РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ПЯТЕН НА ВОДЕ

Полезная модель относится к радиолокационным системам обнаружения нефтяных пятен на воде. Радиолокационное обнаружение нефтяных пятен на воде основано на том физическом факте, что рябь на воде, которая, как было теоретически и экспериментально доказано [1, 2], ответственна за отражение СВЧ волн от водной поверхности, изменяет свои характеристики (натяжение поверхностной пленки и высоту) при наличии нефти на поверхности.
В связи с этим при наличии нефти уменьшается эффективная поверхность рассеяния участка водной поверхности, т. е. уменьшается амплитуда отраженного сигнала [3].
Экспериментально было установлено [4], что доплеровские спектры отражений от водной поверхности варьируются в значительных пределах во времени и по дистанции.
При наличии нефтяной пленки уменьшается дисперсия параметров ряби и благодаря этому уменьшается ширина доплеровского спектра сигнала.
Перечисленные факторы используются в предлагаемой полезной модели.
Основным преимуществом радиолокационных систем обнаружения перед оптическими и инфракрасными системами обнаружения является возможность использования радиолокационных систем в темное время суток, а также при дымке и тумане над водной поверхностью.
Наиболее близким аналогом является радиолокационная голландская система обнаружения разливов нефти на воде SeaDarQ Spill Master (TNO Phystes and Electronics Laboratory), в которой используется некогерентная импульсная навигационная РЛС СВЧ диапазона (9 ГТц) кругового обзора (с приводом горизонтального вращения) с направленной антенной размером 2,7 м (ширина диаграммы по азимуту около 1°) и разрешением по дальности 20 м и индикатором на TFT трубке диаметром 19 дюймов. В приемнике используется логарифмический усилитель. Имеется устройство первичной обработки (видеопроцессор) и устройство вторичной обработки, которая судя по краткому описанию может вычислять скорость и направление перемещения нефтяного пятна.
Основными недостатками системы SeaDarQ Spill Master являются: отсутствие доплеровской информации (данных о доплеровских спектрах отраженного сигнала) в связи с некогерентным типом приемопередатчика. Это затрудняет выделение отражений от нефтяного пятна на фоне других отражений; неучет изменений на 20-25 дБ амплитуды отраженного сигнала при изменении скорости ветра. Поэтому сгладить большие изменения амплитуды не удается и выделить амплитудный контраст (нефтяное пятно-чистая вода) весьма затруднительно.
Задачей заявляемой полезной модели является устранение этих недостатков.
Это задача достигается за счет того, что в предлагаемой системе используется когерентный приемопередатчик и блоки, осуществляющие доплеровский анализ отраженных сигналов. В систему также вводится измеритель скорости ветра, и информация о скорости ветра используется при анализе амплитуд и доплеровских спектров отраженных сигналов.
Эти технические решения позволяют значительно уменьшить число ложных тревог, т.к. сигналы, не отвечающие требованиям по ширине доплеровского спектра и по диапазону флюктуаций амплитуды, будут отсеяны в блоках предлагаемого в данной полезной модели устройства обработки сигналов (см. Фиг.1 и Фиг.2).
Краткое описание чертежей
ƒ
ƒ
ƒ
На Фиг.1 показана блок-схема радиолокационной системы обнаружения, где 1 - передатчик, 2 - блок управления, 3 - СВЧ антенна, 4 - устройство первичной обработки сигналов (УПОС), 5 - измеритель скорости ветра, 6 - индикатор, 7 - устройство вторичной обработки сигналов. На Фиг.2 показана блок-схема устройства первичной обработки сигналов, где 8 - усилитель, 9 - АЦП, 10 - блок БПФ, 11 - блок оценки ширины доплеровского спектра ΔS, 12 - узел хранения оценок ΔS, 13 - узел хранения амплитуд, 14 - узел оценки вариации (разброса) амплитуд, 15 - узел оценки вариации ΔS для одной и той же скорости ветра, 16 - селектор ложных тревог, 17 - блок каналов дальности, 18 - блок логической обработки пакета сигналов.
Принцип действия системы
Передатчик (1) (см. Фиг.1) по команде блока управления (2) генерирует когерентный зондирующий сигнал, который через антенну (3) излучается в пространство и отражается от водной поверхности.
Отраженный сигнал принимается приемником (1), сохраняющим когерентность сигнала, и подается в устройство первичной обработки сигналов (УПОС) (4) (см. Фиг.2).
