Развитие методов радиометрического зондирования сложных диэлектрических структур в миллиметровом диапазоне длин волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Пелюшенко, Артем Сергеевич

• Пелюшенко, Артем Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Пелюшенко, Артем Сергеевич

Введение.

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы влияния ветровых возмущений на измерение толщины пленок нефти на водной поверхности и методы ее решения.

1.1 Методы измерения толщины пленки нефти на водной поверхности.

1.2 Влияние ветровых возмущений на результаты измерений толщины пленок нефти на водной поверхности при проведении натурных радиометрических измерений.

1.3 Постановка задачи исследования флуктуаций радиоизлучения взволнованной поверхности нефть-вода.

Глава 2. Радиационная модель гладкой подстилающей поверхности.

2.1 Особенности формирования излучения в СВЧ диапазоне.

2.2 Диэлектрическая проницаемость воды. jg 2.3 Диэлектрическая проницаемость нефти.

2.4 Диэлектрическая проницаемость смесей.

2.5 Радиационная модель гладкой полубесконечной поверхности.

2.6 Радиационная модель гладкой двухслойной поверхности.

2.7 Влияние излучения атмосферы на эффективную температуру излучения поверхности нефть-вода.

2.8 Выводы по разделу.

Глава 3. Радиационные модели взволнованной водной поверхности.

3.1 Представление рельефа морской поверхности регулярными функциями пространственно-временных переменных в двух - трехмерном приближениях

3.2 Стохастическая фасеточная модель водной поверхности

3.2.1 Распределение Кокса-Манка для фасеточной модели водной поверхности и взволнованной водной поверхности покрытой слоем ПАВ нефти).".

3.2.2 Изменения коэффициента отражения водной поверхности в зависимости от вариаций углов фасеты.

3.2.3 Изменение средних эффективных температур излучения взволнованной водной поверхности в зависимости от скорости ветра и азимутального угла наблюдения.

3.2.4 Флуктуации эффективных температур излучения взволнованной водной поверхности.

3.2.5 Влияние диаграммы направленности на флуктуации наблюдаемых эффективных температур излучения взволнованной водной поверхности.

3.3 Излучение водо-воздушной пены.

3.4 Выводы по разделу.

Глава 4. Флуктуации радиоизлучения взволнованной водной поверхности, покрытой слоем нефти.

4.1. Радиационная модель водной поверхности покрытой слоем нефтепродукта в условиях ветрового волнения.

4.1.1. Однородная пленка нефти.

4.1.2. Неоднородная пленка нефти.

4:1.2.1 Неоднородная пленка нефти при спокойной поверхности.

4.1.2.2 Неоднородная пленка нефти при взволнованной поверхности.

4.1.3 Выводы по разделу.

4.2. Экспериментальные исследования характера флуктуаций эффективных 75 температур излучения водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта.

4.2.1. Экспериментальная установка и метод измерения флуктуаций 71 эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта.

4.2.2. Методика измерений при исследовании характера флуктуаций эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой неоднородным слоем нефтепродукта.

4.2.3. Результаты экспериментальных исследований характера флуктуаций эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта.

4.3. Точность измерения толщины слоя нефти методом поляризационных радиояркостных контрастов.

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

Эффективным методом дистанционного зондирования окружающей среды в радиодиапазоне является метод СВЧ радиометрии, основанный на измерении собственного электромагнитного излучения объектов природной среды в диапазоне миллиметровых, сантиметровых и дециметровых волн. Основное преимущество радиоволн перед волнами оптического и ИК диапазонов заключается в их высокой проникающей способности. Волны радиодиапазона слабо поглощаются и рассеиваются в облаках, в связи с чем радиофизические методы наблюдения являются практически всепогодными. Получение информации в радиодиапазоне также не зависит от условий освещенности. Размещение же радиофизических датчиков на борту аэрокосмических носителей позволяет оперативно получать эту информацию со значительных территорий, что особенно важно для решения задач предупреждения природных и экологических катастроф. Части поверхности земного шара, занятые сушей и водой, далеко не одинаковы: вода занимает более двух третей поверхности нашей планеты. Среди веществ, загрязняющих моря и океаны, одно из первых мест принадлежит нефти и продуктам ее переработки. Количество поступающих в Мировой океан нефтепродуктов по разным источникам оценивается в 5. 10 млн тонн ежегодно. Особое значение в России экологический контроль приобретает в арктическом регионе (моря Северного Ледовитого океана) и на морях Тихого океана, где в последние годы начато активное освоение природных ресурсов. Нефтепродукты, попавшие на поверхность воды, достаточно быстро растекаются под действием силы тяжести и поверхностного натяжения, увеличивая свою площадь и образуя "слик" (пятно нефтяного происхождения). Сразу после разлива толщина слика крайне неоднородна и колеблется от нескольких сантиметров до долей миллиметров. Таким образом, при ликвидации аварии необходимо знать точно не только объем разлитого нефтепродукта, но и его распределение по водной поверхности для направления кораблей-сборщиков (skimmer) в район с максимальным содержанием разлитой нефти.

В настоящее время значительные успехи достигнуты в разработке дистанционных методов определения толщины слоя нефти на водной поверхности, в том числе и с использованием радиоволн. Созданы и сертифицированы комплексы дистанционного измерения толщины нефтепродукта на водной поверхности. Однако морская поверхность никогда не бывает гладкой, что приводит к большим ошибкам при измерении параметров разлива нефти (объема и распределения нефти на водной поверхности), а в некоторых случаях и неадекватности отдельных методов, успешно использующихся в лабораторных условиях.

