Введение к работе
Актуальность темы
В окружающей человека среде существует огромное многообразие природных и искусственно созданных многослойных структур, состояние и динамика которых оказывают многогранное действие на каждого человека в отдельности и общество в целом. Поэтому знание и контроль параметров окружающей среды и, в частности, многослойных образований в ней являются необходимыми условиями нормальной жизнедеятельности современного человечества. Особо важным знание о поведении конкретных объектов становится в условиях чрезвычайных ситуаций, когда незнание, как поведет себя то или иное природное или техническое образование, может привести к непоправимым последствиям. Таким образом, вопрос применимости дистанционного мониторинга окружающей среды во всех его проявлениях всевозможными дистанционными средствами в развивающемся технически и интеллектуально мире, несомненно, будет актуальным и развиваться в направлении насыщенности средствами реализации, применением многочисленных физических принципов и явлений, расширением диапазона применяемых частот, в увеличении дальности и быстроты определения параметров интересуемого процесса. В связи с этим использование электронных средств реализации данных проектов будет только расти, а, значит, применяться в них будет широкий спектр электромагнитных волн как средство, обладающее высокой скоростью распространения. Другим важным свойством электромагнитных волн является их проникающая способность, которая зависит от их частоты и диэлектрических параметров исследуемой среды и объектов в ней. Поскольку многослойные структуры имеются везде и на различных размерных уровнях, то невозможно выбрать одно средство для мониторинга всего разнообразия этих структур. Но, несомненно, для каждого явления найдется средство мониторинга или уже созданное, или, если это будет востребовано, разработанное в будущем. В этом плане развивающиеся с середины прошлого века методы пассивной радиометрии в будущем будут применяться и развиваться в разнообразных направлениях, несмотря на имеющиеся ограничения в различных условиях. К этим условиям относятся, например, уровень проникающей способности в исследуемую среду и способность
определения полезной информации на определённом расстоянии в результате поглощения в среде распространения. Таким образом, поиск условий и ситуаций, где эти ограничения несущественны, и способов, позволяющих преодолеть ограничения метода пассивной радиометрии, представляется чрезвычайно актуальной задачей. В частности, проникающая способность микроволн в исследуемую среду позволяет определить и их область применения, и создать два «различных» метода дистанционного зондирования. Первый из них - собственно радиометрия, которая использует свойства объекта излучать собственный спектр волн в соответствии со своей излучательной способностью и своей физической температурой. Однако можно использовать и вторую компоненту этого явления - отражательную способность объекта. Во втором методе говорят уже об использовании методов пассивно-активной радиометрии. Однако это разделение несколько условно, т.к. у любого исследуемого объекта всегда имеются обе компоненты, а средством их измерений в обоих методах является один и тот же радиометрический приёмник с некоторыми отличиями в схемном исполнении. Другим фактором отличия считается условие наличия излучения подсветки, но и тут нет абсолютного разграничения, т.к. любое нагретое тело излучает и может быть использовано в качестве источника подсветки. Таким образом, в использовании обоих методов ещё имеются возможности нового применения, и эта задача также актуальна. При этом самым важным звеном становится объект, который будет исследоваться с помощью этих методов. Таких объектов - огромное множество, но следует обратить особое внимание на активно обсуждающееся явление современного человечества -энергетический бум, неизменным спутником которого является средство его жизни - нефть. И тут мы сталкиваемся с огромным количеством природных и техногенных проблем, т.к. нефть нужно добыть, доставить от места добычи до производства, там её преобразовать в нефтепродукт, который опять необходимо доставить уже до потребителя. В результате на всех этапах появляются экологические катастрофы, которые необходимо ликвидировать, что сделает необходимой потребность в мониторинге места катастрофы, причем, как правило, в плохих погодных условиях. Так мы приходим к микроволновому радиометрическому мониторингу, т.к. применение
видимого и инфракрасного диапазонов излучения и, особенно, контактных методов в таких условиях затруднено.
Остаются микроволновые методы, и среди них пассивная радиометрия обладает лучшими качествами для определения толщины слоя разлива. Надо отметить, что активные средства также находят применение. Однако ни один из методов не является полным лидером мониторинга в задаче определения всех необходимых параметров разлитого в акваторию загрязнителя, способного уничтожать биосферу планеты.
Таким образом, определение областей применимости методов пассивной и пассивно-активной радиометрии, так и развитие новых методов радиометрического зондирования многослойных структур, позволяющих преодолеть ограничения метода пассивной радиометрии, представляется чрезвычайно актуальной задачей. В большой степени это связано с задачей своевременного обнаружения разлива нефтепродукта, определения его формы и динамики, площади и распределения толщины плёнки - важность этой задачи не вызывает сомнений.