ƒ
ƒ
В УПОС (4) сигнал за счет усилителя (8) усиливается и поступает в АЦП (9) (где оцифровывается в синфазном и квадратурном каналах), после чего передается в блок БПФ (10), где осуществляется стандартная процедура когерентного накопления (на базе быстрого преобразования Фурье) и амплитуда на выходе поступает в блок каналов дальности (17), а фаза - в блок оценки ширины доплеровского спектра ΔS (11). Сигнал с выхода последнего блока поступает в узел хранения оценок ΔS(12), а амплитуда поступает в узел хранения амплитуд (13) (с амплитудного выхода блока БПФ).
ƒ
ƒ
Таким образом, для каждого канала дальности в узлах хранения накапливается информация. В этих узлах хранятся сигналы для каждой скорости ветра («метка» скорости ветра поступает от измерителя скорости ветра (5) через устройство управления системой). С выхода этих узлов сигналы поступают в узел оценки вариации (разброса) амплитуд (14) и узел оценки вариации ΔS (15) для одной и той же скорости ветра, т.е. верхней и нижней границы соответственно размаха амплитуды и параметра ΔS.
Общее время накопления этих сигналов устанавливается блоком управления временем памяти в устройстве управления. Рекомендуется использовать общее время памяти не менее 1 месяца, чтобы охватить различные метеорологические условия, т.е. зафиксировать в памяти отраженные сигналы при различной скорости ветра.
Благодаря такой процедуре фактически формируется адаптивная система обнаружения, учитывающая постоянно меняющуюся информацию об окружающей среде и реагирующая на редкие события - разлив нефтяных загрязнений.
ƒ
Отсеивание ложных тревог (сигналов от незагрязненной водной поверхности) происходит следующим образом. Селектор ложных тревог (16) выполнен в виде двухканального узла (по параметрам амплитуды и ΔS), в каждом из каналов которого имеется пороговая схема, выполняющая функцию схемы сравнения.
ƒ
ƒ
На селектор ложных тревог (16) поступают текущие сигналы и сигналы от блока памяти сигналов от водной поверхности. Текущие сигналы поступают на вход селектора от блока каналов дальности (17) (амплитуда) и от блока оценки ширины доплеровского спектра (11) (параметр ΔS). От блока памяти сигналов на вход селектора (16) поступают сигналы от узла оценки вариации амплитуд (14) и узла оценки вариации параметра ΔS (15). Сигнал, характеризующий нижнюю границу вариации, определяет порог в схеме сравнения (управляет этим порогом). Если поступивший от приемника текущий отраженный сигнал по амплитуде оказывается ниже нижнего порога, то он считается сигналом, отраженным от нефтяного пятна.
ƒ
ƒ
Если ширина доплеровского спектра текущего сигнала оказывается ниже порога, определяемого нижней границей вариации ΔS, то сигнал считается принадлежащим к отражениям от нефтяного пятна. В противном случае сигналы считаются ложными тревогами (т.е. сигналами от незагрязненной водной поверхности) и не поступают на вход блока логической обработки пакета сигналов. Рекомендуется устанавливать величину вариации амплитуды и доплеровского спектра на уровне двух среднеквадратических отклонений изменяющейся величины для амплитуды и параметра ΔS, полагая, что распределение этих величин подчиняется нормальному закону. В блоке логической обработки пакета сигналов (18) логически обрабатываются несколько зондирований (обычно на диаграмму направленности приходится 5-20 зондирований) в результате чего происходит конечная оценка поступивших сигналов, результат которой
передается на индикатор (6) и в устройство вторичной обработки сигналов (7). Устройство управления вырабатывает синхроимпульсы, которые организуют временной порядок работы устройств системы (импульсы запуска, задержки и т.п.).
Источники:
1. Басе Ф.Г., Фукс И.М.
Рассеяние волн на статистически неровной поверхности, М. Наука, 1972 г.
2. Bass F.G., Fuks I.M., Kalmykov A.I. et al.
Very high frequency radio-wave scattering by a disturbed sea surface.
IEEE Trans on Ant. and Prop. 1968. AP-16, p.554.
3. Митник Л.М.
Дистанционное зондирование загрязнений акваторий, Океанология, Обнинск,
Инф. центр, 1977 г.
4. Винокуров В.И., Генкин В.А. И ДР.
Морская радиолокация. Л, Изд-во «Судостроение», 1986 г.
5. Материалы по радару SeaDarQ (Информация Института Океанологии РАН РФ).