SU1726987A1 - Способ дистанционного определени толщины нефт ного сло на водной поверхности - Google Patents

Abstract

Изобретение касаетс  измерений толщины сло  нефти радиофизическими методами. Цель изобретени  - повышение точности определени  толщины нефт ного п тна в услови х поверхности и флуктуации угла визировани . Используют метод СВЧ- радиометрии, принимают линейно пол ризованные сигналы двух ортогональных пол ризаций, измер ют радиационные температуры излучени  в пределах нефт ного п тна и вне его и аналитически определ ют толщину нефт ного сло , причем угол визировани  поверхности выбирают в диапазоне О - 30°.

Description

Изобретение относитс  к области геофизических служб и может быть использовано дл  службы экологического контрол  загр знени  водоемов, организуемой по СВЧ-измерени м теплового радиоизлучени  земных покровов.

Известен способ дистанционного определени  загр знени  водной поверхности нефтепродуктами по регистрации характеристик ветрового волнени  радиолокационными методами, использующий  вление подавлени  мелкомасштабного компонента волнени  в области нефт ного разлива. При наблюдени х с летательного аппарата удаетс  оконтурить область разлива, однако толщину нефт ного сло  определить трудно из-за того, что ветровое волнение  вл етс  суперпозицией трех волновых полей: крупномасштабных волн с характерным размеромА 0,5- 100м. капилл рных волн сАк-1

- 3 см и гравитационно-капилл рных волн с длиной волны возмущени  поверхности Я, удовлетвор ющей соотношению/ж Я . В области нефт ного разлива происходит полное подавление капилл рных волн, но возможно возрастание гравитационно-капилл рных волн из-за усилени  скорости ветра.

Известен способ дистанционного определени  толщины нефт ного сло  на водной поверхности методом СВЧ-радиометрии, заключающийс  в том, что принимают на частоте f линейно пол ризованной составл ющей собственное СВЧ-радиоизлучение исследуемой поверхности и измер ют ее радиационную температуру вне и в пределах нефт ного п тна. Измерение толщины нефт ного сло  в этом способе, прин том за прототип, основано на том, что наличие нефт ного сло  на подстилающей поверхности

приводит к увеличению радиационной температуры Тнв СВЧ-излучени  по сравнению с температурой Тв излучени  однослойной поверхности при регистрации линейно пол ризованного излучени  на его вертикальной моде: и дл  малых толщин нефт ного сло  (d/A 1, где d - толщина сло  нефти, Я-длина волны принимаемого радиационного излучени  с частотой f) при углах визировани  относительно вертикали в 60° контраст температур составл ет

AT K(....H)(-ff,

где К - коэффициент пропорциональности, завис щей от известных величин комплексной диэлектрической проницаемости воды ( ЕВ ) и нефт ного сло  ( Е ).

Недостатки известного способа - большие ошибки измерений толщины нефт ного сло  в услови х морского волнени , поскольку с ростом амплитуды волнени  радиационна  температура увеличиваетс  пропорционально квадрату скорости ветра V , и при типичных скорост х ветра V 1 О м/с вклад его в радиационную температуру поверхности ATw составл ет 10 20 К, в то врем  как в отсутствие ветрового волнени  наблюдаемые контрасты лежат в пределах 1 -50 К в зависимости от толщины сло . При малых толщинах сло  нефти и сильном волнении измерени  практически невозможно произвести, Дополнительна  погрешность возникает в случае проведени  наблюдений с помощью летательного аппарата из-за флуктуации угла визировани  в при изменении ориентации антенны, что приводит к дополнительным флуктуаци м измеренных радиационных температур. Во всех случа х пределом  вл етс  флуктуационна  чувствительность измерительного радиометра ( б Тр 0,01-0,1 К); ограничивающа  диапазон регистрируемых температур и лимитирующа  возможность определени  толщины нефт ных разливов.

