СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДИН
METHOD OF MEASURING THICKNESS OF BLOCK OF ICE AND APPARATUS FOR MEASURING THICKNESS OF BLOCK OF ICE

Изобретение относится к определению параметров ледяного покрова посредством устройства для измерении толщины льдин, установленного на носителе и может быть использовано как в исследовательских целях, так и при мониторинге ледового покрова в регионах залегания и добычи месторождений газа и нефти на шельфе арктических морей.
Известен способ определения состояния ледяного покрова (Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. СПб, Наука, 2007, с.68-71 [1]) заключающийся в выполнении визуальных ледовых наблюдений с самолетов и вертолетов различных типов с высот 100-600 м. При полетах на этих высотах разрешающая способность человеческого глаза принимается равной 0,1 м на местности, что позволяет наблюдателю определять по характеру поверхности, состоянию снежного покрова, типу наслоений и торосистых образований, толщине льдин в разломах, размерам и форме снежниц, цветовым оттенкам поверхности льдин, их обломков, дна снежниц все основные характеристики ледяного покрова - положение кромки дрейфующего и неподвижного льдов, сплоченность льда, его возрастной состав, формы, наслоенность и торосистость, стадии таяния, пространства чистой воды среди льдов, высоту и характер снежного покрова, сжатия, загрязненность, количество и формы льдов материкового происхождения. При этом наблюдения выполняются в полосе от 19-20 высот полета (кромки льда, границы зон различной сплоченности) до 2-3 высот (возрастной состав), что объясняется различной достоверностью и возможностью определения тех или иных характеристик при больших углах визирования. Учитывая ограниченное время пролета каждого участка, совершенно очевидна невозможность переработки наблюдателем всего объема информации. На основании результатов наблюдений составляется рабочая ледовая карта. Способ отягощен существенными случайными и систематическими погрешностями, ограничениями по полосе обзора. Кроме того, при наблюдениях с малых высот непосредственно просматривается только 10-20% обследуемой акватории, что приводит к значительным ошибкам при интерполяции и экстраполяции границ.
Известен также способ аэрофотосъемки морского льда (Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. СПб, Наука, 2007, с.72-76 [2]) с использованием аэрофотоаппаратов (АФА). Съемка выполняется сериями по площадям или маршрутам.
Достоинством данного способа является высокая разрешающая способность, геометрическая определенность снимков, позволяющая воссоздать пространственную модель местности и с высокой степенью точности определить координаты изобразившихся точек местности, а также объективность и однозначность получаемых сведений.
Недостатком способа является зависимость от метеоусловий и освещенности; большое количество получаемых снимков и сложность их фотохимической и фотограмметрической обработки; ограниченные площади съемки с малых высот; низкая оперативность получения окончательных результатов.
Известен также способ определения состояния ледяного покрова путем зондирования морских льдов посредством радиолокационных станций с длиной волны 2-3 см (Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. СПб,Наука, 2007, с.79-88 [3]), установленных на самолетах и судах. При этом состояние льда определяется через эффективную площадь рассеивания. Данный способ позволяет выполнить оперативную оценку состояния ледяного покрытия в части возрастных стадий льдов и их частной сплоченности по градациям (молодые - однолетние - старые льды). Однако при этом невозможно определение стадий развития однолетних льдов.
Известны также способы определения ледяного покрова путем зондирования морских льдов с искусственных спутников Земли (Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука. 2007, с.88-116 [4], Авторское свидетельство SU №1788487 [5]), заключающиеся в том, что ледяной покров зондируют посредством бортовой аппаратуры спутника (радиолокатор бокового обзора, пассивный микроволновый радиометр, многоканальный сканирующий радиометр с линейным сканированием по сфере или по углу). Для получения достоверной информации, как правило, используют сочетание нескольких приборов, что связано с отрицательной корреляцией интенсивности излучения и рассеяния электромагнитных волн льдом одного и того же возраста на используемых частотах в зимний период года. На изображениях радиолокационных станций старые (двухлетние и многолетние) льды дают сильный рассеянный сигнал, а на изображениях радиометрических приборов - слабое собственное излучение. Молодые и однолетние льды, наоборот, дают слабый рассеянный сигнал и сильное собственное излучение. Именно эта особенность, совмещенных изображений при комплексировании данных позволяет распознать однолетний и многолетний льды в период интенсивного летнего таяния, открытую воду на крупных разводьях и полыньях, а также положение кромки льдов при взволнованной открытой водной поверхности.
