СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ПЛЕНОК НА ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2014 года по МПК G01S13/06 

Настоящее изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для радиолокационного мониторинга водной поверхности акваторий с целью обнаружения нефтяных пленок.

Одной из главных задач экологического мониторинга морской поверхности является задача обнаружения разливов нефти, особенно актуально ее решение для акваторий портов, в которых ведутся погрузочно-разгрузочные операции танкеров, перевозящих сырую нефть и различные нефтепродукты.

Известен способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды (Патент RU, №2387977 C1, G01N 21/55, 2008), включающий облучение исследуемой водной поверхности воды импульсным оптическим пучком с перестраиваемой в узком спектральном диапазоне длиной волны излучения, регистрацию излучения, отраженного от водной поверхности, определение по данным измерений зависимости мощности отраженного излучения от длины волны и нахождение на основе этой зависимости коэффициента отражения и его второй производной по длине волны. Принятие решения о наличии нефтяной пленки на водной поверхности производят по выполнению одновременно двух соотношений, в которые входят коэффициенты отражения от исследуемой и от чистой водной поверхности и вторые производные по длине волны коэффициента отражения от исследуемой и чистой водной поверхности.

Главным недостатком данного способа-аналога является его непригодность для обнаружения нефтяных пленок в сложных метеорологических условиях (при дожде, тумане, снеге и т.п.), а также небольшая дальность обнаружения (не превышает нескольких сот метров).

Известен способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности с помощью СВЧ-радиометра (Pelyushenko S.A. Microwave radiometer system for the detection of oil slicks // Spill Science & Technology Bulletin, 1995. Vol.2 №4. P.249-254), включающий прием, обработку и накопление сигналов радиотеплового излучения от исследуемого участка водной поверхности, расчет значения яркостной температуры водной поверхности. Принятие решения о наличии нефтяной пленки на водной поверхности производят по превышению измеренной яркостной температурой водной поверхности порогового значения.

К недостаткам указанного выше способа-аналога следует отнести небольшую дальность действия СВЧ-радиометра (не превышает нескольких сот метров) и низкое пространственное разрешение. Кроме того, обнаружение разливов нефти при скользящих углах облучения невозможно из-за сильного влияния радиотеплового излучения приповерхностного слоя атмосферы.

Известен способ (Solberg A. et al. Automatic Detection of Oil Spills in ERS SAR Images // IEEE Trans. Geosci. and Remote Sensing, 1999. Vol.37, P.1916-1924) обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности с помощью радиолокатора, установленного на искусственном спутнике Земли, работающего в режиме синтезирования апертуры для обеспечения высокого углового разрешения вдоль траектории движения. Способ включают в себя облучение исследуемого участка водной поверхности радиоимпульсами, прием и регистрацию отраженных эхосигналов, пересчет амплитуд отраженных эхосигналов в удельную эффективную площадь рассеяния для каждого пространственного элемента разрешения. В результате радиолокационной съемки исследуемого участка водной поверхности формируется его радиолокационное изображение, каждый пиксель которого соответствует удельной эффективной площади рассеяния одного элемента пространственного разрешения радиолокатора. После формирования радиолокационного изображения выполняют его фильтрацию, сегментацию, пороговую обработку для выделения участков радиолокационного изображения с малыми значениями яркости, соответствующих нефтяным пленкам на водной поверхности.

К недостаткам указанного способа-аналога следует отнести зависимость от метеорологических условий, искажающих формируемое радиолокационное изображение исследуемого участка водной поверхности, а также зависимость от скорости ветра над водной поверхностью, которая должна лежать в пределах от 2 до 10 м/с. В противном случае, эхосигналы, отраженные от водной поверхности, имеют низкую амплитуду, при этом вероятность обнаружения нефтяных пленок значительно снижается. Кроме того, вследствие движения искусственного спутника Земли по орбите радиолокатор может формировать изображения обследуемого участка с определенной периодичностью (например, для RADARSAT-1 от 1 раза в сутки до 1 раза в 6 суток), что препятствует использованию способа для обнаружения нефтяных пленок в режиме реального времени.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу является способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности с помощью судового радиолокатора (Patent US, №4933678, G01S 13/00, 1990.). Способ включает в себя облучение исследуемого участка водной поверхности радиоимпульсами с горизонтальной поляризацией, прием и регистрацию отраженных эхосигналов, пересчет амплитуд отраженных эхосигналов в удельную эффективную площадь рассеяния для каждого пространственного элемента разрешения, фильтрацию значений удельной эффективной площади рассеяния для учета искажений, обнаружение нефтяных пленок на водной поверхности производят по превышению порогового значения величины удельной эффективной площади рассеяния.

