Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности



Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности
Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности
Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности
Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности
Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности
Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности
Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности
Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности
Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности
Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности
Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности
Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности

 


Владельцы патента RU 2548118:

Морской гидрофизический институт (RU)

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля загрязнения поверхности открытых водоемов при проведении экологических и природоохранных мероприятий.

Технический результат изобретения - повышение вероятности обнаружения загрязнения и снижение вероятности ложных тревог за счет разделения на радиолокационных изображениях участков, созданных поверхностным загрязнением, и участков, созданных вариациями поверхностного течения.

Сущность: контролируемую область поверхности облучают под азимутальным углом α1, регистрируют рассеянный назад сигнал и по изменению уровня сигнала выявляют аномальный участок поверхности, от которого рассеянный назад сигнал имеет более низкий уровень по сравнению с фоновым значением сигнала. Затем контролируемую область облучают под азимутальным углом α2 при том же угле падения радиоволн и регистрируют рассеянный назад сигнал от аномального и фонового участков. Определяют отношение сигналов от аномального участка, полученных при облучении под азимутальными углами α1 и α2, и отношение сигналов от фонового участка, полученных при облучении под азимутальными углами α1 и α2. Путем сравнения полученных отношений сигналов определяют наличие загрязнения исследуемой поверхности.

 

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля загрязнения поверхности открытых водоемов при проведении экологических и природоохранных мероприятий.

В настоящее время загрязнение моря нефтепродуктами является одной из основных угроз нарушения экологического равновесия [1]. Объем годового поступления нефтепродуктов в Черное море оценивается в 110-130 тысяч тонн, столько же нефти может поступить при аварии одного танкера. По расчетам [2] указанный объем близок к ассимиляционной емкости бассейна, что определяет необходимость постоянного мониторинга поступления загрязнения. Для оперативного контроля состояния окружающей среды все более широко применяется радиолокационное зондирование.

При попадании на морскую поверхность нефти или других поверхностно-активных веществ меняется величина поверхностного натяжения,.как следствие этого - частично или полностью подавляются коротковолновые со--ставляющие поля ветровых волн [3], На поверхности образуется область (слик), в которой уровень шероховатости значительно ниже, чем за её пределами.

Известен способ обнаружения нефтяного загрязнения морской поверхности по изменению уровня радиолокационного сигнала при квазивертикальном зондировании [4]. Исследуемую поверхность акватории облучают на одной длине радиоволнами и определяют изменение уровня рассеянного назад излучения. По зарегистрированному изменению уровня отраженного, радиосигнала в зоне слик-рябь судят о наличии загрязнения. Сходными существенным признаком этого аналога и заявленного изобретения являются:, облучение морской поверхности в радиодиапазоне, регистрация отражённого назад сигнала, определение радиолокационного контраста между отдельными участками поверхности.

Недостатком аналога является то, что один и тот же радиолокационный контраст может быть обусловлен как загрязнением, так и динамическими процессами, протекающими в верхнем слое моря. Например, к появлению слика приводят вариации скорости поверхностного течения, создаваемые внутренними волнами. Как следствие, созданные вариациями течения неоднородности структуры морской поверхности могут быть интерпретированы как проявление загрязнения и, напротив, поверхностное загрязнение может быть интерпретировано как проявление динамических процессов в верхнем слое моря.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности [5], основанный на использовании характеристик радиосигнала, получаемого при зондировании поверхности моря под углами, на которых преобладает механизм брегговского рассеяния. Это способ может быть реализован с помощью скаттерометров или радиолокаторов бокового обзора. С существенными признаками заявленного изобретения сходны следующие признаки прототипа: облучение морской поверхности в радиодиапазоне, регистрация отражённого назад сигнала, определение радиолокационного контраста поверхности для выявления аномального участка, от которого рассеянный назад сигнал имеет более низ-, кий уровень по сравнению с фоновым значением сигнала.

Прототипу также свойственен недостаток известных аналогов: он не позволяет достоверно определить, чем именно вызван зарегистрированный с лик - загрязнением или динамическими процессами в верхнем слое моря.

В основу изобретения поставлена задача создания способа радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности по уровню отраженных водной поверхностью радиосигналов, в котором за счет признаков, характеризующих особенности процесса облучения поверхности и анализа полученных сигналов, обеспечивается новое техническое свойство - разделение на радиолокационных изображениях участков, созданных поверхностным загрязнением, и участков, созданных вариациями поверхностного течения. Указанное новое свойство обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение вероятности обнаружения загрязнения и снижение вероятности ложных тревог.

