ПЕРЕНОСНОЙ ДИСТАНЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ НЕФТИ, РАЗЛИТОЙ НА ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
PORTABLE REMOTE MEASURING DEVICE FOR PARAMETERS OF OIL LAYER SPILLED ON WATER SURFACE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве переносного дистанционного измерителя толщины слоя нефти на поверхности воды.
Известен переносной радиометрический измеритель толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности [1, 2], предназначенный для определения толщины слоя нефти разливов на поверхности воды.
Он представляет собой двухблочное устройство, включающее непосредственно блок измерителя и блок питания. Блок измерителя содержит в общем корпусе два жестко размещенных на единой несущей конструкции радиометрических приемника СВЧ-диапазона, работающих на частотах, соответствующих окнам прозрачности атмосферы, и включающих в себя, каждый, антенну, переключатель поляризаций, высокочастотный блок с синхронным детектором и соответствующие схемы управления, раскрывы антенн при этом расположены на передней панели корпуса, жестко связанный с несущей конструкцией двухкоординатный инклинометр, вычислитель и дисплей, расположенный снаружи на боковой панели корпуса, причем выходы радиометрических приемников СВЧ-диапазона и инклинометра соединены с вычислителем, который определяет на основе измерений в соответствии с выбранным алгоритмом толщину слоя нефти.
Работа измерителя основана на свойстве зависимости яркостной температуры слоя нефти от его толщины, являющимся результатом интерференции отраженного теплового излучения неба от границ раздела «воздух-нефть» и «нефть-вода».
Одним из недостатков известного измерителя, выбранного в качестве прототипа, является то, что необходимые для проведения вычисления по выбранному алгоритму толщины слоя нефти на водной поверхности значения температуры подстилающей среды определяются непосредственным измерением с помощью спиртового термометра, входящего в комплект поставки измерителя. В результате полученные данные вводятся вручную в измеритель, а сам термометр требует очистки от нефтяного загрязнения.
Следующим недостатком является то, что наведение измерителя на зону, для которой определяется толщина слоя нефти, осуществляется по верхней продольной кромке корпуса с примерным учетом высоты нахождения его над уровнем водной поверхности, что не исключает захвата диаграммами направленности антенн радиометрических приемников СВЧ-диапазона береговой кромки и элементов растительности, вызывающего искажение принимаемого сигнала и, как следствие, получение неправильных результатов.
Кроме того, возможность захвата посторонних предметов диаграммами направленности антенн радиометрических приемников СВЧ-диапазона при отсутствии независимого контроля за действиями оператора способствует умышленному искажению результатов измерений.
Существенным недостатком аналога также является отсутствие привязки результатов измерений к конкретным географическим координатам и, как следствие, невозможность при осуществлении измерений по замкнутому контуру расчета площади разлива и его объема.
К недостаткам измерителя можно также отнести и отсутствие возможности передачи полученной информации потребителю непосредственно с места проведения контрольных измерений.
Учитывая, что измеритель конструктивно выполнен в двухблочном исполнении, необходимо также отметить, что это вызывает затруднение при выполнении работ на лесоболотной местности и в сумеречное время суток.
Задачей предлагаемого изобретения является реализация переносного дистанционного измерителя толщины слоя нефти на поверхности воды, лишенного указанных недостатков.
Для достижения этого технического результата в переносной дистанционный измеритель параметров слоя нефти, разлитой на водной поверхности, содержащий в общем корпусе два жестко размещенных на единой несущей конструкции радиометрических приемника СВЧ-диапазона, работающих на частотах, соответствующих окнам прозрачности атмосферы, включающих, каждый, в себя антенну, переключатель поляризаций, высокочастотный блок с синхронным детектором и соответствующие схемы управления, раскрывы антенн которых расположены на передней панели корпуса, жестко связанный с несущей конструкцией двухкоординатный инклинометр, выходы радиометрических приемников СВЧ-диапазона и инклинометра соединены с вычислителем, для определения на основе измерений в соответствии с выбранным алгоритмом параметров слоя нефти, и дисплей, расположенный снаружи на боковой панели корпуса, причем питание измерителя осуществляется от аккумуляторной батареи, дополнительно введены радиометрический приемник ИК-диапазона и видеокамера, поля зрения которых покрывают область зон измерения радиометрических приемников СВЧ-диапазона на слое нефти, разлитой на водной поверхности, при этом зоны измерения радиометрических приемников СВЧ-диапазона вложены за счет их соответствующего размещения на несущей конструкции одна в другую таким образом, что зона измерения параметров более высокочастотного приемника полностью расположена внутри зоны измерения относительно низкочастотного приемника, при размещении измерителя на определенной высоте над водной поверхностью с ориентацией относительно горизонта под определенными углами в соответствии с выбранным алгоритмом обработки, при этом объективы радиометрического приемника ИК-диапазона и видеокамеры установлены на передней панели корпуса, а выходы радиометрического приемник ИК-диапазона и видеокамеры соединены с вычислителем, в состав которого дополнительно введены GSM-модем и GPS-приемник, совмещенная или раздельные антенны которых расположены на верхней панели корпуса измерителя, кроме того, на передней панели измерителя установлен прожектор оптического диапазона, при этом аккумуляторная батарея размещена внутри корпуса.
