СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОТКРЫТЫХ ВОДОЕМОВ
REMOTE DETERMINATION OF OPEN WATER POOL SURFACE CONTAMINATION

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля изменения состояния поверхности открытых водоемов, вызванного их загрязнением поверхностно-активными веществами, при проведении экологических и природоохранных мероприятий.
В настоящее время для контроля состояния морской среды широκο применяются средства дистанционного мониторинга, в которых используется взаимодействие электромагнитных волн с морской поверхностью. Тонкая структура рельефа морской поверхности, формируемая волнами ряби, чувствительна к таким факторам, как ветер и загрязнение морской среды поверхностно-активными веществами.
Чем меньше длина волны, тем меньше ее энергия и тем меньше время релаксации при изменении характеристик пограничных слоев атмосферы и океана. В отличие от длинных доминантных волн, которые практически не зависят от поверхностного натяжения, волны ряби очень чувствительны к его изменениям. Образующиеся в результате загрязнения акваторий поверхностные пленки эффективно подавляют рябь. К ряби относятся поверхностные волны гравитационно-капиллярного и капиллярного диапазонов. Это волны с длиной менее 7 см. Как известно, именно они являются основными рассеивателями электромагнитного излучения при его взаимодействии с границей раздела океан-атмосфера [1].
Известен способ контроля состояния морской поверхности на основе регистрации солнечных бликов [2]. Загрязняющее вещество воздействует на ветровые волны и, как следствие, происходит изменение свойств поверхности, определяющих отражение света. Такой признак аналога, как регистрация световых бликов, совпадает с существенными признаками заявленного изобретения. Недостатками этого способа является то, что он не позволяет разделить изменения характеристик бликов, обусловленные загрязнением водоема или вариациями скорости ветра, а также имеет ограничения в использовании, так как применим только в дневные часы при безоблачном небе.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранный в качестве прототипа', является способ регистрации загрязнения морской поверхности на основе индикации лазерных бликов [3]; Указанный способ дает информацию о мелкомасштабных компонентах волнения. При его использовании морская поверхность зондируется узким лазерным лучом непрерывно, но регистрируются только сигналы обратного зеркального отражения, появляющиеся в момент времени, когда отраженный от поверхности луч света возвращается к излучателю, совмещенному с приемником.
Такие признаки прототипа, как дистанционное определение загрязнения поверхности открытого водоема путем облучения ее лазером, регистрация бликов зеркального отражения и определение характеристик бликов, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения.
Недостатком прототипа является следующее.
Он не позволяет разделить изменения шероховатости поверхности, обусловленные действием двух разных физических механизмов, например, отделить уменьшения уровня шероховатости, вызванные снижением скорости ветра, от уменьшений, созданных повышением концентрации загрязняющих веществ. Поскольку изменения характеристик регистрируемых бликов вследствие вариаций скорости ветра могут быть сравнимы или больше изменений, вызванных загрязнением поверхности, данный способ не может обеспечить определение уровня загрязнения с требуемой точностью.
В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного контроля загрязнения, при котором совокупностью известных и отличительных признаков, характеризующих особенности процесса регистрации бликов и оценки их характеристик, обеспечивается технический результат - возможность при проведении анализа характеристик бликов зеркального отражения учитывать изменения структуры поверхности, обусловленные вариациями скорости ветра, что приводит к повышению точности определения наличия загрязнения, а также степени его интенсивности.
Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения загрязнения поверхности открытых водоемов, который заключается в том, что исследуемую поверхность облучают лазером, регистрируют блики зеркального отражения и определяют их характеристики, новым является то, что одновременно с регистрацией бликов измеряют скорость ветра, а уровень загрязнения определяют путем сравнения полученных характеристик с образцовыми значениями для измеренной скорости ветра.
В основе предложенного способа лежат результаты комплексных исследований тонкой топографической структуры морской поверхности, проведенных на океанографической платформе Морского гидрофизического института НАН Украины. При лазерном зондировании контроль состояния поверхности осуществлялся имеющими высокое разрешение приборами двух типов: двумерным лазерным уклономером и струнными резистивными волнографами. Был выявлен высокий уровень корреляции между флуктуациями скорости ветра W, параметрами уклонов поверхности и статистиками последовательностей бликов зеркального отражения (см. таблицу "Корреляционная матрица").
Корреляционная матрица
Здесь  и  - дисперсия и среднее значение модуля уклона; D - сумма дисперсии двух ортогональных компонент уклона; F - частота бликов зеркального отражения; τ - средняя длительность бликов; I -средняя интенсивность бликов. Именно выявленный в эксперименте высокий уровень корреляции между характеристиками бликов и параметрами локальных уклонов поверхности создает принципиальную возможность регистрации загрязнения по данным лазерного зондирования.
Суть предложенного способа поясняется следующим. Большинство типов загрязнения являются поверхностно-активными веществами (например, нефть). Их попадание в водоемы приводит к изменению величины поверхностного натяжения, что, в свою очередь, приводит к изменению энергии волн ряби. Следствием изменения уровня шероховатости становится изменение характеристик регистрируемых при лазерном зондировании бликов зеркального отражения. К таким характеристикам, в частности, относятся: частота регистрируемых бликов, их длительность и интенсивность. Так в натурных экспериментах на океанографической платформе при загрязнении морской поверхности широко распространенными синтетическими малофосфатными моющими средствами было зафиксировано уменьшение частоты бликов, увеличение их длительности, а также увеличение их интенсивности [3]. Аналогичные, изменения лазерного сигнала при измерениях с борта движущегося судна были зарегистрированы в зоне техногенной аномалии у южного берега Крыма, которая возникла в результате разлива нефти [3]. Отметим, что указанные изменения характеристик лазерных бликов имеют место и при уменьшении скорости ветра.
Прибор предварительно калибруется. Для этого в контролируемых условиях при -разных скоростях ветра регистрируются блики при отражении от чистой поверхности и поверхности с разным уровнем загрязнения.
При реализации предложенного способа контроля загрязнения поверхности открытых водоемов осуществляются следующие операции. Сначала контролируемую поверхность облучают лазером и регистрируют блики зеркального отражения. Одновременно с регистрацией бликов измеряют скорость ветра. Затем по калибровочным кривым определяют, какому уровню загрязнения при измеренной скорости ветра соответствуют зарегистрированные характеристики бликов.
n
Σ
Σ
В приборах для лазерного зондирования водной поверхности блики зеркального отражения регистрируются как последовательность электрических импульсов. Обычно в течение сеанса измерений определяются три параметра: число импульсов (бликов) N; их суммарная длительность  где τ- длительность n-го импульса; интегральная интенсивность  где  - амплитуда импульса; t - время. В промежутках между бликами  По трём регистрируемым параметрам Ν, τ и Ι рассчитывались следующие характеристики: частота бликов F, средняя за сеанс измерений длительность блика τ и средняя интенсивность блика:
Σ
Σ
Σ
F=N/T, τ=τ/Ν, I=I/τ,
которые подвергаются дальнейшему анализу.
Качественно общий вид зависимостей параметров F, τ, I от скорости ветра W показан на фиг. 1-3. Сплошная линия соответствует чистой воде. Штриховые линии соответствуют двум уровням загрязнения, причем уровень 2 больше, чем уровень 1.
Связь между параметрами F, τ, I и скоростью ветра имеет стохастический характер. Поэтому определение уровня загрязнения проводится на основе факторного анализа, в котором в качестве предикторов используются все три параметра бликов.
Для реализации предложенного способа может быть использовано, например, устройство для определения характеристик шероховатой отражающей поверхности [4]. В качестве измерителей скорости ветра можно использовать стандартные гидрометеорологические приборы (например, чашечный ротоанемометр М-25).
Использованные источники:
1. Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and ocean waves.- A Review // Boundary Layer Meteorology/ - 1978, v. 13, № 1-4, p. 61-85.
2. Cox C, Munk W. Statistics of the sea surface derived from the sun glitter // J. Mar. Res. - 1954. - V. 13. N 2. P. 198-227.
3. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е., Фельдман Ю.Р. Лазерная локация топографических неоднородностей на шероховатой морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. - 1993. -№ 6. - С. 64-73 (прототип).
4. Патент РФ на изобретение № 2073203 от 30.06.1992, опубл. в бюл. РФ № 4, 1997 г. "Устройство для определения характеристик шероховатой отражающей поверхности" авторы Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Мищенчук Ю.А., Смолов В.Е.