Развитие методов радиометрического зондирования многослойных структур в миллиметровом диапазоне длин волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Ракуть, Игорь Владимирович

• Ракуть, Игорь Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Ракуть, Игорь Владимирович

Оглавление

Введение

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы измерения

толщины плёнок нефти на водной поверхности и методы её решения

1.1. Нерадиометрические методы измерения толщины плёнки нефти на 23 водной поверхности.

1.2. Методы пассивной радиометрии в дистанционном зондировании 26 параметров нефтяных разливов на водной поверхности при отсутствии волнения

1.2.1 Условия формирования радиояркостных контрастов участков

нефтяных разливов на поверхности воды при отсутствии волнения для метода радиационных контрастов и спектрального метода 1.2.2. Метод радиояркостных контрастов при измерениях толщины "З'З плёнки нефти на поверхности воды при отсутствии волнения. 1.2.3 Спектральный радиометрический метод измерения толщины

плёнки нефти на поверхности воды при отсутствии волнения 1.3 Вывод по разделу

Глава 2. Поляризационный радиометрический метод зондирования 37 разливов нефти на водной поверхности при отсутствии волнения 2.1. Условия формирования контрастов в поляризационном методе

измерения толщины плёнки нефти на водной поверхности при отсутствии волнения

2.2 Условия формирования радиационных поляризационных 44 контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области -атмосфера

2.3 Условия формирования радиационных поляризационных

контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области -участка земной поверхности

2.4 Условия формирования радиационных поляризационных 49 контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области -участка чистой водной поверхности

2.5 Определение параметров разливов нефти на поверхности воды по 54 данным обзорных наблюдений поляризационным радиометром с борта носителя

2.6. Выводы по разделу

Глава 3. Радиометрические комплексы для исследования

характеристик двухслойных систем

3.1. Стендовый автоматизированный двухкоординатный пассивно- 65 активный комплекс 8-мм «СА2К-ПАК8» для исследования нефтяных сликов на поверхности воды

3.2. Стендовый пассивно-активный радиометрический комплекс 73 вертикального зондирования лабораторный «ПАРК» для исследования водонефтяной эмульсии.

3.3. Радиометрический стендовый комплекс поверочный натурный 81 «РСК-ПН» для исследования характеристик плёнок нефтепродуктов на поверхности воды и проведения поверки приборов

3.4. Стендовые радиометрические комплексы натурные «СРКНВ-1,2» 86 для исследования плёнок на взволнованной поверхности воды

3.4.1 Методика эксперимента и обработки данных

3.4.2 Изложение полученных результатов и их анализ

3.4.3 Выводы по разделу 102 3.5 Пассивно-активный радиометрический комплекс наклонного 103 зондирования лабораторный «ПАРК-НЗЛ» для исследования плёнок на спокойной и взволнованной поверхности воды

3.6 Результаты поляризационных измерений параметров плёнки нефти 114 на поверхности воды

3.7 Выводы по разделу

Глава 4. Измерение толстых плёнок нефти портативными 2-х и 3-х

частотными радиометрическими приборами с применением радиометрического метода поляризационных контрастов и методов устранения неоднозначности

4.1. Измерения толстых плёнок нефти радиометрическим методом

поляризационных контрастов

4.2 Методы устранения неоднозначностей определения толщины 128 плёнки нефти на поверхности воды радиометрическим поляризационным методом

4.2.1 Неоднозначности первого и второго рода и способы их 128 устранения

4.2.2 Неопределённость диэлектрической постоянной плёнки

4.2.3 Парциальный метод измерения диэлектрической проницаемости 142 нефтепродукта

4.3 Портативные радиометрические приборы: 2-х частотный «КТС 144 РМК-Н» и 3-х частотный «ПРИНТ-3»

4.4 Результаты измерений основных характеристик приборов «КТС

РМК-Н» и «ПРИНТ-3»

4.5. Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Сокращения в тексте диссертации:

РЖ-радиометрия - инфракрасная радиометрия, ПАВ - поверхностно активные вещества,

«ПРИНТ-3» - Радиометрический прибор для измерения толщины плёнки нефти на поверхности воды разработки НИРФИ,

«КТС-РМК-Н» - Радиометрический прибор для измерения толщины плёнки

нефти на поверхности воды совместной разработки НИРФИ и НИИ «Полёт»,

ТНПР и ТНВР - точки неоднозначности первого и второго рода,

ДП - диэлектрическая проницаемость,

ДНИ - диэлектрическая проницаемость плёнки,

верт и гор - вертикальная и горизонтальная поляризации,

ОПУ - опорно-поворотное устройство,

ДКС - 2-х координатный сканер планшетного типа,

АЦП-ЦАП - плата аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователя, Рт-АТТ - полупроводниковый аттенюатор (переключатель), ГШП - генератор широкополосного шумового сигнала (подсветки), НО - направленный ответвитель, СН - согласованная нагрузка,

«ПАРК» - Пассивно-активный радиометрический комплекс вертикального зондирования эмульсионных плёнок на воде,

«СА2К-ПАК8» - Стендовый автоматизированный двухкоординатный пассивно-активный комплекс 8-мм,

«СРКНВ-1,2» - Стендовые радиометрические комплексы натурные для

исследования плёнок на спокойной и взволнованной поверхности воды,

«ПАРК-НЗЛ» - Пассивно-активный радиометрический комплекс наклонного

зондирования лабораторный для исследования плёнок на спокойной и

взволнованной поверхности воды,

ИПВ - измеритель параметров волнения,

СУ СОД - Система управления сбора и обработки данных,

ВЧ канал - высокочастотный канал с длиной волны 8.8 мм,

ЕЛ канал - низкочастотный канал с длиной волны 24.6 и 26.8 мм.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие методов радиометрического зондирования многослойных структур в миллиметровом диапазоне длин волн»

