Измеритель толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве переносного измерителя толщины слоя нефти. Сущность: устройство содержит два радиометрических канала, каждый из которых содержит антенну и радиометрический приемник с включенными между ними переключателями поляризации, а также датчики угла крена и угла места. Измерительные каналы работают на некратных частотах. Все компоненты устройства размещены в едином корпусе. Коническая рупорная антенна, переключатель поляризации и радиометрический приемник в каждом канале имеют жесткую конструктивную связь. Один из каналов вместе с датчиками угла крена и угла места жестко связаны с базовой несущей конструкцией прибора. Второй канал установлен с помощью выбора угла наклона таким образом, чтобы центры проекций диаграмм направленности обеих антенн совпадали в зоне измерения толщины пленки при размещении устройства на определенной высоте с ориентацией относительно горизонта под определенным углом места в соответствии с заданным алгоритмом обработки при крене прибора 0° относительно горизонта. Технический результат - оперативное определение параметров разлива нефти при увеличенном диапазоне измерений. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве переносного измерителя толщины слоя нефти на поверхности воды.

Известно радиометрическое устройство фирмы Ericsson [URL:http: //www.ssc.se/rst/mss/microwave radiometer], разработанное для применения в системе MSS 5000 фирмы SSC, Швеция. Устройство предназначено для установки на борту летательного аппарата. Его работа основана на свойстве периодической зависимости яркостной температуры слоя нефти от его толщины, являющемся результатом интерференции отраженного теплового излучения неба от границ раздела воздух - нефть и нефть - вода.

Устройство состоит из четырех радиометрических каналов, сформированных однотипными приемными трактами, работающими на частоте 35 ГГц. В состав каждого тракта входят зеркальная антенна горизонтальной поляризации и высокочастотный радиометрический приемник.

Все элементы приемных трактов расположены на вращающемся относительно вертикальной оси опорно-поворотном устройстве таким образом, что конструктивно обеспечивается угол падения лучей антенн на исследуемую поверхность 25°.

Выходные сигналы от радиометрических приемников обрабатываются общим вычислителем, вынесенным относительно измерительной части устройства.

Основным недостатком известного устройства, выбранного в качестве прототипа, является то, что измерения проводятся только с борта летательного аппарата при минимальной высоте полета 150 м, осуществляя разрешение площадей более 7×7 м. При этом отсутствует возможность обмеров малоразмерных разливов нефти, а также разливов на поверхностях закрытых водоемов. Кроме того, диапазон измерения толщины слоя нефти ограничен примерно величиной в четверть рабочей длины волны.

Задачей предлагаемого изобретения является реализация переносного измерителя толщины слоев нефти на поверхности воды, обеспечивающего оперативное определение параметров разлива при увеличенном диапазоне измерений, как для малоразмерных разливов нефти, так и для разливов на поверхностях закрытых водоемов.

Для достижения этого технического результата в устройство для измерения толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности, содержащее радиометрический канал, включающий антенну и высокочастотный радиометрический приемник, а также вычислитель для определения толщины слоя нефти по заданному алгоритму на основе измеренных параметров, дополнительно введены второй радиометрический канал, работающий на частоте, не кратной рабочей частоте первого канала, два переключателя поляризации, установленные в каждом канале между антенной и радиометрическим приемником, а также датчики угла крена и угла места, при этом все компоненты устройства размещены в едином корпусе, а коническая рупорная антенна, переключатель поляризации и радиометрический приемник в каждом канале имеют жесткую конструктивную связь, определяемую волноводными элементами тракта, причем один из каналов вместе с датчиками угла крена и угла места жестко связаны с базовой несущей конструкцией прибора, а второй канал установлен с наклоном относительно первого канала с помощью устройства выбора угла наклона таким образом, чтобы центры проекций диаграмм направленности обеих антенн совпадали в зоне измерения толщины пленки при размещении устройства на определенной высоте с ориентацией относительно горизонта под определенным углом места в соответствии с заданным алгоритмом обработки при крене прибора относительно горизонта 0°.