Существенным недостатком данного способа-прототипа является небольшая дальность обнаружения (не превышает 1 км).

Задачей изобретения является разработка способа обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности радиолокатором, обеспечивающего большую дальность обнаружения по сравнению с известными способами.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе, также как и в известном, включающем в себя облучение радиолокатором исследуемого участка водной поверхности радиоимпульсами, прием и регистрацию отраженных эхосигналов, пересчет амплитуд отраженных эхосигналов в удельную эффективную площадь рассеяния для каждого пространственного элемента разрешения, фильтрацию значений удельной эффективной площади рассеяния для учета искажений, обнаружение нефтяных пленок на водной поверхности производят по превышению порогового значения величины удельной эффективной площади рассеяния. Но в отличие от известного способа, в предлагаемом способе вводятся дополнительные признаки:

- в районе обследуемой акватории устанавливают дополнительный пассивный радиолокационный отражатель с возможностью переотражения поступающих на него радиоимпульсов от радиолокатора и морской поверхности в сторону радиолокатора;

- производят накопление амплитуд принятых эхосигналов и их пересчет в значения удельной эффективной площади рассеяния для элемента пространственного разрешения, содержащего дополнительный пассивный радиолокационный отражатель.

Технический результат заключается в повышении дальности обнаружения нефтяной пленки радиолокатором.

Совокупность признаков, сформулированных в п.2 формулы изобретения, характеризует способ, в котором облучение исследуемого участка водной поверхности производят радиоимпульсами с круговой поляризацией, прием и регистрацию поступающих на радиолокатор эхосигналов выполняют раздельно по двум ортогональным поляризациям - горизонтальной и вертикальной, раздельно для горизонтальной и вертикальной поляризации производят накопление амплитуд принятых эхосигналов и их пересчет в значения удельной эффективной площади рассеяния для элемента пространственного разрешения, содержащего дополнительный пассивный радиолокационный отражатель, рассчитывают среднее по накопленным значениям удельной эффективной площади рассеяния, от датчика скорости ветра получают значение скорости приповерхностного ветра в обследуемой акватории, рассчитывают среднеквадратическое отклонение ординат водной поверхности в обследуемой акватории, вычисляют значение когерентной компоненты комплексного коэффициента отражения, рассчитывают значение эффективной площади рассеяния пассивного радиолокационного отражателя для водной поверхности без нефтяной пленки для горизонтальной и вертикальной поляризации, вычисляют пороговое значение удельной эффективной площади рассеяния для горизонтальной и вертикальной поляризации, раздельно для горизонтальной и вертикальной поляризации выполняют сравнение с пороговым значением среднего по накопленным значениям удельной эффективной площади рассеяния, решение о наличии нефтяной пленки на водной поверхности принимают по превышению порогового значения не менее чем по одному виду поляризации.

Технический результат состоит в повышении достоверности обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности.

Рассмотрим пример реализации способа обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности, который иллюстрируется чертежом, на котором обозначено: 1 - радиолокатор и 2 - пассивный радиолокационный отражатель

В обследуемой акватории устанавливают дополнительный пассивный радиолокационный отражатель с возможностью переотражения поступающих на него радиоимпульсов от радиолокатора и морской поверхности в сторону радиолокатора. Отражатель устанавливают на штанге, жестко закрепленной на плавучем буе, который удерживается на водной поверхности с помощью якорного устройства на заданном расстоянии от радиолокатора. Производят облучение радиолокатором исследуемого участка водной поверхности радиоимпульсами с горизонтальной поляризацией. Выполняют прием и регистрацию отраженных эхосигналов, производят накопление амплитуд принятых эхосигналов и их пересчет в значения удельной эффективной площади рассеяния для элемента пространственного разрешения, содержащего дополнительный пассивный радиолокационный отражатель, по формуле

$${\sigma }^0=\frac{{\left(4\pi \right)}^3}{{\lambda }^2}\frac{P_r}{P_t}\frac{R^4}{G^{2}A},\left(1\right)$$

где

λ - длина волны излучаемых радиолокатором электромагнитных волн,

R - расстояние от радиолокатора до участка морской поверхности,

G - коэффициент усиления антенны радиолокатора,

P_r - мощность принятых эхосигналов,

P_t - мощность излученного сигнала,

A - площадь элемента пространственного разрешения.