ВВЕДЕНИЕ

В окружающей человека среде существует огромное многообразие природных и искусственно созданных многослойных структур, состояние и динамика которых оказывают многогранное действие на каждого человека в отдельности и общество в целом. Поэтому знание и контроль параметров окружающей среды и, в частности, многослойных образований в ней являются необходимыми условиями нормальной жизнедеятельности современного человечества. Особо важным знание о поведении конкретных объектов становится в условиях чрезвычайных ситуаций, когда незнание, как поведет себя то или иное природное или техническое образование, может привести к непоправимым последствиям. Таким образом, вопрос применимости дистанционного мониторинга окружающей среды во всех его проявлениях всевозможными дистанционными средствами в развивающемся технически и интеллектуально мире, несомненно, будет актуальным и развиваться в направлении насыщенности средствами реализации, применением многочисленных физических принципов и явлений, расширением диапазона применяемых частот, в увеличении дальности и быстроты определения параметров интересуемого процесса. В связи с этим использование электронных средств реализации данных проектов будет только расти, а, значит, применяться в них будет широкий спектр электромагнитных волн как средство, обладающее высокой скоростью распространения. Другим важным свойством электромагнитных волн является их проникающая способность, которая зависит от их частоты и диэлектрических параметров исследуемой среды и объектов в ней. Поскольку многослойные структуры имеются везде и на различных размерных уровнях, то невозможно выбрать одно средство для

мониторинга всего разнообразия этих структур. Но, несомненно, для каждого явления найдется средство мониторинга или уже созданное, или, если это будет востребовано, разработанное в будущем. В этом плане развивающиеся с середины прошлого века методы пассивной радиометрии в будущем будут применяться и развиваться в разнообразных направлениях, несмотря на имеющиеся ограничения в различных условиях. К этим условиям относятся, например, уровень проникающей способности в исследуемую среду и способность определения полезной информации на определённом расстоянии в результате поглощения в среде распространения. Таким образом, поиск условий и ситуаций, где эти ограничения несущественны, и способов, позволяющих преодолеть ограничения метода пассивной радиометрии, представляется чрезвычайно актуальной задачей. В частности, проникающая способность микроволн в исследуемую среду позволяет определить и их область применения, и создать два «различных» метода дистанционного зондирования. Первый из них - собственно радиометрия, которая использует свойства объекта излучать собственный спектр волн в соответствии со своей излучательной способностью и своей физической температурой. Однако можно использовать и вторую компоненту этого явления - отражательную способность объекта. Во втором методе говорят уже об использовании методов пассивно-активной радиометрии. Однако это разделение несколько условно, т.к. у любого исследуемого объекта всегда имеются обе компоненты, а средством их измерений в обоих методах является один и тот же радиометрический приёмник с некоторыми отличиями в схемном исполнении. Другим фактором отличия считается условие наличия излучения подсветки, но и тут нет абсолютного разграничения, т.к. любое нагретое тело излучает и может быть использовано в качестве источника подсветки. Таким образом, в использовании обоих методов ещё имеются

возможности нового применения, и эта задача также актуальна. При этом самым важным звеном становится объект, который будет исследоваться с помощью этих методов. Таких объектов

- огромное множество, но следует обратить особое внимание на активно обсуждающееся явление современного человечества - энергетический бум, неизменным спутником которого является средство его жизни -нефть. И тут мы сталкиваемся с огромным количеством природных и техногенных проблем, т.к. нефть нужно добыть, доставить от места добычи до производства, там её преобразовать в нефтепродукт, который опять необходимо доставить уже до потребителя. В результате на всех этапах появляются экологические катастрофы, которые необходимо ликвидировать, что сделает необходимой потребность в мониторинге места катастрофы, причем, как правило, в плохих погодных условиях. Так мы приходим к микроволновому радиометрическому мониторингу, т.к. применение видимого и инфракрасного диапазонов излучения и, особенно, контактных методов в таких условиях затруднено.

Остаются микроволновые методы, и среди них пассивная радиометрия обладает лучшими качествами для определения толщины слоя разлива. Надо отметить, что активные средства также находят применение. Однако ни один из методов не является полным лидером мониторинга в задаче определения всех необходимых параметров разлитого в акваторию загрязнителя, способного уничтожать биосферу планеты.

Таким образом, определение областей применимости методов пассивной и пассивно-активной радиометрии, так и развитие новых методов радиометрического зондирования многослойных структур, позволяющих преодолеть ограничения метода пассивной радиометрии, представляется чрезвычайно актуальной задачей. В большой степени это связано с задачей своевременного обнаружения разлива нефтепродукта,

определения его формы и динамики, площади и распределения толщины плёнки - важность этой задачи не вызывает сомнений.

Цель диссертационной работы

Развитие методов радиометрического дистанционного зондирования для определения физических параметров слоистых структур на поверхности воды путём измерений поляризационных контрастов в их тепловом радиоизлучении.

Решаемые задачи:

1. Разработать и создать стенды для дистанционных измерений параметров разливов нефти на гладкой и волнистой поверхностях воды по наблюдаемым поляризационным контрастам.

2. Оснастить стенды активно-пассивными радиометрическими комплексами, на базе которых возможно устранение неоднозначностей при определении толщины нефтепродукта на воде, в том числе сертифицированным прибором «ПРИНТ-З».

3. Разработать и ввести в действие математическое обеспечение установок.

4. Провести цикл исследований плёнок эмульсий в зависимости от влагосодержания с целью определения их отражательной способности и диэлектрической постоянной.

5. Провести поверочные испытания приборов «ПРИНТ-З» на стенде «РСК-ПН» путём измерений параметров разлива нефти на воде.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Реализован метод дистанционных измерений поляризационных характеристик радиоизлучения разлива нефтепродукта на воде, который, в отличие от других радиометрических методов, позволяет исключить влияние параметров приемной антенной системы и существенно уменьшить влияние собственного радиоизлучения атмосферы на измеряемые параметры плёнок нефти на воде.