Поставленная задача решается тем, что в способе радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности, который заключается в том, что контролируемую область поверхности облучают под азимутальным углом α1 регистрируют рассеянный назад сигнал и по изменению уровня" сигнала выявляют аномальный участок поверхности, от которого рассеянный назад сигнал имеет более низкий уровень по сравнению с фоновым значением сигнала, согласно изобретению контролируемую область дополнительно облучают под азимутальным углом α2 при том же угле падения радиоволн и регистрируют рассеянный назад сигнал от аномального и фонового участков, определяют отношение сигналов от аномального участка, полученных при облучении под азимутальными углами α1 и α2, и отношение сигналов от фонового участка, полученных при облучении под азимутальными углами α1 и α2, и путем сравнения полученных отношений сигналов определяют наличие загрязнения исследуемой поверхности.

Сущность способа поясняется на примере зондирования морской поверхности под углами, как и в прототипе, на которых преобладает механизм, брегговского рассеяния.

При углах падения 20°-70° рассеяние радиоволн на морской поверхности носит резонансный характер и описывается в рамках метода малых возмущений. В первом приближении сечение обратного рассеяния можно представить [6] в виде

где kbr и K - волновые числа соответственно поверхностных и рассеянных в обратном направлении радиоволн;

θ - угол падения;

α - азимутальный угол;

Gp - функция угла зондирования, определяемая типом поляризации p;

Ξ - двумерный спектр возвышения морской поверхности. Условие резонанса, связывающее kbr и K, имеет вид kbr=K2sinθ.

Перейдем от двумерного спектра волновых векторов Ξ к спектру волновых чисел и направлений χ(k,α)

где Якобиан Далее представим спектр χ(k,α) в форме

где S - волновой спектр;

Θ - функция распределения волновой энергии по направлениям.

Введём обозначения:

- волновой спектр и функция углового распределения волновой энергии в зоне загрязнения;

- волновой спектр и функция углового распределения волновой энергии на участке чистой поверхности.

Тогда радиолокационный контраст от участков загрязнённой и чистой поверхности, по которому обычно определяют наличие загрязнения,

Однако такой же радиолокационный контраст могут создавать изменения скорости поверхностного течения, что приводит к ошибочному заключению о наличии загрязнения.

Замысел изобретения заключается в распознавании радиолокационных контрастов, выявлении вклада различных гидрофизических факторов в создание этих контрастов. Предложенный метод обнаружения загрязнения основан на проведённых заявителем, Морским гидрофизическим институтом Национальной академии наук Украины, циклах натурных исследований механизмов формирования тонкой топографической структуры морской поверхности, определяющей рассеяние радиоволн при дистанционном зондировании с космических аппаратов.

В заявленном способе предложено зондирование исследуемой поверхности при двух азимутальных углах. Обозначим их как α1 и α2.

Плёнка, образующаяся на морской поверхности при разливе нефти или других поверхностно-активных веществ, гасит волны независимо от направления их распространения, в этом случае

Если гашение волн вызвано изменением скорости течения, то изменение энергии спектральных составляющих поля поверхностных волн будет зависеть от угла между направлением их распространения и вектором скорости течения. То есть произойдет изменение функции углового распределения и равенства (5) и (6) не будут выполняться. Таким образом, если имеет место загрязнение, то

Если подавление волн вызвано изменением скорости течения, то

Заявленный способ осуществляется следующим образом.

Спутник с установленным на нём многолучевым, например, двухлуче-вым, радиолокатором пролетает над контролируемой акваторией и облучает морскую поверхность в полосе обзора вначале под азимутальным углом α1, а затем - под азимутальным углом α2, как показано на рисунке, где приведена геометрия наблюдений. Спутник должен иметь симметричные лучи, иначе он будет видеть аномалии поверхности под разными углами падения, т.е. должно выполняться условие α1=180°-α2. Такому условию, в частности, удовлетворяет спутник "Seasat". Пролетая над контролируемой акваторией, спутник сначала облучает её первой антенной. Регистрируют рассеянный назад сигнал, то есть получают радиолокационное изображение, и по нему выделяют аномальный участок, от которого рассеянный назад сигнал имеет более низ- -кий уровень по сравнению с фоновым значением сигнала. Отметим, что предложенный способ позволяет определять наличие загрязнения, когда в полосе обзора находятся несколько подобных участков, но для ясности изложения рассматривается ситуация, когда аномальный участок один.

Далее, спутник смещается вперед вдоль трассы, и контролируемый участок акватории облучается второй антенной, которая имеет ту же полосу обзора. Регистрируют отражённый назад сигнал и получают второе радиолокационное изображение. Определяют отношение сигналов от аномального участка, полученных при облучении под азимутальными углами α1 и α2, и отношение сигналов от фонового участка, полученных при облучении под азимутальными углами α1 и α2. Если эти отношения равны, то приходят к выводу, что аномальный участок образовался в результате загрязнения морской поверхности.