В известном способе определения состояния ледового покрова [5], включающем получение спутниковых радиолокационных снимков и снимков в оптическом диапазоне длин волн, с целью повышения достоверности при определении возраста и сплоченности льда в весенне-осенний период, в момент получения радиолокационных снимков устанавливают наличие облачности теплых фронтальных зон по снимкам в оптическом диапазоне длин волн и, если она имеет место, то проводят повторную радиолокационную съемку в условиях, соответствующих полному изменению метрологических условий в исследуемом районе.
В известных способах в процедурах картирования применяется метод визуального анализа и интерпретации изображений, включая количественные оценки общей и частной сплоченности льда, а также интерактивного выделения границ ледовых зон с использованием мозаик из разновременных изображений. При этом мозаики формируются из предварительно нормализованных по яркости и трансформированных в стереографическую картографическую проекцию изображений с радиолокационной станции.
Основной недостаток радиолокационных станций бокового обзора, заключающийся в том, что разрешение вдоль линии пути ограничивается длиной антенны, что компенсируется применением радиолокаторов с синтезированной апертурой. Однако для идентификации морских льдов и получения устойчивых результатов картирования морских льдов необходимо выбирать различные комбинации поляризаций типа АР, НН, HV, VV, VH при разных диапазонах углов зондирования, что существенно увеличивает трудоемкость, практически без повышения достоверности получения окончательных результатов.
Известны также устройства непосредственного измерения толщины льдин. Известное устройство, представляющее собой рейку на лине, которая используется для глазомерной съемки толщины льдин на ходу судна (Инструкция для наблюдений над льдами с корабля. Л.: Морской транспорт - 1956. 53 с.[6]). Такая рейка представляет собой деревянную доску длиной 50 см и шириной 7-10 см, разделенную на дециметры. Участки рейки длиной 1 дм окрашены попеременно белой и черной или белой и красной красками. Посередине рейки делается отверстие для линя, на обратной стороне рейки вяжется кноп. Существо применения указанного устройства заключается в выбрасывании рейки на лед, которая служит для масштаба визуального определения толщины льдин, встающих на ребро у борта судна. Недостатком данного устройства является низкая точность определения толщины льдин.
Известен также ледомер Цурикова и Первакова для определения толщины льдин на ходу судна (Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 9. Гидрометеорологические наблюдения на морских станциях. Часть III. Гидрометеорологические наблюдения, производимые штурманским составом на морских судах (Наблюдения над погодой и состоянием моря). Л.: Гидрометеоиздат - 1966 [7]). Ледомер состоит из металлической штанги длиной 60 см. На конце штанги укрепляется кронштейн с короткой трубкой, параллельной штанге. На штангу надет подвижной хомутик с опорным винтом. К хомутику прикреплена металлическая рамка с вставленной в нее пластинкой из прозрачного материала размером 14×22 см. На пластинку нанесена прямоугольная сетка с делениями через 2 см. Одно деление сетки разбивается на более мелкие деления через 4 мм. На штангу нанесены деления через 1 см; нуль этой шкалы совпадает с верхним концом трубки, которая прикладывается к глазу наблюдателя. На трубку надевается резиновый наглазник, предохраняющий глаз наблюдателя от соприкосновения с охлажденным на море металлом. Принцип измерения толщины льда ледомером основан на решении подобных треугольников, у которых большими катетами являются расстояние от глаза наблюдателя до измеряемого объекта - вывороченной на ребро льдины и расстояние от глаза до рамки, а малыми катетами - измеряемая толщина и ее проекция на сетку.
Искомая толщина льда при этом находится из геометрического соотношения.
Для измерений должна быть известна высота глаза наблюдателя над поверхностью льда. В момент нахождения льдины на траверзе замечается число делений сетки, соответствующее толщине льдины. Недостатком устройства является быстрая утомляемость глаз при работе, что ограничивает количество получаемой информации, а также существенная трудоемкость и низкая производительность.