Применение в измерителе двух радиометрических каналов вызывает необходимость совмещения проекций диаграмм направленностей антенн обоих каналов в зоне измерения с целью приема сигналов с одного и того же места слоя нефти. Совмещение центров проекций диаграмм направленностей при проведении измерений под определенным углом места обеспечивается конструктивным расположением радиометрических каналов.

Величина угла наклона определяется высотой размещения измерителя при его эксплуатации (работа с плеча оператора, установка на турели автомобиля и т.п.) и углом места (визирования) измерителя.

В частности, при измерениях с плеча оператора устройство выбора угла наклона выполнено в виде П-образного основания, установленного между приемниками первого и второго каналов и жестко связанного с ними, причем верхняя поверхность его, предназначенная для установки приемника второго канала, наклонена под определенным углом относительно приемника первого канала.

Признаки, отличающие предлагаемый измеритель от прототипа, - наличие общего для всего измерителя корпуса, в котором размещены все компоненты устройства, таким образом, чтобы центры проекций диаграмм направленности антенн совпадали на исследуемой поверхности при рабочем положении прибора, устанавливаемом в соответствии с заданным алгоритмом обработки, относительно горизонтальной плоскости по углу места и 0° по крену, определяемых с помощью датчиков углов места и крена, обеспечивает возможность выполнения прибора в носимом варианте и возможность использовать его для обмеров небольших разливов нефти на поверхности воды, а также разливов на поверхностях закрытых водоемов, а наличие второго измерительного канала, работающего на частоте, некратной частоте первого канала, и переключателей поляризации (вертикальной и горизонтальной) в каждом канале позволяют расширить диапазон измерения толщины слоя и устранить неоднозначность измерений.

На фигуре представлена структурная схема предлагаемого двухканального измерителя, где обозначено: 1/1 (1/2) - антенна первого (второго) канала соответственно; 2/1 (2/2) - переключатель поляризации первого (второго) канала соответственно; 3/1 (3/2) - радиометрический приемник первого (второго) канала соответственно; 4 - вычислитель, 5 - датчик утла места; 6 - датчик угла крена; 7 - корпус.

Измеритель содержит два измерительных канала, в каждом из которых последовательно включены коническая рупорная антенна 1, переключатель поляризации 2 и высокочастотный радиометрический приемник 3. Выходы измерительных каналов соединены с вычислителем 4, который соединен с управляющими входами переключателей поляризации и имеет разъем для подключения приемника GPS. Датчики угла крена 6 и угла места 5 имеют жесткую связь с базовой несущей конструкцией, также как и один из измерительных каналов. Второй измерительный канал устанавливается относительно первого канала с помощью устройства выбора угла наклона таким образом, чтобы при размещении прибора в рабочем положении на определенной высоте, например на плече оператора, центры диаграмм направленности антенн совпадали на исследуемой поверхности при ориентации одного из измерительных каналов, совмещенного с базовой несущей конструкцией прибора, под определенным углом места относительно горизонта в соответствии с заданным алгоритмом обработки и 0° по крену.

Питание прибора осуществляется от аккумулятора, который может быть встроен в общий корпус или выполнен в виде автономного блока.

Измеритель может содержать дисплей для отображения результатов измерений, а также клавиатуру для управления прибором оператором вручную.

Измеритель работает следующим образом.

Работа измерителя основана на измерении поляризационно-разностных радиояркостных контрастов радиотеплового излучения слоя нефти на водной поверхности в миллиметровом диапазоне длин волн.

Тепловое излучение неба, отраженное от границ раздела воздух - нефть и нефть - вода, принимается рупорными коническими антеннами 1 при ориентации измерителя относительно горизонта под углом места 35° относительно горизонта, при котором значения коэффициента отражения волн вертикальной поляризации для водной и нефтяной поверхностей равны (Ron Goodman, Hugh Brown, Jason Bittner. The measurement of the thickness of oil on water. Proceedings of the Fourth International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments. Orlando, Florida, 17-19 March 1997, vol.I, p. 1-31 - 1-40), что используется в алгоритме и 0° по крену, определяемым с помощью соответствующих датчиков углов 5 и 6.

