Спосіб радіолокаційного визначення забруднення морської поверхні нафтою або іншими поверхнево-активними речовинами

Спосіб радіолокаційного визначення забруднення морської поверхні нафтою або іншими поверхнево-активними речовинами, який полягає в C2 1 3 87381 4 куються по їхній конфігурації та динаміці перемівпливом довгих, у порівнянні з бреггівськими комщень. Ознакою, що розділяє сліки на створені тепонентами, поверхневих хвиль. Однак у прототипі чією чи зміною поверхневого натягу, може служити при розрахунку значень спектра поверхневих розходження в трансформації поверхневих хвиль хвиль і аналізі його трансформації не враховуєтьрізної довжини. Зміна співвідношення енергії ся внесок цих довгих хвиль у створення цих зохвиль у зонах сліка і брижі будуть по-різному мінябражень, що обумовлює похибки визначення затися зі зміною довжини хвилі в залежності від того, бруднення. яким фізичним механізмом створений слік. ПорівВ основу винаходу поставлена задача ствоняння змін спектра поверхневих хвиль дозволяє рення способу радіолокаційного виявлення нафрозпізнавати сліки, обумовлені забрудненням дотових розливів чи інших забруднень моря поверхсліджуваної акваторії, наприклад, розливом нафнево-активними речовинами, у якому за рахунок ти. ознак, що характеризують особливості формуванВідомий спосіб виявлення нафтового забрудня радіолокаційних зображень і оцінки трансфорнення морської поверхні по зміні рівня радіолокамації спектра поверхневих хвиль, забезпечується ційного сигналу [2]. Досліджувану поверхню акватехнічний результат винаходу - можливість врахоторії опромінюють на одній довжині радіохвилі і вувати вплив довгих хвиль на характер брегівськовизначають зміну рівня розсіяного назад випроміго розсіювання, що дозволяє точніше визначити нювання. По зареєстрованій зміні рівня відбитого зміни у просторі спектра поверхневих хвиль. Зарадіосигналу в зоні слік-брижі роблять висновок значений технічний результат підвищує вірогідпро наявність забруднення. Загальною суттєвою ність визначення забруднення. ознакою аналога і заявленого винаходу є радіозоПоставлена задача вирішується тим, що в ндування морської поверхні під кутами, при яких способі радіолокаційного визначення забруднення основним фізичним механізмом, що формує реморської поверхні нафтою чи іншими поверхневоєстрований сигнал, є бреггівське розсіювання. активними речовинами, який полягає в тому, що Принцип, що лежить в основі способу-аналога, контрольовану область морської поверхні опромівизначає його недолік - той самий контраст може нюють одночасно радіохвилями різної довжини бути обумовлений як забрудненням, так і динамічодного типу поляризації під одним і тим же кутом ними процесами, що протікають у верхньому шарі падіння, при якому розсіювання назад радіовиморя та примежовому шарі атмосфери, тому промінювання носить резонансний характер, рескладно розділити сліки на створені природними єструють ці сигнали на одній і тій же поляризації, чи штучними механізмами різної фізичної природи, по них обчислюють значення спектра поверхневих що знижує можливість виявлення забруднення хвиль на довжині резонансної хвилі і по характері акваторії поверхнево-активними речовинами. змін у просторі спектра поверхневих хвиль робЯк прототип обраний найбільш близький до лять висновок про забруднення, новим є те, що заявленого винаходу по сукупності суттєвих ознак одночасно з опроміненням під вказаним заданим спосіб виявлення нафтових розливів на морській кутом цю контрольовану область морської поверхповерхні шляхом реєстрації розсіяного радіосигні додатково опромінюють, причому одночасно, налу при радіозондуванні поверхні на декількох радіохвилями різної довжини у надир, реєструють довжинах хвиль [3]. Відповідно до прототипу, ревідбиті назад сигнали і по них визначають дисперєструючи одночасно зображення поверхні на різсію ухилів морської поверхні, створюваних хвиляних довжинах радіохвиль, одержують інформацію ми різної довжини, при цьому обчислення значень про трансформацію поверхневих вітрових