СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ НЕФТЬЮ ИЛИ ДРУГИМИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
RADAR DETERMINATION OF SEA WATER SURFACE CONTAMINATION WITH OIL OR OTHER SURFACTANTS

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля загрязнения поверхности открытых водоемов при проведении экологических и природоохранных мероприятий.
В настоящее время для оперативного контроля состояния окружающей среды все более широко применяется радиолокационное зондирование. Достоинством такого метода обнаружения загрязнения акватории является его независимость от погодных условий и времени суток, возможность широкого обзора водной поверхности на больших дальностях и с высокой пространственной и радиометрической разрешающей способностью.
Поле короткопериодных поверхностных волн океана чувствительно к таким факторам, как ветер, внутренние волны, течение, стратификация атмосферного пограничного слоя, апвеллинг, концентрация поверхностно-активных веществ (как биогенных, так и техногенных) и т.д. [1]. Изменение характеристик поля короткопериодных поверхностных волн создает принципиальную возможность дистанционного мониторинга процессов, протекающих в пограничных слоях атмосферы и океана и на границе раздела вода-воздух.
При попадании на морскую поверхность нефти или других поверхностно-активных веществ меняется величина поверхностного натяжения; как следствие этого - частично или полностью подавляются коротковолновые составляющие поля ветровых волн [1]. На поверхности образуется область (так называемый "слик"), где уровень шероховатости значительно ниже, чем вне ее. Одной из основных трудностей обнаружения нефтяных разливов или других загрязнений морской поверхности является выделение создаваемых этими поверхностно-активными веществами изменений структуры рельефа поверхности на фоне ее естественных неоднородностей.
К изменению уровня спектральной плотности в коротковолновой области спектра поверхностных волн могут приводить, в основном, три фактора: это флуктуации скорости приводного ветра, вариации скорости и направления поверхностного течения и изменение величины поверхностного натяжения. Слики, обусловленные снижением скорости ветра ниже определенного порога (так называемые "штилевые слики"), легко идентифицируются по их конфигурации и динамике перемещений. Признаком, разделяющим слики на созданные течением или изменением поверхностного натяжения, может служить различие в трансформации поверхностных волн разной длины. Изменение соотношения энергии волн в зонах слика и ряби будет по-разному меняться с изменением длины волны в зависимости от того, каким физическим механизмом создан слик. Сравнение изменений спектра поверхностных волн позволяет распознавать слики, обусловленные загрязнением исследуемой акватории, например, разливом нефти.
Известен способ обнаружения нефтяного загрязнения морской поверхности по изменению уровня радиолокационного сигнала [2]. Исследуемую поверхность акватории облучают на одной длине радиоволны и определяют изменение уровня рассеянного назад излучения. По зарегистрированному изменению уровня отраженного радиосигнала в зоне слик-рябь судят о наличии загрязнения. Общим существенным признаком аналога и заявленного изобретения является радиозондирование морской поверхности под углами, при которых основным физическим механизмом, формирующим регистрируемый сигнал, является брегговское рассеяние.
Принцип, лежащий в основе способа-аналога, определяет его недостаток - один и тот же контраст может быть обусловлен как загрязнением, так и динамическими процессами, протекающими в верхнем слое моря и пограничном слое атмосферы, поэтому сложно разделить слики на созданные естественными и пи искусственными механизмами разной физической природы, что снижает возможность обнаружения загрязнения акватории поверхностно-активными веществами.
В качестве прототипа выбран наиболее близкий к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков способ обнаружения нефтяных разливов на морской поверхности путем регистрации рассеянного радиосигнала при радиозондировании поверхности на нескольких длинах волн [3]. Согласно прототипу, регистрируя одновременно изображения поверхности на разных длинах радиоволн, получают информацию о трансформации поверхностных ветровых волн разных масштабов. Поскольку действия разных физических механизмов по-разному трансформируют спектр поверхностных волн, сравнение полученных радиолокационных изображений позволяет выделять слики, обусловленные загрязнением - нефтяными пятнами. Таким образом, в прототипе получено принципиальное решение проблемы выделения загрязнений морской поверхности поверхностно-активными веществами на фоне неоднородностей, созданных другими физическими механизмами.
