СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
RADAR DETECTION OF SEA SURFACE CONTAMINATION

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 загрязнение моря нефтепродуктами является одной из основных угроз нарушения экологического равновесия [1]. Объем годового поступления нефтепродуктов в Черное море оценивается в 110-130 тысяч тонн, столько же нефти может поступить при аварии одного танкера. По расчетам [2] указанный объем близок к ассимиляционной емкости бассейна, что определяет необходимость постоянного мониторинга поступления загрязнения. Для оперативного контроля состояния окружающей среды все более широко применяется радиолокационное зондирование.
При попадании на морскую поверхность нефти или других поверхностно-активных веществ меняется величина поверхностного натяжения,.как следствие этого - частично или полностью подавляются коротковолновые со--ставляющие поля ветровых волн [3], На поверхности образуется область (слик), в которой уровень шероховатости значительно ниже, чем за её пределами.
Известен способ обнаружения нефтяного загрязнения морской поверхности по изменению уровня радиолокационного сигнала при квазивертикальном зондировании [4]. Исследуемую поверхность акватории облучают на одной длине радиоволнами и определяют изменение уровня рассеянного назад излучения. По зарегистрированному изменению уровня отраженного, радиосигнала в зоне слик-рябь судят о наличии загрязнения. Сходными существенным признаком этого аналога и заявленного изобретения являются:, облучение морской поверхности в радиодиапазоне, регистрация отражённого назад сигнала, определение радиолокационного контраста между отдельными участками поверхности.
Недостатком аналога является то, что один и тот же радиолокационный контраст может быть обусловлен как загрязнением, так и динамическими процессами, протекающими в верхнем слое моря. Например, к появлению слика приводят вариации скорости поверхностного течения, создаваемые внутренними волнами. Как следствие, созданные вариациями течения неоднородности структуры морской поверхности могут быть интерпретированы как проявление загрязнения и, напротив, поверхностное загрязнение может быть интерпретировано как проявление динамических процессов в верхнем слое моря.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности [5], основанный на использовании характеристик радиосигнала, получаемого при зондировании поверхности моря под углами, на которых преобладает механизм брегговского рассеяния. Это способ может быть реализован с помощью скаттерометров или радиолокаторов бокового обзора. С существенными признаками заявленного изобретения сходны следующие признаки прототипа: облучение морской поверхности в радиодиапазоне, регистрация отражённого назад сигнала, определение радиолокационного контраста поверхности для выявления аномального участка, от которого рассеянный назад сигнал имеет более низ-, кий уровень по сравнению с фоновым значением сигнала.
Прототипу также свойственен недостаток известных аналогов: он не позволяет достоверно определить, чем именно вызван зарегистрированный с лик - загрязнением или динамическими процессами в верхнем слое моря.
В основу изобретения поставлена задача создания способа радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности по уровню отраженных водной поверхностью радиосигналов, в котором за счет признаков, характеризующих особенности процесса облучения поверхности и анализа полученных сигналов, обеспечивается новое техническое свойство - разделение на радиолокационных изображениях участков, созданных поверхностным загрязнением, и участков, созданных вариациями поверхностного течения. Указанное новое свойство обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение вероятности обнаружения загрязнения и снижение вероятности ложных тревог.
1
2
1
2
1
2
Поставленная задача решается тем, что в способе радиолокационного обнаружения загрязнения морской поверхности, который заключается в том, что контролируемую область поверхности облучают под азимутальным углом α регистрируют рассеянный назад сигнал и по изменению уровня" сигнала выявляют аномальный участок поверхности, от которого рассеянный назад сигнал имеет более низкий уровень по сравнению с фоновым значением сигнала, согласно изобретению контролируемую область дополнительно облучают под азимутальным углом α при том же угле падения радиоволн и регистрируют рассеянный назад сигнал от аномального и фонового участков, определяют отношение сигналов от аномального участка, полученных при облучении под азимутальными углами α и α, и отношение сигналов от фонового участка, полученных при облучении под азимутальными углами α и α, и путем сравнения полученных отношений сигналов определяют наличие загрязнения исследуемой поверхности.
Сущность способа поясняется на примере зондирования морской поверхности под углами, как и в прототипе, на которых преобладает механизм, брегговского рассеяния.
При углах падения 20°-70° рассеяние радиоволн на морской поверхности носит резонансный характер и описывается в рамках метода малых возмущений. В первом приближении сечение обратного рассеяния можно представить [6] в виде
br
где k и K - волновые числа соответственно поверхностных и рассеянных в обратном направлении радиоволн;
θ - угол падения;
α - азимутальный угол;
p
G - функция угла зондирования, определяемая типом поляризации p;
br
br
Ξ - двумерный спектр возвышения морской поверхности. Условие резонанса, связывающее k и K, имеет вид k=K2sinθ.