2. Разработаны алгоритмы исключения неоднозначностей в определении толщины плёнки нефти на поверхности воды (¿/пл = 0 12 мм) при 2х-частотном приёме излучения слоя (2 угла визирования), или при 3х-частотном приёме (1 угол визирования).

3. Реализован парциальный метод измерения диэлектрической проницаемости нефтепродукта по последовательности его нарастающих толщин, что позволяет увеличить точность определения диэлектрической проницаемости.

4. В результате измерений на стендах показано, что толщина плёнки ~ 7 мм на поверхности воды в натурных условиях при наличии волнения с высотой волн до 16 см определяется достаточно точно (-10%) по значениям её эффективной диэлектрической постоянной.

Методы и подходы, используемые в диссертации

Использование уже разработанных и развиваемых модельных и теоретических представлений методов пассивного и пассивно- активного микроволнового дистанционного зондирования окружающей среды.

Проведение статистических исследований с использованием доступных в мировой научной литературе экспериментальных данных и полученных авторами работы в широком спектре микроволнового излучения.

Использование современных методов обработки и анализа данных, их развитие и применение специально разработанных программ для решения задач поставленных исследований.

Применение современных компьютерных методов расчёта для развития модельных представлений и их согласования с имеющимися экспериментальными данными.

Привлечение развитых другими авторами современных моделей распространения микроволн в средах с различным распределением механических и диэлектрических характеристик.

Верификация полученных результатов с имеющимися данными в научной литературе.

Практическая значимость диссертационной работы

1. Создан ряд стендов для лабораторных измерений методом пассивной и пассивно-активной поляризационной радиометрии плёнок нефти на поверхности воды с целью определения толщины слоя

нефтепродукта, влияния наличия водности в плёнке и волнения водной поверхности на излучательные и отражательные характеристики плёнки нефтепродукта на воде, исследования характеристик волнения и возможности отработки методов сканирования с построением радиоизображений.

2. Разработаны структурные и технические решения промышленных образцов двухчастотного радиометрического прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности воды типа «КТС-РМК-Н» и трехчастотного радиометрического прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности воды типа «ПРИНТ-3», которые сертифицированы и утверждены Госстандартом РФ как средства измерений.

3. Разработана промышленная партия приборов «ПРИНТ-3», включенных в состав технических средств региональной сети экологического мониторинга разливов нефти в составе 9 отделений Управления по охране окружающей и природной среды Ханты-Мансийского автономного округа.

4. Разработаны системы автоматического управления и обработки в приборах «КТС-РМК-Н», «ПРИНТ-3»; для двухкоординатных сканирующих комплексов на базе ЭВМ созданы системы управления и одновременного сбора данных с радиометрического модуля с предварительной их обработкой для построения двумерного радиоизображения исследуемой среды (поверхности), математическое и программное обеспечение последующей обработки измерений.

Представленные в диссертации исследования явились развитием метода определения температуры водной поверхности [1] путём измерения её поляризованного излучения, впервые реализованы для задачи определения толщины слика в акватории в середине 1990-х годов как метод поляризационных контрастов [2-4]. Метод получил международное признание [5,6]. Так, прибор «КТС РМК-Н» удостоен Золотой медали и Диплома «30-го Международного салона изобретений «Женева-2002», а разработанная и созданная в ФГБНУ НИРФИ сертифицированная партия (10 штук) приборов «ПРИНТ-3», являясь развитием прибора «КТС РМК-Н», на IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций удостоена диплома и бронзовой медали.

Обоснованность научных положений и выводов, достоверность

полученных результатов обусловлены:

□ применением современных методик регистрации и обработки

экспериментальных данных;

□ сопоставлением результатов экспериментальных и статистических

исследований с теоретическими представлениями и результатами других авторов, а также собственными проверенными теоретическими обоснованиями и расчётами;

□ статистически значимым объёмом данных;

□ использованием апробированных методов исследования;

□ экспертными оценками при публикации основных результатов исследований в рецензируемых научных изданиях;

□ наличием работающих на принципах, рассматриваемых в диссертации, и сертифицированных 10-ти приборов «ПРИНТ-3», разработанных и изготовленных в ФГБНУ НИРФИ при непосредственном участии автора диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Развитие методов радиометрического зондирования, которое включает проведение теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих увеличить точность, расширить диапазон и условия применимости, создать технические условия для разработки измерительных приборов, а именно,

- приём излучения на ортогональных поляризациях при наклонном зондировании,

- исключение неоднозначностей измерения толщины гладкого слоя разлива нефтепродукта на поверхности воды при двухчастотном приёме путём применения третьей частоты или измерениями на двух углах места,

- учёт волнения водной поверхности через эффективную диэлектрическую проницаемость,

- применение пассивно-активного дистанционного зондирования,

применение парциального метода измерения диэлектрической проницаемости нефтепродукта.

2. Развитие метода пассивно-активной радиометрии в область дистанционных измерений многослойных структур для возможности измерений коэффициента отражения, диэлектрической проницаемости, собственного и отраженного излучения слоя нефтепродукта на гладкой поверхности воды.

3. Создание технических комплексов различного назначения в миллиметровом диапазоне длин волн, предназначенных для проведения лабораторных, тестовых, поверочных, натурных испытаний и измерений при решении задач зондирования многослойных структур.