Использованные источники:

1. Миронов О.Г. Нефтяное загрязнение и жизнь моря. - Киев: Наукова Думка, -1973.-88 с.

2. Рябинин А.И., Губанов В Н., Клименко Н.П., Назаренко С.А. Гидрометеорология и гидрохимия морей. T. IV. Черное море. Выпуск 3. Современное состояние загрязнения вод Черного моря. Севастополь "ЭКОСИ-гидрофизика". -1996.-230 с.

3. Боев Г.А., Матвеев АЛ. Оценка количества разлитой нефти на акватории' каспийского промысла "Нефтяные камни" по данным многочастотного радиолокационного зондирования II Радиофизика и Радиоастрономия. - 2005. -Т.10,Ш.-СЛ78-188.

4. Боев А.Г., Карвицкий Г.Э. К теории радиолокационного контраста морского волнения при наличии пленки поверхностно-активного вещества // Радиофизика и Радиоастрономия. - 1997. - Т2, № 3. - С. 281-291.

5. Радиолокационные методы и средства дистанционного зондирования Земли с аэрокосмических носителей / под. ред. акад. НАН Украины CH. Конюхова, чл.-корр. НАН Украины В.И. Драновского и к.т.н. В.Н. Цымбала, - Киев: Джулия Пресс. - 2007. - 440 с. - прототип.

6. Басc Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука. -1972. - 424 с.

Способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности, заключающийся в том, что контролируемую область поверхности облучают под азимутальным углом a 1, регистрируют рассеянный назад сигнал и по изменению уровня сигнала выявляют аномальный участок поверхности, от которого рассеянный назад сигнал имеет более низкий уровень по сравнению с фоновым значением сигнала, отличающийся тем, что контролируемую область дополнительно облучают под азимутальным углом a 2 при том же угле падения радиоволн и регистрируют рассеянный назад сигнал от аномального и фонового участков, определяют отношение сигналов от аномального участка, полученных при облучении под азимутальными углами a 1 и a 2, и отношение сигналов от фонового участка, полученных при облучении под азимутальными углами a 1 и a 2, и путем сравнения полученных отношений определяют наличие загрязнения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гидрографии и может быть использовано для гидрографической оценки речной сети. Сущность: определяют количество притоков реки.

Изобретение относится к области ландшафтоведения и лесоводства. Способ включает в пределах водоохранной зоны визуально по карте или натурно выделение участка луга с испытуемым травяным покровом, затем на этом участке по течению водотока разметку группы пробных площадок, учет расстояния между центрами пробных площадок вдоль и поперек реки, а после срезки испытания проб травы.

Изобретение относится к области сельского и лесного хозяйств, а также к экологическому мониторингу. Способ включает выделение участка пойменного луга с испытуемым травяным покровом.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения и регистрации морского волнения методом импульсной эхолокации узконаправленным лучом в направлении от дна к поверхности воды.

Изобретение относится к области океанографических измерений и позволяет синхронно измерять высоту h и углы наклона х и у волнения водной поверхности в одной точке.

Изобретение относится к области океанографических измерений, в частности к способам измерения высоты волнения и угла наклона водной поверхности, и может быть использовано в океанологии для изучения волновых процессов на поверхности океана.

Изобретение относится к неконтактным океанографическим измерениям и может быть использовано для определения статистических характеристик морского волнения с борта движущегося судна.
Изобретение относится к определению параметров ледяного покрова посредством устройства для измерении толщины льдин, установленного на носителе, и может быть использовано как в исследовательских целях, так и при мониторинге ледового покрова в регионах залегания и добычи месторождений газа и нефти на шельфе арктических морей.