Известно также устройство для измерения размеров атмосферных турбулентных вихрей (Устройство для измерения размеров атмосферных турбулентных вихрей. Патент на полезную модель RU №56595 [8]), которое содержит цифровой фотоаппарат, выполненный с возможностью фотографирования изображения за одну простую операцию и преобразования сфотографированного изображения в цифровую матрицу данных изображения, устройство обработки в виде персонального или карманного компьютера, устройство отображения изображения в виде печатающего устройства и/или монитора, содержащее высотомер, измеритель угла наклона фотоаппарата и сетку перспективных искажений. В данном устройстве средство обработки выполнено с возможностью создания сетки перспективных искажений в зависимости от значений выхода высотомера и измерителя угла наклона фотоаппарата.
Недостатком данного устройства является необходимость получения для каждого кадра отдельной сетки перспективных искажений, что увеличивает объем сохраняемой информации, а также требует проведение визуальных отчетов по снимку.
Известна также полезная модель, направленная на расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения размеров льдин (патент на полезную модель RU №70983 [9]).
Заявленный технический результат достигается тем, что устройство для измерения толщины льдин с борта судна содержит телевизионную камеру, выход которой соединен с входом аналого-цифрового преобразователя телевизионного видеосигнала в цифровую матрицу данных изображения, выход которого соединен с устройством обработки в виде персонального или карманного компьютера, выход которого соединен с устройством отображения изображения в виде монитора, а вход - с манипулятором перемещения светового маркера на экране монитора.
При этом измерение размеров льдин осуществляется по вычислению расстояния между двух маркеров на изображениях вывороченных на ребро льдин, для чего в состав известного устройства включают телевизионную камеру, цифроаналоговый преобразователь и манипулятор ("мышь", трекбол и т.п.), с помощью которого на изображении размещаются световые маркеры, отмечающие начало и конец интервала. Известное изобретение [9] реализуется посредством телевизионной камеры, соединенной кабелем с аналого-цифровым преобразователем, сигнал с выхода которого по кабелю поступает на разъем устройства обработки, на входной разъем которого с помощью устройства ввода вводятся данные о высоте размещения камеры на мостике судна в виде соответствующего сигнала. Устройство обработки соединено с монитором кабелем и с манипулятором кабелем.
При этом известное устройство [9] работает следующим образом.
Телевизионная камера размещается на мостике судна в положении визирования на морскую поверхность, и регистрируются значения высоты над поверхностью моря и угла наклона оптической оси телекамеры. Сигнал о соответствующих данных с помощью устройств ввода данных, выполненного в виде клавиатуры, по кабелю поступают на вход устройства обработки. Цифровой сигнал перспективного изображения в виде матрицы цифровых значений яркости с выхода аналого-цифрового преобразователя по кабелю поступает на вход устройства обработки, которое рассчитывает расстояние между точек, формируемых на изображении монитора в виде световых маркеров в зависимости от значений высоты телекамеры и положением элементов матрицы цифрового сигнала, соответствующих положению маркеров. Совмещенное с маркером изображение через выход в виде сигнала поступает на устройство экран монитора. Цифровая матрица сигнала изображения и значения расстояний между маркеров - размеры льдин поступают в устройство запоминания данных по команде с устройства ввода информации. Существенным недостатком известного устройства является то, что для измерения толщины льдин необходимо, чтобы льдины стояли ребром, что существенно сужает применимость известного устройства.
Кроме того, выполнение съемки льдин с борта судна требует использования дополнительных устройств и приспособлений для обеспечения стабилизации телевизионной камеры для получения качественных снимков, а также существенно снижает сектор съемки.
Задачей настоящего технического решения является повышение достоверности измерения толщины льдин.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе измерения толщины льдин, включающем получение изображений льдин посредством приборных средств, анализ и интерпретацию изображений, определение толщины льдин, посредством камеральной обработки изображений льдин, в отличие от прототипа, изображение льдин получают путем зондирования ледовых поверхностей высокочастотными акустическими волнами, при этом непрерывное колебание модулируется по амплитуде отрезком сигнала низкой частоты, а толщина льдин определяется по величине запаздывания низкочастотного сигнала, отраженного от границы лед-воздух, по отношению к огибающей сигнала отраженного от границы вода-лед, при отображении изображения на мониторе выполняют построение двухмерного и/или трехмерного изображения льдин, при этом точка наблюдения находится постоянно в центре окна монитора, точка наблюдения визуализируется символом в виде трехгранника осей, начало которого является центром вращения изображения, относительно которого перемещается сцена изображения.
