Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния проблемы влияния ветровых возмущений на измерение толщины пленок нефти на водной поверхности и методы ее решения 15
1.1. Методы измерения толщины пленки нефти на водной поверхности. 15
1.2 Влияние ветровых возмущений на результаты измерений толщины пленок нефти на водной поверхности при проведении натурных радиометрических измерении, 18
1.3. Постановка задачи исследования флуктуации радиоизлучения взволнованной поверхности нефть-вода 19
Глава 2. Радиационная модель гладкой подстилающей поверхности . 21
2.1 Особенности формирования излучения в СВЧ диапазоне 21
2.2 Диэлектрическая проницаемость воды 21
2.3 Диэлектрическая проницаемость нефти 24
2.4 Диэлектрическая проницаемость смесей 29
2.5 Радиационная модель гладкой полубесконечной поверхности 32
2.6 Радиационная модель гладкой двухслойной поверхности 34
2.7 Влияние излучения атмосферы на эффективную температуру излучения поверхности нефть-вода. 38
2.8 Выводы по разделу 39
Глава 3. Радиационные модели взволнованной водной поверхности . 41
3.1 Представление рельефа морской поверхности регулярными функциями пространственно-временных переменных в двух - трехмерном приближениях 41
3.2 Стохастическая фасеточная модель водной поверхности 41
3.2.1 Распределение Кокса-Манка для фасеточной модели водной поверхности и взволнованной водной поверхности покрытой слоем ПАВ (нефти) 41
3.2.2 Изменения коэффициента отражения водной поверхности в зависимости от вариаций углов фасеты 45
3.2.3 Изменение средних эффективных температур излучения взволнованной водной поверхности в зависимости от скорости ветра и азимутального угла наблюдения 48
3.2.4 Флуктуации эффективных температур излучения взволнованной водной поверхности 52
3.2.5 Влияние диаграммы направленности на флуктуации наблюдаемых эффективных температур излучения взволнованной водной поверхности 53
3.3 Излучение водо-воздушной пены 54
3.4 Выводы по разделу 56
Глава 4. Флуктуации радиоизлучения взволнованной водной поверхности, покрытой слоем нефти 57
4.1. Радиационная модель водной поверхности покрытой слоем нефтепродукта в условиях ветрового волнения 57
4.1.1. Однородная пленка нефти 57
4.1.2. Неоднородная пленка нефти. 63
4.1.2.1 Неоднородная пленка нефти при спокойной поверхности 63
4.1.2.2 Неоднородная пленка нефти при взволнованной поверхности . 64
4.1.3 Выводы по разделу 69
4.2. Экспериментальные исследования характера флуктуации эффективных
температур излучения водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта... 71
4.2.1. Экспериментальная установка и метод измерения флуктуации эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта 71
4.2.2. Методика измерений при исследовании характера флуктуации эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой неоднородным слоем нефтепродукта 74
4.2.3. Результаты экспериментальных исследований характера флуктуации эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта 76
4.3. Точность измерения толщины слоя нефти методом поляризационных радиояркостных контрастов 83
Заключение 88
Список литературы 90-
Приложение 1 95
- Постановка задачи исследования флуктуации радиоизлучения взволнованной поверхности нефть-вода
- Изменения коэффициента отражения водной поверхности в зависимости от вариаций углов фасеты
- Неоднородная пленка нефти при взволнованной поверхности
- Точность измерения толщины слоя нефти методом поляризационных радиояркостных контрастов
Введение к работе
) СТА О
Актуальность работы Эффективным методом дистанционного зондирования окружающей среды в радиодиапазоне является метод СВЧ радиометрии, основанный на измерении собственного электромагнитного излучения объектов природной среды в диапазоне миллиметровых, сантиметровых и дециметровых волн Основное преимущество радиоволн перед волнами оптического и ИК диапазонов заключается в их высокой проникающей способности Волны радиодиапазона слабо поглощаются и рассеиваются в облаках, в связи с чем радиофизические методы наблюдения являются практически всепогодными Получение информации в радиодиапазоне также не зависит от условий освещенности Размещение же радиофизических датчиков на борту аэрокосмических носителей позволяет оперативно получать эту информацию со значительных территорий, что особенно важно для решения задач предупреждения природных и экологических катастроф Части поверхности земного шара, занятые сушей и водой, далеко не одинаковы вода занимает более двух третей поверхности нашей планеты Среди веществ, загрязняющих моря и океаны, одно из первых мест принадлежит нефти и продуктам ее переработки Количество поступающих в Мировой океан нефтепродуктов по разным источникам оценивается в 5 10 млн тонн ежегодно Особое значение в России экологический контроль приобретает в арктическом регионе (моря Северного Ледовитого океана) и на морях Тихого океана, где в последние годы начато активное освоение природных ресурсов Нефтепродукты, попавшие на поверхность воды, достаточно быстро растекаются под действием силы тяжести и поверхностного натяжения, увеличивая свою площадь и образуя "слик" (пятно нефтяного происхождения) Сразу после разлива толщина слика крайне неоднородна и колеблется or нескольких сантиметров до долей миллиметров Таким образом, при ликвидации аварии необходимо знать точно не только объем разлитого нефтепродукта, но и его распределение по водной поверхности для направления кораблей-сборщиков (skimmer) в район с максимальным содержанием разлитой нефти.