Изобретение относится к области картографии, а более конкретно к составлению ледовых карт, полученных путем съемки ледовых образований, посредством технических средств, установленных на летательных аппаратах.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля загрязнения поверхности открытых водоемов при проведении экологических и природоохранных мероприятий. Технический результат - обеспечение возможности учитывать влияние длинных, по сравнению с брегговскими компонентами, поверхностных волн на характеристики рассеяния радиоволн, по которым оценивают изменения в пространстве спектра поверхностных волн, что повышает достоверность определения загрязнения акватории. Сущность: контролируемую область морской поверхности облучают одновременно радиоволнами разной длины с помощью скаттерометра и альтиметра, которые размещены на двух летательных аппаратах. Скаттерометр облучает контролируемую поверхность под углом, при котором регистрируемый сигнал определяет брегтовский механизм рассеяния. Он излучает по всем каналам сигнал одной и той же поляризации и регистрирует сигнал той же поляризации. Альтиметр облучает контролируемую поверхность в надир, и по его данным определяют дисперсию уклонов морской поверхности, создаваемых волнами разных масштабов. По зарегистрированным скаттерометром сигналам и с учетом полученной дисперсии уклонов морской поверхности вычисляют значения спектра поверхностных волн на длине резонансной волны. Анализируют изменения в пространстве спектра поверхностных волн и по характеру этих изменений судят о загрязнении.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля изменения состояния поверхности открытых водоемов, вызванного их загрязнением поверхностно-активными веществами, при проведении экологических и природоохранных мероприятий. Техническим результатом изобретения является возможность при осуществлении анализа характеристик бликов зеркального отражения учитывать фактор влияния, ветра, что обеспечивает повышение точности определения наличия загрязнения, а также степени его интенсивности. Согласно изобретению поверхность облучают лазером, регистрируют блики зеркального отражения и определяют их характеристики. При этом одновременно с регистрацией бликов измеряют скорость ветра, а уровень загрязнения определяют путем сравнения полученных характеристик с образцовыми значениями для измеренной скорости ветра. 3 ил.

Изобретение относится к области океанографических измерений и предназначено преимущественно для определения характеристик коротких морских ветровых волн. Технический результат изобретения - повышение точности измерений за счет устранения фактора воздействия водного потока на струнные волнографические датчики, что обеспечивает их неподвижность даже в условиях штормового моря, а также за счет уменьшения длины погруженной в воду части штанги, несущей волнографические датчики, и одновременно с этим - обеспечения требуемого заглубления датчиков. Сущность: устройство содержит установленный над водной поверхностью выстрел с вертикальной штангой, пересекающей границу раздела воздух-вода. На штанге закреплены горизонтальные, по крайней мере три, кронштейны. Верхний кронштейн закреплен вверху штанги, нижний - внизу, на уровне максимальной впадины исследуемых волн. Кронштейны служат для постановки струнных волно-графических датчиков, которые верхними концами жестко закреплены на верхнем кронштейне и пропущены через отверстия, выполненные в остальных кронштейнах. Нижние концы датчиков снабжены грузами для необходимого натяжения датчиков. Отверстия кронштейнов обеспечивают вертикальное положение датчиков на заданном расстоянии друг от друга. 1 ил.

Изобретение относится к области гидрологии и может быть использовано при мониторинге, моделировании, количественной оценке водных ресурсов. Сущность: реку и ее притоки на цифровой топографической карте разбивают на квадраты размером δ. Вычисляют количество квадратов N, покрывающих реку и каждый ее приток, для вычисления фрактальной размерности. Затем на основании вычисленной фрактальной размерности рассчитывают коэффициент извилистости русла реки и длину реки. Технический результат: определение коэффициента извилистости русла реки. 2 табл.

Изобретение может быть использовано для определения океанографических характеристик и выявления их пространственного распределения. Сущность: система включает подспутниковые (судовые) и спутниковые средства измерений океанографических характеристик. Подспутниковые средства измерений представлены четырьмя наборами измерительных датчиков и комплексных измерительных устройств, первый (1) из которых размещен на носовой части судна, находящейся под водой, второй (2) - на носовой части судна, находящейся над водой, третий (3) - на борту судна, четвертый (17) - на носителе (18), выполненном в виде зонда, сочлененного с якорно-буйрепным устройством (19). Первый (1) набор состоит из датчиков температуры, электропроводности и давления морской воды, концентрации кислорода, показателя рассеяния света в воде, устройства (12) забора забортной морской воды, многолучевого эхолота, гидролокатора бокового обзора. Второй (2) набор состоит из датчиков температуры, влажности и давления атмосферного воздуха, направления и скорости приводного ветра, измерителя флюоресценции фитопланктона и растворенного (желтого) органического вещества, измерителя радиационной температуры морской поверхности, измерителя спектральных яркостей неба, моря и облученности морской поверхности солнечным излучением. Третий (3) набор состоит из измерителя спектрального показателя ослабления света морской воды, измерителя флюоресценции хлорофилла фитопланктона и растворенного (желтого) органического вещества, измерителя концентрации хлорофилла и растворенного (желтого) органического вещества, измерителя концентрации каротиноидов, феофитина, углерода. Четвертый набор (17) состоит из измерителей вертикальных профилей растворенного метана, содержания нитратов альфа-, бета- и гамма-радиоактивности, зональной и меридиональной компонент скорости течения, скорости звука в морской воде. Спутниковые средства измерений включают лидар, содержащий лазер красного и зеленого диапазонов, устройство (6) определения координат судна, устройство (8) определения координат луча сканирования водной поверхности искусственным спутником Земли. Показания подспутниковых средств измерений используют при корректировке спутниковых данных в устройстве (11) коррекции спутниковой информации и хранения океанографических данных. Технический результат: повышение достоверности при определении океанографических характеристик и выявлении их пространственного распределения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к неконтактным океанографическим измерениям и может быть использовано для определения статистических характеристик морского волнения с борта движущегося судна. Способ измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, над водной поверхностью и параметров морского волнения, основанный на регистрации физических величин, зависящих от электромагнитного поля, создаваемого установленной на самолете антенной, по которым судят о высоте полета самолета, о высоте морской волны, о длине морской волны в направлении полета и в месте, над которым пролетает самолет, в котором антенна для создания электромагнитного поля выполнена в виде пяти независимых антенн, установленных на корпусе самолета соответственно в центре тяжести самолета, в носовой и кормовой частях самолета, и в оконечных частях крыльев самолета. Техническим результатом является повышение достоверности и информативности измерения высоты морских волн с борта летательного аппарата для обеспечения посадки на морскую поверхность. 3 ил.