В диссертационной работе исследовано влияние волнения подстилающей водной поверхности покрытой слоем нефти на радиационные характеристики этой поверхности с целью расширения возможностей применения методов дистанционного зондирования при измерении параметров разлива нефти.

Цели работы.

Основные цели настоящей работы заключаются в следующем:

1. Создание модели теплового радиоизлучения системы водная поверхность-нефть-атмосфера, которая позволяет адекватно интерпретировать полученные экспериментальные результаты и прогнозировать изменение этого радиоизлучения при вариации таких параметров как температура окружающей среды, соленость воды, скорость и направление ветра, диэлектрические параметры нефти и.т.д.;

2. Реализация разработанной модели в виде компьютерных алгоритмов, для ее последующего использования в составе радиометрического комплекса и для проведения экспериментальной проверки адекватности построенной модели реальным условиям измерения;

3. Экспериментальная проверка адекватности построенной оригинальной модели реальным условиям измерений;

4. Проведение оценки влияния температуры окружающей среды, солености морской воды, скорости и направление ветра, вида волнения, диэлектрических параметров нефти и воды на эффективные температуры теплового излучения системы водная поверхность-атмосфера, измеряемые радиометрическими методами;

5. Оценка потенциальной точности определения толщины пленки нефти по отношению ее эффективных температур излучения на двух поляризациях -вертикальной и горизонтальной. Модифицирование методики измерений толщины пленки нефти на водной поверхности на основе метода поляризационной радиометрии в условиях ветрового волнения.

Научная новизна работы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана оригинальная модель теплового радиоизлучения системы водная поверхность-нефть, позволяющая адекватно интерпретировать полученные экспериментальные результаты и прогнозировать изменение этого радиоизлучения при вариации таких параметров как температура окружающей среды, соленость морской воды, скорость и направление ветра, вид волнения, диэлектрические параметры нефти и воды и.т.д. Такая многопараметрическая модель была создана впервые;

2. Проведен расчет и сопоставление с экспериментом временных зависимостей эффективных температур излучения взволнованной поверхности нефть-вода, описаны физические эффекты, наблюдаемые в процессе проведения радиометрических измерений. Экспериментально установлена зависимость амплитуды флуктуаций теплового излучения взволнованной поверхности нефть-вода от толщины слоя нефти;

3. Проведена оценка влияния ветрового волнения системы нефть-вода на потенциальную точность измерения толщины пленки нефти радиометрическим поляризационным методом.

Краткое содержание диссертации.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения.

Во введениитоворится о задачах, решаемых радиометрическими методами дистанционного зондирования окружающей среды и актуальности задачи дистанционного измерения толщины слоя нефти на водной поверхности. Сформулированы цели, научная новизна и практическая значимость работы, а также положения выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ современных методов измерения толщины слоя нефти на водной поверхности и влияния ветровых возмущений на результаты измерений толщины пленок нефти на водной поверхности при проведении натурных радиометрических измерений, приведены достоинства и недостатки каждого из методов. Описано влияние ветровых возмущений на результаты измерений толщины пленок нефти на водной поверхности при проведении натурных радиометрических измерений. Постановлены задачи построения оригинальной радиационной модели поверхности нефть-вода, рассмотрены методы ее построения и проверки адекватности построенной модели в реальных условиях.

На рисунке показаны этапы создания радиационной модели взволнованной водной поверхности покрытой слоем нефти, последовательное усложнение этой модели с проверкой адекватности усложняемой модели экспериментальными данными.

Во второй главе описано построение радиационной модели гладкой поверхности нефть - вода, рассмотрены особенности формирования излучения в СВЧ диапазоне, рассмотрены модели диэлектрической проницаемости воды, нефти и их смесей, влияние излучения неба на эффективную температуру излучения системы нефть-вода.

В Разделе 2.1 приводятся известные определения теплового электромагнитного излучения и эффективной температуры излучения. Приводится условие применимости рассматриваемых соотношений.

В Разделе 2.2 рассматривается модель диэлектрической проницаемости воды в зависимости от длины волны, температуры и солености. Приведены графики зависимостей реальной и мнимой частей диэлектрической проницаемости воды от рассматриваемых параметров. В выводах приведены характерные зависимости диэлектрических параметров воды от длины волны излучения на частотах 10-И 50 ГГц.

В Разделе 2.3 и Приложении 1 была рассмотрена модель диэлектрической проницаемости нефти, дано определение понятия "нефть", описаны проблемы при построении точной модели, приведены известные экспериментальные данные зависимостей диэлектрических параметров отдельных типов нефти от частоты, проанализировано влияние отдельных химических компонентов нефти на ее диэлектрические параметры. Было отмечено отсутствие в литературе описания комплексных измерений зависимостей диэлектрических свойств нефтепродуктов и их смесей от химического состава, параметров окружающей среды, длины волны излучения и.т.д., по-видимому, эта область исследований находится в начале своего развития. Используя результаты химического анализа 18 образцов нефти, автором установлена зависимость плотности нефти р от относительного содержания в нефти углеводородов парафиновой группы Ж, как p&-0.32*W+l, а также составлено оценочное соотношение ен4.7*р-1 для легких типов нефти. При проведении работ по исследованию диэлектрических свойств нефтепродуктов [28-31], при участии автора, было установлено, что реальная часть слабо зависит от типа нефтепродукта (нефть-масло) и длины волны на которой проводились измерения (8 мм, 26 мм) и равна 2.1 (±0.1) для минерального масла типа АС-8 и ' 2.2(±0.1) для нефти. Мнимая часть также слабо меняется и равна 0.01 (±0.01). В выводах к разделу приведены характерные зависимости диэлектрических параметров нефтепродуктов от длины волны излучения и химического состава.