В настоящее время значительные успехи достигнуты в разработке дистанционных методов определения толщины слоя нефти на водной поверхности, в том числе и с использованием радиоволи Созданы и сертифицированы комплексы дистанционного измерения толщины нефтепродукта на водной поверхности Однако морская поверхность никогда не бывает гладкой, что приводит к большим ошибкам при измерении параметров разлива нефти (объема и распределения нефти на водной поверхности), а в некоторых случаях и неадекватности отдельных методов, успешно использующихся в лабораторных условиях
В диссертационной работе исследовано влияние волнения подстилающей водной поверхности покрытой слоем нефти на радиационные характеристики этой поверхности с целью расширения возможностей применения методов дистанционного зондирования при измерении параметров разлива нефти
Цели работы Основные цели настоящей работы заключаются в следующем
-
Создание модели теплового радиоизлучения системы водная поверхность-нефть-атмосфера, которая позволяет адекватно интерпретировать полученные экспериментальные результаты и прогнозировать изменение этого радиоизлучения при вариации таких параметров как температура окружающей среды, соленость воды, скорость и направление ветра, диэлектрические параметры нефти и т д ,
-
Реализация разработанной модели в виде компьютерных алгоритмов, для ее последующего использования в составе радиометрического комплекса и для проведения экспериментальной проверки адекватности построенной модели реальным условиям измерения;
POC. НАЦИОНАЛЬНАЯ і БИБЛИОТЕКА I СПетш*ург^>/ I « о» i uJbl ;
-
Экспериментальная проверка адекватности построенной оригинальной модели реальным условиям измерений,
-
Проведение оценки влияния температуры окружающей среды, солености морской воды, скорость и направление ветра, вида волнения, диэлектрических параметров нефти и воды на эффективные температуры теплового излучения системы водная поверхность-атмосфера, измеряемые радиометрическими методами,
-
Оценка потенциальной точности определения толщины пленки нефти по отношению ее эффективных температур излучения на двух поляризациях -вертикальной и горизонтальной Модифицирование методики измерений толщины пленки нефти на водной поверхности на основе метода поляризационной радиометрии в условиях ветрового волнения
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем
-
Разработана оригинальная модель теплового радиоизлучения системы водная поверхность-нефть, позволяющая адекватно интерпретировать полученные экспериментальные результаты и прогнозировать изменение этого радиоизлучения при вариации таких параметров как температура окружающей среды, соленость морской воды, скорость и направление ветра, вид волнения, диэлектрические параметры нефти и воды и т д Такая многопараметрическая модель была создана впервые,
-
Проведен расчет и сопоставление с экспериментом временных зависимостей эффективных температур излучения взволнованной поверхности нефть-вода, описаны физические эффекты, наблюдаемые в процессе проведения радиометрических измерений Экспериментально установлена зависимость амплитуды флуктуации теплового излучения взволнованной поверхности нефть-вода от толщины слоя нефти ,
-
Проведена оценка влияния ветрового волнения системы нефть-вода на потенциальную точность измерения толщины пленки нефти радиометрическим поляризационным методом
Теоретическая и практическая значимость работы
Данная работа посвящена построению радиационной модели сложных диэлектрических структур в миллиметровом диапазоне длин волн на примере пленки нефти на взволнованной водной поверхности Полученные результаты имеют как теоретическую, так и практическую значимость
-
Разработана модель теплового излучения системы водная поверхность-нефть, что позволяет адекватно интерпретировать полученные экспериментальные результаты и прогнозировать изменение этого радиоизлучения при вариации таких параметров как температура окружающей среды, соленость морской воды, скорость и направление ветра, вид волнения, диэлектрические параметры нефти и воды и т д Эта модель позволяет оценить эффективность экспериментальных методов радиометрических исследований таких сложных диэлектрических структур как лед на водной поверхности, нефть, масло, эмульсии на поверхности земли и др ,
-
Обнаружены и описаны зависимости диэлектрических параметров нефти от ее плотности и относительного содержания углеводородов парафиновой группы (для одного типа нефти),
-
Проведена оценка влияния волнения системы нефть-вода на точность измерения радиометрическим поляризационным методом,
-
Разработанная оригинальная модель теплового излучения системы водная поверхность-нефть позволит использовать радиометрические методы для измерения толщины слоя нефти на водной поверхности в реальных условиях окружающей среды
5 Показано что при использовании поляризационного метода возможно однозначное измерение толщины слоя нефти на водной поверхности в интервале D =0-1 5 мм с точностью не хуже М = 0 1 мм для длины волны радиометра к = 8 мм Наличие ветрового волнения приводит к уменьшению потенциальной точности измерения толщины пленки в среднем в 2 раза при скорости ветра V= 10 м/с
Апробация результатов работы и публикации
