автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Использование импульсных береговых и судовых РЛС миллиметрового диапазона волн для обнаружения разливов нефти

005009318 На правах рукописи

Ь^/ЩС

Трофимов Борис Сергеевич

Использование импульсных береговых и судовых РЛС миллиметрового диапазона волн для обнаружения разливов нефти

05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ФЕВ 2012

Санкт-Петербург - 2012

005009318

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственная морская академия имени адмирала С. О. Макарова».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

Ничипоренко Николай Тимофеевич.

доктор технических наук, профессор,

Логиновский Владимир Александрови

Ведущая организация:

Защита состоится «

доктор технических наук, профессор,

Авдеев Борис Яковлевич.

ЗАО «Центральный научно-исследов тельский и проектно-конструкторски институт морского флота».

^£_2012г. в ^

на заседании диссертационного совета Д 223.002.01 при Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственная морская академия имени адмирала С. О. Макарова» по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Заневский пр., д. 5, ауд. ^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной морской академии им. адм. С. О. Макарова.

Автореферат разослан « ^ » 2012 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент

Рябышкин В. Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Суммарные оценки количества нефти, поступающей в Мировой океан, составляют от 2 до 8 млн. тонн нефти в год. Наибольшее количество разливов происходит в портах при погрузочно-разгрузочных работах или на подходах к ним (90%). В подавляющем большинстве случаев (84%) количество нефти, попадающее в море в результате разлива, не превышает 7 тонн. При организации мероприятий по ликвидации разливов нефти в портах, прибрежной части и море важно оперативно обнаружить разлив и определить его основные параметры.

В настоящее время для обеспечения безопасности судовождения применяются сотни береговых и тысячи судовых РЛС миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов волн. Разработка дополнительного режима работы по обнаружению и определению параметров разлива нефти позволит расширить функциональность штатных РЛС, обеспечивая решение задач мониторинга загрязнений акваторий совместно с обеспечением безопасности судовождения.

Проблема использования штатных РЛС для обнаружения разливов нефти охватывает широкий спектр вопросов теории радиолокации, создания и применения навигационных РЛС ММ-диапазона волн, теории обратного рассеяния радиоволн на взволнованной поверхности моря, физико-химических процессов на морской поверхности под воздействием пленок ПАВ, первичной и вторичной обработки радиолокационных сигналов в процессе автоматизации судовождения и других. В различные периоды времени эти вопросы были освещены в трудах таких ученых, как Скольник М., Дулевич В. Е., Вудвард Ф. М., Казаринов Ю. М., Ширман Я. Д., Курьянов Б. Ф., Левич В. Г., Басс Ф. Г., Фукс И. М., Калмыков А. И., Островский И. Е., Разсказовский В. В., Розснберг А. Д., Кулемин Г. П., Хлопов Г. И., Быстров Р. П., Потапов А. А., Соколов А. В., Сазонов А. Е., Жерлаков А. В., Филлипов Ю. М., Логиновский В. А., Смоленцев С. В., Макаров Г. В., Ничипоренко Н. Т., Байрашевский А. М., Гонсалес Р., Вудс Р., Шишкин И. Ф., Ушаков И. Е., Боев А. Г., и др.

Объектом исследования являются импульсные береговые и судовые РЛС.

Предмет исследования: применимость разработанного режима обнаружения и измерения параметров разлива нефти в существующих береговых и судовых РЛС на примере РЛС ММ-диапазона волн. При этом использование указанного режима не влечет потерю штатной функциональности РЛС.

Цель диссертационной работы состоит в расширении функциональных возможностей береговых и судовых РЛС на примере навигационной РЛС ММ -диапазона волн путём создания дополнительного режима обнаружения и измерения параметров разлива нефти.

Задачи, которые были решены для достижения поставленной цели:

1. Проведён анализ существующих методов обнаружения разлива нефти и предложен оптимальный способ радиолокационного обнаружения разлива на акваториях портов, в местах добычи, погрузки/разгрузки и транспортировки нефти.

2. Исследовано влияние длины волны зондирующего импульса на эффективность обнаружения разлива нефти.