Апробация работы

Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе: The Third International Airborn Remote Sensing Conference an Exhibition (Copenhagen, Denmark, 7-10 July, 1997); ежегодные научные конференции по радиофизике (ННГУ, Н. Новгород, 2001, 2002, 2009, 2010, 2012, 2013); XX Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (г. Н. Новгород, 2002); Международный симпозиум по инженерной Экологии - 2003 (г. Москва, 2003); Второй региональный семинар «Распространение микроволн в природных средах» (НИРФИ, г. Нижний Новгород, 2003); Всероссийские семинары по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (ИПФ РАН г. Н. Новгород, 2007, 2009); XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (МГТУ, г.Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011г.); II Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной среды», посвященная 300-летию образования Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского (Санкт-Петербург 24-26 апреля 2012 г.); 10

Международная Научно- техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (г. Владимир 2012); 1-я Российско-белорусская научно- техническая конференция «Элементная база отечественной радиоэлектроники» (ННГУ, НГТУ, НИРФИ. Нижний Новгород, 11-14 сентября 2013 г.).

Участие в выставках и международных салонах: 30-й Международный салон изобретений «Женева-2002» (золотая медаль и диплом «30-го международного салона изобретений - «Женева-2002»); IV Московский международный салон инноваций и инвестиций «Москва-2004» (бронзовая медаль и диплом «IV Московского международного салона инноваций и инвестиций» - «Москва-2004»); Международная экологическая акция «Спасти и сохранить» в рамках Третьей специализированной выставки «Югра 2003 - Экология», 3-5 июня 2003, г. Ханты-Мансийск (диплом участника); Третий Всероссийский съезд и выставка по охране окружающей природной среды, 20-21 ноября 2003, Москва; Международный научно- промышленный форум «Великие реки 2003», 20-23 мая 2003, Н. Новгород.

Работы по тематике диссертации выполнялись в рамках важнейших НИР и НИОКР ФГБНУ НИРФИ, по заданиям Министерства образования и науки РФ и поддерживались грантами Министерства образования РФ, РФФИ, Программой ОФН РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях природных сред и человека».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 26 работ. Из них: 8 статей в рецензируемых отечественных журналах, в том числе, 7 - в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ, 7 работ - публикации

докладов в трудах всероссийских и международных конференций, остальные работы - публикации докладов в трудах конференции по радиофизике и тезисы докладов на всероссийских и региональных семинарах.

Получены сертификаты Госстандарта РФ утверждения типа средств измерений на разработанные приборы «КТС РМК-Н» и «ПРИНТ-3», в разработке и создании которых автор принимал активное участие.

Личный вклад автора

Автор принимал участие в разработке физических принципов радиометрического метода поляризационных контрастов для определения толщины нефтяных плёнок на водной поверхности. Под его руководством и при непосредственном участии разработаны и созданы измерительные стенды для исследования излучательных и отражательных характеристик неоднородных, многослойных структур и нефтяных плёнок и опытный образец прибора «ПРИНТ-3» для дистанционного определения толщины нефтяной плёнки. Все эксперименты по исследованию излучательных характеристик различных объектов, в том числе нефтяных плёнок, и дистанционного определения их толщины выполнены лично автором или при его участии. Обработка и интерпретация полученных результатов также выполнены при непосредственном участии автора.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, и Заключения. Диссертация изложена на 164 страницах, содержит 56 рисунков, 9 таблиц. Список литературы содержит 78 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, формулируется цель работы и кратко изложены основные результаты, отмечена их новизна, научная и практическая значимость. Дано краткое содержание диссертации.

В главе 1 диссертации проведен анализ ограничений методов нерадиометрических и пассивной радиометрии при проведении измерения толщины плёнок нефти на водной поверхности. В разделе 1.1 представлен обзор известных нерадиометрических методов обнаружения разливов нефти на поверхности воды с определением толщины по результатам дистанционных методов: а) визуального восприятия цветовой палитры отраженного от плёнки солнечного излучения, б) измерений спектрального распределения интенсивности отражённого лазерного и инфракрасного излучений от плёнок нефтепродуктов микронной толщины, в) измерений лазерно- акустическим методом; и контактных методов: калиброванных поглощающих нефть емкостей и акустических измерений разности во времени отраженных сигналов от границ вода-плёнка и плёнка-воздух; рассмотрены возможности и ограничения всех методов. В разделе 1.2 приведен анализ ограничений методов пассивной радиометрии, носящих в ряде случаев принципиальный характер, которые связаны с разбросом величины диэлектрической проницаемости сухой нефти, эмульсии от её влагосодержания, ветрового волнения, неоднородности облачности и погодных факторов. В разделе 1.2.1 представлены условия формирования радиояркостных контрастов участков нефтяных разливов на поверхности воды при отсутствии волнения для метода радиационных контрастов и спектрального метода. Приведен колебательный характер теоретической зависимости контрастов от толщины, что требует решения вопроса устранения неоднозначности при

необходимости измерять толщины. Неоднозначность в определенных

пределах устраняется применением 2х-частотного приёма. Раздел 1.2.2 посвящён методу радиояркостных контрастов при измерениях толщины плёнки нефти на гладкой поверхности воды относительно участка с чистой водой. Ошибка измерений возникает при неопределённости параметров антенны и при невозможности точного расчёта излучения атмосферы в условиях облачности и осадках. В разделе 1.2.3 рассмотрен спектральный радиометрический метод измерения толщины плёнки нефти на ровной поверхности воды, в котором при росте толщины плёнки увеличивается частота осцилляций яркостной температуры, что однозначно определяет толщину, но имеется ошибка из-за неравномерности излучения атмосферы вблизи линий поглощения атмосферных газов и на тонких плёнках. В разделе 1.3 делаются выводы по главе и ставится задача о необходимости развития радиометрических методов по определению толщины плёнки нефти на ровной водной поверхности путём исключения параметров приемной антенны и существенного уменьшения влияния параметров излучения атмосферы применением радиометрического метода поляризационных контрастов.