Цель изобретени  - повышение точности определени  толщины нефт ного п тна в услови х волнени  поверхности и флуктуации угла визировани ,

Цель достигаетс  тем, что согласно способу дистанционного определени  толщины нефт ного сло  на водной поверхности, заключающемус  в том, что принимают на частоте f линейно пол ризованной составл ющей собственное СВЧ-радиоизлучение исследуемой поверхности и измер ют ее радиационную температуру вне и в пределах нефт ного п тна, одновременно осуществл ют прием ортогональной линейно пол ризованной составл ющей собственного радиоизлучени  исследуемой поверхности на частоте f, измер ют радиационную температуру поверхности по ортогональной составл ющей СВЧ-излучени , определ ют сумму радиационных температур на ортогональных линейных пол ризаци х, а эффективную толщину нефт ного сло  в пределах

антенного п тна определ ют по формуле

1/2

Я ( Т  - Т о )

V

d -

2л ГкГ

где Я c/f;

2 - действительна  часть комплексной диэлектрической проницаемости нефт ного сло ;

1 2 1

(Т х + Т 

Т 

э + Т о)

Т о (Т о

Т :/ И Т х - радиационные температуры 5 нефт ного сло  на ортогональных составл ющих;

Т о и Т о° - радиационные температуры вне нефт ного сло  на ортогональных составл ющих,

0 Сущность изобретени  основана на том, что радиационна  температура теплового излучени  поверхности на каждой из двух ортогональных (вертикальной и горизонтальной ) линейных пол ризаци х по5 разному реагирует на изменение угла визировани  поверхности (практически до углов визировани  в 30°), причем эти зависимости наход тс  в противофазе:

Т () Т(),(1+ ); Т(б) Т(),(1-#/2), Поэтому суммарный сигнал

Т(ТЧ))+-уТЧ)Т(0 0)

не зависит от угла визировани  в и равен сигналу при наблюдении в надир (0 0), Это справедливой в том случае, когда направление нормали к элементу поверхности не лежит в плоскости пол ризации приемного радиопол риметра. Поэтому эффект вычитани  вклада наклонов поверхности при суммировании сигналов на двух ортогональных пол ризаци х имеет место в случае присутстви  ветровых волн на поверхность как в области нефт ного разлива, так и вне его, а тогда регистрируемое излучение будет таКИМ , каким оно было бы в случае гладкой поверхности при наблюдении в надир дл  области разлива нефти и вне нее.

Снижение погрешностей измерени  радиационных температур, св занных с флуктуаци ми угла визировани  поверхности и ее отдельных элементов, достигаетс  также эквивалентным приемом-регистрацией излучени  приемником излучени  с круговой пол ризацией. В этом случае ввиду отсутстви  круговой пол ризации излучени  анализируемой среды регистрируемое излучение (на одной круговой пол ризации) будет равно половине суммы линейно пол ризованных компонент

Т РУ (1/2)(Т  + Т О.

Способ осуществл ют с помощью стандартного радиометрического комплекса (радиопол риметра ), включающего антенную систему, двухканальный радиометр и двухканальное устройство регистрации сигнала дл  раздельного приема сигналов ортогональных вертикальной и горизонтальной линейных пол ризаций. Регистраци  суммарного сигнала производитс  сумматором , два входа которого подключены к соответствующим выходам радиопол риметра , а к выходу сумматора подключен канал регистрации суммарного сигнала. Блок сумматора обеспечивает безынерционное сложение поступающих на него сигналов и реализуетс  известными средствами в цифровой форме.

Радиопол риметр устанавливают на летательном средстве или на эстакаде на высоте h над водной поверхностью . Принимают на частоте f линейно пол ризованной. составл ющей собственное СВЧ-радиоизлучение исследуемой поверхности , измер ют соответствующие антенные температуры и по ним определ ют радиационную температуру поверхности вне и в пределах нефт ного п тна на ортогональных линейных пол ризаци х СВЧ-радиоизлучени  с учетом характеристик антенной системы радиопол риметра и вклада атмосферы. Выбор угла визировани  производ т в диапазоне 5-10° вблизи надира дл  исключени  переотраженного сигнала от радиопол риметра (при установке на эстакаде). К примен емому радиопол риметру предъ вл ютс  следующие требовани :допустимое врем  сглаживани  ортогональных сигналов на выходе должно быть пор дка 0,1 с, что на пор док меньше характерных масштабов времени т- 1 с морского волнени ; необходимо обеспечить высокую идентичность обоих каналов

радиопол риметра по коэффициенту усилени , посто нной времени сглаживани , по параметрам антенной системы.