3. Разработана методика и программное обеспечение первичной и вторичной обработки сигнала, обеспечивающая дополнительный режим работы РЛС.

4. Разработана методика и программное обеспечение для имитации разлива нефти на реальных записях отражённого радиолокационного сигнала от морской поверхности.

5. В программном обеспечении индикатора РЛС реализован режим совмещения информации о разливах нефти с отображением основной навигационной информации.

6. Проведены эксперименты с имитационным и реальным радиолокационными сигналами, подтверждающие теоретические исследования.

Научная новизна диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложена концепция использования судовых и береговых радиолокационных станций на примере РЛС ММ-диапазона волн для решения задач оперативного мониторинга акваторий.

2. Разработан дополнительный режим работы навигационных РЛС ММ-диапазона волн для обнаружения разливов нефти и измерения их параметров.

3. Предложена методика первичной обработки сигналов в режиме обнаружения разливов нефти на базе контрастного приёма.

4. Создана методика вторичной обработки, повышающая эффективность обнаружения разлива нефти за счёт использования информации о контрасте дисперсии сигнала.

5. Разработана методика имитации разлива нефти на записях реального радиолокационного сигнала, отраженного от взволнованной морской поверхности.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы и основные положения теории рассеяния радиоволн на взволнованной поверхности моря, теории информации, методы контрастного приёма при первичной обработке радиолокационного сигнала, методы цифровой обработки изображений.

Экспериментальные исследования проводились в лабораториях измерений и настройки аппаратуры ЗАО «Морские комплексы и системы», а также на аварийно-спасательном теплоходе «Ясный», атомном ледоколе «Вайгач», на акваториях Финского залива, портов Новоросийск, Кавказ, Сочи.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработанные процедуры и алгоритмы позволяют сделать штатные береговые н судовые РЛС ММ-днапазона волн многофункциональными путём создания режима обнаружения разлива нефти. Это позволит сэкономить существенные материальные средства, т.к. не потребуется устанавливать дополнительную аппаратуру для решения задач обнаружения разливов нефти.

2. Применение береговых РЛС в режиме обнаружения разливов нефти в портах и на акваториях позволят оперативно решать задачи по устранению их последствий.

3. Использование навигационных РЛС на судах в режиме обнаружения разливов нефти позволит фиксировать существующие разливы по маршруту следования и тем самым иметь документальное подтверждение непричастности к ним во избежание санкций со стороны контролирующих организаций.

Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным совпадением натурных испытаний с теоретическими положениями, достаточной обоснованностью принятых допущений н предположений, а также отсутствием противоречий между новыми теоретическими положениями, разработанными в диссертации, и известными результатами исследований.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Для обнаружения разливов нефти на морской поверхности могут быть использованы РЛС СМ- и ММ-диапазонов волн, причём эффективность обнаружения повышается при уменьшении длины волны зондирующего импульса РЛС.

2. Разработан дополнительный режим работы РЛС ММ-диапазона волн, позволяющий обнаруживать и определять параметры разливов нефти. Причём указанный режим используется совместно со штатным навигационным режимом РЛС.

3. Разработана методика моделирования нефтяного разлива, позволяющая проводить эксперименты по вторичной обработке записанных реальных радиолокационных сигналов.

4. Реализован программный модуль в индикаторе РЛС, обеспечивающий совмещение информации о разливах нефти с основной навигационной информацией и их архивирование.

5. Результаты экспериментальных исследований по обнаружению и измерению параметров разлива нефти.

Апробация работы Основные результаты работы были доложены, обсуждались и получили одобрение на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов ГМА

им. адм. С.О. Макарова, 2011, Санкт-Петербург; на научно-практической конференции «Актуальные вопросы метрологии», Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2010, Санкт-Петербург; на международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», 2011, Воронеж; на международном научно-практическом семинаре «Ликвидация разливов нефти: аварийное планирование, обеспечение готовности и реагирование. Нормативные требования и опыт реализации», Государственная морская академия им. адм. С. О. Макарова, 2010, Санкт-Петербург.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 4 статьи в ведущих научных журналах, перечень которых утвержден Высшей аттестационной комиссией, 5 статей в сборниках трудов конференций и тезисов докладов.