Такие признаки прототипа, как одновременное облучение контролируемой поверхности радиоволнами разной длины одного типа поляризации под одним и тем же утлом, при котором рассеяние радиоизлучения назад носит резонансный характер, регистрирование этих сигналов на одной и той же поляризации, вычисление по полученным сигналам значений спектра поверхностных волн на длине резонансной волны и определение загрязнения по характеру изменений в пространстве спектра поверхностных волн, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения.
Недостатком прототипа является следующее. Радиолокационные изображения формируются, в том числе, и под влиянием длинных, по сравнению с брегговскими компонентами, поверхностных волн. Однако в прототипе при расчете значений спектра поверхностных волн и анализе его трансформации не учитывается вклад этих длинных волн в создание этих изображений, что обусловливает погрешности определения загрязнения.
В основу изобретения поставлена задача создания способа радиолокационного обнаружения нефтяных разливов или других загрязнений моря поверхностно-активными веществами, в котором за счет признаков, характеризующих особенности формирования радиолокационных изображений и оценки трансформации спектра поверхностных волн, обеспечивается технический результат изобретения - возможность учитывать влияние длинных волн на характер брегговского рассеяния, что позволяет более точно определить изменения в пространстве спектра поверхностных волн. Указанный технический результат повышает достоверность определения загрязнения.
Поставленная задача решается тем, что в способе радиолокационного определения загрязнения морской поверхности нефтью или другими поверхностно-активными веществами, который заключается в том, что контролируемую область морской поверхности облучают одновременно радиоволнами разной длины одного типа поляризации под одним и тем же углом падения, при котором рассеяние назад радиоизлучения носит резонансный характер, регистрируют эти сигналы на одной и той же поляризации, по ним вычисляют значения спектра поверхностных волн на длине резонансной волны и по характеру изменений в пространстве спектра поверхностных волн судят о загрязнении, новым является то, что одновременно с облучением под указанным заданным утлом эту контролируемую область морской поверхности дополнительно облучают, причем одновременно, радиоволнами разной длины в надир, регистрируют отраженные назад сигналы и по ним определяют дисперсию уклонов морской поверхности, создаваемых волнами разной длины, при этом вычисление значений спектра поверхностных волн осуществляют с учетом полученной дисперсии уклонов морской поверхности.
Сущность способа поясняется следующим.
При углах падения, превышающих 20-25°, рассеяние радиоволн на морской поверхности носит резонансный характер и описывается в рамках метода малых возмущений. В нулевом приближении, когда резонансные (брегговские) составляющие поля поверхностных волн распространяются по плоской поверхности, сечение обратного рассеяния можно представить в виде
где  и К - волновые числа соответственно поверхностных и рассеянных в обратном направлении радиоволн;
- угол падения;
α - азимутальный угол;
- функция утла зондирования, определяемая типом поляризации p;
- спектр возвышения морской поверхности. Условие резонанса, связывающее  и К, имеет вид
p
Присутствие длинных волн приводит к тому, что брегговские составляющие распространяются по криволинейной поверхности. Это, в свою очередь, приводит к изменению локального утла падения радиоволн. Как следствие, меняется функция утла зондирования G длина брегговской составляющей.
Для того, чтобы учесть влияние длинных волн, выражение (1) необходимо осреднить по всему диапазону создаваемых ими углов наклонов морской поверхности. Введем обозначение  - угол наклона морской поверхности в направлении падения радиоволн, создаваемого длинными волнами. Тогда
где  - плотность вероятностей углов наклонов в направлении падения радиоволны.
Чтобы осуществить процедуру осреднения соотношения (3), разложим выражение для сечения обратного рассеяния  в ряд Тейлора в окрестности утла падения θ и удержим первые три члена разложения:
Подставив выражение (4) в выражение (3), учитывая, что  получаем следующее приближение для брегговского рассеяния радиоволн:
Из выражения (5) следует, что для того, чтобы учесть влияние длинных волн (по сравнению с брегговскими компонентами) на величину сечения обратного рассеяния, необходимо знать дисперсию углов наклонов морской поверхности.
Определить искомый параметр можно следующим образом. При зондировании в надир регистрируемый сигнал определяется механизмом зеркального отражения. В этом случае величина сечения обратного рассеяния  определяется выражением
где  - коэффициент Френеля;
- двумерная плотность вероятностей уклонов морской поверхности.
