КОМПЛЕКС ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ РАЗЛИВОВ НЕФТИ ИЛИ НЕФТЕПРОДУКТОВ
COMPLEX OF TECHNICAL FACILITIES TO DETECT AND MEASURE SPILLS OF OIL OR OIL PRODUCTS

Изобретение относится к технике экологического контроля и может быть использовано в качестве бортового воздушного комплекса дистанционного обнаружения и измерения разливов нефти или нефтепродуктов.
Известен радиотехнический комплекс, применяемый фирмой OSIS Interational, Дания [Заявка на изобретение №2005137406/09 от 15.06.2004, опубликована 10.08.2006, Бюллетень №22] для обнаружения и измерения параметров разливов нефти и нефтепродуктов с нефтяной платформы или борта судна.
Данный комплекс содержит радиометрический СВЧ измеритель и дополнительный дистанционный датчик. В качестве дополнительного датчика может использоваться одно из устройств: инфракрасный/ультрафиолетовый датчик, лидар, радиолокатор.
Выходные сигналы датчиков обрабатываются в анализаторе данных.
Указанный комплекс имеет возможность установки в диапазоне высот над уровнем моря от 10 до 300 метров, а также осуществлять азимутальный обзор пространства.
Определение толщины обнаруженного нефтеразлива осуществляется радиометрическим СВЧ датчиком в диапазоне толщин 0,5-1,6 мм.
Комбинированное использование радиометрического СВЧ датчика совместно с дополнительным датчиком позволяет обеспечить высокую обнаруживаемость нефти с помощью данного комплекса.
Основным недостатком такого комплекса является ограниченность области мониторинга, осуществляемого им. Максимальный радиус обзора подстилающего пространства с его помощью составляет величину порядка 1,6 Н и определяется высотой подъема Н комплекса и ориентацией его антенн относительно поверхности моря. Кроме того, даже при размещении комплекса на судне полное картографирование области разлива при площади в несколько квадратных километров с определением объема разлитой нефти из-за ограниченности дальности его действия невозможно.
Задачей предлагаемого изобретения является реализация бортового воздушного комплекса технических средств обнаружения и измерения разливов нефти или нефтепродуктов на поверхности воды, лишенного указанных недостатков.
Для достижения этого технического результата в комплексе технических средств обнаружения и измерения разливов нефти или нефтепродуктов, выполненном с возможностью установки аппаратуры на общей платформе и содержащем радиометрический СВЧ датчик для обнаружения разливов нефти и нефтепродуктов на водной поверхности, дополнительный дистанционный датчик, предназначенный для обнаружения наличия нефти или нефтепродуктов, и анализатор данных для приема входных данных от указанных датчиков, в качестве платформы используется воздушный носитель, причем радиометрический СВЧ датчик состоит из стационарного двухчастотного двухполяризационного СВЧ приемного устройства, в состав которого входит сканирующее совмещенное двухчастотное двухполяризационное антенное устройство и два двухполяризационных радиометрических СВЧ приемника соответствующих диапазонов, и контроллера для управления функциональными частями радиометрического СВЧ датчика и анализа входных данных от первого и второго радиометрических СВЧ приемников, при этом двухчастотное двухполяризационное СВЧ приемное устройство расположено на воздушном носителе таким образом, чтобы сканирование лучом его антенного устройства осуществлялось поперек направления полета носителя, в то время как угол между подстилающей поверхностью, над которой пролетает носитель, и осью луча антенного устройства при ее совпадении с вертикальной к подстилающей поверхности плоскостью, проходящей через направление оси полета, составлял 35 градусов, а дополнительный дистанционный пассивный датчик, содержащий третье радиометрическое приемное устройство инфракрасного диапазона и телевизионную камеру, соединенные со вторым контроллером и совмещенные таким образом, чтобы их поля зрения на подстилающей поверхности совпадали, выполнен с возможностью вращения вокруг вертикальной оси для обзора зоны обнаружения по азимуту и изменения ориентации относительно горизонтальной плоскости для этой же цели и размещен в носителе таким образом, чтобы его поле зрения перекрывало зону обзора подстилающей поверхности радиометрическим СВЧ датчиком при совмещении их центров, при этом выходы первого и второго контроллеров, а также приемника GPS, расположенного на платформе, соединены с входами анализатора данных, полученных от обоих датчиков по признакам географической привязки полей зрения, формирующего информационное сообщение, содержащее результаты контроля и дополнительную информацию, включающую данные временной и географической привязки и условий навигации носителя.