Реализация и внедрение

Методика вторичной обработки сигналов внедрена в виде дополнительного модуля программного обеспечения в серийные PJ1C ММ-диапазона волн ЗАО «Морские Комплексы и Системы», установленных в 2010-2011 гг. на пограничных постах в районах Калининграда и Чудского озера, а также в БРЛС порта Козьмино на Дальнем Востоке.

Опытный образец РЛС с дополнительным режимом обнаружения разливов нефти в 2011 году был установлен на многоцелевом спасательном судне «Ясный» (Бассейновое аварийно-спасательное управление - ФГУП Балтийское БАСУ) и принимал участие в международных учениях по ликвидации нефтяного загрязнения на море В ALEX DELTA 2011, проводимых Хельсинкской комиссией по защите окружающей среды Балтийского моря (HELCOM).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 105 наименований библиографических источников. Общий объем диссертации 110 страниц, включая 36 рисунков и 6 таблиц.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения, дана общая характеристика работы.

В первой главе выполнен анализ источников и количества разливов нефти, описано вредное воздействие нефтяного загрязнения на биологическую среду. Приведён анализ и классификация методов обнаружения нефтяных разливов с помощью аппаратуры, установленной на берегу и на различных носителях, отмечены единичные случаи применения для этих целей специальных береговых и судовых РЛС.

Отмечено, что существующие средства не позволяют оперативно обнаруживать разливы нефти в местах её добычи, погрузки и транспортировки, либо имеют существенные ограничения в условиях их эксплуатации.

На примере РЛС ММ-диапазона волн предлагается концепция использования для этих целей существующих и вновь проектируемых береговых и судовых радаров путем создания в них дополнительных функций по обнаружению и определению параметров разлива нефти. Это позволит к навигационным функциям РЛС добавить решение экологических задач по защите водной среды.

В конце главы сформулирован подробный перечень теоретических исследований и практических задач, которые необходимо решить для создания режима обнаружения и измерения параметров разлива нефти в штатных РЛС:

Во второй главе рассматриваются основные модели морского волнения. Наиболее полно взволнованная морская поверхность описывается двух-масштабной моделью, в рамках которой волнение представляется в виде суперпозиции крупных гравитационных волн и мелкоструктурных капиллярных волн ряби. Ввиду резонансного принципа рассеяния радиоволн основной вклад в величину отражённой мощности сигнала вносят капиллярные волны, длина которых пропорциональна длине волны зондирующего импульса РЛС:

где Л - длина капиллярной волны; Л - длина волны зондирующего импульса РЛС; ф - угол скольжения.

Анализ работ, посвященных гашению капиллярного волнения пленками ПАВ, показал, что спектр морского волнения под воздействием пленки изменяется неравномерно. С уменьшением длины морской волны степень угасания интенсивности волнения возрастает. Общий вид зависимости декремента затухания 7 от длины морской волны Л для различных концентраций Г пленки показан на рис. 1. Мощность отражённого сигнала Р пропорциональна квадрату высоты резонансной составляющей спектра волнения, т.е. Р ~ к2(А). Формула для расчёта контраста (в децибелах) отраженного сигнала от чистой морской поверхности и воды, покрытой пленкой ПАВ, может быть представлена в виде:

где Рч, Нч - мощность отраженного сигнала и средняя высота волны резонансной составляющей волнения на чистой взволнованной морской поверхности; Ри, кд - мощность отраженного сигнала и средняя высота волны резонансной составляющей волнения на морской поверхности, покрытой пленкой. Расчет по формуле (2) на основании экспериментальных данных из различных источников показывает, что при Ло > 5 см контраст составляет единицы, при

Рис. 1. Зависимость контраста морского волнения 7 от длины поверхностной волны Л под пленками различной концентрации Г

Ло = 1,6 см он составляет (10 - 16) дБ, а при Ло = 0,4 см он может достигать значний более 26 дБ. Полученные значения контраста согласуются с известными результатами экспериментальных исследований.