Перейдем от двумерного спектра волновых векторов Ξ к спектру волновых чисел и направлений χ(k,α)
где Якобиан  Далее представим спектр χ(k,α) в форме
где S - волновой спектр;
Θ - функция распределения волновой энергии по направлениям.
Введём обозначения:
- волновой спектр и функция углового распределения волновой энергии в зоне загрязнения;
- волновой спектр и функция углового распределения волновой энергии на участке чистой поверхности.
Тогда радиолокационный контраст от участков загрязнённой и чистой поверхности, по которому обычно определяют наличие загрязнения,
Однако такой же радиолокационный контраст могут создавать изменения скорости поверхностного течения, что приводит к ошибочному заключению о наличии загрязнения.
Замысел изобретения заключается в распознавании радиолокационных контрастов, выявлении вклада различных гидрофизических факторов в создание этих контрастов. Предложенный метод обнаружения загрязнения основан на проведённых заявителем, Морским гидрофизическим институтом Национальной академии наук Украины, циклах натурных исследований механизмов формирования тонкой топографической структуры морской поверхности, определяющей рассеяние радиоволн при дистанционном зондировании с космических аппаратов.
1
2
В заявленном способе предложено зондирование исследуемой поверхности при двух азимутальных углах. Обозначим их как α и α.
Плёнка, образующаяся на морской поверхности при разливе нефти или других поверхностно-активных веществ, гасит волны независимо от направления их распространения, в этом случае
Если гашение волн вызвано изменением скорости течения, то изменение энергии спектральных составляющих поля поверхностных волн будет зависеть от угла между направлением их распространения и вектором скорости течения. То есть произойдет изменение функции углового распределения и равенства (5) и (6) не будут выполняться. Таким образом, если имеет место загрязнение, то
Если подавление волн вызвано изменением скорости течения, то
Заявленный способ осуществляется следующим образом.
1
2
1
2
Спутник с установленным на нём многолучевым, например, двухлуче-вым, радиолокатором пролетает над контролируемой акваторией и облучает морскую поверхность в полосе обзора вначале под азимутальным углом α, а затем - под азимутальным углом α, как показано на рисунке, где приведена геометрия наблюдений. Спутник должен иметь симметричные лучи, иначе он будет видеть аномалии поверхности под разными углами падения, т.е. должно выполняться условие α=180°-α. Такому условию, в частности, удовлетворяет спутник "Seasat". Пролетая над контролируемой акваторией, спутник сначала облучает её первой антенной. Регистрируют рассеянный назад сигнал, то есть получают радиолокационное изображение, и по нему выделяют аномальный участок, от которого рассеянный назад сигнал имеет более низ- -кий уровень по сравнению с фоновым значением сигнала. Отметим, что предложенный способ позволяет определять наличие загрязнения, когда в полосе обзора находятся несколько подобных участков, но для ясности изложения рассматривается ситуация, когда аномальный участок один.
1
2
1
2
Далее, спутник смещается вперед вдоль трассы, и контролируемый участок акватории облучается второй антенной, которая имеет ту же полосу обзора. Регистрируют отражённый назад сигнал и получают второе радиолокационное изображение. Определяют отношение сигналов от аномального участка, полученных при облучении под азимутальными углами α и α, и отношение сигналов от фонового участка, полученных при облучении под азимутальными углами α и α. Если эти отношения равны, то приходят к выводу, что аномальный участок образовался в результате загрязнения морской поверхности.
Использованные источники:
1. Миронов О.Г. Нефтяное загрязнение и жизнь моря. - Киев: Наукова Думка, -1973.-88 с.
2. Рябинин А.И., Губанов В Н., Клименко Н.П., Назаренко С.А. Гидрометеорология и гидрохимия морей. T. IV. Черное море. Выпуск 3. Современное состояние загрязнения вод Черного моря. Севастополь "ЭКОСИ-гидрофизика". -1996.-230 с.
3. Боев Г.А., Матвеев АЛ. Оценка количества разлитой нефти на акватории' каспийского промысла "Нефтяные камни" по данным многочастотного радиолокационного зондирования II Радиофизика и Радиоастрономия. - 2005. -Т.10,Ш.-СЛ78-188.
4. Боев А.Г., Карвицкий Г.Э. К теории радиолокационного контраста морского волнения при наличии пленки поверхностно-активного вещества // Радиофизика и Радиоастрономия. - 1997. - Т2, № 3. - С. 281-291.
5. Радиолокационные методы и средства дистанционного зондирования Земли с аэрокосмических носителей / под. ред. акад. НАН Украины CH. Конюхова, чл.-корр. НАН Украины В.И. Драновского и к.т.н. В.Н. Цымбала, - Киев: Джулия Пресс. - 2007. - 440 с. - прототип.
6. Басc Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука. -1972. - 424 с.