Признаки, отличающие предлагаемый измеритель от прототипа, - наличие дополнительно введенных радиометрического приемника ИК-диапазона и видеокамеры, поля зрения которых покрывают область зон измерения радиометрических приемников СВЧ-диапазона на слое нефти, разлитой на водной поверхности, при условии, что зоны измерения радиометрических приемников СВЧ-диапазона вложены за счет их соответствующего размещения на несущей конструкции одна в другую таким образом, что зона измерения параметров более высокочастотного приемника полностью расположена внутри зоны измерения относительно низкочастотного приемника, при размещении измерителя на определенной высоте над водной поверхностью с ориентацией относительно горизонта под определенными углами в соответствии с выбранным алгоритмом обработки, при этом объективы радиометрического приемника ИК-диапазона и видеокамеры установлены на передней панели корпуса, а выходы радиометрического приемник ИК-диапазона и видеокамеры соединены с вычислителем, в состав которого дополнительно введены GSM-модем и GPS-приемник, совмещенная или раздельные антенны которых расположены на верхней панели корпуса измерителя, кроме того, на передней панели измерителя установлен прожектор оптического диапазона, а внутри корпуса аккумулятор.
На фигуре представлена структурная схема заявляемого устройства, где обозначено: 1 (2) первый (второй) радиометрический приемник СВЧ-диапазона, 3/1 (3/2) - антенна первого (второго) радиометрического приемника СВЧ-диапазона; 4/1 (4/2) - переключатель поляризаций первого (второго) радиометрического приемника СВЧ-диапазона; 5/1 (5/2) - высокочастотный блок с синхронным детектором первого (второго) радиометрического приемника СВЧ-диапазона; 6/1 (6/2) - схема управления высокочастотного блока с синхронным детектором первого (второго) радиометрического приемника СВЧ-диапазона; 7 - двухкоординатный инклинометр; 8 - радиометрический приемник ИК-диапазона; 9 - видеокамера; 10 - прожектор оптического диапазона; 11 - аккумуляторная батарея, 12 - вычислитель; 13 - встроенный GPS-приемник; 14 - встроенный GSM-модем; 15 - корпус; 16 - дисплей; 17 - антенна встроенного GPS-приемника; 18 - антенна встроенного GSM-модема.
Измеритель содержит в корпусе 15 два радиометрических приемника СВЧ-диапазона 1 и 2, в каждом из которых последовательно включены коническая рупорная антенна 3, переключатель поляризации 4, высокочастотный блок с синхронным детектором 5, работа которых регулируется схемой управления 6, двухкоординатный инклинометр 7, радиометрический приемник ИК-диапазона 8, видеокамеру 9, прожектор оптического диапазона 10, вычислитель 12 со встроенными GPS-приемником 13 и GSM-модемом 14, а также аккумуляторная батарея 11, питающая все перечисленные устройства. Снаружи корпуса 15 находится откидная панель с дисплеем 16, отображающим результаты измерений, и клавиатурой для управления прибором вручную. Кроме того, на корпусе располагаются антенны 17 и 18 встроенных GPS-приемника 13 и GSM-модема 14 соответственно, которые могут быть заменены совмещенной антенной.
Оба радиометрических приемника СВЧ-диапазона 1 и 2, двухкоординатный инклинометр 7, вычислитель 12 и аккумуляторная батарея 11 имеют жесткую связь с базовой несущей конструкцией, причем зоны измерения радиометрических приемников СВЧ-диапазона вложены за счет их соответствующего размещения на несущей конструкции одна в другую таким образом, что зона измерения параметров более высокочастотного приемника полностью расположена внутри зоны измерения относительно низкочастотного приемника, при размещении измерителя на определенной высоте, например на плече оператора, над водной поверхностью с ориентацией относительно горизонта под определенными углами в соответствии с выбранным алгоритмом обработки.
При этом объективы радиометрического приемника ИК-диапазона 8 и видеокамеры 9 установлены на передней панели корпуса таким образом, что их поля зрения покрывают область зон измерения радиометрических приемников СВЧ-диапазона на слое нефти, разлитой на водной поверхности.