Далее рассматривается потенциальная информативность РЛС различных диапазонов волн, зависщая от технических параметров РЛС и в первую очередь от частоты заполнения зондирующего импульса. Расчёты показали, что с уменьшением длины волны зондирующего импульса количество информации, которое может выдать РЛС возрастает. Так, при уменьшении длины волны в 3 - 4 раза, информативность возрастает на 1 - 2 порядка при равенстве остальных параметров. Это позволяет с помощью РЛС ММ-диапазона волн получить более чёткое и подробное радиолокационное изображение и, следовательно, большее количество информации, в том числе и о разливах нефти.

Таким образом, для обнаружения нефтяных загрязнений на морской поверхности на дальностях до 6 миль наиболее перспективными являются РЛС ММ-диапазона волн.

Далее в главе рассматривается контрастный метод приёма радиолокационных сигналов, который в отличие от оптимального приёма основывается не на абсолютных величинах сигнала, а на контрасте сигналов от двух близкорасположенных точках пространства. Исследуется возможность применения данного метода для нахождения контуров нефтяного пятна при линейно-логарифмической характеристике усиления приемного тракта РЛС. Контраст, который на входе антенны составлял десятки децибел, на выходе приёмного тракта снижается до единиц децибел. Чтобы повысить значение контраста на выходе приемного устройства, сниженное в результате логарифмического

УПЧ с ЛАХ или ЛЛАХ

Н ВУ с ЛогАХ

ЭК

/Ц

Л

- Вход 1 (штатный)

Дисплей СООРИ

А

► -Вход 2

У

ВУ с АЛогАХ

J■

Рис. 2. Схема с дополнительным аптилогарифмичсским видеоусилителем

сжатия сигнала в штатном режиме, предлагается подключить (см. рис. 2) к выходу приемного устройства в режиме обнаружения разлива нефти дополнительный канал с блоком антилогарифмических усилителей (АЛУ), сигнал с которого будет подаваться через электронный коммутатор (ЭК) в систему отображения и обработки радиолокационных сигналов (СООРИ).

Другим вариантом реализации данной идеи является увеличение разрядности АЦП на плате радарного процессора, который преобразует видеосигнал от РЛС в цифровой массив данных. Это позволит расширить динамический диапазон обрабатываемых сигналов, а, следовательно, задавшись антилогарифмической характеристикой преобразования видеосигнала в цифровой вид, можно достичь выпрямления характеристики усиления сигнала.

Синтез контрастного приёмника в режиме обнаружения разлива нефти состоит из двух этапов. 1-й этап - реализация контрастного приёма сигналов на базе приёмников штатных береговых и судовых РЛС путём подключения дополнительных видеоусилителей с антилогарифмической амплитудной характеристикой или использование АЦП повышенной разрядности с антилогарифмической характеристикой квантования входного сигнала. 2-й этап -вторичная обработка сигналов, позволяющая определить границу разлива и его параметры.

Максимальную дальность обнаружения разливов нефти эквивалентна дальности обнаружения отраженных сигналов от взволнованной морской поверхности, поскольку информативным параметром является контраст мощности отраженного сигнала. Данные натурных экспериментов, проведённых автором, свидетельствуют о том, что максимальная дальность обнаружения отражения от морской поверхности при различных условиях наблюдения у РЛС СМ- и ММ-диапазона волн приблизительно совпадает. Измерения проводились с использованием РЛС СМ-диапазона волн «ИШиГТО И1-1505 М2» с длиной волны Л = 3,2 см и РЛС ММ-диапазона волн «Нева-Б» (Л = 8,8 мм). Обе РЛС были установлены на борту теплохода «Ясный», что позволяло проводить одновременные измерения при одинаковых условиях. Так, например, при волнении от 1 до 4 баллов дальность, на которой отчетливо наблюдалось отражение от взволнванной морской поверхности, составляет в обоих случаях

от 1 до 6 морских миль.

Третья глава посвящена методике цифровой обработки первичной радиолокационной информации (ПРЛИ) в целях обнаружения разливов нефти.

