Способ дистанционного определения загрязнения поверхности открытых водоемов



Способ дистанционного определения загрязнения поверхности открытых водоемов
Способ дистанционного определения загрязнения поверхности открытых водоемов
Способ дистанционного определения загрязнения поверхности открытых водоемов
Способ дистанционного определения загрязнения поверхности открытых водоемов
Способ дистанционного определения загрязнения поверхности открытых водоемов
Способ дистанционного определения загрязнения поверхности открытых водоемов

 


Владельцы патента RU 2548122:

Морской гидрофизический институт (RU)

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 преимущественно может быть использовано для контроля изменения состояния поверхности открытых водоемов, вызванного их загрязнением поверхностно-активными веществами, при проведении экологических и природоохранных мероприятий.

В настоящее время для контроля состояния морской среды широκο применяются средства дистанционного мониторинга, в которых используется взаимодействие электромагнитных волн с морской поверхностью. Тонкая структура рельефа морской поверхности, формируемая волнами ряби, чувствительна к таким факторам, как ветер и загрязнение морской среды поверхностно-активными веществами.

Чем меньше длина волны, тем меньше ее энергия и тем меньше время релаксации при изменении характеристик пограничных слоев атмосферы и океана. В отличие от длинных доминантных волн, которые практически не зависят от поверхностного натяжения, волны ряби очень чувствительны к его изменениям. Образующиеся в результате загрязнения акваторий поверхностные пленки эффективно подавляют рябь. К ряби относятся поверхностные волны гравитационно-капиллярного и капиллярного диапазонов. Это волны с длиной менее 7 см. Как известно, именно они являются основными рассеивателями электромагнитного излучения при его взаимодействии с границей раздела океан-атмосфера [1].

Известен способ контроля состояния морской поверхности на основе регистрации солнечных бликов [2]. Загрязняющее вещество воздействует на ветровые волны и, как следствие, происходит изменение свойств поверхности, определяющих отражение света. Такой признак аналога, как регистрация световых бликов, совпадает с существенными признаками заявленного изобретения. Недостатками этого способа является то, что он не позволяет разделить изменения характеристик бликов, обусловленные загрязнением водоема или вариациями скорости ветра, а также имеет ограничения в использовании, так как применим только в дневные часы при безоблачном небе.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранный в качестве прототипа', является способ регистрации загрязнения морской поверхности на основе индикации лазерных бликов [3]; Указанный способ дает информацию о мелкомасштабных компонентах волнения. При его использовании морская поверхность зондируется узким лазерным лучом непрерывно, но регистрируются только сигналы обратного зеркального отражения, появляющиеся в момент времени, когда отраженный от поверхности луч света возвращается к излучателю, совмещенному с приемником.

Такие признаки прототипа, как дистанционное определение загрязнения поверхности открытого водоема путем облучения ее лазером, регистрация бликов зеркального отражения и определение характеристик бликов, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения.

Недостатком прототипа является следующее.

Он не позволяет разделить изменения шероховатости поверхности, обусловленные действием двух разных физических механизмов, например, отделить уменьшения уровня шероховатости, вызванные снижением скорости ветра, от уменьшений, созданных повышением концентрации загрязняющих веществ. Поскольку изменения характеристик регистрируемых бликов вследствие вариаций скорости ветра могут быть сравнимы или больше изменений, вызванных загрязнением поверхности, данный способ не может обеспечить определение уровня загрязнения с требуемой точностью.

В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного контроля загрязнения, при котором совокупностью известных и отличительных признаков, характеризующих особенности процесса регистрации бликов и оценки их характеристик, обеспечивается технический результат - возможность при проведении анализа характеристик бликов зеркального отражения учитывать изменения структуры поверхности, обусловленные вариациями скорости ветра, что приводит к повышению точности определения наличия загрязнения, а также степени его интенсивности.

Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения загрязнения поверхности открытых водоемов, который заключается в том, что исследуемую поверхность облучают лазером, регистрируют блики зеркального отражения и определяют их характеристики, новым является то, что одновременно с регистрацией бликов измеряют скорость ветра, а уровень загрязнения определяют путем сравнения полученных характеристик с образцовыми значениями для измеренной скорости ветра.