Цель работы
Развитие методов радиометрического дистанционного зондирования для определения физических параметров слоистых структур на поверхности воды путём измерений поляризационных контрастов в их тепловом радиоизлучении.
Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем:
-
Реализован метод дистанционных измерений поляризационных характеристик радиоизлучения разлива нефтепродукта на воде, который, в отличие от других радиометрических методов, позволяет исключить влияние параметров приемной антенной системы и существенно уменьшить влияние собственного радиоизлучения атмосферы на измеряемые параметры плёнок нефти на воде.
-
Разработаны алгоритмы исключения неоднозначностей в определении толщины плёнки нефти на поверхности воды
(t/пл = 0-12 мм) при 2х-частотном приёме излучения слоя (2 угла визирования) или при Зх-частотном приёме (1 угол визирования).
-
Реализован парциальный метод измерения диэлектрической проницаемости нефтепродукта по последовательности его нарастающих толщин, что позволяет увеличить точность определения диэлектрической проницаемости.
-
В результате измерений на стендах показано, что толщина плёнки <іпл ~ 7 мм на поверхности воды в натурных условиях при наличии волнения с высотой волн до 16 см определяется достаточно точно (~10%) по значениям её эффективной диэлектрической постоянной.
Методы и подходы, используемые в диссертации
Использование уже разработанных и развиваемых модельных и теоретических представлений методов пассивного и пассивно-активного микроволнового дистанционного зондирования окружающей среды.
Проведение статистических исследований с использованием доступных в мировой научной литературе экспериментальных данных и полученных авторами работы в широком спектре микроволнового излучения.
Использование современных методов обработки и анализа данных, их развитие и применение специально разработанных программ для решения задач поставленных исследований.
Применение современных компьютерных методов расчёта для развития модельных представлений и их согласования с имеющимися экспериментальными данными.
Привлечение развитых другими авторами современных моделей распространения микроволн в средах с различным распределением механических и диэлектрических характеристик.
Верификация полученных результатов с имеющимися данными в научной литературе.
Практическая значимость диссертационной работы
1. Создан ряд стендов для лабораторных измерений методом пассивной и пассивно-активной поляризационной радиометрии плёнок нефти на поверхности воды с целью определения толщины слоя
нефтепродукта, влияния наличия водности в плёнке и волнения водной поверхности на излучательные и отражательные характеристики плёнки нефтепродукта на воде, исследования характеристик волнения и возможности отработки методов сканирования с построением радиоизображений.
-
Разработаны структурные и технические решения промышленных образцов двухчастотного радиометрического прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности воды типа «КТС-РМК-Н» и трехчастотного радиометрического прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности воды типа «ПРИНТ-3», которые сертифицированы и утверждены Госстандартом РФ как средства измерений.
-
Разработана промышленная партия приборов «ПРИНТ-3», включенных в состав технических средств региональной сети экологического мониторинга разливов нефти в составе 9 отделений Управления по охране окружающей и природной среды Ханты-Мансийского автономного округа.
-
Разработаны системы автоматического управления и обработки в приборах «КТС-РМК-Н», «ПРИНТ-3»; для двухкоординатных сканирующих комплексов на базе ЭВМ созданы системы управления и одновременного сбора данных с радиометрического модуля с предварительной их обработкой для построения двумерного радиоизображения исследуемой среды (поверхности), математическое и программное обеспечение последующей обработки измерений.
Представленные в диссертации исследования поляризационных характеристик радиоизлучения водной поверхности с плёнкой нефти реализованы впервые, а метод поляризационных контрастов получил международное признание. Так, прибор «КТС РМК-Н» на 30-м Международном салоне изобретений «Женева-2002» удостоен Золотой медали и Диплома «30-го Международного салона изобретений -«Женева-2002». Также разработанная и созданная в ФГБНУ НИРФИ партия из 10 штук сертифицированных приборов «ПРИНТ-3», являющихся развитием прибора «КТС РМК-Н», удостоена диплома и бронзовой медали на IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций.