Для построения методики обработки ПРЛИ использовались записи реального радиолокационного сигнала, отраженного от взволнованной морской поверхности, сделанные с помощью станции ММ-диапазона волн «НЕВА-Б». Штатное программное обеспечение РЛС позволяет записывать в виде файлов на жестком диске оцифрованный видеосигнал, получаемый в реальном времени от АЦП радарного процессора. Эти записи представляют из себя файлы с сырыми данными линейной развертки одного оборота антенны. Один файл-кадр ПРЛИ содержит двухмерный массив чисел в координатах азимут-дальность размером [4096 х 4096] дискрет, где каждый дискрет представляет из себя число в диапазоне (0 - 255), соответствующее уровню принятого радиолокационного сигнала РЛС. Программное обеспечение индикатора преобразует такие массивы данных в изображение на экране оператора РЛС. По этим же данным происходит штатная вторичная обработка сигнала, например, фильтрация асинхронных помех, шумоподавление, фоновая обработка и т.п. Имеется также специальное технологическое ПО (Технологический проигрыватель), позволяющее воспроизводить на индикаторе записи из файлов ПРЛИ. В этом режиме технологический проигрыватель замещает собой радарный процессор, предоставляя индикатору массив данных из записанных ранее файлов.

Технологический проигрыватель был модифицирован таким образом, чтобы иметь возможность имитировать наличие пятна в заданной области, а также задавать скорость перемещения и растекания пятна. Т.е. записав однажды отражение от чистой морской поверхности, стало возможным проводить множественные эксперименты по отработке методики обнаружения разливов нефти и оценке ее работы. Имитация пятна осуществляется путём создания эффекта, наблюдаемого при натурных экспериментах по наблюдению за разливами нефти, а именно, в заданной области снижается яркость и дисперсия яркости по формуле:

Р=РтЛ0$, (3)

где К - относительное снижение яркости в децибелах; Рвх - исходный уровень сигнала. Эта операция позволяет имитировать разливы нефти различной контрастности.

Далее рассматривается общий принцип методики обнаружения разлива нефти, который заключается в двух основных этапах:

1. Приведение исходного изображения к бинарному (двухцветному) виду, в котором черным цветом представлены потенциальные разливы нефтепродуктов, а белым цветом - отражение от чистой морской поверхности, надводных объектов, берега и других объектов.

Рис. 3. Основные этапы вторичной обработки

2. Обнаружение черных областей на белом фоне, определение геометрических, пространственно-временных характеристик пятен, селекция пятен и принятие решения о природе возникновения пятна (загрязнение, ветровой слик, радиолокационная тень и т.п.).

Последовательность этапов обработки приведена на рис. 3. Модуль ПО, в котором была реализована данная обработка, а также ПО индикатора были модифицированы таким образом, чтобы иметь возможность просматривать на дисплее все промежуточные результаты обработки. Данный подход позволил продемонстрировать результаты каждого этапа обработки (см. рис. 4 -9).

Первым шагом вторичной обработки является накопление нескольких последовательных оборотов с целью усреднения значений в каждом элементе изображения. Вычисление среднего арифметического не является эффективным методом с точки зрения расхода памяти ОЗУ. Вместо этого предлагается

использовать метод экспоненциального накопления:

где 1п - двухмерный массив, представляющий собой исходное изображение п-го оборота РЛС (см. рис. 4); а - коэффициент экспоненциального накопления, принимающий значений от 0 до 1; - результат накопления на предыдущих оборотах; Рп - результат накопления текущего оборота /„ (см. рис. 5). Процедура выбора коэффициента а описана в конце главы.

Следующий этап подготовки бинарного изображения - выравнивание яркости изображения по дальности, поскольку мощность отраженного сигнала угасает пропорционально четвёртой степени расстояния. Для проведения данной процедуры предлагается использовать метод двухоконного скользящего среднего, суть которого заключается в следующем.