Основные результаты исследования доложены и обсуждены на следующих научных конференциях и симпозиумах на четырех научных конференциях по радиофизике ННГУ (Н Новгород, 1999-2003), на Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн" (Н Новгород, 2002), на втором региональном научном семинаре "Распространение микроволн в природных средах" (Н Новгород, 2003), Международном симпозиуме "Инженерная экология" (Москва, 2003)
Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах
Объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, двух приложений и содержит 90 страниц текста с 66 рисунками и библиографию из 76 названий Общий объем работы 115 страниц
Положения, выносимые на защиту
-
Адекватная оригинальная модель теплового радиоизлучения системы водная поверхность-нефть-атмосфера позволяет интерпретировать полученные экспериментальные результаты и прогнозировать изменение параметров этого излучения в функции температуры окружающей среды, солености воды, скорости и направления ветра, диэлектрических параметров нефти и т п;
-
Экспериментальная проверка адекватности построенной оригинальной модели Расчет и сопоставление с экспериментом временных вариаций эффективных температур радиоизлучения поверхности нефть-вода Экспериментально установлена зависимость амплитуды флуктуации теплового излучения взволнованной поверхности нефть-вода от толщины нефти,
-
Определение потенциальной точности поляризационных измерений толщины слоя нефти на спокойной и взволнованной водной поверхности Установлено что точность измерений находится в пределах М = 0 05 - 0 1 мм для толщины слоя D = 0 1-16 мм при рабочей длине волны радиометра к = 8 мм и чувствительности АТ=]К, при наличии ветрового волнения точность измерений D уменьшается в среднем а 2 раза,
-
Определение условий оптимальной применимости двух методов поляризационных измерений толщины слоя нефти на водной поверхности (4 1-4 2) Установлено, что при измерении тонких пленок нефти на водной поверхности (D к -/) предпочтителен к применению метод с "калибровкой" по атмосфере, а при (D»A V) предпочтителен к применению метод с "калибровкой" по температуре окружающей среды
Постановка задачи исследования флуктуации радиоизлучения взволнованной поверхности нефть-вода
В реальных условиях точность радиометрических измерений ограничивается рядом факторов, влияние которых на тепловое излучение водной поверхности с нефтяной пленкой еще недостаточно изучено. Наиболее серьезным фактором является, по-видимому, ветровое волнение, оказывающее существенное влияние на точность любых измерений толщины пленки нефти, в том числе и радиометрических. Необходимо провести оценку влияния ветрового волнения на эффективные температуры теплового излучения системы водная поверхность-атмосфера, измеряемые радиометрическими : методами, оценить степень временных вариаций эффективных температур излучения от степени ветрового волнения, толщины пленки нефти и др. Необходимо оценить точность определения толщины пленки нефти по отношению эффективных температур на двух поляризациях - вертикальной и горизонтальной. Учет, влияния этого фактора позволит модифицировать методику измерений толщины пленки нефти на водной поверхности и создать радиометрический комплекс дистанционного зондирования, пригодный для измерения толщины" пленки нефти на водной поверхности с высокой точностью, в любых условиях, в том числе ив условиях ветрового воздействия.
Для изучения влияния волнения на радиоизлучение подстилающей поверхности нефть-вода, необходимо создать модель подстилающей поверхности, позволяющую адекватно интерпретировать полученные экспериментальные результаты и прогнозировать изменение этого радиоизлучения при вариации таких параметров как температура окружающей среды, соленость морской воды, скорость и направление ветра, вид волнения, диэлектрические параметры нефти и.т-Д. Эта модель должна, по возможности, быть реализована в виде компьютерных алгоритмов, для ее последующего использования в составе радиометрического комплекса. Существует несколько подходов к созданию такой многопараметрической модели.
Один из методов состоит в проведении измерений радиационных параметров подстилающей поверхности в стандартизированных условиях при изменении одного из параметров модели, например толщины нефтяной пленки, типа нефти, типа волнения, скорости и направления ветра, температуры окружающей среды и др. и составлении эвристической модели. Такой метод крайне сложен и на практике полностью нереализуем по причине невозможности создания в реальных условиях стандартных значений параметров, влияющих на радиационные характеристики водной поверхности покрытой слоем нефти. Метод, по видимому, ограниченно реализуем с использованием специализированных установок типа "OMHSETT" [4].
Другим подходом, предлагаемым автором, может быть создание физической: модели, учитывающей влияние на радиационные свойства водной поверхности покрытой слоем нефти некоторых параметров этой модели, и последовательное усложнение этой модели с проверкой адекватности усложняемой модели экспериментальным данным. На рис. 1.3 приведена последовательность усложнения радиационной модели водной поверхности покрытой слоем нефти.