хвиль спектра поверхневих хвиль здійснюють з урахурізних масштабів. Оскільки дії різних фізичних меванням отриманої дисперсії ухилів морської повеханізмів по-різному трансформують спектр поверрхні. хневих хвиль, порівняння отриманих радіолокаційСутність способу пояснюється наступним. них зображень дозволяє виділяти сліки, При кутах падіння, що перевищують 20°-25°, обумовлені забрудненням - нафтовими плямами. розсіювання радіохвиль на морській поверхні ноТаким чином, у прототипі отримано принципове сить резонансний характер і описується в рамках рішення проблеми виділення забруднень морської методу малих збурювань. У нульовому наближенповерхні поверхнево-активними речовинами на ні, коли резонансні (бреггівські) складові поля пофоні неоднорідностей, створених іншими фізичверхневих хвиль поширюються по плоскій поверхними механізмами. ні, перетин зворотного розсіювання можна Такі ознаки прототипу, як одночасне опромізобразити у вигляді нення контрольованої поверхні радіохвилями різ2 r 0 0 (1) ної довжини одного типу поляризації під тим саsp (K, q, a ) = 8K 4 Gp (q) X(k br ) мим кутом, при якому розсіювання де kbr і K - хвильові числа відповідно поверхрадіовипромінювання назад носить резонансний невих і розсіяних у зворотному напрямку радіохарактер, реєстрування цих сигналів на одній і тій хвиль; же поляризації, обчислення по отриманих сигнаq - кут падіння; лах значень спектра поверхневих хвиль на довжиa - азимутальний кут; ні резонансної хвилі та визначення забруднення Gp - функція кута зондування, обумовлена типо характері змін у просторі спектра поверхневих пом поляризації р; хвиль, збігаються з суттєвими ознаками заявленоX - спектр узвишшя морської поверхні. го винаходу. Умова резонансу, що зв'язує kbr і K, має вигляд Недоліком прототипу є наступне. Радіолока(2) kbr=K2sinq. ційні зображення формуються, у тому числі, і під 5 87381 6 Присутність довгих хвиль приводить до того, Тепер необхідно перейти від ухилів x до кутів нащо бреггівські складові поширюються по криволіхилів qL морської поверхні. Між собою ці параметнійній поверхні. Це, у свою чергу, приводить до ри зв'язані співвідношенням зміни локального кута падіння радіохвиль. Як на(8) xL =tgqL; слідок, міняється функція кута зондування і доввідповідно їх щільності імовірностей співвідножина бреггівської складової. сяться як Для того, щоб врахувати вплив довгих хвиль, dx ~ P(tgqL ) . P(qL ) = вираз (1) необхідно осереднити по всьому діапа(9) dqL зоні створюваних ними кутів нахилів морської поЯкщо ухили морської поверхні підлягають розверхні. Уведемо позначення qL - кут нахилу морсьподілові Гаусса, то кої поверхні в напрямку падіння радіохвиль, створюваного довгими хвилями. æ tg2q ö 1 + tg2qL L ÷. exp ç P(qL ) = (10) Тоді ç ÷ 2 2s 2 ø 2ps è (3) sL = ò s0 (q - qL )P( qL )dqL P P Визначивши за даними зондування у надир де Р(qL) - щільність імовірностей кутів нахилів дисперсію ухилів за допомогою виразу (7) і підстау напрямку падіння радіохвилі. Щоб здійснити вивши її значення в співвідношення (10), одержупроцедуру осереднення співвідношення (3), розємо дисперсію кутів нахилів. кладемо вираз для перетину зворотного розсіюДля реалізації запропонованого способу необхідні два комплекти радіоапаратури, що дозволяє 0 у ряд Тейлора в окілі кута падіння q й вання s L br здійснювати зондування морської поверхні на деудержимо перші три члени розкладання: кількох довжинах хвиль. Як така апаратура може бути використаний, наприклад, описаний у роботі 0 2s0 ds 1 d br 2 [6] мультичастотний радар типу HELISCAT, за до(4) qL s0 ( q - qL ) » s0 ( q) + br qL + br br dq 2 dq 2 помогою якого проводилися експерименти з літа. льних апаратів. В останні роки в практику дистанПідставивши вираз (4) у вираз (3), з урахуванційних досліджень почалося впровадження qL = 0 , одержуємо наступне наближення радіолокаційних станцій, що здійснюють зондуням, що вання сигналами із широкою смугою частот [7]. Дві для бреггівського розсіювання радіохвиль: подібні радіолокаційні станції також можуть бути ö æ використані для реалізації запропонованого споd2 s0 ÷ ç 1 br q 2 . s L = s 0 ç1 + (5) собу. br br L÷ ÷ ç 2s 0 dq 2 Операції способу проводять таким чином. br ø è Радіолокаційні станції, одна з яких працює як З виразу (5) випливає, що для того, щоб альтиметр, тобто здійснює зондування у надир, а врахувати вплив довгих хвиль (у порівнянні з брегдруга - як скаттерометр, тобто здійснює зондувангівськими компонентами) на величину перетину ня під кутом, при якому реєстрований сигнал визворотного розсіювання, необхідно знати дисперзначає бреггівський механізм розсіювання, розмісію кутів нахилів морської поверхні. щаються на двох вертольотах. Мультичастотна Визначити шуканий параметр можна таким радіолокаційна станція, що є скаттерометром, по чином. При зондуванні у надир реєстрований сигвсіх каналах випромінює сигнал однієї і тієї ж понал визначається механізмом дзеркального відляризації, а також реєструє сигнал однієї і тієї ж биття. У цьому випадку величина перетину зворополяризації. тного розсіювання ssp визначається виразом Вертольоти маневрують так, що встановлені 2 на них радіолокаційні станції одночасно опромі(6) s sp = p sec 4 q R 0 P2D , нюють радіохвилями різної довжини ту саму контде R0 - коефіцієнт Френеля; рольовану область морської поверхні. За даними P2D - двовимірна щільність імовірностей ухилів радіолокаційної станції, що працює як альтиметр, морської поверхні. визначають дисперсію ухилів морської поверхні, Апроксимуючи щільність імовірностей ухилів створюваних хвилями різних масштабів. По зареєморської поверхні розподілом Гаусса і думаючи, строваних скаттерометром сигналах і з урахуванщо поле коротких поверхневих хвиль є ізотропним ням отриманої дисперсії ухилів морської поверхні [4], одержуємо вираз обчислюють, використовуючи відомі математичні 2 співвідношення (1)-(5), значення спектра поверхæ tg2 q ö R0 ÷, (7) s sp = sec 4 q expç невих хвиль на довжині резонансної хвилі. Аналіç 2 ÷ s2 зують зміну в просторі спектра поверхневих хвиль è s ø 2 і по характері цих змін роблять висновок про заде s - дисперсія ухилів. бруднення досліджуваної акваторії поверхневоВирази (6) і (7) дозволяють визначити дисперактивною речовиною. сію ухилів за даними радіозондування у надир. Використані джерела: Дзеркальне відбиття формують поверхневі 1. Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на похвилі, що мають довжину, у три і більш рази переверхности океана. - Л.: Гид-рометеоиздат, 1985. вищуючу довжину відбитої радіохвилі [5]. Таким 375с. чином, здійснюючи зондування у надир на різних 2. Lombardini, P.P., Fiscella, В., Trivero, P., довжинах хвиль, ми можемо визначити дисперсію Cappa, C, and Garrett, W.D. Modulation of the ухилів, формованих хвилями різних масштабів. spectra of short gravity waves by sea surface films: 7 87381 8 slick detection and characterization with a microwave 5. Kudryavtsev V.N., Hauser D., Caudal G., probe // Journal of Atmosphere and Ocean Chapron B.A. A semi-empirical model of the Technology. - 1989. - №6. - P.883-890. normalized radar cross-section of the sea surface. 1 3. Запевалов А.С, Ролик Н.Н. Обнаружение Background model // J. Geophys. Res. - 2002. нефтяных пятен на морской поверхности средстVol.107, № 0, ХХХХ, doi: 10.1029/2001JC001003. вами дистанционного зондирования в радиодиа6. Wismann V., Gade M., Alpers W., Huehnerfuss пазоне // Сб. научных трудов СВМИ им. П.С. НаH. Radar signatures of marine mineral oil spills химова. - Севастополь: СВМИ. - 2007. - №1(11). measured by an airborne multi-frequency radar // С.150-151 - прототип. (1998) Int. J. Remote Sensing. - 1998. - Vol. 19, № 4. Valenzuela G. Theories for the interaction of 18. - P. 3607-3623. electromagnetic and ocean waves. - A Review // 7. Кучейко Α.Α., Кастюк Е.А. Спутники радиоBoundary Layer Meteorology. -1978. - Vol.13, №1-4. локационного зондирования Земли // Приложение P.61-85. №1 к Ежегоднику "Спутниковые системы связи и вещания". - 2003. - 86 с. Комп’ютерна верстка В. Мацело Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601