Пассивный дистанционный способ определения действительной части диэлектрической проницаемости пленки нефти, разлитой на водной поверхности

 

Изобретение относится к дистанционным способам определения действительной части диэлектрической проницаемости объекта исследования и может быть использовано для определения действительной части диэлектрической проницаемости пленки нефти, разлитой на водной поверхности. Техническим результатом изобретения является создание способа для измерения в естественных условиях действительной части диэлектрической проницаемости пленки нефти, разлитой на водной поверхности. Этот результат достигается тем, что в качестве источника излучения плоской электромагнитной волны используют шумовое неполяризованное излучение неба в миллиметровом диапазоне волн, при этом принимают вертикально поляризованную составляющую амплитуды электрического поля под углом Брюстера от направления в зенит, по принятой амплитуде электрического поля рассчитывают по формулам Френеля амплитуду переотраженного электрического поля вертикальной поляризации от нижнего слоя пленки нефти на границе ее с водной поверхностью, измеряют амплитуду переотраженного электрического поля вертикальной поляризации от нижнего слоя пленки нефти на границе ее с водной поверхностью и сравнивают измеренное значение амплитуды переотраженного электрического поля вертикальной поляризации с рассчитанным ее значением, при этом изменяют выбранное значение ε_н с шагом 0,1 в заданных пределах и добиваются совпадения рассчитанного и измеренного значений с заданной точностью, например 1%, а полученное значение ε_н принимают за искомую величину. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к дистанционным способам определения действительной части диэлектрической проницаемости в миллиметровом диапазоне длин волн.

Известен способ измерения диэлектрической проницаемости с использованием измерительных установок, включающих передатчик и приемник [1], когда исследуемый объект облучается вертикально поляризованной волной [2, 3] под определенным углом, а в точке наблюдения измеряется напряженность электрического поля Е₁ отраженного сигнала. Затем объект заменяется электрической пластинкой тех же размеров и из той же точки наблюдения измеряется напряженность электрического поля отражений Е₂. Коэффициент отражения объекта будет равен R₁ = E₁/E₂. Диэлектрическую проницаемость объекта при этом можно определить следующим образом: где α - угол облучения и равный ему угол наблюдения.

Наиболее близким по технической сущности аналогом является способ, основанный на измерении угла Брюстера [4]. Приемник и передатчик располагаются при этом на поворачивающихся плечах гониометра, причем необходимое направление поляризации устанавливается соответствующей ориентацией передатчика и приемника. Измерение угла Брюстера облегчается, если оба плеча гониометра при помощи простой кинематической системы одновременно поворачиваются на один и тот же угол. При таких измерениях приемник не нуждается в калибровке, так как он используется в качестве простого индикатора, регистрирующего угол, при котором отсутствует отражение.

В случае незначительных потерь исследуемого образца (tgδ ≤ 0,2) коэффициент отражения при угле падения ϕ = ϕ_б проходит через острый минимум, что позволяет с точностью, лучшей чем 2%, определить действительную часть диэлектрической проницаемости ε_д исследуемого материала в соответствии с выражением ε_д = tg²ϕ_б. Отражение от задней поверхности образца может быть устранено (при наличии потерь) путем использования образца такой толщины, при которой волна, отраженная от задней поверхности, затухает, не выходя из диэлектрика. Для жидкостей отражение может быть устранено путем использования кюветы с косым дном.

Недостатками способа, выбранного в качестве прототипа, как и вышеописанного аналога, являются: 1. Определение ε_д проводится с использованием образцов.

2. Необходимость установки между передающей и приемной антеннами перегородки из поглотителя для устранения прямого приема приемником излучения передатчика, что приводит к усложнению измерительной системы.

3. Сложность формирования хорошо сфокусированных пучков электромагнитного излучения, имитирующих плоскую волну.

4. Способ не может быть использован для измерений в реальных условиях, например, разливов нефти.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа для измерения в естественных условиях действительной части диэлектрической проницаемости нефти, разлитой на водной поверхности, в соответствии с выбранным критерием.