Аппроксимируя плотность вероятностей уклонов морской поверхности распределением Гаусса, и полагая, что поле коротких поверхностных волн является изотропным [4], получаем выражение
2
где s - дисперсия уклонов.
Выражения (6) и (7) позволяют определить дисперсию уклонов по данным радиозондирования в надир.
Зеркальное отражение формируют поверхностные волны, имеющие длину, в три и более раз превышающую длину отраженной радиоволны [5]. Таким образом, осуществляя зондирование в надир на разных длинах волн, мы можем определить дисперсию уклонов, формируемых волнами разных масштабов. Теперь необходимо перейти от уклонов  к углам наклонов  морской поверхности. Между собой эти параметры связаны соотношением
соответственно их плотности вероятностей соотносятся как
Если уклоны морской поверхности подчиняются распределению Гаусса, то
Определив по данным зондирования в надир дисперсию уклонов с помощью выражения (7) и подставив её значения в соотношение (10), получаем дисперсию углов наклонов.
Для реалюации предложенного способа необходимы два комплекта радиоаппаратуры, позволяющей осуществлять зондирование морской поверхности на нескольких длинах волн. В качестве такой аппаратуры может "быть использован, например, описанный в работе [6] мультичастотный радар типа HELISCAT, с помощью которого проводились эксперименты с летательных аппаратов. В последние годы в практику дистанционных исследований началось внедрение радиолокационных станций, осуществляющих зондирование сигналами с широкой полосой частот [7]. Две подобные радиолокационные станции также могут быть использованы для реализации предложенного способа.
Операции способа проводят следующим образом.
Радиолокационные станции; одна из которых работает как альтиметр, т.е. осуществляет зондирование в надир, а вторая - как скаттерометр, т.е. осуществляет зондирование под утлом, при котором регистрируемый сигнал определяет брегговский механизм рассеяния, размещаются на двух вертолетах. Мультичастотная радиолокационная станция, являющаяся скаттерометром, по всем каналам излучает сигнал одной и той же поляризации, а также регистрирует сигнал одной тои же поляризации.
Вертолеты маневрируют так, что установленные на них радиолокационные станции одновременно облучают радиоволнами разной длины одну и ту же контролируемую область морской поверхности. По данным радиолокационной станции, работающей как альтиметр, определяют дисперсию уклонов морской поверхности, создаваемых волнами разных масштабов. По зарегистрированным скаттерометром сигналам и с учетом полученной дисперсии уклонов морской поверхности вычисляют, используя известные математические соотношения (1)-(5), значения спектра поверхностных волн на длине резонансной волны. Анализируют изменение в пространстве спектра поверхностных волн и по характеру этих изменений делают заключение о загрязнении исследуемой акватории поверхностно-активным веществом.
Использованные источники:
1. Монин А.С, Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. -375 с.
2. Iоmbardini, P. P., Fiscella, В., Trivero, Р., Сарра, С, and Garrett, W. D. Modulation of the spectra of short gravity waves by sea surface films: slick detection and characterization with a microwave probe // Journal of Atmosphere and Ocean Technology. - 1989. - № 6. - P. 883-890.
3. Запевалов A.C., Ролик H.H. Обнаружение нефтяных пятен на морской поверхности средствами дистанционного зондирования в радиодиапазоне // Сб. научных трудов СВМИ им. П.С. Нахимова - Севастополь: СВМИ. - 2007. -№ ЦП),.с. 150-151-прототип.
4. Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and ocean waves.- A Review // Boundary Layer Meteorology. - 1978. - Vol. 13, № 1-4, p. 61-85.
5. Kudryavtsev V.N., Hauser D., Caudal G., Chapron B.A. A semi-empirical model of the normalized radar cross-section of the sea surface. 1 Background model // J. Geophys. Res. - 2002. - Vol. 107, № 0, XXXX, doi: 10.1029/2001JC001003.
6. Wismann V., Gade M., Alpers W., Huehnerfuss H. Radar signatures of marine mineral oil spills measured by an airborne multi-frequency radar // (1998). bit J. Remote Sensing. - 1998. - Vol. 19, № 18. - P. 3607-3623.
7. Кучейко A.A., Кастюк E.A. Спутники радиолокационного зондирования Земли // Приложение №1 к Ежегоднику "Спутниковые системы связи и вещания". - 2003. - 86 с.