Площадь элемента пространственного разрешения рассчитывается по формуле

$$A=\frac{c\tau Rtg\left(0.5\Delta {\theta }_2\right)}{\cos {\theta }_1},\left(2\right)$$

где

c - скорость света в вакууме,

τ - длительность радиоимпульса в излучении,

Δθ₂ - ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора в азимутальной плоскости,

θ₁ - угол скольжения.

Угол скольжения рассчитывается по формуле

$${\theta }_1=\arcsin \left(\frac{h}{R}\right),\left(3\right)$$

где h - высота установки антенны судового радиолокатора.

Далее выполняют фильтрацию значений удельной эффективной площади рассеяния для учета искажений, обнаружение нефтяных пленок на водной поверхности производят по превышению порогового значения величины удельной эффективной площади рассеяния.

Покажем возможность достижения указанного технического результата. Оценим дальность обнаружения нефтяной пленки радиолокатором при использовании пассивного радиолокационного отражателя.

Представим (1) в следующем виде:

$${\sigma }^0=\frac{B{R}^4}{A},\text{ где B}=\frac{{\left(\text{4}\pi \right)}^3}{{\lambda }^2{G}^2{P}_t}.\left(4\right)$$

Дальность обнаружения нефтяной пленки на морской поверхности радиолокатором без использования пассивного радиолокационного отражателя составляет R₀=1 км. При скользящих углах облучения и при λ=3 см удельная эффективная площадь рассеяния морской поверхности с нефтяной пленкой (Леонтьев В.В., Бородин М.А., Игнатьева О.А. Бистатические диаграммы рассеяния морской поверхности, покрытой мономолекулярной нефтяной пленкой // Радиотехника, 2012. №7. С.42-43) для горизонтальной поляризации составляет -78 дБ.

На расстоянии от радиолокатора R₀=R=10³ м и при типичных для судовых радиолокаторов параметрах τ=500·10^-9 с, Δθ=1^O, h=15 м, θ₁=0.86^O, значение параметра B из формулы (4) в случае горизонтальной поляризации составляет B=2.08·10^-17.

Эффективная площадь рассеяния участка морской поверхности связана с удельной эффективной площадью рассеяния соотношением (Справочник по радиолокации под ред. М. Сколника. Том 1. Основы радиолокации. М.: Сов. радио, 1976, С.321):

$$\sigma ={\sigma }^{0}A.\left(5\right)$$

Учитывая (4) и (5), дальность обнаружения нефтяной пленки на водной поверхности

$$R_0=\sqrt[4]{\frac{\sigma }{B}}.\left(6\right)$$

При использовании пассивного радиолокационного отражателя с эффективной площадью рассеяния σ=10 м² дальность обнаружения нефтяной пленки составляет R₀=2.63 км.

Следовательно, дальность обнаружения нефтяной пленки на водной поверхности при использовании пассивного радиолокационного отражателя увеличивается в 2.63 раза.

Таким образом, технический результат достигнут.

Рассмотрим другой частный случай реализации способа обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности.

В обследуемой акватории устанавливают дополнительный пассивный радиолокационный отражатель с возможностью переотражения, поступающих на него радиоимпульсов от радиолокатора и морской поверхности в сторону радиолокатора. Отражатель устанавливают на штанге, жестко закрепленной на плавучем буе, который удерживается на водной поверхности с помощью якорного устройства на заданном расстоянии от радиолокатора. Производят облучение радиолокатором исследуемого участка водной поверхности радиоимпульсами с круговой поляризацией. Выполняют прием и регистрацию поступающих радиолокатор эхосигналов раздельно по двум ортогональным поляризациям - горизонтальной и вертикальной, раздельно для горизонтальной и вертикальной поляризации производят накопление амплитуд принятых эхосигналов и их пересчет в значения удельной эффективной площади рассеяния для элемента пространственного разрешения, содержащего дополнительный пассивный радиолокационный отражатель, по формулам (1)-(4). Далее выполняют фильтрацию значений удельной эффективной площади рассеяния для учета искажений, рассчитывают среднее по накопленным значениям удельной эффективной площади рассеяния. От датчика скорости ветра получают значение скорости приповерхностного ветра в обследуемой акватории.