Модели, описывающие радиационные свойства подстилающей поверхности до этапа 4 Рис.1.3, широко известны из литературы [5-9], и описывают радиационные свойства системы вода - атмосфера с 1 по 3-й этап достаточно хорошо. В данной работе рассматриваются все этапы создания радиационной модели поверхности нефть-вода, специфичное влияние отдельных параметров на адекватность модели, а также точность измерения пленки нефти при волновых возмущениях поверхности радиополяризационным методом [12].
Тепловое электромагнитное излучение присуще всем физическим телам, имеющим температуру выше абсолютного нуля. Тепловое излучение обусловлено хаотическим движением зарядов, т.е. это волновое флуктуационное электромагнитное поле, создаваемое тепловыми электрическими флуктуациями в среде и подробно исследовано в [15].
Если тело поглощает все падающее на него излучение (абсолютно черное тело - АЧТ) и имеет постоянную температуру Г, то оно должно излучать такую же энергию, что и поглощает [78]. Для реального тела можно ввести понятие эффективной: температуры излучения (радиационной темрпературы), соответствующей температуре АЧТ с той же яркостью, что и рассматриваемое тело. Для плоской поверхности непрозрачного тела справедливо соотношение: где R — коэффициент отражения по мощности от поверхности тела. Эффективная температура излучения различных тел, с одинаковой физической температурой будет зависеть от их диэлектрических характеристик и формы поверхности, а также от направления распространения и поляризации измеряемого излучения, расстояния от объекта до точки наблюдения, эффективной температуры излучения фона, температуры и характеристик поглощения: среды распространения. Расчет радиоизлучения искривленной поверхности производится обычно в приближении Кирхгофа [5-7,40].
Исследование излучательных и отражательных свойств водной поверхности требует, прежде всего, знания диэлектрических характеристик воды, их зависимости от длины волны, температуры и солености. Как отмечается, в [7], суточные и сезонные вариации интенсивности прямой и; рассеянной:солнечной радиации, испарение, осадки, теплообмен между океаном и атмосферой, сток пресных вод рек и теплых вод термальных источников, штормы, течения и ряд других причин влияют на величины температуры и солености водной поверхности. Минимальные значения температуры поверхности океана, около -2-0 С, отмечаются в полярных областях, .максимальные, около +26-+28 С, - в тропической зоне, В морях температура водной поверхности может превышать+30 С,Средняя соленость воды на поверхности Мирового океана равна 34,73%0 (1%0(лромиль)=Г г/л). Больше всего в океанической воде хлористого натрия - 77,8%. Доля хлористого натрия вместе с хлористым магнием составляет 88,7% относительно всех растворенных солей. Сульфаты магния, кальция и калия составляют 10,8%, карбонаты кальция 0,3%, Широтные изменения солености в Мировом океане заключены в пределах от 34 до 38 700. Минимальные значения солености, 20-30 7О0, отмечаются в окраинных сибирских морях Северного Ледовитого океана. Процентное соотношение солей в различных точках открытого океана сохраняется практически постоянным, несмотря на изменения их общей концентрации.
Изменения коэффициента отражения водной поверхности в зависимости от вариаций углов фасеты
Распределение (3.1) дается для z x и z\, но для небольших значений ах и ау (до 15+20), оно справедливо и для углов у/ и так как tg(y/)=y/ и tg(Q= . Для моделирования методом Монте-Карло, автором была написана программа, генерирующая случайные наборы чисел, соответствующие распределению Кокса-Манка. На Рис. 3.2 приведено распределение уклонов фасет, описываемое функцией (3.1) при скорости ветра V= 10 м/с и его направлении вдоль оси OY, а на Рис. 3.3 приведены гистограммы распределения (3.1) для наклонов чистой водной поверхности и покрытой слоем масла (флуктуации угла у/ и при скорости ветра в 10 м/с и его направлении вдоль оси ОТ). Для построения гистограмм было использовано 10000 наборов ц/ и %, окно гистограммы бралось равным 1. На Рис.3.3 видно, что максимальные уклоны, связанные с крутыми гранями разрушающейся волны, имеют направление (азимут) против ветра.
Так как в среднем уклон моря равен нулю, то должно быть преобладание малых уклонов с противоположным направлению ветра азимутом. Оценки показывают, что при условиях экспериментов Кокса и Манка вероятность распределения уклонов морской поверхности может характеризовать ветер над морем. Распределение в плоскости ZOX (угол у/) характеризуется меньшей, по отношению к плоскости ZOY, дисперсией и отсутствием асимметрии. В случае наличия пленки асимметрия распределения исчезает, а дисперсии наклонов уменьшаются, в среднем, в 2 раза.