В основе предложенного способа лежат результаты комплексных исследований тонкой топографической структуры морской поверхности, проведенных на океанографической платформе Морского гидрофизического института НАН Украины. При лазерном зондировании контроль состояния поверхности осуществлялся имеющими высокое разрешение приборами двух типов: двумерным лазерным уклономером и струнными резистивными волнографами. Был выявлен высокий уровень корреляции между флуктуациями скорости ветра W, параметрами уклонов поверхности и статистиками последовательностей бликов зеркального отражения (см. таблицу "Корреляционная матрица").

Корреляционная матрица

Здесь и - дисперсия и среднее значение модуля уклона; D - сумма дисперсии двух ортогональных компонент уклона; F - частота бликов зеркального отражения; τ - средняя длительность бликов; I -средняя интенсивность бликов. Именно выявленный в эксперименте высокий уровень корреляции между характеристиками бликов и параметрами локальных уклонов поверхности создает принципиальную возможность регистрации загрязнения по данным лазерного зондирования.

Суть предложенного способа поясняется следующим. Большинство типов загрязнения являются поверхностно-активными веществами (например, нефть). Их попадание в водоемы приводит к изменению величины поверхностного натяжения, что, в свою очередь, приводит к изменению энергии волн ряби. Следствием изменения уровня шероховатости становится изменение характеристик регистрируемых при лазерном зондировании бликов зеркального отражения. К таким характеристикам, в частности, относятся: частота регистрируемых бликов, их длительность и интенсивность. Так в натурных экспериментах на океанографической платформе при загрязнении морской поверхности широко распространенными синтетическими малофосфатными моющими средствами было зафиксировано уменьшение частоты бликов, увеличение их длительности, а также увеличение их интенсивности [3]. Аналогичные, изменения лазерного сигнала при измерениях с борта движущегося судна были зарегистрированы в зоне техногенной аномалии у южного берега Крыма, которая возникла в результате разлива нефти [3]. Отметим, что указанные изменения характеристик лазерных бликов имеют место и при уменьшении скорости ветра.

Прибор предварительно калибруется. Для этого в контролируемых условиях при -разных скоростях ветра регистрируются блики при отражении от чистой поверхности и поверхности с разным уровнем загрязнения.

При реализации предложенного способа контроля загрязнения поверхности открытых водоемов осуществляются следующие операции. Сначала контролируемую поверхность облучают лазером и регистрируют блики зеркального отражения. Одновременно с регистрацией бликов измеряют скорость ветра. Затем по калибровочным кривым определяют, какому уровню загрязнения при измеренной скорости ветра соответствуют зарегистрированные характеристики бликов.

В приборах для лазерного зондирования водной поверхности блики зеркального отражения регистрируются как последовательность электрических импульсов. Обычно в течение сеанса измерений определяются три параметра: число импульсов (бликов) N; их суммарная длительность где τn - длительность n-го импульса; интегральная интенсивность где - амплитуда импульса; t - время. В промежутках между бликами По трём регистрируемым параметрам Ν, τΣ и ΙΣ рассчитывались следующие характеристики: частота бликов F, средняя за сеанс измерений длительность блика τ и средняя интенсивность блика:

F=N/T, τ=τΣ/Ν, I=IΣΣ,

которые подвергаются дальнейшему анализу.

Качественно общий вид зависимостей параметров F, τ, I от скорости ветра W показан на фиг. 1-3. Сплошная линия соответствует чистой воде. Штриховые линии соответствуют двум уровням загрязнения, причем уровень 2 больше, чем уровень 1.

Связь между параметрами F, τ, I и скоростью ветра имеет стохастический характер. Поэтому определение уровня загрязнения проводится на основе факторного анализа, в котором в качестве предикторов используются все три параметра бликов.

Для реализации предложенного способа может быть использовано, например, устройство для определения характеристик шероховатой отражающей поверхности [4]. В качестве измерителей скорости ветра можно использовать стандартные гидрометеорологические приборы (например, чашечный ротоанемометр М-25).

Использованные источники:

1. Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and ocean waves.- A Review // Boundary Layer Meteorology/ - 1978, v. 13, № 1-4, p. 61-85.