В зависимости от положения управляемого вычислителем переключателя поляризации 2 в каждом измерительном канале излучение вертикальной или горизонтальной поляризации поступает на соответствующий радиометрический приемник 3, где производится выделение полезного сигнала.

Сигналы от радиометрических приемников поступают на вычислитель 4, где они подвергаются обработке по заданному алгоритму.

Алгоритм обработки радиометрической информации основан на известном (Громов Н.Н., Писарев О.В., Шавин П.Б. Дистанционный контроль загрязнений водоемов при разливах нефтепродуктов. Газовая промышленность, №13, 62-64, 2000] графоаналитическом способе определения толщины слоя нефти на водной поверхности при априорных сведениях о типе нефтепродукта и физической температуре воды, по которым в вычислителе 4 производится теоретический расчет коэффициентов отражения от измеряемого слоя во всем диапазоне измеряемых толщин на обеих поляризациях с последующим определением отношения излучательных способностей во всем диапазоне измерений. По измеренным сигналам находится отношение излучательных способностей слоя нефти на обеих поляризациях, которое сравнивается с теоретическими значениями на расчетной кривой. При совпадении результатов в пределах погрешностей измерителя принимается решение о толщине слоя.

Известно (S.A.Pelyushenko. Microwave Radiometer System for the Detection of Oil Slicks. Spill Science and Technology Bulletin. Vol.2, № 4, p.249-254, 1995], что радиотепловое излучение слоя нефти на водной поверхности имеет квазипериодический характер, поэтому при измерении на одной частоте для толщин, больших λ/4, имеет место неоднозначность в определении измеренной величины. Для устранения этого эффекта при построении измерителя применяется двухчастотный способ определения толщины, в котором выбранные частоты не кратны друг другу (λ₁ < λ₂). Обработка результатов измерения проводится по вышеописанному алгоритму, в котором при графоаналитической обработке используются две расчетные квазипериодические функции отношений излучательных способностей с некратными периодами, в результате чего при каждом измерении в диапазоне толщин порядка λ₂/2 существует пара значений, однозначно определяющая измеренную толщину слоя.

Результаты измерения отображаются на экране дисплея. Предлагаемый измеритель реализован в носимом варианте по схеме двухканального измерителя, работающего на частотах 34 ГГц и 12,2 ГГц соответственно.

Измеритель предназначен для работы с плеча оператора, рост которого (высота размещения измерителя) соответствует средним антропологическим характеристикам мужчины [У.Вудсон, Д.Коновер. Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников-конструкторов. Пер. с англ. А.М.Пашутина под ред. В.Ф.Венда. - М.: Мир, 1968, с.416-421, 440-445).

Рабочее положение прибора при заданном алгоритме работы - по углу места 35° относительно горизонта и 0° при крене.

Измеритель обеспечивает определение толщины слоя нефти на поверхности воды в диапазоне 0,2-12,0 мм при температурах окружающей среды от минус 20°С до плюс 50°С.

Прибор выполнен в габаритах 580×196×248 мм и имеет массу 11 кг.

Формула изобретения

Устройство для измерения толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности, содержащее радиометрический канал, включающий антенну и высокочастотный радиометрический приемник, а также вычислитель для определения толщины слоя нефти по заданному алгоритму на основе измеренных параметров, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй радиометрический канал, работающий на частоте, некратной рабочей частоте первого канала, два переключателя поляризации, установленные в каждом канале между антенной и радиометрическим приемником, а также датчики угла крена и угла места, при этом все компоненты устройства размещены в едином корпусе, а коническая рупорная антенна, переключатель поляризации и радиометрический приемник в каждом канале имеют жесткую конструктивную связь, причем один из каналов вместе с датчиками угла крена и угла места жестко связаны с базовой несущей конструкцией прибора, а второй канал установлен с помощью выбора угла наклона таким образом, чтобы центры проекций диаграмм направленности обеих антенн совпадали в зоне измерения толщины пленки при размещении устройства на определенной высоте с ориентацией относительно горизонта под определенным углом места в соответствии с заданным алгоритмом обработки при крене прибора относительно горизонта 0°.

РИСУНКИ

Рисунок 1