На Рис. 3.4 приведены спектры возвышенностей морской поверхности при различных скоростях ветра в отсутствии и при наличии пленки нефти [54]. Можно заметить сильное поглощение волн с периодом менее 0,7 сек при наличии пленки нефти. Таким образом, пленка оказывает влияние на затухание морских волн, особенно на высокочастотную составляющую спектра волнения, при этом также исчезает и явление пенообразования. Несмотря на то, что работа [54] была проведена в 1954 году, данная модель является базовой для многих экспериментов, связанных с развитым морским волнением [56,49-52, 67]. К недостаткам модели можно отнести неоднозначность параметров в области скоростей ветра от 0 до 2 м/с (однако это учтено в более поздних работах [45,55]) и применимость модели только для развитого морского волнения. Существуют более точные и частные модели для взволнованной водной поверхности для различных условий [53,44,56-58], однако из известных моделей, описывающих взволнованную морскую поверхность, модель Кокса-Манка является единственной, описывающей морскую поверхность, покрытую слоем поверхностно-активного вещества (ПАВ). В качестве ПАВ в работе [54] использовалась смесь масел: 40 % трансмиссионного минерального масла, 40 % дизельного топлива и 20 % рыбьего жира при температуре морской поверхности 23-25 С. В работе [54] не было обнаружено влияния процентного содержания компонентов в смеси на параметры модели при температуре окружающей среды 23-25 С, что позволяет ее использовать в случае моделирования свежих разливов легких нефтепродуктов (нефть, масла, керосин). поверхности в зависимости от вариаций углов фасеты Рассмотрим возможность применения стохастической модели Кокса-Манка для описания радиационной модели взволнованной морской поверхности в миллиметровом диапазоне длин волн в условиях развитого волнения (скорость ветра 2-15 м/с). Несмотря на то, что работа [54] была проведена для солнечного света, использование данной модели [6-7, 46-47, 49-52, 59, 67] показало ее состоятельность и для радиодиапазона. Расчет радиоизлучения водной поверхности при наличии волн производится обычно в приближении Кирхгофа [40, 59-60, 67, 69]. В работе [8] показано, что условием применимости приближения Кирхгофа при рассмотрении рассеяния плоской волны неровной синусоидальной поверхностью является неравенство: где А - длина, аН- высота морской волны. Для синусоидальной поверхности, при небольших характерных высотах волн Н « ОДЛ, Я = 3 см и Л = 1 м метод геометрической оптики применим при & 89. Ориентация единичной площадки на луче зрения - фасеты см. Рис.3.1, задается двумя углами у/ (угол наклона перпендикулярно направлению ветра) и; (угол наклона в направлении ветра); оба угла образуются осью OZ (совпадает с перпендикуляром к "средней" поверхности водоема) декартовой системы координат и соответствующими проекциями нормали к поверхности фасеты. Наблюдаемая эффективная температура теплового излучения такой площадки на вертикальной и горизонтальной поляризации Тун составляет [43]: где Г оптическая толщина атмосферы в зените, То - температура окружающей среды. Величины Лун определяют коэффициенты отражения для вертикальной (у) и горизонтальной (н) поляризации в системе координат, связанной с нормалью к фасете. Угол а есть угол падения волны на площадку, (3 - угол "подсветки" (определяет точку на небосводе, из которой излучение атмосферы отражается в точку наблюдения), а угол 5 составляют плоскость падения волны и направление вектора электрического поля Е, на который настроена антенна радиометра (см. Рис. 3,1). На Рис. 3.5 и Рис. 3.6 приведены изменения эффективного (наблюдаемого) коэффициента отражения водной поверхности в зависимости от вариаций углов фасеты iff и на вертикальной и горизонтальной поляризации при 6 =0о.
При условии, что время наблюдения много больше временного характерного периода морских волн (0,5-5 с), а размер области, с которой принимается излучение, мал по сравнению с характерной длиной морских волн (1-60 м при .V-2.10 м/с), среднее значение температуры ТУИ может быть определено в соответствии с законом распределения наклонов. Для этого необходимо задать плотность вероятности флуктуации углов наклона площадок Р(у/,%), тогда:
Соотношение (3.4) можно использовать для направления ветра вдоль (против) направления осей OY или ОХ, однако так же интересен случай, когда направление ветра находится под углом к осям. Для этого автором была разработана программа генерации случайных чисел, которая поворачивала бы распределение Кокса-Манка на угол, соответствующий направлению ветра по отношению к оси ОТ. На Рис.3.7-3,10 приведены распределения линий равных плотностей вероятностей распределения Кокса-Манка в зависимости от угла направления ветра к оси OY % (0 соответствует направлению ветра против оси OY). Расчет проводился для скорости ветра 20 м/с и угла направления ветра %= 0, 20, 45; 90. Это позволит получать азимутальные зависимости ТУН И его, вариации, что актуально при коническом сканировании водной, поверхности [47, 50-52] и позволит проверить адекватность модели по результатам натурных измерений [50-52].