Обоснованность научных положений и выводов,
достоверность полученных результатов обусловлены:
применением современных методик регистрации и обработки экспериментальных данных;
сопоставлением результатов экспериментальных и статистических исследований с теоретическими представлениями и результатами других авторов, а также собственными проверенными теоретическими обоснованиями и расчётами;
статистически значимым объёмом данных;
использованием апробированных методов исследования;
экспертными оценками при публикации основных результатов исследований в рецензируемых научных изданиях;
наличием работающих на принципах, рассматриваемых в диссертации, и сертифицированных 10-ти приборов «ПРИНТ-3», разработанных и изготовленных в ФГБНУ НИРФИ при непосредственном участии автора диссертации.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Развитие методов радиометрического зондирования, которое
включает проведение теоретических и экспериментальных
исследований, позволяющих увеличить точность, расширить
диапазон и условия применимости, создать технические условия для
разработки измерительных приборов, а именно,
приём излучения на ортогональных поляризациях при наклонном зондировании,
исключение неоднозначностей измерения толщины гладкого слоя разлива нефтепродукта на поверхности воды при двухчастотном приёме путём применения третьей частоты или измерениями на двух углах места,
учёт волнения водной поверхности через эффективную диэлектрическую проницаемость,
применение пассивно-активного дистанционного зондирования,
применение парциального метода измерения диэлектрической проницаемости нефтепродукта.
2. Развитие метода пассивно-активной радиометрии в область
дистанционных измерений многослойных структур для возможности
измерений коэффициента отражения, диэлектрической
проницаемости, собственного и отраженного излучения слоя нефтепродукта на гладкой поверхности воды. 3. Создание технических комплексов различного назначения в миллиметровом диапазоне длин волн, предназначенных для проведения лабораторных, тестовых, поверочных, натурных испытаний и измерений при решении задач зондирования многослойных структур.
Апробация работы
Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе: The Third International Airborn Remote Sensing Conference an Exhibition (Copenhagen, Denmark, 7-10 July, 1997); ежегодные научные конференции по радиофизике (ННГУ, Н. Новгород, 2001, 2002, 2009, 2010, 2012, 2013); XX Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (г. Н. Новгород, 2002); Международный симпозиум по инженерной Экологии - 2003 (г. Москва, 2003); Второй региональный семинар «Распространение микроволн в природных средах» (НИРФИ, г. Нижний Новгород, 2003); Всероссийские семинары по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (ИПФ РАН г. Н. Новгород, 2007, 2009); XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (МГТУ, г.Иошкар-Ола, 23-26 мая 2011г.); II Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной среды», посвященная 300-летию образования Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского (Санкт-Петербург 24-26 апреля 2012 г.); 10 Международная Научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (г. Владимир 2012); 1-я Российско-Белорусская научно-техническая конференция «Элементная база отечественной радиоэлектроники» (ННГУ, НГТУ, НИРФИ. Нижний Новгород, 11-14 сентября 2013 г.).
Участие в выставках и международных салонах: 30-й Международный салон изобретений «Женева-2002» (золотая медаль и диплом «30-го международного салона изобретений - «Женева-2002»); IV Московский международный салон инноваций и инвестиций,
«Москва-2004» (бронзовая медаль и диплом «IV Московского международного салона инноваций и инвестиций» - «Москва-2004»); Международная экологическая акция «Спасти и сохранить» в рамках Третьей специализированной выставки «Югра 2003 - Экология», 3-5 июня 2003, г. Ханты-Мансийск (диплом участника); Третий Всероссийский съезд и выставка по охране окружающей природной среды, 20-21 ноября 2003, Москва; Международный научно-промышленный форум «Великие реки 2003», 20-23 мая 2003, Н. Новгород.
Работы по тематике диссертации выполнялись в рамках важнейших НИР и НИОКР ФГБНУНИРФИ, по заданиям Министерства образования и науки РФ и поддерживались грантами Министерства образования РФ, РФФИ, Программой ОФН РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях природных сред и человека».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 26 работ. Из них: 8 статей в рецензируемых отечественных журналах, в том числе, 7 - в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ, 7 работ - публикации докладов в трудах всероссийских и международных конференций, остальные работы - публикации докладов в трудах конференции по радиофизике и тезисы докладов на всероссийских и региональных семинарах.
Получены сертификаты Госстандарта РФ утверждения типа средств измерений на разработанные приборы «КТС РМК-Н» и «ПРИНТ-3», в разработке и создании которых автор принимал активное участие.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в разработке физических принципов радиометрического метода поляризационных контрастов для определения толщины нефтяных плёнок на водной поверхности. Под его руководством и при непосредственном участии разработаны и созданы измерительные стенды для исследования излучательных и отражательных характеристик неоднородных, многослойных структур и нефтяных плёнок и опытный образец прибора «ПРИНТ-3» для дистанционного определения толщины нефтяной плёнки. Все
эксперименты по исследованию излучательных характеристик
различных объектов, в том числе нефтяных плёнок, и дистанционного определения их толщины выполнены лично автором или при его участии. Обработка и интерпретация полученных результатов также выполнены при непосредственном участии автора.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Диссертация изложена на 164 страницах, содержит 56 рисунков, 9 таблиц. Список литературы содержит 78 наименований.