Признаки, отличающие предлагаемый бортовой воздушный комплекс технических средств обнаружения и измерения разливов нефти или нефтепродуктов от прототипа, - использование в качестве платформы для комплекса воздушного носителя, использование в радиометрическом СВЧ датчике вертикальной и горизонтальной поляризаций принимаемого излучения, обеспечивающих выделение необходимых для вычисления толщины слоя сигналов, использование сканирующего совмещенного двухчастотного двухполяризационного антенного устройства, обеспечивающего строчную развертку просматриваемого кадра на подстилающей поверхности, применение дополнительного пассивного радиометрического датчика инфракрасного диапазона, совмещенного с телевизионной камерой таким образом, чтобы поля зрения их на подстилающей поверхности совпадали, причем их выходные сигналы поступают в контроллер пассивного датчика, имеющего возможность вращения вокруг вертикальной оси для обзора зоны обнаружения по азимуту и изменения ориентации относительно горизонтальной плоскости для этой же цели и расположенного в носителе так образом, чтобы его поле зрения перекрывало зону обзора подстилающей поверхности радиометрическим датчиком при совмещении их центров, что позволяет производить независимый обзор подстилающей поверхности в пределах нижней полусферы и производить комплексную многочастотную съемку просматриваемого кадра, а также применение приемника GPS, позволяющего дополнить формирующееся анализатором информационное сообщение данными временной и географической привязки носителя.
На чертеже представлена структурная схема заявляемого устройства, где обозначено: 1 - радиометрический СВЧ датчик, 2 - двухчастотное двухполяризационное СВЧ приемное устройство, 3 - совмещенное двухчастотное двухполяризационное антенное устройство, 4 - радиометрический приемник первого диапазона, 5 - радиометрический приемник второго диапазона, 6 - контроллер, 7 - дополнительный пассивный датчик, 8 - радиометрическое приемное устройство инфракрасного диапазона, 9 - телевизионная камера, 10 - контроллер, 11 - приемник GPS, 12 - анализатор данных.
Бортовой воздушный комплекс технических средств обнаружения и измерения разливов нефти или нефтепродуктов содержит радиометрический СВЧ датчик 1 для обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов, дополнительный пассивный датчик 7, приемник GPS 11 и анализатор данных 12. Радиометрический СВЧ датчик 1 состоит из расположенного стационарно двухчастотного двухполяризационного СВЧ приемного устройства 2, в состав которого входит совмещенное двухчастотное двухполяризационное антенное устройство 3 и радиометрические приемники 4 и 5 соответствующих диапазонов, и контроллера 6. Дополнительный пассивный датчик 7 объединяет в единую конструкцию радиометрическое приемное устройство инфракрасного диапазона 8 и телевизионную камеру 9. В состав датчика 7 входит также контроллер 10. Выходы контроллеров 6, 10 и приемника GPS 11 соединены с анализатором данных 12.
Двухчастотное двухполяризационное СВЧ приемное устройство 2 расположено на воздушном носителе, служащем общей платформой аппаратуры комплекса, таким образом, чтобы сканирование лучом его антенного устройства 3 осуществлялось поперек направления полета носителя, а угол между подстилающей поверхностью, над которой пролетает носитель, и осью луча антенного устройства при ее совпадении с вертикальной к подстилающей поверхности плоскостью, проходящей через направление оси полета, составлял 35 градусов.
Бортовой воздушный комплекс технических средств обнаружения и измерения разливов нефти или нефтепродуктов функционирует следующим образом.
После выхода носителя, на котором установлен бортовой воздушный комплекс технических средств обнаружения и измерения разливов нефти или нефтепродуктов, на маршрут патрулирования радиометрический СВЧ датчик 1, являющийся основным средством количественного определения параметров нефтеразлива, включается в режим текущего просмотра подстилающей поверхности вдоль пути следования в полосе сканирования его луча.