На основе приведенных выше выражений (3.3-3.4) автором была разработана программа вычислений эффективных температур и их флуктуации на ПЭВМ. Результаты расчетов (фасеточная- модель) угловой зависимости средних эффективных температур на вертикальной и горизонтальной поляризации для чистой водной поверхности при наблюдении вдоль направления ветра на длине волны X = 8 мм, эффективной температуре атмосферы в зените TZ= 18 К я температуре воды ТО = 290 К представлены на Рис. 3.1 V. Для площадок, у которых 22 0, программа учитывает вторичное отражение от соседних площадок; а для тех, у которых (я/2 - &), - учитывается эффект их самозатенения. Поглощение в атмосфере от водной поверхности до радиометра не учитывалось.
Неоднородная пленка нефти при взволнованной поверхности
Автором в предыдущих разделах были построены оригинальные модели радиоизлучения взволнованной водной поверхности покрытой пленкой нефти. Были рассмотрены модели взволнованной поверхности с однородной и неоднородной пленкой нефти, спокойной поверхности с неоднородной пленкой нефти. Это позволило описать изменение радиоизлучения поверхности нефть-вода в зависимости от степени и вида волнения, диэлектрических параметров нефтепродукта и воды и др., а также оценить флуктуации радиоизлучения.
Однако адекватность этих моделей может быть проверена только экспериментальным путем. Автору не известны работы в этом направлении и, по-видимому, эта работа, также как и создание модели взволнованной поверхности нефть-вода, были проведены впервые. Адекватность построенной модели может быть оценена по наличию при экспериментальных наблюдениях физических эффектах, предсказанных моделью.
При экспериментальном наблюдении радиоизлучения взволнованной поверхности нефть-вода, в соответствии с построенной моделью, могут наблюдаться следующие эффекты: 1. Для чистой водной поверхности наблюдается больший размах флуктуации на вертикальной поляризации чем на горизонтальной, хотя изменение (увеличение) средней эффективной температуры излучения при волнении выше на горизонтальной поляризации. Результаты расчетов для чистой водной поверхности хорошо согласуются с экспериментальными результатами ряда работ [7, 40]. Это говорит об адекватности модели для чистой водной поверхности; 2. Для чистой воды наблюдается двугорбое распределение эффективных температур излучения (по виду близкое к логнормальному). При появлении тонкой пленки нефти на поверхности воды уменьшаются флуктуации эффективных температур излучения, в среднем, в 1.5 раза за счет сглаживания водной поверхности (форма распределения не меняется); 3. Для разной толщины слоя нефти D влияние ветровых возмущений на изменения эффективных температур излучения на вертикальной и горизонтальной поляризации будет сильно отличаться; 4. СКО флуктуации эффективных температур излучения поверхности нефть-вода на горизонтальной 7h и вертикальной 7V поляризации существенно зависят от толщины слоя нефти для тонких пленок D X и слабо зависят от толщины слоя нефти при D Я; 5. Можно выделить диапазон толщины слоя нефти, для которых влияние ветрового волнения на изменения эффективных температур излучения минимально и максимально, как для вертикальной, так и для горизонтальной поляризации; 6. Наблюдаемые эффекты могут привести к большим ошибкам при измерении толщины слоя нефтепродукта на взволнованной морской поверхности при толщине слоя D X; 7. Наличие вариаций толщины пленки нефти на водной поверхности приводит к изменению распределения флуктуации эффективных температур излучения и их средних значений эффективных температур; 8. При измерении толстых пленок нефти (Р Л/2) следует ожидать изменения формы распределения флуктуации эффективных температур на горизонтальной поляризации (D = 5,7мм — двугорбое распределение); 9. Наличие вариаций толщины пленки нефти на водной поверхности приводит к такому же эффекту, как и наличие ветрового волнения (эффект деполяризации), однако при увеличении толщины слоя нефти влияние неоднородности пленки нефти на изменение средних значений эффективных температур растет.
Наблюдение описанных, построенной моделью эффектов, будет означать адекватность использованной модели и возможность ее применения для описания радиоизлучения взволнованной поверхности нефть-вода В процессе работ по созданию переносного радиометрического комплекса "ПРИНТ-3" для измерения параметров нефтяных разливов (НИРФИ 1997-1999 г.) [12, 74], была проведена серия экспериментов по измерению толщины слоя нефти на водной поверхности. Анализ лабораторных экспериментальных результатов измерений показал, что весьма существенный вклад в суммарную ошибку измерений толщины слоя нефти на водной поверхности вносят волновые возмущения водной поверхности покрытой слоем нефти. Для изучения влияния волнения на изменение эффективных температур излучения водной поверхности покрытой слоем нефти в 2000 г. были проведены лабораторные эксперименты.