В устройстве для измерения толщины льдин с борта носителя, содержащем устройство регистрации изображения профиля льдин, устройство обработки в виде персонального или карманного компьютера, выход которого соединен с устройством отображения изображения в виде монитора, аналого-цифровой преобразователь зарегистрированных сигналов в цифровую матрицу данных изображения, вход которого соединен с выходом устройства регистрации изображения профиля льдин, а выход - с входом устройства обработки, в отличие от прототипа, устройство регистрации изображения профиля льдин выполнено в виде параметрического акустического локационного средства, персональный компьютер через порт соединен с приемником системы спутниковой навигации носителя, устройство отображения изображения содержит блок хранения и воспроизведения электронных карт, модуль построения двухмерного и/или трехмерного изображения льдин, при этом носитель выполнен в виде жесткокаркасного дирижабля, снабженного акустическим локатором, приемником спутниковой навигации, устройствами лазерного сканирования, аэрофотосъемки и тепловизионной съемки.
Новые отличительные признаки предлагаемого способа, заключающиеся в том, что изображение льдин получают путем зондирования ледовых поверхностей высокочастотными акустическими волнами, при этом непрерывное колебание модулируется по амплитуде отрезком сигнала низкой частоты, а толщина льдин определяется по величине запаздывания низкочастотного сигнала, отраженного от границы лед-воздух, по отношению к огибающей сигнала отраженного от границы вода-лед, при отображении изображения на мониторе выполняют построение двухмерного и/или трехмерного изображения льдин, при этом точка наблюдения находится постоянно в центре окна монитора, точка наблюдения визуализируется символом в виде трехгранника осей, начало которого является центром вращения изображения, относительно которого перемещается сцена изображения, позволяют достичь заявляемого технического результата, заключающегося в повышении достоверности измерения толщины льдин.
Устройство для измерения толщины льдин с борта носителя, посредством которого реализуется предлагаемый способ, содержит устройство регистрации изображения профиля льдин, устройство обработки в виде персонального или карманного компьютера, выход которого соединен с устройством отображения изображения в виде монитора, аналого-цифровой преобразователь зарегистрированных сигналов в цифровую матрицу данных изображения, вход которого соединен с выходом устройства регистрации изображения профиля льдин, а выход - с входом устройства обработки, и в отличие от прототипа, устройство регистрации изображения профиля льдин выполнено в виде параметрического акустического локационного средства, персональный компьютер через порт соединен с приемником системы спутниковой навигации носителя, устройство отображения изображения содержит блок хранения и воспроизведения электронных карт, модуль построения двухмерного и/или трехмерного изображения льдин, при этом носитель выполнен в виде жесткокаркасного дирижабля, снабженного акустическим локатором, приемником спутниковой навигации, устройствами лазерного сканирования, аэрофотосъемки и тепловизионной съемки.
Носитель устройства для измерения толщины льдин представляет собой жесткокаркасный дирижабль, снабженный также системой спутниковой навигации, устройствами лазерного сканирования, аэрофотосъемки и тепловизионной съемки, аналогом которого является дирижабль, приведенный в источнике информации: А. Фролов. Дирижабли в системе «Газпрома». Корпоративный журнал ОАО «Газпром» (www.GAZPROM.RU). №6, 2009, с.40-41.
Устройство для измерения толщины льдин представляет собой акустический локатор, принцип работы которого основан на импульсном методе лоционирования льда (Linearisierung des Schreibermasstabes vom Seitensicht - Sonar. Kilian Zech, Marszal Tacek / Wiss. Z. Wik / Ihelm-Pieck-Univ. Rostok, Naturwiss. R., 1986. - V.34, №3, p.36-40).
В отличие от известных импульсных методов лоционирования льда данный метод реализуется при непрерывном высокочастотном излучении. При этом, в отличие от используемых методов лоционирования льда, в которых для обеспечения высокой разрешающей способности используют высокочастотные звуковые колебания (100 кГц и выше) используется метод, основанный на нелинейных или параметрических эффектах (В.А.Воронин, С.П.Тарасов, В.И.Тимошенко. Гидроакустические параметрические системы. Ростов-на-Дону, ООО «Ростиздат», 2004, с.11-42), что обусловлено тем, что непосредственное применение известного частотного диапазона для измерения толщины льда затруднено из-за затухания акустических волн в толще льда.