Изобретение может быть использовано для определения океанографических характеристик и выявления их пространственного распределения. Сущность: система включает подспутниковые (судовые) и спутниковые средства измерений океанографических характеристик. Подспутниковые средства измерений представлены пятью наборами измерительных датчиков и комплексных измерительных устройств, первый (1) из которых размещен на носовой части судна, находящейся под водой, второй (2) - на носовой части судна, находящейся над водой, третий (3) - на борту судна, четвертый (18) - на дрейфующих буях, а пятый (19) - на спускаемых за борт зондах. Первый (1) набор состоит из датчиков температуры, электропроводности и давления морской воды, концентрации кислорода, показателя рассеяния света в воде, устройства (12) забора забортной морской воды. Второй (2) набор состоит из датчиков температуры, влажности и давления атмосферного воздуха, направления и скорости приводного ветра, измерителя флюоресценции фитопланктона и растворенного (желтого) органического вещества, измерителя (радиометра) радиационной температуры морской поверхности и измерителя спектральных яркости неба, яркости моря и облученности морской поверхности солнечным излучением. Третий (3) набор состоит из измерителя спектрального показателя ослабления света морской воды, измерителя флюоресценции хлорофилла фитопланктона и растворенного (желтого) органического вещества, измерителя концентрации хлорофилла и растворенного (желтого) органического вещества, измерителя концентрации каротиноидов, феофитина, углерода. Четвертый (18) набор состоит из датчиков измерения температуры воздуха, скорости и направления ветра, атмосферного давления, электропроводности воды, температуры воды в поверхностном слое, гидростатического давления, высоты, скорости, периода и направления морских волн. Пятый (19) набор состоит из устройств измерения составляющих вектора подводных течений, скорости распространения звука, температуры, относительной электропроводности, гидростатического давления, концентрации растворенного кислорода, показателя ионов водорода, пороговой чувствительности концентрации сульфидов на двенадцати горизонтах до глубины 250 м. Спутниковые средства измерений включают устройство (6) определения координат судна и устройство (8) определения координат луча сканирования водной поверхности искусственным спутником Земли. Показания подспутниковых средств измерений используют при корректировке спутниковых данных в устройстве (11) корректировки спутниковой информации и хранения океанографических данных. Технический результат: повышение информативности и достоверности при определении океанографических характеристик и выявлении их пространственного распределения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к неконтактным океанографическим измерениям и может быть использовано для определения статистических характеристик морского волнения с борта движущегося судна. Техническим результатом является повышение достоверности и информативности измерения высоты морских волн. В способе измерения высоты морских волн определяют расстояние до водной поверхности по времени задержки отраженного от водной поверхности сигнала с помощью сосредоточенной приемоизлучающей системы, определяя ее углы наклона и медленно меняющихся составляющих углов наклона. По величине углов наклона и расстоянию до водной поверхности приемоизлучающей системы вычисляют расстояние по вертикали от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности. Вычисляют вертикальное перемещение приемоизлучающей системы. Определяют профиль морских волн. Высоту волны заданной обеспеченности определяют в зависимости от относительной среднеквадратичной ширины спектра волнового процесса, путем определения основных статистических характеристик среднего периода первичных колебаний, среднего периода максимальных значений амплитуд, средней высоты волн, на основе исходной информации, получаемой измерением первичными измерительными средствами ординат, скоростей и ускорений вертикальных колебаний волнового процесса.
Наверх