязнений в море по п.3, отличающийся тем, что выбор оптимальных дистанций между аппаратами при фактических гидрометеорологических условиях осуществляют вне зоны разлива нефтяных загрязнений путем облучения морской поверхности с первого летательного аппарата, при этом перемещают второй летательный аппарат до получения максимума сигнала, рассеянного высокочастотными составляющими спектра морского волнения, а после этого облучают поверхность моря со второго летательного аппарата, и регистрацию проводят с первого аппарата, перемещая этот аппарат до получения максимума рассеянного сигнала, и сопоставляют величины принимаемых сигналов на обоих аппаратах, а оптимальную дистанцию между аппаратами задают как среднее значение между расстояниями, выявленными вне зоны разлива нефти по максимумам принимаемых сигналов.

6. Способ определения границ разлива нефтяных загрязнений в море по п.2 или 3, отличающийся тем, что движение обоих летательных аппаратов задают преимущественно по нормали к направлению ветра над поверхностью моря, а при несоответствии ориентации этой нормали по отношению к границе разлива задают смещение полета аппаратов в направлении их движения до получения коллинеарности линий облучения и приема электромагнитного излучения по отношению к направлению ветра.

7. Способ определения границ разлива нефтяных загрязнений в море по п.2 или 3, отличающийся тем, что выбор оптимальных дистанций между аппаратами осуществляют путем изменения относительно вертикали углов облучения морской поверхности и приема рассеянных сигналов обоими аппаратами и выявления максимума рассеянных морской поверхностью сигналов, при этом расстояние между аппаратами задают по соотношению
L=H(tgβ_опт+tgα_опт),
где L - расстояние между аппаратами; Н - высота полета аппаратов; β_опт - угол облучения морской поверхности относительно вертикали при максимуме зарегистрированного сигнала, рассеянного высокочастотными составляющими волнения; α_опт - угол относительно вертикали приема сигнала, рассеянного высокочастотными составляющими волнения.