Пересчитывают значение скорости приповерхностного ветра в скорость ветра на высоте 19.5 м от водной поверхности:

$$U=\frac{u}{0.4}\cdot Lg\left[\frac{19.5}{0.0000684/u+0.00428u^2-0.000443}\right],\left(7\right)$$

где u - скорость приповерхностного ветра.

Рассчитывают среднеквадратическое отклонение ординат водной поверхности в обследуемой акватории:

$$s=\sqrt{\frac{\alpha U^4}{4\beta g}},\left(8\right)$$

где U - скорость ветра на высоте 19.5 м, β=0.74, α=0.0081, g=9.81.

Вычисляют когерентную компоненту комплексного коэффициента отражения для горизонтальной и вертикальной поляризации:

$${Г}_k=\exp \left(i\psi \right)\cdot \exp \left[-8{\left(\frac{\pi \cdot s\cdot \sin {\theta }_1}{\lambda }\right)}^2\right],\left(9\right)$$

где

θ₁ - угол скольжения, рассчитанный по формуле (3),

λ - длина волны излучаемых радиолокатором электромагнитных волн,

ψ=π - для горизонтальной поляризации,

ψ=2π - для вертикальной поляризации,

i - мнимая единица.

Рассчитывают значение эффективной площади рассеяния пассивного радиолокационного отражателя для водной поверхности без нефтяной пленки для горизонтальной и вертикальной поляризации:

$${\sigma }_{sc}={\sigma }_r\cdot {\left|\exp \left(-i\cdot 2\cdot k\cdot H\cdot \sin {\theta }_1\right)+{Г}_k^2\exp \left(i\cdot 2\cdot k\cdot H\cdot \sin {\theta }_1\right)+2\cdot {Г}_k\right|}^2,\left(10\right)$$

где

H - высота установки радиолокационного отражателя над водной поверхностью,

k=(2π/λ) - волновое число,

λ - длина волны излучаемых радиолокатором электромагнитных волн,

σ_r - значение эффективной площади рассеяния пассивного радиолокационного отражателя в свободном пространстве,

i - мнимая единица.

Рассчитывают пороговое значение удельной эффективной площади рассеяния для горизонтальной и вертикальной поляризации:

$${\sigma }_{sc}^0=\frac{{\sigma }_{sc.}\cdot \cos {\theta }_1}{c\cdot \tau \cdot R\cdot tg\left(0.5\Delta {\theta }_2\right)},\left(11\right)$$

где

c - скорость света в вакууме,

τ - длительность радиоимпульса в излучении,

Δθ₂ - ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора в азимутальной плоскости,

R - расстояние от радиолокатора до пассивного радиолокационного отражателя,

θ₁ - угол скольжения.

Раздельно для горизонтальной и вертикальной поляризации выполняют сравнение с пороговым значением среднего по накопленным значениям удельной эффективной площади рассеяния, решение о наличии нефтяной пленки на водной поверхности принимают по превышению порогового значения не менее чем по одному виду поляризации.

Покажем возможность достижения указанного технического результата.

Использование радиоимпульсов только с горизонтальной поляризацией ограничивает условия, при которых нефтяная пленка может быть обнаружена на водной поверхности, поскольку другие судовые радиолокаторы, также работающие на горизонтальной поляризации, могут создавать помехи при обнаружении, что снижает достоверность обнаружения. Кроме того, уровень естественных помех, обусловленных различными гидрометеорологическими явлениями (осадки, туман и др.) и влияющих на работу радиолокатора, также зависит от вида используемой поляризации. Использование данных по двум ортогональным поляризациям - вертикальной и горизонтальной, позволяет выбирать из них оптимальные с точки зрения помеховой обстановки для повышения достоверности обнаружения.

Появление нефтяной пленки на водной поверхности приводит к уменьшению высокочастотных составляющих волнения ("сглаживает" водную поверхность и снижает степень волнения), что обуславливает увеличение модуля коэффициента отражения радиоволн от водной поверхности (формула (9)) от радиолокатора к пассивному радиолокационному отражателю и обратно (см. фигуру). Увеличение модуля коэффициента отражения, в свою очередь, приводит к увеличению значения удельной эффективной площади рассеяния (формулы (10) и (11)) пассивного радиолокационного отражателя, поэтому значение удельной эффективной площади рассеяния при наличии нефтяной пленки на водной поверхности всегда больше, чем при отсутствии пленки.

