МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ^^^^^^
И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
УДК 621.396.96'06
РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
© 2008 г. А. Г. Боев1, А. Я. Матвеев2*
Радиоастрономический институт НАН Украины, Харьков 2Центррадиофизического зондирования Земли им. А.И. Калмыкова НАН Украины и НКА Украины, Харьков *Тел. +380-577-203-412; E-mail: matweev@list.ru Поступила в редакцию 09.01.2008 г.
Описан метод оценки параметров нефтяных загрязнений морской поверхности по данным многочастотного радиолокационного зондирования, основанный на сравнении теоретических и экспериментальных контрастов загрязненной морской поверхности, полученных по данным синхронных измерений, полученных с помощью радиолокационного комплекса "МАРС" (X » 0.8 см, 3 см, 23 см, 180 см) в акватории месторождения "Нефтяные Камни" в Каспийском море. Для всех загрязненных участков акватории определены толщина и поверхностная активность (упругость) нефтяной пленки. Полученные результаты подтвердили возможность оперативной радиолокационной диагностики разливов нефти, оценки количества разлитой на морской поверхности нефти.Теорети-ческие значения контрастов рассчитаны в рамках теории гашения морского волнения пленкой поверхностно-активного вещества конечной толщины. По результатам съемок суммарный вес нефти, разлитой в акватории месторождения, составил около 32 000 т. Загрязненность района характеризуется средней поверхностной концентрацией нефти — 62 т/км2.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время во всем мире интенсивно ведется разработка систем дистанционного зондирования Земли, ориентированных на широкое и эффективное использование [1]. С учетом возросшего количества катастрофических явлений природного и антропогенного происхождения (ураганы, наводнения, аварийные разливы нефти и др.) приоритетным направлением является создание оперативных радиолокационных систем по их предупреждению. Создание таких систем предусматривает разработку методов зондирования, обработки и интерпретации полученной информации, которые прямо связаны с особенностями рассеяния радиоволн различными типами земной и в том числе морской поверхности.
Радиофизические методы дистанционного зондирования морской поверхности уже давно используются для обнаружения на морской поверхности разливов нефти, нефтепродуктов и других поверхностно-активных веществ (ПАВ) [2—6]. При этом достаточно легко и уверенно определяется площадь и источники загрязнения. Определение же количества разлитой нефти требует знания толщины нефтяной пленки, которая вместе с другими параметрами нефти определяет механизм формирования морского волнения, рассеивающего радиоволны.
В работах [7, 8] построена теория морского волнения под пленкой ПАВ конечной гидроди-
намической толщины и предложен алгоритм определения последней по данным радиолокационного зондирования. В работе описан метод практического использования результатов этой теории для обработки данных многочастотного радиолокационного мониторинга акватории каспийского морского промысла "Нефтяные Камни" и определения объемов загрязняющей ее нефти.
ОПИСАНИЕ МЕТОДА
Метод основан на сравнении теоретических и экспериментальных контрастов загрязненной морской поверхности, полученных по результатам синхронных измерений на различных двух длинах волн.
Для определения экспериментальных значений радиолокационных контрастов ВЕ(кЕ) (кЕ — волновое число излучаемой радиоволны) были использованы результаты многочастотного зондирования морской поверхности акватории каспийского нефтепромысла "Нефтяные Камни". Работы по зондированию проводились в 1989— 1991 гг. с помощью авиационного многочастотного радиолокационного комплекса "МАРС", установленного на борту самолета-лаборатории ИЛ-18Д [9]. В состав комплекса входили два радиолокатора бокового обзора (РБО) миллиметрового (ММ) и сантиметрового (СМ) диапазонов длин волн и два радиолокатора бокового обзора с синтезированием апертуры антенны (РСА) дециметрового
0 10 20 30
Ь, км
Рис. 1. Синхронное двухчастотное радиолокационное (СМ- и ДМ-диапазонов) изображение района добычи нефти "Нефтяные Камни" в Каспийском море, полученное с помощью МРЛК "МАРС" 19.07.90. Стрелками а—ж выделены выбранные для анализа строки изображения.
(ДМ) и метрового (М) диапазонов. Поскольку точность измерений радиолокационных контрастов в ММ диапазоне сильно зависит от погодных условий, а эффект гашения гравитационных волн (к > 1 м) пленками ПАВ незначителен [10], то были использованы только данные измерений в СМ и ДМ диапазонах. На рис.1 приведено синхронное двухчастотное радиолокационное изображение исследуемого района. Видно, что акватория Нефтяных Камней характеризуется сильной неоднородностью загрязнения (темные и светлые пятна), связанного с различием толщины и активности нефтяных пленок. Наличие в средней и верхней части изображения нефтяных вышек, соединенных между собой длинной эстакадой (яркие линии) и автономных вышек (яркие точки в нижней части изображения), позволяли (как по реперным точкам) совмещать радиоизображения на различных длинах волн с высокой точностью.