В Разделе 2.4 рассмотрены известные модели диэлектрической проницаемости смесей нефть-вода и нефть-воздух. Приведены графики зависимостей водно-нефтяной эмульсии и нефте-воздушной смеси £М относительно объемной концентрации воды в смеси W.

В Разделе 2.5 описано построение радиационной модели гладкой полубёсконечной среды, приведены угловые зависимости модулей коэффициентов отражения R и модуля фазы коэффициента излучения | (р\ на горизонтальной и вертикальной поляризации от водной поверхности и от поверхности нефтепродукта.

В Разделе 2.6 описываются особенности формирования теплового излучения двухслойной структуры нефть-вода, приведены условия применимости модели.

Отмечены характерные особенности в зависимостях коэффициентов излучения среды нефть-вода на вертикальной и горизонтальной поляризации от угла визирования, толщины слоя нефти и длины волны излучения.

В Разделе 2.7 рассмотрено влияние излучения атмосферы на эффективную температуру излучения двухслойной поверхности нефть-вода. Отмечено что "подсветка" радиоизлучением атмосферы уменьшает размах вариаций эффективной температуры излучения водной поверхности, покрытой слоем диэлектрика, от толщины диэлектрика Д которые могут достигать значений 100+120 К в случае чистой водной поверхности. При этом на вертикальной поляризации будет наблюдаться монотонный рост эффективной температуры излучения с ростом толщины слоя диэлектрика.

В конце главы приведены выводы об особенности формирования излучения в СВЧ диапазоне гладкой поверхностью нефть-вода. Результаты моделирования изменения радиационных свойств водной поверхности и поверхности нефть-вода, хорошо согласуются с экспериментальными данными [12].

В третьей главе рассматривается построение радиационной модели взволнованной водной поверхности на основе стохастической фасеточной модели водной поверхности, использующей распределение Кокса-Манка.

В Разделе 3.1 и Разделе 3.2 приведены два подхода в описании волнения водной поверхности под воздействием ветровых возмущений и условия применимости этих подходов:

1. представление рельефа морской поверхности регулярными функциями пространственно-временных переменных в двух - трехмерном; приближениях;

2. статистическая фасеточная модель водной поверхности.

Первый подход используется, если профиль волны не меняется во времени (в стадии зарождения и кратковременного роста волн, штормовая зыбь) и не используется в данной работе. Второй подход заключается в описании характеристик поверхности моря в виде законов распределения непосредственно наблюдаемых элементов волн - высот, периодов, длин, углов наклона, пространственных и частотных спектров и.т.д. и был выбран базовым для построения оригинальной модели.

В Разделе 3.2.1 описан фасеточный метод и условие его применимости в рамках построения радиационной модели взволнованной водной поверхности. Приведены соотношения Кокса-Манка (3.1), статистически описывающие взволнованную чистую и покрытую ПАВ поверхность моря. Приведены гистограммы распределения уклонов фасет, отмечены характерные особенности этого распределения и применимость соотношений к моделированию нефтяного разлива.

В Разделе 3.2.2 рассмотрена возможность применения стохастической модели Кокса-Манка для описания радиационной модели взволнованной морской поверхности в миллиметровом диапазоне длин волн в условиях развитого волнения. Приведены изменения модуля коэффициента отражения водной поверхности в зависимости от вариаций углов фасеты.

В Разделе 3.2.3 моделируются изменение средних эффективных температур взволнованной водной поверхности в зависимости от скорости ветра и Ъ азимутального угла наблюдения. Приведены угловые и азимутальные зависимости средних эффективных температур взволнованной водной поверхности; Проведено сравнение построенной модели и экспериментальных данных натурных измерений [50], которое показало адекватность выбранной модели и хорошую точность при решении задачи дистанционного зондирования взволнованной морской поверхности.

В Разделе 3.2.4 рассмотрены флуктуации эффективных температур излучения взволнованной водной поверхности. Размах величин флуктуации излучения взволнованной морской поверхности был ранее измерен и оценен, например, в работах [7, 40], однако интерес представляет также и построение законов распределения в зависимости от угла наблюдения, азимута, скорости ветра и др. Приведены гистограммы распределений эффективных температур излучения взволнованной водной поверхности для фиксированного угла наблюдения при скорости ветра V= 10 м/с. Сделан вывод о том что количественные оценки величин флукгуаций согласуются с приведенными в работах других авторов [7, 40], а ^ распределения на вертикальной и горизонтальной поляризациях имеют асимметрию в области более высоких эффективных температур для угла наблюдения (9=55° (двугорбое распределение), что может быть объяснено деполяризацией излучения взволнованной водной поверхности.

В Разделе 3.2.5 показано, что влияние диаграммы направленности на флуктуации наблюдаемых эффективных температур излучения взволнованной водной поверхности может быть учтено с помощью функции ослабления флуктуаций [40]. Приведены результаты расчетов ожидаемых распределений эффективных температур излучения, с учетом функции ослабления [40]. Эти результаты показали что наблюдаемые флуктуации эффективных температур излучения взволнованной водной поверхности на вертикальной и горизонтальной поляризации уменьшились в сравнении со случаем отсутствия влияния диаграммы направленности, а распределение на горизонтальной поляризации имеет асимметрию в области более высоких эффективных температур излучения, в то время как на вертикальной поляризации распределение имеет вид, близкий к Гауссовому.