Пороговое значение удельной эффективной площади рассеяния для обнаружения нефтяной пленки выбирается больше, чем значение удельной эффективной площади рассеяния пассивного радиолокационного отражателя для случая водной поверхности без пленки. При фиксировании порогового значения возникает ситуация, когда волнение водной поверхности уменьшилось не из-за наличия нефтяной пленки, а по естественным причинам (например, перестал дуть ветер, разгоняющий волны), что приводит к ложному обнаружению нефтяной пленки.

Таким образом, установка порогового значения удельной эффективной площади рассеяния в зависимости от степени волнения водной поверхности, определяемой среднеквадратическим отклонением ординат водной поверхности, позволяет повысить достоверность обнаружения, технический результат достигнут.

Способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности относится к области радиолокации и может быть использован для радиолокационного мониторинга водной поверхности. Достигаемый технический результат - повышении дальности обнаружения нефтяной пленки радиолокатором. Указанный результат достигается за счет того, что водную поверхность облучают радиоимпульсами, при этом в районе обследуемой акватории устанавливают дополнительный пассивный радиолокационный отражатель с возможностью переотражения поступающих на него радиоимпульсов от радиолокатора и морской поверхности в сторону радиолокатора, производят накопление амплитуд принятых эхосигналов и их пересчет в значения удельной эффективной площади рассеяния для элемента пространственного разрешения, содержащего дополнительный пассивный радиолокационный отражатель, фильтрацию значений удельной эффективной площади рассеяния для учета искажений, при этом обнаружение нефтяных пленок на водной поверхности производят по превышению порогового значения величины удельной эффективной площади рассеяния. 1 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 пр.

1. Способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности с помощью радиолокатора, включающий облучение исследуемого участка водной поверхности радиоимпульсами, прием и регистрацию отраженных эхосигналов, пересчет амплитуд отраженных эхосигналов в удельную эффективную площадь рассеяния для каждого пространственного элемента разрешения, фильтрацию значений удельной эффективной площади рассеяния для учета искажений, обнаружение нефтяных пленок на водной поверхности производят по превышению порогового значения величины удельной эффективной площади рассеяния, отличающийся тем, что в районе обследуемой акватории устанавливают дополнительный пассивный радиолокационный отражатель с возможностью переотражения поступающих на него радиоимпульсов от радиолокатора и морской поверхности в сторону радиолокатора, производят накопление амплитуд принятых эхосигналов и их пересчет в значения удельной эффективной площади рассеяния для элемента пространственного разрешения, содержащего дополнительный пассивный радиолокационный отражатель.

2. Способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности по п.1, отличающийся тем, что облучение исследуемого участка водной поверхности производят радиоимпульсами с круговой поляризацией, прием и регистрацию поступающих радиолокатор эхосигналов выполняют раздельно по двум ортогональным поляризациям - горизонтальной и вертикальной, раздельно для горизонтальной и вертикальной поляризации производят накопление амплитуд принятых эхосигналов и их пересчет в значения удельной эффективной площади рассеяния для элемента пространственного разрешения, содержащего дополнительный пассивный радиолокационный отражатель, рассчитывают среднее по накопленным значениям удельной эффективной площади рассеяния, от датчика скорости ветра получают значение скорости приповерхностного ветра в обследуемой акватории, рассчитывают среднеквадратическое отклонение ординат водной поверхности в обследуемой акватории, вычисляют значение когерентной компоненты комплексного коэффициента отражения, рассчитывают значение эффективной площади рассеяния пассивного радиолокационного отражателя для водной поверхности без нефтяной пленки для горизонтальной и вертикальной поляризации, вычисляют пороговое значение удельной эффективной площади рассеяния для горизонтальной и вертикальной поляризации, раздельно для горизонтальной и вертикальной поляризации выполняют сравнение с пороговым значением среднего по накопленным значениям удельной эффективной площади рассеяния, решение о наличии нефтяной пленки на водной поверхности принимают по превышению порогового значения не менее чем по одному виду поляризации.