На изображении для каждого дискрета х в азимутальной линейке у вычисляются средние значения \¥(,3(х) и в окнах ближней и дальней

зоны размером ги^ и тю с центром в точке х. Ближней зоной считается дистанция, на которой присутствует отражение от взволнованной морской поверхности. Дальней зоной - дистанция, на которой отражение от волнения отсутствует. Размеры окон ближней и дальней зоны необходимо выбрать с учетом следующих условий:

где 5х и Ах - характерные размеры точечной и протяженной цели в дискретах.

Далее производится выбор одного из двух средних значений:

Полученное в результате выравнивания яркости изображение показано на рис. 6.

Поскольку нефтяное пятно на морской поверхности снижает не только абсолютную величину яркости, но и дисперсию яркости дискрета от оборота к обороту, предлагается использовать этот факт в качестве дополнительного информативного параметра при анализе изображений РЛС. А именно, чтобы оценить дисперсию яркости каждого элемента ПРЛИ необходимо вычислять поэлементную разность текущего оборота 1п с накопленным Рп. Тогда при

гибз < Шдз, ^бз = 2 • 5х, гуда = 2 • Аг,

У/^х), если \¥6:1{х) > Ш^х) \¥яз(х), если УУъз{х) < УУ^х),

(5)

которое затем вычитается из текущего значения дискрета х:

У(х,у) = Г(х,у)-\У(х).

(6)

накоплении этих разностных массивов получится массив Оп с дисперсиями яркости каждого элемента.

Для увеличения контраста между отражением от пятна и чистой воды производится поэлементное перемножение выравненного по дальности изображения Уп с массивом дисперсий Д,:

^п = КДг- (7)

Использование данной техники позволяет увеличить контраст яркости в несколько раз (в зависимости от волнения и дальности от 6 до 10 раз).

Следующим шагом является пространственное сглаживание изображения методом Гаусса. Это производится для того, чтобы сгладить контуры пятен, соединить близкорасположенные области с одинаковой яркостью, а также для устранения точечных помех. Метод Гаусса, среди множества сглаживающих пространственных фильтров, был выбран из-за симметричности своего ядра, которое производит равномерное сглаживание по всем направлениям, а сам метод может быть эффективно реализован в программном модуле. Коэффициенты в матрице ядра фильтра д(х, у) размером (2к+1)х(2к+1) вычисляются по формуле:

, . 1 (х-*-1)2-К»-*-1)2

д{х'у) = 2^е ' (8)

где х, у - координаты в матрице ядра; а - параметр, отвечающий за дисперсию элементов ядра, обычно выбирается равным единице. Далее производится свёртка изображения 2п с данным ядром, в результате чего значение каждого пиксела в получившемся изображении Сп является линейной комбинацией своих соседних пикселей из с заданными в ядре д(х, у) коэффициентами. Результат повышения контраста и пространственного сглаживания приведен на рис. 7.

Для приведения к бинарному виду предлагается использовать метод двухпорогового обнаружения, в котором используются сильный (Ра) и слабый (Р-ш) пороги (Ра < Рш). При первом проходе по изображению Сп яркость каждого пикселя сравнивается с сильным порогом Р3 и получается новое изображение /?3) в котором яркость пикселей принимает значения:

«я*0»*?^* (9)

II, если С„(х,у) > Р„.

Таким образом, после обработки изображения по формуле (9) выделяются области, которые потенциально являются зонами загрязнения.

Использование слабого порога Рю позволяет уточнить границы пятен путем расширения(выращивания) темных областей на изображении Я„. Для этого итеративно проверяется 8-ми связная окрестность всех пикселей изображения Д3, имеющих значение 0. Если какой-либо пиксель из этой окрестности

на изображении Сп имел яркость меньше, чем порог Рш, то пиксель считается присоединённым к ранее найденной темной области изображения Д, и ему тоже присваивается значение 0. Данный метод позволяет обнаружить темные области, яркость всех пикселей которых меньше слабого порога и в которых есть хотя бы один пиксел, яркость которого меньше сильного порога. Таким образом, после каждого оборота антенны происходит автоматизированное уточнение границ пятен.

Сильный порог предлагается вычислять в зависимости от средней яркости изображения, соответствующей отражению от чистой морской поверхности:

Р5 = Т&с (10)

где Сер - среднее значение яркости изображения Сп; 0 < Т, < 1 - коэффициент.