В Разделе 3.3 рассмотрена эмпирическая модель излучения водно-воздушной пены, которая образуется на водной поверхности и ее излучение может существенно изменить радиационные свойства взволнованной водной поверхности. При наличии пленки нефти ценообразования не происходит, однако учет влияния процесса ценообразования на излучение чистой водной поверхности позволит более точно проверить адекватность выбранной радиационной модели взволнованной водной поверхности и использовать ее для построения и проверки оригинальной модели взволнованной поверхности нефть-вода.

В четвертой главе производится построение оригинальной радиационной модели взволнованной водной поверхности, покрытой слоем диэлектрика (нефти) # и проверка адекватности этой модели при наблюдении флуктуаций радиоизлучения взволнованной водной поверхности, покрытой слоем нефти.

В Разделе 4.1.1 рассматривается радиационная модель водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта в условиях ветрового волнения для однородной пленки нефти на водной поверхности. Приведены зависимости средних эффективных температур от угла наблюдения и толщины слоя нефти на взволнованной водной поверхности. Строились гистограммы эффективных температур излучения взволнованной поверхности нефть-вода, покрытой слоем нефти для некоторых толщин D. Результаты расчетов показывают циклическую зависимость амплитуды вариаций радиоизлучения взволнованной водной поверхности, покрытой слоем нефти от D на обеих поляризациях. Рассмотрены механизмы изменения этих вариаций от D. Эти факты ранее не описывались в литературе и могут быть использованы для дальнейшей проверки адекватности построенной модели. В конце раздела приведены выводы, в которых перечислены предполагаемые эффекты, которые могут наблюдаться при проведении экспериментальных поляризационных радиометрических наблюдениях взволнованной водной поверхности покрытой тонкой однородной пленкой диэлетрика (нефти).

В Разделе 4.1.2 рассматривается проблема влияния неоднородной пленки нефти на радиоизлучение взволнованной водной поверхности.

Для этого в Разделе 4.1.2.1 было проведено моделирование радиоизлучения, спокойной водной поверхности при наличии неоднородных по толщине участков нефти на ее поверхности. Из результатов моделирования было отмечено уменьшение вариаций средних эффективных температур излучения на горизонтальной поляризации с увеличением D, однако следует ожидать высокой, точности измерения толщины слоя нефти до толщины первой зоны неоднозначности (D « Х/4 рабочей длины волны радиометрической системы). Также было отмечено небольшое влияние неоднородности нефтяной пленки на среднюю эффективную температуру излучения на горизонтальной поляризации для толщин D < X.

В Разделе 4.1.2.2 было проведено моделирование радиоизлучения взволнованной водной поверхности, покрытой неоднородной пленкой нефти. Рассмотрены предполагаемые механизмы формирования неоднородных участков нефти на водной поверхности, приведены зависимости средних эффективных температур и гистограммы Р(Т) эффективных температур излучения взволнованной поверхности нефть-вода излучения на горизонтальной и вертикальной поляризации в зависимости от D и Ad. Было отмечено, что влияние вариаций толщины пленки нефти на эффективные температуры излучения поверхности вода-нефть при тонких пленках весьма незначительно до толщины менее D « XIА и изменения эффективных температур излучения определяются ветровым волнением. С увеличением толщины пленки нефти D > Я/2 влияние неоднородности нефтяной пленки на эффективные температуры становится больше, чем влияние ветрового волнения и при больших толщинах пленки D > Л интерференционные эффекты ослабляются настолько, что это приводит к невозможности измерения толщины пленки нефти поляризационным радиометрическим методом. Полученные данные и зависимости можно использовать в анализирующих алгоритмах (см. например [12]) для увеличения точности измерений.

В Разделе 4.1.3 приведены основные выводы по Разделу 4.1, посвященному построению радиационной модели взволнованной водной поверхности, покрытой неоднородным слоем нефти. Однако адекватность этой модели может быть проверена только экспериментальным путем. Автору не известны работы в этом направлении и, по-видимому, эта работа, также как и создание модели взволнованной поверхности нефть-вода, были проведены впервые. Оригинальная модель была реализована автором в виде компьютерных алгоритмов и может быть использована при измерении параметров нефтяных разливов в составе оперативных радиометрических комплексов в условиях ветрового волнения. Точность построенной модели может быть оценена по наличию при экспериментальных наблюдениях физических эффектов, описанных в; выводах по Разделу 4.1.

В Разделе 4.2 были описаны экспериментальные исследования характера флуктуаций эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта, и проведена проверка адекватности построенной радиационной модели.

В Разделе 4.2.1 рассматривается измерительный стенд предназначенный для проведения экспериментов по изучению флуктуаций эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта, приведены параметры стенда и программного обеспечения, модифицированного автором, что позволило производить запись быстроменяющихся сигналов. Приведены временные реализации сигналов полученных при наблюдении спокойной чистой водной поверхности и атмосферы, свидетельствующие о стабильной работе радиометрической части измерительного стенда.

В Разделе 4.2.2 описана методика измерений при исследовании характера флуктуаций эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой неоднородным слоем нефтепродукта. Показано очень хорошее совпадение теоретических и экспериментальных данных при измерении вариаций радиоизлучения для различных Д что доказывает высокую точность поляризационного метода для гладкой поверхности.

В Разделе 4.2.3 приведены обобщенные результаты экспериментальных исследований характера флуктуаций эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта (результаты приведены в Приложении 2). Описаны проблемы при проведении эксперимента и параметры модели, соответствующие измерительному стенду (отличие статистики волнения от статистики Кокса-Манка). Приведены предсказанные построенной оригинальной моделью эффекты, которые должны наблюдаться при проведении реальных измерений, а также наблюдаемые эффекты. Обнаружение этих эффектов будет означать адекватность построенной модели и возможность ее использования в качестве радиационной модели взволнованной поверхности нефть-вода. Показано что качественно характер флуктуаций и вариаций радиоизлучения подстилающей поверхности, при небольших волновых возмущениях, описывается фасеточной моделью с неоднородной пленкой нефти. Однако автором были обнаружены и серьезные расхождения полученных результатов с моделью при нестационарном волнении. Это было объяснено и проиллюстрировано различными механизмами изменения эффективных температур излучения взволнованной поверхности нефть-вода.

Таким образом, можно сделать вывод о соответствии выбранной модели практически полученным результатам в лабораторных условиях. Выбранная модель хорошо качественно описывает наблюдаемые изменения, как средних эффективных температур излучения, так и степени их вариаций во времени. Для количественных оценок, в частности точного измерения толщины слоя нефти на водной поверхности в условиях сильного ветрового волнения, необходимо точно знать параметры волнения, физические свойства нефти и использовать многочастотные измерения. Основным результатом является подтверждение работоспособности построенной радиационной модели.

В Разделе 4.3 рассматриваются вопросы потенциальной точности измерения толщины слоя нефти методом поляризационных радиояркостных контрастов в условиях штиля и взволнованной водной поверхности. Приведена методика расчетов и рекомендации при выборе параметров радиометрического комплекса для измерения толщины слоя нефти на водной поверхности. Показано, что при стационарном волнении потенциальная точность измерения пленки нефти уменьшается в среднем в 2 раза в первой зоне неоднозначности (D < Л/4) радиометрического комплекса. Эти выводы сделаны на основе анализа средних значений эффективных температур излучения водной поверхности с пленкой нефти. Следовательно, измерения их должны быть достаточно продолжительными для усреднения флуктуаций излучения водной поверхности из-за ее волнения и в то же время должны проводиться в условиях стационарного состояния водной поверхности (сохранение направления и силы ветра за время измерений). Точность измерения толщины нефтяной пленки существенно зависит и от того, насколько точно известны диэлектрические параметры нефти.

В Заключении подведены итоги проведенной работы, изложены основные результаты и выводы.

В Приложении 1 приведена справочная информация о химическом составе нефти, диэлектрических параметрах компонентов нефти, процентном соотношении компонентов в различных типах нефтепродуктов.

В Приложении 2 приведены результаты экспериментальных исследований характера флуктуаций эффективных температур излучения водной поверхности, покрытой слоем нефтепродукта. Анализировались следующие параметры сигналов, прямо пропорциональных эффективной температуре принятого радиоизлучения водно-нефтяной поверхности на горизонтальной поляризации:

1. Строилась гистограмма распределения сигналов 7н, прямо пропорциональных эффективной температуре принятого радиоизлучения на горизонтальной поляризации для возмущенной поверхности для радиометрического канала с Я = 8 мм и Я = 24.6 мм;

2. Находились средние значения сигналов Гн - Тн ;

3. Находилось среднеквадратичное отклонение а сигналов 7н.;

4. Находились средние значения сигналов T8mmH , T24.6mmH прямо пропорциональных эффективной температуре принятого радиоизлучения на горизонтальной поляризации для невозмущенной поверхности для радиометрического канала с Л=8 мм и Л=24.6 мм;

5. Строился частотный спектр реализаций сигналов Тн - G(F).

Все графики и распределения Гн были построены для сигналов прямо пропорциональных эффективной температуре принятого радиоизлучения на горизонтальной поляризации.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Данная работа посвящена построению радиационной модели сложных диэлектрических структур в миллиметровом диапазоне длин волн на примере пленки нефти на взволнованной водной поверхности. Полученные результаты имеют как теоретическую, так и практическую значимость.

1. Разработана модель теплового излучения системы водная поверхность-нефть, что позволяет адекватно интерпретировать полученные экспериментальные результаты и прогнозировать изменение этого радиоизлучения при вариации таких параметров как температура окружающей среды, соленость морской воды, скорость и направление ветра, вид волнения, диэлектрические параметры нефти и воды и.т.д. Эта модель позволяет оценить эффективность экспериментальных методов радиометрических исследований таких сложных диэлектрических структур как лед на водной поверхности, нефть, масло, эмульсии на поверхности земли и др.;

2. Обнаружены и описаны зависимости диэлектрических параметров нефти от ее плотности и относительного содержания углеводородов парафиновой группы (для одного типа нефти);

3. Проведена оценка влияния волнения системы нефть-вода на точность измерения радиометрическим поляризационным методом;

4. Разработанная оригинальная модель теплового излучения системы водная поверхность-нефть позволит использовать радиометрические методы для измерения толщины слоя нефти на водной поверхности в реальных условиях окружающей среды.

5. Показано что при использовании поляризационного метода возможно однозначное измерение толщины слоя нефти на водной поверхности в интервале D =0-1.5 мм с точностью не хуже Ad = 0.09 мм для длины волны радиометра Л - 8 мм. Наличие ветрового волнения приводит к уменьшению потенциальной точности измерения толщины пленки в среднем в 2 раза при скорости ветра V- 10 м/с.

Апробация результатов работы и публикации.

Основные результаты исследования доложены и обсуждены на следующих научных конференциях и симпозиумах: на четырех научных конференциях по радиофизике ННГУ (Н.Новгород, 1999-2003), на Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн" (Н.Новгород, 2002), на втором региональном научном семинаре "Распространение микроволн в природных средах" (Н.Новгород, 2003), Международном симпозиуме "Инженерная экология" (Москва, 2003).

Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах. Объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, двух приложений и содержит 90 страниц текста с 66 рисунками и библиографию из 78 названий. Общий объем работы 115 страниц.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Пелюшенко, Артем Сергеевич

Эти выводы сделаны на основе анализа средних значений эффективных температур излучения водной поверхности с пленкой нефти. Следовательно, измерения их должны быть достаточно продолжительными для усреднения флуктуаций излучения водной поверхности из-за ее волнения и в то же время должны проводиться в условиях стационарного состояния водной поверхности (сохранение направления и силы ветра за время измерений). Точность измерения толщины нефтяной пленки существенно зависит и от того, насколько точно известны диэлектрические параметры нефти.

Заключение

В работе рассмотрено развитие методов радиометрического зондирования сложных диэлектрических структур в миллиметровом диапазоне длин волн на примере построения оригинальной радиационной модели взволнованной водной поверхности, покрытой слоем нефти. Построенная модель позволит использовать радиометрические методы для измерения толщины слоя нефти на водной поверхности, что является актуальной проблемой при ликвидации нефтяных разливов в морских условиях.

Ниже представлены основные результаты, полученные в данной работе:

1. Разработана оригинальная модель теплового радиоизлучения системы водная поверхность-нефть-атмосфера, которая позволяет адекватно интерпретировать полученные экспериментальные результаты и прогнозировать изменение этого радиоизлучения при вариации; таких параметров как температура окружающей среды, соленость морской воды, скорость и направление ветра, вид волнения, диэлектрические параметры нефти и воды и т.д. Описаны механизмы формирующие радиоизлучение взволнованной поверхности нефть-вода. Показано что законы распределения эффективных температур излучения взволнованной водной и водно-нефтяной поверхности имеют сложный характер, меняющийся в зависимости от толщины слоя нефти, угла наблюдения и др. Построенная модель может быть также использована для интерпретации результатов радиометрических измерений таких сложных диэлектрических структур как лед на водной поверхности, нефть на поверхности земли и др.;

2. Обнаружены и описаны зависимости диэлектрических параметров нефти от относительного содержания углеводородов парафиновой группы W (для одного типа нефти) и от ее плотности р\ 1. - установлена зависимость плотности нефти от относительного содержания в нефти углеводородов парафиновой группы, как p&-Q32*W+l (/7=0.85-0.92 г/см3), 2.- установлена качественная зависимость реальной части диэлектрической проницаемости нефти £н'«4.7*/>-1.8 (/7=0.8-0.9 г/см3);

3. Проведена экспериментальная проверка адекватности разработанной модели в рамках проведенного лабораторного эксперимента. Теоретически предсказаны и практически наблюдались физические эффекты, специфичные для взволнованной поверхности нефть-вода. Автору не известно описание этих эффектов в литературе. Экспериментально установлена зависимость амплитуды флуктуаций теплового излучения взволнованной поверхности нефть-вода от толщины нефти. Описаны механизмы формирующие радиоизлучение взволнованной поверхности нефть-вода в частном случае нестационарного волнения;

4. Проведена оценка влияния волнения системы нефть-вода на потенциальную точность измерения толщины нефти радиометрическим поляризационным методом. Установлено, что потенциальная точность измерения толщины нефти радиометрическим поляризационным методом при наличии ветрового волнения уменьшается более чем в 2 раза, даны рекомендации по выбору методики измерений;

5. Разработанная оригинальная модель теплового излучения системы водная поверхность-нефть позволит использовать радиометрические методы для измерения толщины слоя нефти на водной поверхности в реальных условиях окружающей среды.

Основным итогом работы автор считает построение и экспериментальную проверку работоспособности оригинальной модели теплового излучения системы сложных диэлектрических структур в миллиметровом диапазоне длин волн, которая позволяет адекватно интерпретировать полученные экспериментальные результаты и прогнозировать изменение этого радиоизлучения при вариации различных параметров этих структур. Это позволит расширить сферу использования радиометрических методов дистанционного зондирования в миллиметровом диапазоне длин волн и повысить точность этих методов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пелюшенко, Артем Сергеевич, 2005 год

1. 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

2. 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 Florida 17-19 March 1997 p. 1-31

3. 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 Februaiy-2 March 1995. - p.I-134

4. McMahon O., Murphy Т., Brown E. Remote measurements of oil spill thickness // Abstracts of Forth International Conference on Remote Sensing for Marine and Costal Environments. Florida 17-19 March 1997. - p.I-353-376

5. Башаринов A.E., Тучков Л.Т., Поляков B.M., Ананов Н.И. Измерение радиотепловых и плазменных излучений. М.: Сов. Радио, 1968. 390с.

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

7. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.-Наука, 1986. 190с.

8. Бреховских Л М. Дифракция волн на неровной поверхности. ЖЭТФ. 1952. Т.23 № 3. с.275.

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

10. Башаринов А.Е., Гуревич А.С. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974.-188с.11. http ://www.ssc.se/abs/systdesc.html

11. Кротиков В.Д., Мордвинкин И.Н., Пелюшенко А.С., Пелюшенко С.А., Ракуть И.В. Радиометрические методы дистанционного зондирования разливов нефти на поверхности воды. // Известия Вузов. Радиофизика 2002 - т. XLV, №3 С. 243-251.

12. 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: ТАЛАМ. - 1999. - С. 137-138.

13. Кисляков А.Г., Пелюшенко А.С. Флуктуации радиоизлучения взволнованной водной поверхности, покрытой слоем диэлектрика. // Труды 7-й научной конференции по радиофизике ред. А.В.Якимов. - Нижний Новгород: ТАЛАМ. -2003.-С.132-133.