Оценку толщины сло  нефти d на водной поверхности производ т в пределах антенного п тна, площадь которого равна S л(ва h/57), где ва - ширина диаграммы направленности антенны. При этом эффективную толщину нефт ного п тна определ ют по формуле

1/2

/З А (Т -Т о) 2л:

15

где 2 - действительна  часть комплексной диэлектрической проницаемости нефт ного сло 

20

Т  (Т х + Т х);

Т о -г- (Т о + Т о )

5

Т х и Т х - радиационные температуры нефт ного сло  на ортогональных составл ющих; Т о и Т о° - радиационные температуры вне нефт ного сло  на ортогональных

0 составл ющих.

Указанна  формула справедлива в области толщин сло  d- 0,2 Я.

С помощью предложенного способа измер ли толщину нефт ного сло  при искусственном разливе нефти в кювете пло5 щадью 1 кв.м на поверхности пресной воды. Измерени   ркостной температуры излучени  на двух ортогональных пол ризаци х проведены с помощью модул ционного радиометра с флуктуационной чувствительно0 стью 1 К при посто нной времени г- 1 с на частоте 10 ГГц (длина волны Я 3 см). Дл  исследуемого сло  нефти разность  ркостных температур нефт ного сло  и чистой воды Д Т  Т  - Т о 37 К, радиационна 

5 температура вне нефт ного п тна составила Т о 113 К. Согласно расчетной формуле

дл  толщины сло  нефти при величине 2 10 d 3,4 мм. В опыте была задана

0 толщина мм, а наблюдени  велись при угле визировани  10°.

Средн   по двум пол ризаци м радиационна  температура слабо зависит от угла визировани ,и в пределах I в 30° отличие

5 Т  ( б) от Т  (б 0) не превышает 1 К дл  нефт ного разлива и 1,5 К дл  чистой воды, но с ростом в это различие возрастает. Контраст между чистой водой и нефт ным разливом остаетс  практически посто нным и достаточно высоким вплоть до углов 1вибО°.

Слаба  зависимость контраста температур от угла визировани  исключает практически все эффекты, св занные с вариаци ми этих углов в натурных услови х, поскольку вклад в ошибку измерений по предлагаемому способу не превышает 5%, В способе-прототипе ошибка угла визировани  только на 5° при проведении измерений при тех же углах дает ошибку измерени  толщины сло  -30%.

Предлагаемый дистанционный способ определени  толщины нефти дает возможность ослабить требовани  к услови м эксперимента, снизить затраты на их проведение, кроме того, он может быть осуществлен при любых погодных услови х .

Claims (1)

1. Формулаизобретени 

   Способ дистанционного определени  толщины нефт ного сло  на водной поверхности , заключающийс  в том, что принимают на частоте линейно пол ризованное собственное СВЧ-радиризлучение исследуемой поверхности и измер ют ее радиационную температуру вне и в пределах нефт ного п тна, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности определени  толщины нефт ного п тна в услови х волнени  поиерхности и флуктуации угла визировани , одновременно осуществл ют прием ортогонально ,и линейно пол ризованной составл ющей собственно радиоизлучени  исследуемой поверхности на частоте f, измер ют радиационную температуру поверхности по ортогональной составл ющей СВЧ-излучени , определ ют сумму радиационных температур на ортогональных линейных пол ризаци х, а эффективную толщину d нефт ного сло  d в пределах нефт ного п тна определ ют по формуле

   1/2

   Я (Т  - Т о ) d 1П lWТ о

   где А c/f - длина волны собственного радиоизлучени  поверхности;

   2 - действительна  часть комплексной диэлектрической проницаемости нефт ного сло ;

   Т -(Т х + Т х)/2; Т о (Т о + Т о )/2;

   Т х и Т х - радиационные температуры нефт ного сло  на ортогональных составл ющих:

   Т о и Т о - радиационные температуры вне нефт ного сло  на ортогональных составл ющих.