Степень загрязнения морской поверхности оценивалась по величине логарифмического радиолокационного контраста (в дальнейшем контраста) БЕ(кЕ):
De( кЕ) = 10 lg J [дБ ],
1PS - PN J
(1)
сигналов от угла падения радиоволны © в строках радиолокационного изображения (РЛИ) СМ-диа-пазона, указанных, соответственно, горизонтальными стрелками "а" и "б" на рис. 1, и на рис. 2в -собственных шумов приемника. Статистически однородный по всей дальности сигнал, отраженный от чистого моря (рис. 2а), свидетельствует об идентичности метеоусловий в пределах полосы обзора. Изрезанность сигнала (рис. 2б), отраженного загрязненной морской поверхностью, указывает на неоднородность нефтяной пленки исследуемого участка. Изменение с дальностью уровня шумов приемника автоматически учитывалось при обработке сигналов.
Теоретические радиолокационные контрасты рассчитывались в рамках теории взаимодействия поверхностных волн с пленкой конечной толщины [7, 8]. Контраст Бк(к, к) морского волнения под пленкой ПАВ конечной толщины к записывается в виде
Dh(к, h) = D0(к) + 20lgI 1 + Y-kkR),
2 Yl
(2)
ra.
R = _± (Si + S2 - S3),
Yo
где Рг, Р8 — средние мощности сигналов, принятых, соответственно, от загрязненного и чистого участков морской поверхности, Рн — средняя мощность собственных шумов приемника на выходе блока обработки сигналов. На рис. 2а, б приведены зависимости амплитуд радиолокационных
где D0(k) — контраст морского волнения под пленкой "нулевой" толщины, равный:
2 2
Do( к) = -10 lg raY;, к = 2 кЕ sin 0. (3)
Yl
Здесь ю0 = ^к + а к3 / р , ю+ = ^к + (а + а!)к3/р — соответственно частоты поверхностных волн на чистой и покрытой пленкой морской поверхности, к— волновое число морской волны, g = = 981 см/с2, а и а1 — коэффициенты поверхностного натяжения на границе вода—пленка и пленка—воздух, р — плотность воды; 0 — угол падения радиоволны на морскую поверхность. В формулах (2) и (3) выражение
Уь = Уо
1 _ !&. Ю + У±(^ + (ю
ю+
ю
2 V
Уо
2 ю+ Чо
1 - 2
2
И
2
ю+
(-)
VYоу
(4)
— коэффициент затухания Левича [11], у0 = 2ук2 — коэффициент вязкого затухания поверхностной волны, V — коэффициент кинематической вязкости воды, юс1 = л/а1 к3/р — частота капиллярных
поверхностных волн, у5 = р юС1 /ю0 — силовой параметр, характеризующий влияние растяжения пленки на волну, р = (е0/а1)(йах/йс) — безразмерная поверхностная активность (упругость) пленки (в дальнейшем активность), е0 — невозмущенная концентрация пленки ПАВ. Формула (2) характеризует отношение пространственных спектральных плотностей высот волн на загрязненном и чистом участках моря в одинаковых погодных условиях.
Величины Б2, ¿3 в формуле (2) определяются выражениями
11 = -к-ю
1з =
(5)
Здесь = (р1/р)у5, у01 = 2v1k2 — коэффициент вязкого затухания поверхностной волны в нефти. В формулах (2)—(5) содержится пять параметров, характеризующих пленку: активность, толщина, поверхностное натяжение, вязкость нефти и ее плотность. При наличии достаточно большого массива экспериментальных данных принципиально возможно составить пять независимых уравнений и решить их относительно всех этих параметров.
В случае зондирования акватории каспийского нефтепромысла "Нефтяные Камни" параметры нефти (вязкость, поверхностное натяжение и плотность), разлитой по поверхности, задавались. Поэтому для определения остальных двух неизвестных параметров (активности р и толщины И) необходимые два уравнения получаются с
использованием данных эксперимента на сантиметровых и дециметровых радиоволнах:
Бе( кс) = Бо( кс) + 20 1е
Бе( кл) = Л (кл) + 2о 1е
1 + к№( к)
2Уь
1 + А кНЯ( кл) - 2Уь -
(6)
(7)
Здесь, кс и ка — волновые числа, соответственно, сантиметровых и дециметровых поверхностных волн, определяемые для одного и того же угла падения радиоволн 0; БЕ(кс), ВЕ(ка) — соответствующие им экспериментальные значения радиолокационных контрастов.
Анализ величин радиолокационных контрастов БЕ(к) на различных частотах был проведен для всех участков изображений морской поверх-
+
1.0 0.5 1.0 0.5
1.0 0.5
0
и$/итях а
и/итах
им/итах в -'-—1 " 1 " ^ ' " 1
40 50
60
70
75
78 ©, град
Рис. 2. Записи амплитуд радиосигналов на длине волны X я 3 см: а — принятых от чистой поверхности моря (по стрелке а, рис. 1); б — принятых от загрязненной поверхности (по стрелке б, рис. 1); в — собственные шумы приемника на выходе блока бортовой обработки сигналов. © — угол наблюдения морской поверхности.
ности исследуемого района. В результате оказалось, что в изображениях СМ- и ДМ-радиодиапа-зонов участки, покрытые нефтяной пленкой, можно разбить по полученным значениям контрастов БЕ(к) на две группы. К первой группе относились участки, удаленные от эстакад и вышек на 10—20 км со значениями |БЕ(к)| < 7 дБ, а ко второй — близлежащие, с контрастами |БЕ(к)| > 7 дБ. Максимальное значение |БЕ(к)| для этой группы составляло ~14 дБ. В ММ диапазоне радиолокационные контрасты на участках первой и второй группы были примерно одинаковы и с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.