Работа радиометрического СВЧ датчика 1 основана на измерении поляризационно-разностных радиояркостных контрастов радиотеплового излучения слоя нефти на водной поверхности в миллиметровом диапазоне длин волн.
В зависимости от ориентации луча сканирующего антенного устройства 3 тепловое излучение неба, отраженное от различных участков границ раздела «воздух-вода», «воздух-нефть» и «нефть-вода», поступает на радиометрические приемники 4 и 5 соответствующего диапазона, где производится выделение полезного сигнала.
Сигналы от радиометрических приемников поступают на контроллер 6, где они подвергаются обработке по заданному алгоритму, основанному на использовании свойства нефти, у которой при углах падения излучения по углу места, равных 35 градусов, и при 0 градусов по крену значения коэффициента отражения волн вертикальной поляризации для водной и нефтяной поверхностей равны [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].
Алгоритм обработки радиометрической информации основан на известном [Громов Н.Н., Писарев О.В., Шавин П.Б. Дистанционный контроль загрязнений водоемов при разливах нефтепродуктов. Газовая промышленность, №13, 62-64, 2000] графоаналитическом способе определения толщины слоя нефти на водной поверхности при априорных сведениях о типе нефтепродукта и физической температуре воды, по которым в контроллере 6 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.
В это же время дополнительный пассивный датчик 7, представляющий собой единую конструкцию радиометрического приемного устройства инфракрасного диапазона 8 и телевизионной камеры 9 работает в режиме кругового обзора пространства по азимуту с целью выявления очагов нефтеразлива по их тепловому и визуальному проявлению.
Работа радиометрического датчика ИК диапазона 8 также основана на измерении радиояркостных контрастов радиотеплового излучения водной поверхности.
При этом получаемые от радиометрического приемного устройства инфракрасного диапазона 8 и телевизионной камеры 9 сигналы поступают на контроллер 10, где производится визуализация полученных результатов.
В случае обнаружения предполагаемого разлива с помощью дополнительного датчика 7 в стороне от маршрута носитель изменяет маршрут так, чтобы он проходил через него. При этом производится совмещение поля зрения датчика 8 с зоной обзора подстилающей поверхности радиометрическим СВЧ датчиком 1 за счет установки в определенное угловое статическое положение единого конструктива радиометрического приемного устройства инфракрасного диапазона 8 и телевизионной камеры 9, что позволяет производить комплексную многочастотную съемку просматриваемого кадра.
В случае подтверждения наличия нефтеразлива радиометрическим СВЧ датчиком 1 его переводят в режим измерения, уменьшая при этом скорость и высоту полета носителя и частоту сканирования совмещенного антенного устройства 3. После чего по описанной выше процедуре проводится снятие картины тепловых контрастов в СВЧ диапазоне, которые пересчитываются контроллером 6 в поле толщин. Границы пятна определяются при этом с точностью до половины проекции ширины диаграммы направленности на водную поверхность. Уточнение границ пятна производится в анализаторе данных 12 наложением тепловой и визуальной картин, полученных в контроллере 10, на кадр, сформированный в контроллере 6.
Аналогичным образом осуществляется функционирование комплекса при обнаружении очага радиометрическим датчиком 1 во время прохождения по маршруту.
Полученные вышеописанным образом обобщенные результаты в анализаторе данных 12 дополняются данными временной и географической привязки и условий навигации носителя, полученными от приемника GPS, после чего могут быть предоставлены потребителю по любому каналу связи.
Предлагаемый бортовой воздушный комплекс технических средств обнаружения и измерения разливов нефти или нефтепродуктов реализован с использованием радиометрического СВЧ датчика, работающего на частотах 34 ГГц и 12,2 ГГц соответственно и совмещенного на базе гиростабилизированной платформы датчика инфракрасных и телевизионных сигналов..
Комплекс обеспечивает обнаружение нефтеразливов на водной поверхности от толщин 0,2 мм и измерение толщины слоя нефти на поверхности воды в диапазоне 0,4-8,0 мм при температурах окружающей среды от минус 20°C до плюс 50°C, а также обнаружение экологических эксцессов, например подповерхностных (торфяных) пожаров на земной поверхности.