Слабый порог предлагается вычислять в зависимости от значения сильного порога и средней дисперсии изображения:

где £>ср - среднее значение дисперсии изображения ¿7„; Тш - коэффициент.

Следует отметить, что поскольку отражение от целей, берегов и прочих объектов имеет интенсивность, которая существенно превосходит среднюю интенсивность отражения в кадре ПРЛИ, то при Та < 1 порог Р3 будет заведомо ниже, чем отражение от объектов. Следовательно после пороговой обработки указанные выше цели в бинарном изображении будут представлены белым цветом.

Автоматический выбор порогов представляет из себя отдельную нетривиальную задачу, которая не входила в рамки данного исследования. Выбор конкретных значений порогов обнаружения остаётся за оператором РЛС и должен корректироваться для различных условий наблюдения. Процедура ручного выбора порогов описана в конце главы.

После того, как исходное изображение РЛС преобразовано к бинарному виду (см. рис. 8), в котором темные области означают потенциальные загрязнения, а белые - отражение от чистой воды и всех целей, необходимо произвести оконтуривание и расчёт параметров (координаты центра, площадь, периметр) каждого слика. Для решения этой задачи существует множество алгоритмов, среди которых был выбран наиболее эффективный, суть которого заключается в трассировке контуров пятен для определения внешнего и возможных внутренних контуров областей, а также для идентификации пикселей, принадлежащих внутренней области пятен. Это позволяет за один проход пронумеровать все связные области и одновременно посчитать их периметр и площадь.

Далее рассматривается вопрос о методике классификации сликов на радиолокационном изображении по природе их возникновения. Предлагаются

общие правила, по которым можно отличить нефтяной разлив от других сли-кообразующих явлений, таких как естественные пленки ПАВ, штилевые зоны, внутренние волны, ветровые слики, радиолокационные тени, кильватерный след. Анализируя динамику изменения периметра, площади и координат каждого пятна на серии последовательных изображений ложные пятна можно исключить. Алгоритм селекции пятен, образованных нефтяными плёнками, заключается в проверке следующих условий для всех обнаруженных пятен после каждого оборота:

А^МИН = Р1 ' А'общ, Рз-П< Д5<р2-П, (11)

Рз < АСх,у < Р2,

где А^мил - минимальное число оборотов, на которых пятно должно присутствовать; Аобщ - общее количество анализируемых последовательных оборотов; Д5 - изменение площади пятна за А'общ оборотов; АСх,у - изменение координат центра пятна за А'общ оборотов; П - периметр пятна. Описание и рекомендации по выбору порогов р2 и рз приводятся в конце главы.

В результате на исходное радиолокационное изображение 1п накладываются контуры только тех пятен, которые удовлетворяют условиям (11), т.е. по своим поведенческим характеристикам соответствуют разливам нефтепродуктов.

Для оценки минимальной площади обнаруживаемого пятна используется формула:

Зтт = 4сттё^, (12)

где г - длительность зондирующего импульса, Б - дистанция до облучаемого участка, аТ - ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости.

Из формулы (12) видно, что минимальная плащадь обнаруживаемого нефтяного пятна пропорциональна дистанции до него. Например, для т = 50 не; ат = 0,5°; И = 5 км получается Згп^п ~ 1200 м . Принимая, что при растекании средняя толщина пленки нефти составляет Л = 1 мкм, минимальный объем обнаруживаемого нефтяного разлива в этом случе составит:

Утгп = • Л = 1200 • Ю^6 = 0,0012м2 = 1,2л. (13)

Оценка точности измерения площади пятна происходит по формуле:

<55 ~ 4

тг(1 +Ф)£>

(14)

ПФ

где Ф - формфактор (Ф = а и Ъ - линейные размеры пятна; П - периметр

пятна.

Рис. 7. Повышение контраста и сглаживание 1

Рис. 4. Исходное изображение ПРЛИ

Рис. 5. Экспоненциальное накопление

Рис. 6. Выравнивание яркости по дальности

Рис. 8. Бинарное изображение с потенциаль- Рис. 9. