Спосіб радіолокаційного визначення забруднення морської поверхні

Спосіб радіолокаційного визначення забруднення морської поверхні, який полягає в тому, що контрольовану область поверхні опромінюють під азимутним кутом α1, реєструють розсіяний назад сигнал і по зміні рівня сигналу виявляють аномальну ділянку поверхні, від якої розсіяний назад сигнал має нижчий рівень в порівнянні з фоновим значенням сигналу, який відрізняється тим, що контрольовану область додатково опромінюють під азимутним кутом α2 при тому ж куті падіння радіохвиль і реєструють розсіяний назад сигнал від аномальної і фонової ділянок, визначають відношення сигналів від аномальної ділянки, отриманих при опромінюванні під азимутними кутами α1 і α2, і відношення сигналів від фонової ділянки, отриманих при опромінюванні під азимутними кутами α1 і α2, і шляхом порівняння отриманих відношень визначають наявність забруднення. Винахід стосується океанографічних вимірювань і переважно може бути використаний для контролю забруднення поверхні відкритих водоймищ при проведенні екологічних і природоохоронних заходів. В даний час забруднення моря нафтопродуктами є однією з основних погроз порушення екологічної рівноваги [1]. Об'єм річного надходження нафтопродуктів в Чорне море оцінюється в 110130 тисяч тонн, стільки ж нафти може поступити при аварії одного танкера. По розрахунках [2] вказаний об'єм близький до асиміляційної ємності басейну, що визначає необхідність постійного моніторингу надходження забруднення. Для оперативного контролю стану навколишнього середовища все більш широко застосовується радіолокаційне зондування. При попаданні на морську поверхню нафти або інших поверхнево-активних речовин міняється величина поверхневого натягнення, як наслідок цього - частково або повністю пригнічуються короткохвильові поля вітрових складових хвиль [3]. На поверхні утворюється область (слік), в якій рівень шорсткості значно нижчий, ніж за її межами. Відомий спосіб визначення нафтового забруднення морської поверхні по зміні рівня радіолока ційного сигналу при квазівертикальному зондуванні [4]. Досліджувану поверхню акваторії опромінюють на одній довжині радіохвилями і визначають зміну рівня розсіяного назад випромінювання. По зареєстрованій зміні рівня відображеного радіосигналу в зоні слік-брижі судять про наявність забруднення. Східними суттєвими ознаками аналога і заявленого винаходу є: опромінювання морської поверхні в радіодіапазоні, реєстрація відображеного назад сигналу, визначення радіолокаційного контрасту між окремими ділянками поверхні. Недоліком аналога є те, що один і той же радіолокаційний контраст може бути обумовлений як забрудненням, так і динамічними процесами, що протікають у верхньому шарі моря. Наприклад, к появленню сліка приводять варіації швидкості поверхневої течії, що створені внутрішніми хвилями. Як наслідок, створені варіаціями течії неоднорідності структури морської поверхні можуть бути інтерпретовані як проявлення забруднення і, навпаки, поверхневе забруднення може бути інтерпретоване як проявлення динамічних процесів у верхньому шарі моря. Найбільш близьким до винаходу по сукупності ознак, і тому вибраним як прототип, є спосіб радіолокаційного визначення забруднення морської (19) UA (11) 92845 (13) C2 (21) a200905183 (22) 25.05.2009 (24) 10.12.2010 (46) 10.12.2010, Бюл.№ 23, 2010 р. (72) ЗАПЕВАЛОВ ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ, ПУСТОВОЙТЕНКО ВОЛОДИМИР ВОЛОДИМИРОВИЧ, СТАНІЧНИЙ СЕРГІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ (73) МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) UA 75804, G01C13/00, G01V3/12,публ. 15.05.2006. SU 1354073 A1, G01N21/55, публ. 23.11.1987. RU 2207502 C1, G01B11/06, G01B15/02, публ. 27.06.2003. RU 2347210 C1,G01N21/55, публ. 20.02.2009. US 4933678, G01S13/00, публ. 12.06.1990. US 7009550 B2, G01S13/95, публ. 07.03.2006. 3 92845 4 поверхні [5], заснований на використанні характеде kbr і K - хвильові числа відповідно поверхристик радіосигналу, що отримується при зондуневих і розсіяних у зворотному напрямі радіохванні поверхні моря під кутами, на яких переважає виль; механізм брегівського розсіяння. Цей спосіб може - кут падіння; бути реалізований за допомогою скатерометрів - азимутний кут; або радіолокаторів бічного огляду. З суттєвими Gp - функція кута зондування, визначувана тиознаками заявленого винаходу сходні таки ознаки пом поляризації p; прототипу: опромінювання морської поверхні в - двовимірний спектр піднесень морської радіодіапазоні, реєстрація відображеного назад поверхні. сигналу, визначення радіолокаційного контрасту Умова резонансу, що зв'язує kbr і K, має вигляд поверхні для виявлення аномальної ділянки, від kbr=K2sin . якої розсіяний назад сигнал має нижчий рівень в Перейдемо від двовимірного спектру хвильопорівнянні з фоновим значенням сигналу. вих векторів до спектру хвильових чисел і напряПрототипу також властивий недолік відомих мів (k, ) аналогів: він не дозволяє достовірно визначити, чим самим викликаний зареєстрований слік - за(k x , k y ) брудненням або динамічними процесами у верх(k x , k y ) x(k, ) (2) (k, ) ньому шарі моря. У основу винаходу поставлена задача створення способу радіолокаційного визначення за(k x , k y ) k . Далі представимо де Якобіан бруднення морської поверхні по рівню відображе(k, ) них водною поверхнею радіосигналів, в якому за спектр (k, ) у формі рахунок ознак, що характеризують особливості процесу опромінювання поверхні і аналізу отримаx(k, ) S(k ) (k, а), (3) них сигналів, забезпечується нова технічна властивість - розділення на радіолокаційних зображеннях ділянок, створених поверхневим де S - хвильовий спектр; забрудненням, і ділянок, створених варіаціями - функція розподілу хвильової енергії по наповерхневої течії. Вказана нова властивість запрямах. безпечує досягнення технічного результату винаВведемо позначення: ходу - підвищення вірогідності виявлення забрудSp(k), р(k,а) - хвильовий спектр і функція кунення і зниження вірогідності хибних тривог. тового розподілу хвильової енергії в зоні забрудПоставлене завдання вирішується тим, що в нення; способі радіолокаційного визначення забруднення Sf(k), f(k,a) - хвильовий спектр і функція кутоморської поверхні, який полягає в тому, що контвого розподілу хвильової енергії на ділянці чистої рольовану область поверхні опромінюють під азиповерхні. мутним кутом 1, реєструють розсіяний назад сигТоді радіолокаційний контраст K від ділянок нал і по зміні рівня сигналу виявляють аномальну забрудненої і чистої поверхні, по якому зазвичай ділянку поверхні, від якої розсіяний назад сигнал визначають наявність забруднення, має нижчий рівень в порівнянні з фоновим значенням сигналу, згідно винаходу контрольовану обS p (k br ) p (k br , ) p ласть додатково опромінюють під азимутним куK (4) S f (k br ) f (k br , ) f том при тому ж куті падіння радіохвиль і 2 реєструють розсіяний назад сигнал від аномальної і фонової ділянок, визначають відношення сигналів від аномальної ділянки, отриманих при опромінюванні під азимутними кутами 1 і 2, і відношення сигналів від фонової ділянки, отриманих при опромінюванні під азимутними кутами 1 і 2, і шляхом порівняння отриманих співвідношень сигналів визначають наявність забруднення досліджуваної поверхні. Сутність способу пояснюється на прикладі зондування морської поверхні під кутами, як і в прототипі, на яких переважає механізм брегівського розсіяння. При кутах падіння 20°-70° розсіяння радіохвиль на морській поверхні носить резонансний характер і описується у межах методу малих обурень. У першому наближенні перетин зворотного розсіяння можна представити [6] у вигляді (K, , ) 8K 4 Gp ( ) 2 (k br ), (1) Однак такий же радіолокаційний контраст можуть створювати зміни швидкості поверхневої течії, що приводить до помилкового висновку про наявність забруднення. Задум винаходу полягає в розпізнаванні радіолокаційних контрастів, виявленні внеску різних гідрофізичних факторів в створення цих контрастів. Пропонований метод визначення забруднення заснований на проведених заявником, Морським гідрофізичним