2. Cox C, Munk W. Statistics of the sea surface derived from the sun glitter // J. Mar. Res. - 1954. - V. 13. N 2. P. 198-227.

3. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е., Фельдман Ю.Р. Лазерная локация топографических неоднородностей на шероховатой морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. - 1993. -№ 6. - С. 64-73 (прототип).

4. Патент РФ на изобретение № 2073203 от 30.06.1992, опубл. в бюл. РФ № 4, 1997 г. "Устройство для определения характеристик шероховатой отражающей поверхности" авторы Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Мищенчук Ю.А., Смолов В.Е.

Способ дистанционного определения загрязнения поверхности открытых водоемов, заключающийся в том, что поверхность облучают лазерным лучом, регистрируют блики зеркального отражения и определяют их характеристики, отличающийся тем, что одновременно с регистрацией бликов измеряют скорость ветра, а уровень загрязнения определяют путем сравнения полученных характеристик бликов с образцовыми значениями для измеренной скорости ветра.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно предназначено для определения скорости ветра над морской поверхностью. Технический результат - обеспечение возможности учитывать вклад поверхностного течения в уровень отраженных водной поверхностью радиосигналов, что повышает точность определения скорости ветра. Сущность: установленным на космическом аппарате радиоальтиметром облучают водную поверхность, регистрируют отражённый назад сигнал, по фронту радиоимпульса определяют значимую высоту поверхностных волн, по времени прохождения сигнала до поверхности и обратно определяют крупномасштабный рельеф поверхности, по нему рассчитывают поле поверхностного течения, и определяют скорость ветра по величине отраженного назад сигнала с учётом значимой высоты волн и влияния поля течения на величину отражённого назад сигнала. .

Изобретение относится к геофизическим исследованиям с управляемым источником. Сущность: способ содержит этапы, на которых: развертывают по меньшей мере один приемник и электрический дипольный источник; передают электромагнитное поле от электрического дипольного источника; детектируют первую горизонтальную составляющую и вторую горизонтальную составляющую отклика электромагнитного поля на передаваемое электрическое поле, используя по меньшей мере один приемник, и вычисляют вертикальную составляющую отклика электромагнитного поля, используя детектированные первую и вторую горизонтальные составляющие отклика электромагнитного поля, причем эти первую и вторую горизонтальные составляющие комбинируют.

Изобретение относится к области противодействия терроризму и может быть использовано в системах защиты объектов. Устройство обнаружения носимых осколочных взрывных устройств содержит СВЧ передающее устройство с частотой f1, СВЧ передающее устройство с частотой f2, СВЧ приемное устройство комбинационных частот второго порядка, СВЧ приемное устройство комбинационных частот третьего порядка.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для определения электрофизических параметров объектов, с которыми пространственно связаны месторождения полезных ископаемых в условиях техногенной инфраструктуры, построенной с применением металлоконструкций.

Предлагаемое устройство относится к контрольно-поисковым средствам, а именно к устройствам обнаружения местоположения людей, оказавшихся под завалами, образовавшимися в результате стихийного (землетрясения, торнадо, цунами и др.) или иного бедствия, и поиска взрывчатых и наркотических веществ, и может быть использовано при техногенных авариях, природных катастрофах, террористических актах и при предотвращении опасных для населения акций.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для поиска засыпанных биообъектов или их останков. Заявлен способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков и устройство для его осуществления.

Использование: изобретение относится к области техники, занимающейся подповерхностной радиолокацией объектов. Сущность изобретения заключается в зондировании среды сверхнизкочастотными гармоническими электромагнитными колебаниями.

Использование: для детектирования электромагнитного излучения. Сущность: заключается в том, что быстродействующая и миниатюрная система детектирования, в частности, электромагнитного излучения в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах содержит полупроводниковую структуру, имеющую двумерный слой носителей заряда или квазидвумерный слой носителей заряда с включенным одним дефектом или многочисленными дефектами, по меньшей мере первый и второй контакты для слоя носителей заряда и устройство для измерения фотоэлектродвижущей силы между первым и вторым контактами.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для исследования подповерхностных структур. .

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для зондирования многолетнемерзлых пород с целью изучения их строения и свойств. .

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.

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.

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 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.
Наверх