Кроме того, на передней панели измерителя установлен прожектор оптического диапазона 10.
Выходы радиометрических приемников СВЧ-диапазона 1 и 2, двухкоординатного инклинометра 7, радиометрического приемника ИК-диапазона 8 и видеокамеры 9 соединены с вычислителем 12, который также соединен с управляющими входами схем управления 6, радиометрического приемника ИК-диапазона 8 и видеокамеры 9.
Измеритель работает следующим образом.
В соответствии с выбранным алгоритмом обработки измеритель ориентируется под определенными углами места и крена относительно горизонта, определяемым двухкоординатным инклинометром 7, причем с помощью отображаемого на экране дисплея 16 изображения местности, фиксируемого видеокамерой 9, осуществляется наведение его на точку измерения.
Тепловое излучение неба, отраженное от границ раздела «воздух-нефть» и «нефть-вода», принимается рупорными коническими антеннами 3.
В зависимости от положения управляемого вычислителем 12 переключателя поляризации 4 в каждом радиометрическом приемнике СВЧ-диапазона 1 и 2 излучение вертикальной и горизонтальной поляризации поступает на соответствующее высокочастотное устройство с синхронным детектором 5, где производится выделение полезного сигнала.
Сигналы от радиометрических приемников СВЧ-диапазона 1 и 2, а также от радиометрического приемника ИК-диапазона 8, измеряющего температуру водной среды, поступают в вычислитель 12.
Одновременно с процедурой измерения толщины слоя нефти GPS приемником 13, принимающим сигналы от спутников с помощью антенны 17, определяются географические координаты места проведения измерений, которые передаются в вычислитель 12.
Сигналы от радиометрических приемников СВЧ-диапазона 1 и 2, поступившие на вычислитель 12, подвергаются обработке по заданному алгоритму, основанному на использовании свойства нефти, у которой при углах падения излучения относительно горизонта, равных 35 градусов по углу места и при 0 градусов по крену значения коэффициента отражения волн вертикальной поляризации для водной и нефтяной поверхностей равны [3].
Алгоритм обработки радиометрической информации основан на известном [4] графоаналитическом способе определения толщины слоя нефти на водной поверхности при априорных сведениях о типе нефтепродукта и физической температуре воды, по которым в вычислителе 12 производится теоретический расчет коэффициентов отражения от измеряемого слоя во всем диапазоне его толщин на обеих поляризациях с последующим определением отношения излучательных способностей во всем диапазоне измерений. По измеренным сигналам находится отношение излучательных способностей слоя нефти на обеих поляризациях, которое сравнивается с теоретическими значениями на расчетной кривой. При совпадении результатов в пределах погрешностей измерителя принимается решение о толщине слоя. Причем в алгоритме учитывается истинное угловое положение измерителя, фиксируемое двухкоординатным инклинометром 7.
Результаты измерения отображаются на экране дисплея 16.
После определения значения толщины слоя нефти в вычислителе 12 формируется сообщение, содержащее величину толщины слоя нефти, географические координаты точки измерения и видеоизображение этого места, которое с помощью GSM-модема 14 через антенну 18 передается потребителю информации.
В случае проведения измерений с определенным шагом по замкнутому контуру вокруг места разлива в вычислителе 12 производится определение площади разлива и его объема, данные о которых также включаются в сообщение.
Мониторинг нефтеразливов с помощью измерителя осуществляется в любое время суток, в частности в сумеречное и темное время суток зона измерения подсвечивается прожектором оптического диапазона 10, например светодиодным.
Предлагаемый измеритель реализован в носимом варианте по схеме двухчастотного одноблочного устройства.
При выбранном алгоритме рабочим угловым положением прибора является 35 и 0 градусов относительно горизонта по углу места и по крену соответственно.
Измеритель обеспечивает определение толщины слоя нефти на поверхности воды в диапазоне 0,2-12,0 мм при температурах окружающей среды от минус 20°С до плюс 50°С.
Литература
1. Патент РФ №2227897 от 20.07.2001 г. Измеритель толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности.
2. В.П.Бирульчик, А.Ю.Рынин, М.Н.Советкин. Переносной радиометрический измеритель для определения объемов нефтяных загрязнений водных акваторий. Современные технологии автоматизации. №2, 2003, 52-59.
3. Ron Goodman, Hugh Brown, Jason Bittner. The measurement of the thickness of oil on water. Proceedings of the Fourth International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments. Orlando, Florida. 17-19 March 1997, vol. 1, p.1-31-1-40.
4. Громов Н.Н., Писарев О.В., Шавин П.Б. Дистанционный контроль загрязнений водоемов при разливах нефтепродуктов. Газовая промышленность. №13, 2000, 62-64.