Радиометрический комплекс.ПРИНТ-3, см. Рис.4.13, предназначенный для измерения параметров нефтяных разливов на водной поверхности, представляет собой пространственный конструктив, в котором объединены антенны 8 мм и 24/26 мм диапазонов жестко соединенные с радиометрическими приемниками соответствующих диапазонов, два датчика углов поворота типа ДК-1, обеспечивающие установку ПМ в рабочий сектор углов визирования по углу места, и крену, микроконтроллер 6040РС, клавиатура, ЖКИ матричный дисплей и преобразователь постоянного напряжения, приемник: GPS (см. Рис. 4ЛЗ) [75]. Апертуры антенн располагаются на передней стенке модуля немного выступая вперед, а клавиатура и дисплей на его боковой (ближней к оператору) панели. Применяемые антенны представляют собой конические рупорные антенны с диэлектрическими вставками, обеспечивающими выравнивание диаграмм направленности для ортогональной поляризации, коэффициент кросс-поляризации составляет не болеее 0.01 [77]. Антенна АС-8 имеет ширину диаграммы направленности на уровне - 3дБ для вертикальной и горизонтальной поляризации 9,9 и 9,45, соответственно. Антенна АС-24/26 имеет ширину диаграммы направленности на уровне - ЗдБ для вертикальной и горизонтальной поляризации 11,68710,9 и 10,73710.0, соответственно. Радиометрические модули (ВЧ ПРМ-8): 8 мм и (ВЧ ПРМ-24/26) 24/26 мм диапазонов [36] выполнены в герметичных корпусах с волноводными гермоокнами на входе и низкочастотным выходом через разъем типа РСГ-19, Приемники осуществляют преобразование высокочастотного шумового сигнала в аналоговый и содержат (каждый) элементы волноводного тракта соответствующего диапазона (переключатель поляризации, вентиль, модулятор), малошумящий преобразователь, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты и синхронный детектор. Приемники имеют внешнее управление (от микроконтроллера) переключателем поляризации и внутреннее управление (дип-свич) масштабом усиления. Чувствительность радиометрических приемников составляет ЛГ=0.07К (ВЧ ПРМ-8), ЛТ=0ЛК (ВЧ ПРМ-24/26). Выходной сигнал с обоих приемников - аналоговый с максимальной амплитудой +/-5 В. Датчики угла (инклинометр) представляют собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, на базе проводящей жидкости. Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной - называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости. Для определения положения в пространстве используется два инклинометра, расположенных под углом 90 друг к другу.
Для проведения обработки сигналов приемников в соответствии с алгоритмом определения толщины пленки нефти, управления приемниками и контроля за напряжением питания используется микроконтроллер 6040 (фирмы "Octagon systems"). Для проведения экспериментов по изучению флуктуации эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта была модифицирована управляющая программа комплекса что позволило производить запись быстроменяющихся сигналов, с периодом преобразования АЦП т=0.01 сек, синхронно на выбранной поляризации для двух длин волн 1=8.82 мм и Л=24.6 мм с постоянной времени радиометров т=0.02 сек.
Точность измерения толщины слоя нефти методом поляризационных радиояркостных контрастов
Разработка методов дистанционного измерения толщины слоя нефти на водной поверхности является актуальной задачей на протяжении многих лет. В последнее время получил развитие радиометрический поляризационный метод измерения параметров разливов нефти на поверхности воды [12, 28]. На основе этого метода был создан сертифицированный измерительный комплекс ПРИНТ-3 [12] для измерения толщины слоя нефтепродукта на спокойной водной поверхности. Проведенные эксперименты (проект Arhimedus [3], серия экспериментов с радиометрическим комплексом ПРИНТ-3 [12,72,75], работы с радиометрическим комплексом OSR MIT [4]) показали, что; волнение водной поверхности, покрытой слоем нефти, может приводить к ошибкам измерения толщины слоя до 50% и аномальному изменению наблюдаемых эффективных температур излучения.
Оценим точность определения толщины пленки нефти методом поляризационных радиояркостных контрастов [12, 72]. Наблюдаемая эффективная температура излучения двухслойной поверхности нефть-вода будет определяться соотношением (2.9) при условии плоскослоистой, изотермичной атмосферы. Как следует из приведенных в табл. 2.2 данных зависимостей эффективной температуры излучения неба Т при наблюдении в зенит от состояния атмосферы, тепловое радиоизлучение атмосферы существенно зависит от влажности. Согласно Рис.2.16, тепловое радиоизлучение атмосферы существенно влияет на величину поляризационных контрастов эффективных температур водной поверхности. При Я и 8 мм и отсутствии атмосферных гидрометеоров величина / 0,06, в этом случае ослабление поляризационных контрастов составляет около 10%. Однако в условиях облачной атмосферы величина /"может возрасти на порядок и более; при этом наблюдаются также ее интенсивные флуктуации, что затрудняет использование соотношений вида (2.9) для определения величины D. В связи с этим возникает необходимость построения такой методики измерений, при которой влияние теплового радиоизлучения атмосферы исключается или минимизируется. В работах [68,73] рассмотрены 2 таких метода учета радиоизлучения атмосферы: 1, измерения отношения разностей Гун и То на 2-х поляризациях; 2. одновременные измерения отношения разностей Гун и температуры излучения атмосферы Гун а- наблюдаемой под углом, соответствующим углу "подсветки", также на 2-х поляризациях. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки. Рассмотрим прежде первый метод. Используя соотношение (2.9).; составим разности вида Го - ГуН = АТ\н, где Гун - эффективная я температура излучения поверхности нефть-вода на. вертикальной и горизонтальной поляризациях соответственно, Г0 - температура окружающей среды, а затем найдем отношение; где Ryu - коэффициенты отражения по мощности от поверхности нефть-вода на вертикальной и горизонтальной поляризациях, ОХУ - среднеквадратичное отклонение распределения Грэма-Чарли (3.1). Функция Q(D,OXY @) была рассчитана по соотношению (3.4) методом, описанным в Главе 3. Заметим, что здесь и далее при расчетах имеются в виду средние значения величин ГуН. Таким образом, одновременное измерение отношений поляризационных контрастов эффективных температур позволяет, в первом приближении, исключить влияние флуктуации теплового радиоизлучения атмосферы на точность определения величины D. На самом деле влияние атмосферы остается, поскольку из-за атмосферной "подсветки" уменьшаются поляризационные разности .4Гун, и, следовательно, ухудшается отношение сигнал/шум и относительная точность их измерений при фиксированной чувствительности; и точности калибровки радиометра. Заметим, что соотношение (4.1) выполняется в той мере, в какой справедлива изотермичная модель атмосферы. Только при этом условии отношение АТу1АТц не зависит от Го. Аналогично (4.1), используя (2.9), можно вычислить отношение: где в качестве "опорного сигнала" используется Гцуа - эффективная температура участка неба, наблюдаемого под углом "подсветки" р. Перейдем теперь к оценке точности определения величины D по измеренным отношениям q и /. При оценке потенциальной точности метода естественно предположить, что пленка является достаточно тонкой, что делает однозначным определение ее толщины из соотношений (4.1, 4.2), т.е. существуют обратные функции Q {q, оху. 0) D и Г1(і, оху, 0)=D, соответственно. Тогда точность измерений величины D определяется стандартными уравнениями: где AD (k=l,2) есть абсолютные максимально возможные погрешности в определении толщины пленки, aAq и Лі есть абсолютные максимально возможные погрешности в определении величин q и /, соответственно, при заданном угле визирования @и характеристике волнения GXY- Поскольку функции Q(D,0,CTXY) И I(D,0,CTXY) достаточно сложны, то нахождение обратных функций производится численным методом. Рассмотрим прежде более простую задачу определения величины D при сгх О, в результате будет оценена потенциальная чувствительность метода. Полагаем, что ошибка при измерениях эффективных температур на волне 8 мм АТ$=1 К (она определяется чувствительностью радиометра и флуктуациями эффективной температуры наблюдаемых объектов). Тогда, согласно (4.1,4.2), можно получить Aq и Лі, атак же рассчитать AD& из (4.3). Результаты расчетов при 0 = 55 представлены на Рис. 4.21. Рядом, с графиками функций У1 и б"1 дана точность определения /и Q в процентах. Погрешности на графиках Г1 и Q 1 показывают максимально возможную ошибку в определении толщины пленки.
Видно, что точность измерений тонких пленок достигает 0,1 мм на интервале 0,1-0,3 мм, улучшаясь до 0,05 мм в диапазоне 0,3-1,5 мм. При толщине пленки D«l,6 мм возникает зона неоднозначности. (для Я=8 мм), где точность измерений резко ухудшается. Необходимо отметить низкую чувствительность первого метода для тонких пленок в сравнении со вторым, и узкую зону неоднозначности, т.е. более высокую чувствительность в зоне неоднозначности в сравнении со вторым методом. Таким образом, для измерения толщины пленок в области D 0,2 мм необходим более высокочастотный радиометр (Л-2-3:мм), а при D \,6 мм следует исключить неоднозначность измерений, привлекая данные более длинноволновых радиометров.
Аналогичным образом определяются погрешности методов в определении величины D при наличии волнения, используя уравнения (4.3). Величина OXY определяется (3Л) по скорости ветра. На Рис. 4.22 представлены результаты расчетов функции Г1 при скорости ветра V= 10 м/с и луче зрения вдоль ветра в предположении, что oxy const. Сравнивая кривые Г Рис. 4.21 и 4.22, видим, что точность измерений толщины тонких пленок падает, вследствие волнения, в среднем в 2 раза.
В работе [12]; предлагается использовать длину волны 24 мм для устранения неоднозначности измерений D. На Рис. 4.22 приведены, для сравнения, функция Г для Я=24 мм и погрешности измерений D. Точность измерений эффективных температур излучения на волне 24 мм полагалась равной ЛТ24=0,5 К. Видно, что использование этих данных в зоне неоднозначности 8-мм измерений позволяет существенно улучшить точность определения толщины пленки поляризационным методом при D & Кб мм. Наличие ветрового волнения приводит к уменьшению потенциальной точности измерения толщины пленки в среднем в 2 раза при скорости ветра V = 10 м/с (наблюдения вдоль направления ветра., величина оуу = const).