інститутом Національної академії наук України, циклах натурних досліджень механізмів формування тонкої топографічної структури морської поверхні, що визначає розсіяння радіохвиль при дистанційному зондуванні з космічних апаратів. В заявленому способі запропоновано зондування досліджуваної поверхні при двох азимутних кутах. Позначимо їх як 1 і 2. Плівка, що утворюється на морській поверхні при розливі нафти або інших поверхнево-активних речовин, гасить хвилі незалежно від напряму їх розповсюдження, в цьому випадку 5 92845 6 ся декілька подібних ділянок, але для ясності викладу, розглядається ситуація, коли аномальна (5) p (k br , 1 ) f (k br , 1 ) ділянка одна. (6) p (k br , 2 ) f (k br , 2 ) Далі, супутник зміщується вперед уздовж траси, і контрольована ділянка акваторії опромінюється другою антеною, яка має ту ж смугу огляду. Якщо гасіння хвиль викликане зміною швидкоРеєструють відображений назад сигнал і отримусті течії, то зміна енергії спектральних складових ють друге радіолокаційне зображення. Визначають поля поверхневих хвиль залежатиме від кута між відношення сигналів від аномальної ділянки, їх розповсюдженням і вектором швидкості течії. отриманих при опромінюванні під азимутальними Тобто відбудеться зміна функції кутового розподілу і рівності (5) і (6) не виконуватимуться. Таким кутами 1 і 2, і відношення сигналів від фонової чином, якщо має місце забруднення, то ділянки, отриманих при опромінюванні під азимутальними кутами 1 і 2. Якщо ці відношення рівні, то приходять до висновку, що аномальна ділянка p (K, , 1 ) f (K, , 1 ) (7) утворилася в результаті забруднення морської f (K, , 2 ) p (K, , 2 ) поверхні. Використані джерела: Якщо гасіння хвиль викликане зміною швидко1. Миронов О.Г. Нефтяное загрязнение и жизнь сті течії, то моря. - Киев: Наукова Думка. - 1973. - 88 с. 2. Рябинин А.И., Губанов В.И., Клименко Н.П., Назаренко С.А. Гидрометеорология и гидрохимия p (K, , 1 ) f (K, , 1 ) (8) морей. Т. IV. Черное море. Выпуск 3. Современное f (K, , 2 ) p (K, , 2 ) состояние загрязнения вод Черного моря. Севастополь «ЭКОСИ-гидрофизика». - 1996. - 230 с. Заявлений спосіб здійснюється таким чином. 3. Боев Г.Α., Матвеев А.Я. Оценка количества раСупутник з встановленим на ньому багатопзлитой нефти на акватории каспийского промысла роменевим, наприклад, двохпроменевим, радіоло«Нефтяные камни» по данным многочастотного катором пролітає над контрольованою акваторією радиолокационного зондирования // Радиофизика і опромінює морську поверхню в смузі огляду спои Радиоастрономия. - 2005. - Т. 10, № 2. - С. 178чатку під азимутним кутом 1, а потім - під азимут188. ним кутом 2, як показано на рисунку, де приведе4. Боев А.Г., Карвицкий Г.Э. К теории радиолокана геометрія спостережень. Супутник повинен ционного контраста морского волнения при налимати симетричні промені, інакше він бачитиме чии пленки поверхностно-активного вещества // аномалії поверхні під різними кутами падіння, тобРадиофизика и Радиоастрономия. - 1997. - Т2, № то повинна виконуватися умова 1=180°- 2. Такій 3. - С. 281-291. умові, зокрема, задовольняє супутник «Seasat». 5. Радиолокационные методы и средства дистанПролітаючи над контрольованою акваторією, супуционного зондирования Земли с аэрокосмических тник спочатку опромінює її першою антеною. Реносителей / под ред. акад. НАН Украины С.Н. Коєструють розсіяний назад сигнал, тобто отримують нюхова, чл.-корр. НАН Украины В.И. Драновского радіолокаційне зображення поверхні і по ньому и к.т.н. В.Н. Цымбала. - Киев: Джулия Пресс. виділяють аномальну ділянку, від якої розсіяний 2007. - 440 с. - прототип. назад сигнал має нижчий рівень в порівнянні з 6. Басе Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статисфоновим значенням сигналу. Відзначимо, що затически неровной поверхности. М.: Наука. - 1972. пропонований спосіб дозволяє визначати наяв424 с. ність забруднення, коли в смузі огляду знаходять 7 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 92845 8 Підписне Тираж 26 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