Для исключения этого недостатка в конкретной технической реализации акустического локатора непрерывное колебание модулируется по амплитуде отрезком сигнала низкой частоты, и за счет нелинейных эффектов во льду распространяется низкочастотная волна. Толщина льда определяется по величине запаздывания низкочастотного сигнала, отраженного от границы лед-воздух, по отношению к огибающей сигнала, отраженного от границы вода-лед.
По результатам измерений строится цифровая модель исследуемого рельефа льда.
Источниками исходных данных для создания цифровой модели рельефа льда (ЦМР) помимо полученных результатов измерений могут являться топографические карты при проведении исследований в прибрежной зоне, аэрофотоснимки, космические снимки, данные альтиметрических измерений, морские навигационные карты.
При этом принята следующая технология построения ЦМР (Суворов С.Г., Дворецкий Е.М., Коваленко С.А. Методика создания цифровых моделей рельефа повышенной точности. // Информация и космос. №1, 2005 - с.52-54).
Вся доступная информация оцифровывается. Полученные от разнообразных источников данные сводятся в единый набор координат точек и высот в них. Этот набор триангулируется (методом Делоне). Процедура триангуляции дает систему непересекающихся треугольников, покрывающих рассматриваемую область поверхности земли (TIN-модель). В результате чего рельеф представляется многогранной (элементарная грань - треугольник) поверхностью с высотными отметками (отметками глубин) в узлах треугольной сети. Каждая грань этой поверхности описывается либо линейной функцией (полиэдральная модель), либо полиномиальной поверхностью, коэффициенты которой определяются по значениям в вершинах граней-треугольников. Эта технология в различных вариантах реализована во всех применяемых на практике геоинформационных систем.
При визуализации результатов измерений система навигации построена с использованием альтернативного по отношению известной технологии типа GA принципа организации точки наблюдения трехмерной сцены, в которой используется стандартный принцип - точка наблюдения расположена вне сцены и при навигации сцена неподвижна, а изменяются координаты точки наблюдения и угол наблюдения. При этом центр вращения явно не определяется, что и является одной из причин потери изображения при навигации. В предлагаемой технологии точка наблюдения находится постоянно в центре окна наблюдения и визуализируется небольшим трехгранником осей, а начало трехгранника всегда является центром вращения изображения, и при навигации сцена перемещается относительно этого центра.
Персональный компьютер представляет собой промышленную микро ЭВМ с жидкокристаллическим дисплеем и необходимым программным обеспечением на основе микропроцессора семейства A8rR фирмы АТМЕС. Приемник системы спутниковой навигации через порт соединен с микро ЭВМ. Электронные навигационные карты для необходимого района исследований выводятся на монитор, при проведении исследований на акваториях, оборудованных географическими ориентирами, естественными или искусственными, с известными координатами, что позволяет определять положение льдин с привязкой по координатам.
Наличие на борту носителя устройств лазерного сканирования, аэрофотосъемки и тепловизионной съемки позволяет также выполнить оперативную оценку состояния ледяного покрытия, в части возрастных стадий льдов и их частной сплоченности по градациям (молодые - однолетние - старые льды).
Основные узлы и элементы предлагаемого устройства имеют промышленную применимость, а основные технические методы реализация способа имеют практическую реализацию.
Источники информации
1. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. СПб, Наука, 2007, с.68-71.
2. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. СПб, Наука, 2007, с.72-76.
3. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. СПб, Наука, 2007, с.79-88.
4. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. СПб, Наука, 2007, с,88-116.
5. Авторское свидетельство СССР №1788487.
6. Инструкция для наблюдений над льдами с корабля. Л.: Морской транспорт - 1956. 53 с.
7. Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 9. Гидрометеорологические наблюдения на морских станциях. Часть III. Гидрометеорологические наблюдения, производимые штурманским составом на морских судах (Наблюдения над погодой и состоянием моря). Л.: Гидрометеоиздат - 1966.
8. Патент на полезную модель RU №56595.
9. Патент на полезную модель RU №70983.