Глава 2 посвящена развитию радиометрического метода поляризационных контрастов для измерений характеристик радиоизлучения двухслойных сред на водной поверхности. В разделе 2.1 рассмотрены физические основы, модельные представления и возможности радиометрического поляризационного метода. В разделе 2.2 рассмотрены условия формирования радиационных поляризационных контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области неполяризованного собственного излучения атмосферы. В разделе 2.3 рассмотрены условия формирования радиационных поляризационных контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области

участка земной поверхности. В разделе 2.4 рассмотрены условия формирования радиационных поляризационных контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области участка чистой водной поверхности с первым и вторым сочетанием измеряемых величин. В разделе 2.5 рассмотрены условия формирования радиационных поляризационных контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области участка чистой водной поверхности с третьим сочетанием измеряемых величин для применения в обзорных радиометрических системах наблюдения с борта носителя, определены: диапазон оптимальных углов сканирования, ограничения при наличии неоднородной облачности и способ их коррекции. В разделе 2.6 даны выводы по разделу о положительных качествах поляризационного метода относительно других радиометрических методов, но и указываются общие проблемы.

В главе 3 представлены созданные радиометрические комплексы, применённые для исследования характеристик плёнки нефтепродукта на водной поверхности. В разделе 3.1 представлено описание характеристик стендового автоматизированного двухкоординатного пассивно-активного комплекса 8-мм «СА2К-ПАК8», его применение для исследования нефтяных сликов на поверхности воды и результаты модельных измерений пятна разлива с различной толщиной плёнки на поверхности воды. В разделе 3.2 рассмотрено описание стендового пассивно- активного радиометрического комплекса вертикального зондирования лабораторный «ПАРК» применительно к исследованиям водонефтяной эмульсии. Представлены результаты измерений коэффициентов отражения от слоя водонефтяной эмульсии на ровной поверхности воды в зависимости от её влагосодержания и результаты по расчётам диэлектрических свойств эмульсий в данных экспериментах. В разделе 3.3 приведено описание радиометрического

стендового комплекса «РСК-ПН», предназначенного для исследований нефтяных плёнок на воде, апробации, наладки, сертификации и поверки изготавливаемой аппаратуры, в составе макета радиометрического двухканального приёмника (с описанием его устройства и характеристик), используемого для исследования характеристик плёнок нефтепродуктов на поверхности воды, ставшего прототипом измерителя «ПРИНТ-3», и проведения их поверки и сертификации. Приведены результаты экспериментальных измерений поляризационных характеристик излучения водной поверхности при наличии плёнки нефти, которые свидетельствуют о высокой эффективности при измерениях отражательных и излучательных характеристик водной поверхности в микроволновом диапазоне длин волн в широком диапазоне изменений метеоусловий. На данном стенде отрабатывались все этапы создания технического и алгоритмического содержания приборов «КТС РМК-Н» и «ПРИНТ-3». В разделе 3.4 представлено описание стендовых радиометрических комплексов размерами 2.5мх5.5м («СРКНВ-1») и 7.5мх10м («СРКНВ-2») для исследования плёнок на взволнованной поверхности воды в натурных условиях, методика эксперимента и обработки, изложены полученные результаты и их анализ. По результатам исследований сделан вывод, что радиометрический метод поляризационных контрастов в модели плоско-слоистой двухслойной среды позволяет определять толщину нефтяного слика в условиях волнения до 16 см высотой. При этом необходимо использовать величины эффективных диэлектрических проницаемостей плёнки нефтепродукта. В разделе 3.5 рассмотрен состав пассивно-активного радиометрического комплекса наклонного зондирования лабораторный «ПАРК-НЗЛ» для исследования плёнок на спокойной и взволнованной поверхности воды в пассивно - активном режиме, элементы его работы, возможные направления исследований и уже полученные результаты о зависимостях влияния высоты

волнения и углов падающего излучения «подсветки» в виде двумерных радиометрических изображений. В разделе 3.6 представлены результаты поляризационных измерений на стенде «РСК-ПН» параметров плёнки нефти на поверхности воды и абсолютные ошибки. В разделе 3.7 сформулированы основные результаты главы 3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ракуть, Игорь Владимирович, 2013 год

Список литературы

1. Плечков В. М., Резник А. Н., Станкевич К. С., Тригуб Н. Г. О точности измерения температуры морской поверхности радиометрическим методом // Труды ГГО. 1987. Вып.508. С.120-125.

2. Pelyushenko S. A. Microwave radiometer System for the detection of oil slicks // Spill Sei. Techn. Bulletin. 1995. V.2, No.4. P.249-254.

3. Pelyushenko S. A., Rakut' I. V. The Low cost microwave sensors for airborne remote sensing system // Proc. of the Third Intern. Airborne Conf. Remote Sensing and Exhibition, Copenhagen, Denmark, 7-10 July, 1997. V.2. P. II-106-II-112.

4. Pelyushenko S.A. The use of microwave radiometer scanning system for detection and identification of oil spills. The Fourth International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments, Orlando, Florida, 17-19 March 1997. PP. 1-381 -I-385.

5. Goodman R. The measurements of the thickness of oil on water // Proc. 4th Int. Conf. Remote Sensing for Marine and Coastal Environments, Orlando, Florida, March 17 - 19, 1997, V.l.P.36-41.

6. Goodman R. Spreading of oil and the concept of average oil thickness // Proc. Twenty-Seventh Arcnic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar, Edmonton (Alberta), Canada, June 8-10, 2004. V.l. P. 57-71.

7. Goodman R., Brown H., Bittner J. The measurement of the thickness of oil on water. // Abstracts of Forth International Conference on Remote Sensing for Marine and Costal Environments, USA, Florida, Orlando, 17-19 March 1997 p. 1-31 -1-41.

8. Николаев А. Г., Перцов С. И. Радиотеплолокация. М.: Сов радио, 1964

9. Башаринов Е. А., Тучков JI. Т., Поляков В. М., Ананов Н. И. Измерение радиотепловых и плазменных излучений в СВЧ диапазоне. М.: Сов. радио, 1968. 390 с.

10. Hollinger J. L., Mennella R. A. Oil Spills: Measurements of Their Distribution and Volumes by Multifrequency Microwave Radiometry // Science 1973. V.181. No.4094. P.54.

11. Цейтлин H. M. Антенная техника и радиоастрономия. М.: Сов. радио, 1976. 352 с.

12. Troy В., Hollinger J.P. The measurement of Oil Spill Volume by a Passive Microwave Imager // Final Report US Department of transportation US Cost Guard №CG-D-55-77, 1977. p.234

13. Skou N. Microwave radiometry for oil pollution monitoring, measurements and systems // Proc. Int. Geoscience and Remote Sensing. Symp. (IGARS'84), Strasbourg, Germany, 1984. V.2. P. 27-30.

14. Шутко A.M. СВЧ - радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, 1986. 189 с.

15. Skou N. Microwave radiometry for oil pollution monitoring, measurements and systems // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 1989. GE-24, No.3. P.360.

16. Schroh K. Advanced aerial surveillance system for detection of marine pollution and international aerial surveillance cooperation in the north and Baltic seas. // Proceedings of Oil Spill Conference. - California 27 February-2 March 1995. p. 1-134

17. Swedish Space Corporation // The Maritime Surveillance System (MSS). http://www.ssc.se/mss.html/

18. Berry Y. Airborne remote sensing in France (French customs service) // Proc. Second Int. Oil Spill Research and Development Forum, 23-26 May 1995, UK, London. P.543.

19. Березанский В. M., Горбуль А. А., Еськин Д. Н., Лебедева Д. И. Бортовой радиотехнический комплекс многофункционального экологического мониторинга //Проблемы информатизации. 1995. №4. С.62-63.

20. Гайкович К. П., Снопик JI. Н., Троицкий А. В. Вертолетные радиометрические измерения тонкого озерного льда и нефтяной плёнки на озерах и грунте // Изв. вузов. Радиофизика. 1995. Т. 38, №11. С.1105-1117.

21. Брянцев В. А., Ковалев В. А., Пелюшенко С. А., Рунов Н. Ю., Селин Ю.В. Проект бортового радиотехнического комплекса экологического мониторинга. // Проблемы информатизации. 1997. № 3. С.36-41.

22. Кисляков А.Г., Пелюшенко А.С. Оценка толщины нефтяной пленки на воде поляризационным методом. // Труды 3-й научной конференции по радиофизике. -ред. А.В.Якимов. - Нижний Новгород: TAJIAM. - 1999. - С. 137-138.

23. Кротиков В.Д., Мордвинкин И.Н., Пелюшенко С.А., Пелюшенко А.С., Ракуть И.В. Радиометрические методы дистанционного зондирования разливов нефти на поверхности воды // Изв. вузов. Радиофизика. 2002. Т.45, №3. С. 243-253.

24. Кротиков В.Д., Мордвинкин И.Н., Пелюшенко С.А., Ракуть И.В., Пелюшенко А.С. Радиометрический прибор контроля параметров разлива нефти "ПРИНТ-3" в составе региональной системы экологического мониторинга. // Тез. Док. 2-й per. науч. сем. "Распространение микроволн в природных средах". - Препринт 480. -Н.Новгород: НИРФИ. -2003, С. 23-24.

25. Brown С. Е., Fingas М. F., Goodman R.H., et al. Oil Slick Thickness Measurements: A Possible Solution to a Long-Standing Problem // Proc. Eighteen Arctic Maritime Oil spill Program Technical Seminar, Environment, Canada, Ottawa, Ontario. P. 427-440.

26. Ракуть И.В., Савельев В.Ю. Исследования диэлектрических свойств водонефтяной эмульсии на частоте 12.4 ГГц. //Тр. Шестнадцатой научной конференции по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рождения А.Н. Бархатова. Нижний Новгород 11-18 мая 2012 г. С. 138-140

27. Ракуть И.В. Методы устранения неоднозначности определения толщины плёнки нефти на поверхности воды радиометрическим поляризационным методом //Тр. 1-й Российско-белорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной радиоэлектроники», 11-14 сентября 2013 г. Посвящена 110 -летию со дня рождения О.В. Лосева. Нижний Новгород. Т.1. С. 240-244.

28. Ракуть И.В., Кисляков А.Г., Кротиков В.Д., Пелюшенко С.А.,. Пелюшенко А.С. Радиометрические стендовые измерения толщины нефтяной плёнки на воде // Вестник ННГУ. Радиофизические измерения, 2011. Выпуск 5(3). С. 128-135.

29. Пелюшенко С. А., Ракуть И. В., Кисляков А.Г., К вопросу определения поляризационных характеристик микроволнового излучения пленок нефти на поверхности воды по данным обзорных наблюдений с борта носителя // Вестник ННГУ, сер. Радиофизика, Вып 1(3), 2005. С. 26 - 33.

30. Laaperri A., Nyfors Е. Microprocessor controlled microwave radiometer system for measurements the thickness of an oil slick// Proc. Int. Geoscience and Remote Sensing. Symp. (IGARS'82). 1-4 June 1983. Munich. Germany.V.4.P. 1-6.

31. Hover G. L., Murphy T. J., Brown E. R., Hogan G. G., McMahon O. // Technical Report no. CG-D-29-94, 1994. U.S. Coast Guard Office of R&D. P. 125.

32. Hover G. L., U.S. Coast Guard research in tactical oil spill surveillance technology // Proc. 2nd Int. Oil Spill Research and Development Forum, 23-26 May 1995, UK, London. P.586.

33. Brown E. R, McMachon О. В., Murphy T. J., Hogan G. G., Daniels G. D., Hover G. L. Wide-Band Radiometry for Remote Sensing of Oil Film on Water. // IEEE Trans. Microwave Theory and Techn. 1998. V.46, No.12. P.1989 -1996.

34. Pelyushenko S. A. Microwave radiometer system for detection of oil slicks // Proc. 2nd Int. Oil Spill Research & Development Forum. V.2. London. UK, 23-26 May 1995. P.601-606.

35. Пелюшенко С. А., Ракуть И. В., Мордвинкин И. Н., Пелюшенко А.С., Поляризационный радиометрический метод дистанционного зондирования параметров разливов нефти на воде // Труды 5й науч. конф. по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рождения А. А. Андронова, Н. Новгород: ННГУ, 2001. С.144-145.

36. Кисляков А.Г., Канаков В.А., Шкелев В.И., Вакс B.JL, Приползин С.И., Вдовин В.Ф., Лапкин И.В., Пелюшенко С.А. Миллиметровая радиометрия и спектроскопия: новые методы и результаты // Труды 3 науч. конф. по радиофизике, ННГУ, 1999. С. 23-26.

37. Klein L. A., Swift С. Т. An improved Model for dielectric constant of sea water at microwave frequencies // IEEE Trans. Anten. Propag. 1977. V.25, No.l. P.104-111.

38. Эткин B.C., Раев М.Д., Шарков E.A., Ширяева Т.А. О расчете теплового радиоизлучения многослойных структур методом ориентированных графов с применением ЭВМ // Радиотехника и электроника. 1975. Т.20, №3, С.

39. Богородский В.В., Козлов А.И., Тучков Л.Т. Радиотепловое излучение земных покровов. Л.: Гидрометиздат, 1985. - 272с.

40. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 502с.

41. Сивухин, Д.В. Оптика: Уч.пособие. 2-е изд., испр. / Д.В. Сивухин. М.: Наука, 1985.752с.

42. Water, A Comprehensive treatise, V.l. The Physics and Physical Chemistry of Water, ed. F. Franks, Plenum Press, New York, 1972.

43. Ракуть И.В., Пелюшенко С.А., Мордвинкин И.Н, Пелюшенко A.C. Обнаружение разливов нефти на поверхности воды по данным обзорных наблюдений поляризационным радиометром с борта носителя // Труды XX Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн". Нижний Новгород: Талам 2002,. С.384-385.

44. Ракуть И.В. Решения для устранения неоднозначности определения толщины плёнки нефти на поверхности воды радиометрическим поляризационным методом //Тр. 17 научной конференции по радиофизике, посвященной 100-й годовщине со дня рождения B.C. Троицкого, ННГУ, Нижний Новгород, 7 мая 2013г. С.

45. Метеорологическое зондирование подстилающей поверхности из космоса / Под ред. К. Я. Кондратьева. JI.: Гидрометоиздат, 1979. 279с.

46. Hollinger J.P., Menellia R.A. // Remote Sens. Contr. Polut. 1984. P. 267.

47. Hollinger P. J. Passive microwave measurements of the sea surface // J. Geophys. Res. 1970. V.75, No.27. P. 5209-5213.

48. Бубукин И. Т., Станкевич К. С., Иванов В. П. Корреляционные эффекты в тепловом радиоизлучении взволнованной морской поверхности // Электродинамика и распространение радиоволн. 2000. Т.45, №5. С. 531.

49. Кротиков В. Д., Пелюшенко С. А., Никонов В. Н., Плечков В. М., Щуко О. Б. Радиоизлучение морской поверхности на волнах 8,6 и 1,3 см вблизи угла Брюстера //Изв. вузов. Радиофизика. 1985. Т.28, №2. С.139.

50. Вакс В. Л., Конаков В. А., Кисляков А. Г., Пелюшенко С. А., Ракуть И.В., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. Перспективные разработки радиометров миллиметрового диапазона длин волн. Вестник ВВО АТН Российской Федерации, сер. Высокие технологии в радиоэлектронике. 1997. Т. 1(3). С. 37-42.

51. Ракуть И.В., Пелюшенко С.А., Железняков Ю.А., Пелюшенко A.C. .Исследования неоднородностей протяженных сред методом пассивно-активной радиометрии в миллиметровом диапазоне длин волн // Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т.48, №10-11. С. 890-898.

52. Канаков В.А., Орехов Ю.И., Пелюшенко С.А., Ракуть И.В., Курбаков A.B. Антенны КВЧ-диапазона для систем радиовидения//Антенны. Вып.5(108), 2006 С. 13-16.

53. Ракуть И.В., Крамаренко П.Т. Теплообмен излечением через светопрозрачные ограждающие конструкции помещений. //Приволжский научный журнал, 2(2). -Н.Новгород: ННГАСУ, 2007, С.41-48

54. Ракуть И.В., Крамаренко П. Т. Теплофизическая модель теплообмена излучением через стекло. - Приволжский научный журнал. Период, науч. изд. Н.Новгород, 2009, 1(9), с.77-83.

55. А. Г. Кисляков, С. А. Пелюшенко, И. В. Ракуть, С. Н. Колесов, П. В. Кислицын, И. Ю. Арефьев Первый опыт применения дистанционного пассивно-активного ближнего радиовидения при ожоговой патологии на различных этапах лечения // Тезисы докладов Всероссийский семинар по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона. РАН ИПФ, тезисы докладов, 12-15 марта 2007г, Н.Новгород, С. 63-64.

56. Ракуть И.В. Исследование многослойных диэлектрических структур методами дистанционного пассивно-активного ближнего радиовидения 8-миллиметрового диапазона // Тезисы докладов Всероссийский семинар по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона. ИПФ РАН, тезисы докладов, 1215 марта 2007г, Н.Новгород, С. 78-79.