14. Левин Л.М.,Рытов С.М. Теория равновесных тепловых флуктуаций в электродинамике.- М.- Наука. 1967г.-307с.

15. Greenwald Т., Jones A. Evaluation of seawater permittivity models at 15 GHz using satellite observations // IEEE Transaction on geoscience and remote sensing. -September 1999. Vol. 37. - No.5. -p.2159-2164.

16. Stogryn A. Equations for Calculation the Dielectric Constant of Saline Water // IEEE Trans MTT. 1971. - №19. - p.733-736.

17. Weyl P. On the change in electrical conductance of sea water with temperature // Limnol. Oceanogr. 1964. - V. 9. - p.75-78.

18. Klein L.A., Swift L.A. An Improved model for the dielectric constant of sea water on microwave frequencies // IEEE Trans AP. 1977. - p.104-111.

19. Иващенко И., И. Волощук Г. М. Физика пласта // Электронный справочник серии "Черное Золото". Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет 2001-2002 г.

20. Кислицын А.А., Фадеев A.M. Диэлектрическая релаксация в высоковязких нефтях. // Журнал Физической Химии. 1994. - т.68. - №2. - С.340-343.

21. Friiso Т., Tjomsland Т. Monitoring of density changes in low-permittivity liquids by microwave-permittivity measurements with an open-ended probe. // Meas. Sci. Technol. .1997. №8. - p.1295-1305

22. Folgero K. Bilinear calibration of coaxial transmission reflection cells for permittivity measurements of low-loss liquids. // Meas. Sci. Technol. 1996. № 7. -p.1260-1269

23. Castle J.G. Microwave transmission through strategic petroleum reserve crude oil samples from Bayou Choctaw cavern. // SPR Geotechnical Division. Sandia National Laboratories Albuquerque, New Mexico. 1979.-p. 135

24. Хиппель A.P. Диэлектрики и их применение. JI.: Госэнергоиздат, 1959. -336с.

25. Дудин В.Е., Свердлов Б.А., Фурашов Н.И. Исследование диэлектрических свойств нефти и нефтяных масел на миллиметровых волнах. // Препринт НИРФИ: Распространение микроволн в природных средах. 2003 - Нижний Новгород. - с 25-26

26. Pelyushenko S.A. Microwave radiometer system for the detection of oil slicks. // Spill Sci &Techn. Bull. 1995. - V2. - №4. p.249

27. Кисляков А.Г., Пелюшенко A.C., Червяковская T.B. Фазометрические методы измерения диэлектрической проницаемости. // Труды 3-й научной конференции по радиофизике ред. А.В.Якимов. - Нижний Новгород: TAJIAM. -1999, С. 124.

28. Пелюшенко А.С. Измерение нефтяных эмульсий на водной поверхности радиометрическим поляризационным методом. // Труды 7-й научной конференции по радиофизике. ред. А.ВЛкимов. - Нижний Новгород: TAJIAM. - 2003, С. 172173.

29. Laaperi A. Microprocessor controlled microwave radiometer system for measuring the thickness of an oil slick. // IGARSS 82. p. 4.1-4.7

30. Skou N. Radiometry for oil pollution monitoring, measurements and system // IEEE Trans, on geoscience and remote sensing. 1986. - V.24. - №3 - p.360-367

31. B.B. Богородский, К.Я.Коидратьев, Ю.И.Рабинович Микроволновая дистанционная индикация загрязнений поверхности моря нефтепродуктами // Труды ГГО. 1976. - вып.371. - 22-36 с.

32. Askine, ed. Remote Sensing using microwaves. // Department of Radio and Space Science Chalmers, University of Technology. Goteborg. Sweden. 2003. - p.3736. http://microwave.nirfi.sci-nnov.ru

33. Camps A.J, Reising S.C Wind direction azimuthal signature in the stokes emission vector from the ocean surface at microwave frequencies. // Microwave and technology letters. 2001. Vol.29. - №6. - p.426-43238. патент US 5381442

34. Button K.J., Wiltse J.C. Infrared and millimeter waves. Vol4. // Academic Press,, New York.-1981.-p. 245

35. Цейтлин H.M., Шутко A.M., Жислин Г.М. Радиоизлучение моря на сантиметровых волнах и его флюктуации. Препринт № 6(155) М.: ИРЭ АН СССР, 1974.-50 с.

36. Арманд Н.А., Башаринов А.Е., Бородин Л.Ф. и др. Радиофизические методы дистанционного изучения окружающей среды. // В кн.: Проблемы современной радиотехники и электроники. М. Наука, 1980. 95 с.

37. Эткин B.C., Ворсин Н.Н., Кравцов Ю.А. Обнаружение критических явлений при тепловом радиоизлучении периодически неровной водной поверхности. // Известия Вузов Радиофизика. 1978. - т.21. - N3. - С.454.

38. Кисляков А.Г. // В сб.: Электромагнитная совместимость. Горький, ГГУ. -1987.-С. 100.

39. Ю.А.Кравцов, М.И.Митягина, А.Н.Чурюмов Нерезонансный механизм рассеяния электромагнитных волн на морской поверхности: рассеяние на крутых заостренных волнах // Известия Вузов Радиофизика. т. XLII. - N3. - С.240-253.

40. Wu J. Sea-surface slope and equilibrium wind-wave spectra. // Phys. Fluids. -1972.-№7.-p.741-747.

41. Katzin M. //Proc. IRE; 1957. - V45. - No 1. - p.44-45.

42. Kunkee D.B., Gasiewski F.J. Airborne passive polarimetric measurements of sea surface anisotropy at 92 GHz. // Radio Science. 1994. - V.29. - N 6. - p.1449.