Технический результат достигается тем, что в известном способе определения действительной части диэлектрической проницаемости пленки нефти, разлитой на водной поверхности, основанном на измерении электромагнитного излучения под углом Брюстера, в качестве источника излучения плоской электромагнитной волны используют шумовое неполяризованное излучение неба в миллиметровом диапазоне волн, при этом принимают вертикально поляризованную составляющую амплитуды электрического поля под углом Брюстера от направления в зенит, значение которого вычисляют по формуле где ε_н одно из предварительно заданных в пределах 1,8-3,0 значений действительной части диэлектрической проницаемости пленки нефти, по принятой амплитуде электрического поля рассчитывают по формулам Френеля амплитуду переотраженного электрического поля вертикальной поляризации от нижнего слоя пленки нефти на границе ее с водной поверхностью с учетом диэлектрической проницаемости воздуха ε_o и действительной части диэлектрической проницаемости воды ε_в, затем измеритель направляют под тем же углом ϕ_б, установленным от нормали к поверхности пленки нефти в направлении на пленку нефти, измеряют амплитуду переотраженного электрического поля вертикальной поляризации от нижнего слоя пленки нефти на границе ее с водной поверхностью и сравнивают измеренное значение амплитуды электрического поля вертикальной поляризации с рассчитанным ее значением, при этом изменяют выбранное значение ε_н с шагом 0,1 в заданных пределах и добиваются совпадения рассчитанного и измеренного значений с заданной точностью, например 1%.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана трехслойная структура однородных сред со своими показателями преломления, разделенными плоскими границами: воздух - пленка нефти - вода, и где обозначено: Е₀ - падающая вертикально поляризованная составляющая электрического поля (ВПСЭП), излучаемая небом; E₁ - зеркальная ВПСЭП; Е₂ - преломленная ВПСЭП на границе сред воздух - нефть; E₃ - преломленная ВПСЭП на границе сред нефть - вода; Е₄ - зеркально отраженная ВПСЭП от границы сред нефть - вода; E₅ - переотраженная ВПСЭП, прошедшая границу сред нефть - воздух и принятая измерителем;
И - измеритель излученной небом и преломленной ВПСЭП.

Источником плоской электромагнитной волны, падающей на пленку нефти, разлитую на водной поверхности, служит шумовое неполяризованное излучение неба в миллиметровом диапазоне длин волн, вертикально поляризованная [2, 3] составляющая электрического поля которого, измеряемая под углом Брюстера, установленным от направления в зенит, принимается в качестве исходной величины для расчета составляющей напряженности электрического поля, переотраженного от нижнего слоя нефтяной пленки на границе ее с водной поверхностью. Расчет проводится с применением формул Френеля [5, 6], описывающих соотношения между амплитудами вертикальной составляющей электрического поля падающей, отраженной и преломленной волн, при известных значениях диэлектрической проницаемости воздуха ε_o, действительной части диэлектрической проницаемости воды ε_в и заданной наперед действительной части диэлектрической проницаемости пленки нефти ε_н, так как известно, что действительная часть диэлектрической проницаемости нефти лежит в пределах 1,8-3,0 [8]. Угол Брюстера определяется выражением Полученное соотношение позволяет определить диэлектрическую проницаемость материала (без потерь), найдя такой угол падения, при котором исчезает отражение от плоской поверхности образца. Если образец обладает потерями, то при потерях соответствующих tgδ ≤ 0,2 значение проницаемости, определенное по формуле ε_н = tg²ϕ_б, отличается лишь на 2% от точного значения [4]. Величина мнимой составляющей комплексной диэлектрической проницаемости нефти мала [7, 8]. Известно, что для нефти tgδ ≤ 0,01, поэтому вполне допустимо определение диэлектрической проницаемости нефти по ее действительной части.

На угле Брюстера от границы раздела пленки нефти с водой отразится электромагнитная волна с вертикальной поляризацией (см. чертеж), напряженность электрического поля которой определяется выражением

где



После измерения вертикально поляризованной составляющей электрического поля, излучаемой небом, измеряют переотраженную составляющую от нижнего слоя пленки нефти на границе ее с водной поверхностью под тем же углом Брюстера, устанавливаемым от нормали на плоскую поверхность пленки нефти в направлении на пленку нефти.

Измеренную амплитуду электрического поля вертикальной поляризации, переотраженного от нижнего слоя пленки нефти, сравнивают с ее значением, рассчитанным по принятой величине электрического поля вертикальной поляризации, излучаемой небом. Если разница между измеренным и рассчитанным значениями превышает заданный уровень точности, например 1%, измерения повторяют, изменяя первоначально выбранное значение ε_н с шагом 0,1. Значение ε_н, при котором измеренное и рассчитанное значения отличаются не более чем на 1%, принимают за искомую величину.

Заявляемый способ определения действительной части диэлектрической проницаемости пленки нефти, разлитой на водной поверхности, реализован с помощью радиометрического приемника на длине волны λ=24,59 мм в натурных условиях, при заданных значениях: ε₀ = 1; ε_в = 80 и наперед заданной действительной диэлектрической проницаемости пленки нефти ε_н = 2,0 с вариацией от начального значения ε_н через 0,1.

Результаты практических измерений сведены в таблицу.

По результатам измерений и расчетов на основании выбранного критерия делаем вывод, что ε_н = 1,8.
Предлагаемый способ может быть применен для определения действительной части диэлектрической проницаемости нефтепродуктов [8], разлитых на подстилающих поверхностях (вода, земля и др.), диэлектрические проницаемости которых известны.

ЛИТЕРАТУРА
1. Дистанционные измерения диэлектрической проницаемости. Радиотехника сверхвысоких частот 34, М., 1985.

2. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. - М.: Советское радио, 1968.

3. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. - М.: Радио и связь, 1983.

4. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963 (прототип).

5. Лансберг Г. С. Оптика. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1976.

6. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. - М.: Высшая школа, 1978.

7. Водные ресурсы 2, 1974. Митник Л.М. Обнаружение нефтяных загрязнений на поверхности акваторий методом пассивного зондирования в СВЧ диапазоне (по данным модельных расчетов).

8. Метрологическое зондирование подстилающей поверхности из космоса. Под редакцией Кондратьева К.Я. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

Формула изобретения

Пассивный дистанционный способ определения действительной части диэлектрической проницаемости пленки нефти, разлитой на водной поверхности, основанный на измерении электромагнитного излучения под углом Брюстера, отличающийся тем, что в качестве источника излучения плоской электромагнитной волны используют шумовое неполяризованное излучение неба в миллиметровом диапазоне волн, при этом принимают вертикально поляризованную составляющую амплитуды электрического поля под углом Брюстера от направления в зенит, значение которого вычисляют по формуле

где ε_н - одно из предварительно заданных в пределах 1,8÷3,0 значений действительной части диэлектрической проницаемости пленки нефти,
по принятой амплитуде электрического поля рассчитывают по формулам Френеля амплитуду переотраженного электрического поля вертикальной поляризации от нижнего слоя пленки нефти на границе ее с водной поверхностью с учетом диэлектрической проницаемости воздуха ε_o и действительной части диэлектрической проницаемости воды ε_в, затем измеритель направляют под тем же углом ϕ_б, установленным от нормали к поверхности пленки нефти в направлении на пленку нефти, измеряют амплитуду переотраженного электрического поля вертикальной поляризации от нижнего слоя пленки нефти на границе ее с водной поверхностью и сравнивают измеренное значение амплитуды переотраженного электрического поля вертикальной поляризации с рассчитанным ее значением, при этом изменяют выбранное значение ε_н с шагом 0,1 в заданных пределах и добиваются совпадения рассчитанного и измеренного значений с заданной точностью, например 1%, а полученное значение ε_н принимают за искомую величину.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2