57. Ракуть И.В .Влияние фокусирующей антенны микроволнового пассивно-активного ближнего радиовизора при исследовании неоднородности многослойной диэлектрической структуры //Труды (Тринадцатой) научной конференции по радиофизике, посвященной 85-летию со дня рождения М.А.Миллера», ННГУ, Нижний Новгород, 7 мая 2009г. С.95-96

58. Ракуть И.В. Развитие методов тепло и радиовидения для медицинской диагностики. //Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии: Доклады 10-межд. Научн.-техн. Конф. Книга 3. - Владимир: 2012. С. 55 - 60.

59. Pelyushenko S. A., Rakut' I. V. The Low cost microwave sensors for airborne remote sensing system // Proc. 3d Int. Airborne Conf. Remote Sensing and Exhibition, Copenhagen, Denmark, 7-10 July, 1997. V.2. P. II-106-11-112.

60. Pelyushenko S.A. The use of microwave radiometer scanning system for detection and identification of oil spills // The Fourth International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments, Orlando, Florida, 17-19 March 1997. PP. 1-381 -I-385.

61. Миллер M. E., Пелюшенко С. А., Цейтлин H.M. Абсолютные измерения космического радиоизлучения в метровом диапазоне длин волн // Изв. вузов. Радиофизика. 1988. Т.31, №10, С. 1147-1155.

62. Викторов В. А., Лункин Л. Б., Савлуков А. С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоиздат, 1989.

63. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математике -статистической теории обработки наблюдений. М.: Физматгиз, 1962. - 352 с.

64. Бирульчик В. П., Рынин А. М., Советкин М. Ю. Переносной радиометрический измеритель для определения объёмов нефтяных загрязнений водных акваторий // СТА. 2003. №2. С.52-59.

65. Пат. № 2227897 РФ. Измеритель толщины слоя нефти, разлитой на поверхности воды / Бирульчик В. П., Пелюшенко С. А., Советкин М. Ю., Чирков В. В., Шавин П. Б. Приоритет 20.06.2001.

66. Мордвинкин И. Н., Ракуть И. В., Пелюшенко С. А., Ольков Н. Н. Радиометрический прибор контроля параметров разлива нефти - «ПРИНТ-3» в составе региональной системы экологического мониторинга // Материалы Междунар. симпозиума «Инженерная Экология - 2003», Москва, 1-2 декабря 2003. С. 170-171.

67. Ракуть И.В., Кротиков В.Д., Пелюшенко С.А., Пелюшенко А.С., Мордвинкин И.Н. Система управления и обработки данных поляризационного радиометра на базе мини ЭВМ // Труды 6-й науч. конф. по радиофизике, посвящ. 100-летию со дня рождения М.Т.Греховой, Н. Новгород: ННГУ, 7 мая 2002. С. 156-157.

68. Разработка, сертификация и изготовление приборов для определения объёмов нефтезагрязнения - «ПРИНТ-3» (2002.06.30 - 2003.06.30) Per. № 01200312566, инв. № 0320402240.

69. Кисляков А.Г., Пелюшенко С.А., Кротиков В.Д., Ракуть И.В., Пелюшенко A.C., Железняков Ю.А., Голованова H.H. Исследование поляризационных излучательных характеристик нефтяных плёнок на взволнованной поверхности воды в СВЧ диапазоне. - Всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. 2-5 марта 2009 г. Тезисы докладов.-Н.Новгород: ИПФ РАН, с.86-87.

70. Кисляков А.Г., Пелюшенко С.А., Кротиков В.Д., Ракуть И.В., Пелюшенко A.C. Развитие микроволнового метода для измерения толщины нефтепродукта на взволнованной поверхности воды //Труды 13 научной конференции по радиофизике, посвященной 85-летию со дня рождения М.А.Миллера», ННГУ, Нижний Новгород, 7 мая 2009г. С.93-94.

71. Кисляков А.Г., Пелюшенко С.А., Кротиков В.Д., Ракуть И.В., Пелюшенко A.C. Поляризационный метод определения толщины нефтяного слика на основе нового измерительного комплекса //Тр. 14 научной конференции по радиофизике, посвященной 80-й годовщине со дня рождения Ю.Н. Бабанова, ННГУ, Нижний Новгород, 7 мая 2010г. С.148-150.

72. Ракуть И.В., Кисляков А. Г., Кротиков В. Д.. Исследование микроволновых поляризационных излучательных характеристик взволнованной поверхности воды с плёнкой нефтепродукта.// Тр. 23 Всероссийской научной конференции Распространение радиоволн. Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011 года. С263 - 266.

73. Ракуть И.В. Поляризационная радиотеплолокация водной поверхности с плёнкой нефтепродукта. //Тр. II Всероссийской научной конференции «Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной среды» под общ. Ред. С.С. Суворова; редкол.: С.С. Суворов. Г.Г. Щукин, Ю.В. Кулешова и др.; ответст. за вып.: C.B. Чернышев. - СПб.: BKA им. А.Ф. Можайского, 2012 г. Т. 2. С.44-51.

74. Разработка прототипа обзорной радиометрической системы обнаружения и контроля параметров участка с разливом нефти на воде при наличии волнения (2008.01.01 -2009.12.31) Per. №01200853318, инв. № 02201150687.

75. Разработка радиофизических методов и исследования параметров розливов нефти на морской поверхности при наличии волнения» В Гос. задании 2009 г.: «Разработка и совершенствование методов зондирования природных и искусственных сред и воздействия на них на основе прогнозов развития научной, научно-технической и инновационной сфер» (ГЕОИНФ-5). Per. № 01200958339, Инв. № 02201053506. С.129-156.

76. Сертификат об утверждении средств измерений RU.C.001 N9880. Госстандарт РФ, 2001.

77. Портативный трёхчастотный прибор «ПРИНТ-3». Сертификат об утверждении средств измерений RU.E.27.011 N13919. Госстандарт РФ, 2003.

78. Громов H.H., Писарев О.В., Шавин П.Б. Дистанционный контроль загрязнений водоемов при разливах нефтепродуктов. Газовая промышленность. 2000. №13, 6264.