43. Stogryn A. The apparent temperature of the sea at microwave frequencies // IEEE Transactions on antennas and propagation. March 1967. vol. Ap-15 N2. - p.278-285.

44. Pierdicca N., Marzano F.S., Guerriero L. On the effect of atmospheric emission upon the passive microwave polarimetric response of an azimuthally anisotropic sea surface. // Progress In Electromagnetics Research, PIER 26. 2000. - p. 223-248.

45. Campes A.J, Reising S.C. Wind direction azimuthal signature in the stokes mission vector from the ocean surface at microwave frequencies. // Microwave and optical technology letters. June 20 2001. - vol 29. - N6. - p.426-432.

46. Wentz F., Mattox A., Peteherych S. New algorithms for microwave measurements of ocean winds: Applications to SeaSat and the Special Sensor Microwave Imager. // Journal of Geophysical Research. 1986. - vol. 91. p.2289-2307.

47. Kunkee, D.B., Gasiewski A. J. Simulation of passive microwave wind direction signatures over the ocean using an asymmetric-wave geometrical optics model. // Radio Science. 1997. - Vol. 32. - p. 59.

48. Филлипс O.M. Динамика верхнего слоя океана Пер. англ. М: Мир, 1969. 267с.

49. Сох С., Munk W. Measurement of the roughness of the sea surface from photographs of the Sun glitter. // Journal Opt. Soc. Amer. 1954. - V44. - N 4. - p.838.

50. Wenying Su, Thomas P. Charlock, Rutledge K. Observations of reflectance distribution around sunglint from a coastal ocean platform. // Applied Optics. 10 December 2002. - Vol. 41. - N. 35. - p.7369-7382.

51. Шульгина E.M. Расчет излучательной способности взволнованной поверхности моря в микроволновом диапазоне. // Физика атмосферы и океана. -1972. т.8. - № 7. - С.773.

52. Yoshimori К., Kazuyoshi I. New statistical formulation for an inhomogeneous ocean surface. // IEEE International Oil Spill Conference. 1994. - p.455-459.

53. Кравцов Ю.А., Чурюмов A.H. Вклад крутых неровностей в радиояркостную температуру океана. // Известия Вузов Радиофизика. 2000. - т.43. - №3. С.217.

54. Theiler J., Henderson B.G. A geometrical constraint on shadowing in rough surfaces Proc. // SPIE 3122. 1997. - p.271-279.

55. Wirgin A. Scattering from sinusoidal gratings: an evaluation of the Kirchhoff approximation. // Journal Optical Society of America. Vol.73. - №8. - p.1028-1041.

56. Гайкович К.П., Снопник Л.М., Троицкий A.B. Вертолетные радиометрические измерения тонкого озерного льда и нефтяной пленки на озерах и грунте. // Известия Вузов Радиофизика. 1995. -t.XXXVII. - №11. - С. 1105-117.

57. Гагарин С.П., Кутуза Б.Г. Влияние морского волнения и неоднородностей атмосферы на СВЧ излучение системы атмосфера-морская поверхность. // Исследование Земли из космоса. 1983. - N3. - С.88-99.

58. Stogryn A.The emissivity of sea foam at microwave frequencies. // IEEE Transaction on Geoscience and remote sensing. 1972. - Vol. 77. - № 9. - p. 1658-1666.

59. Smith P.M. The emissivity of sea foam at 19 GHz and 36 GHz // IEEE Transaction on Geoscience and remote sensing. 1988. - Vol. 26. - № 5. - p.541-547.

60. Rose L.A., Asher W.E. Radiometric measurements of the microwave emissivity of foam. // IEEE Transaction on Geoscience and remote sensing. 2002. -Vol. 40. - № 12. -p.2619-2625.

61. Tatarskii V.I., Tatarskii V.V. Statistical non-gaussian model of sea surface with anisotropic spectrum for wave scattering theory. Parti, Part2. // Progress In Electromagnetics Research, PIER 22. 1999. - p.259 -291, p.293 -313.

62. Кисляков А.Г., Пелюшенко A.C. Влияние ветрового волнения на точность поляризационных измерений толщины пленки нефти на водной поверхности. // Успехи современной электроники. 2003. - №1. С.44-51.

63. Fuks I. M., Voronovich A. G. Wave diffraction by rough interfaces in an arbitrary plane-layered medium. // Waves Random Media. 2000. N10. - p.253-272.

64. А.Г. Кисляков, Пелюшенко А.С. Влияние ветрового волнения на точность поляризационных измерений толщины пленки диэлектрика на водной поверхности. // Труды 4-й научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ. -2000, С.151-152.

65. Пелюшенко А.С. Сравнение двух методов определения толщины пленки нефти диэлектрика на воде. // Труды 5-й научной конференции по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рождения А.А.Андронова. Нижний Новгород: ТАЛАМ. - 2001, С.146-147.

66. Пелюшенко А.С. Флуктуации радиоизлучения взволнованной водной поверхности, покрытой слоем диэлектрика. // Труды 6-й научной конференции по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рождения М.Т.Греховой. Нижний Новгород: ТАЛАМ. - 2002, С.152-153.

67. Пелюшенко А.С. Измерение параметров нефтяных разливов на поверхности грунта радиометрическим поляризационным методом. // Труды 7-й научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ. - 2003, С.174-175.

68. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. М.: Наука, 1973. - 416с.

69. Цейтлин Н.М. Антенная техника и радиоастронмия. М.: Сов.Радио, 1976. -352с.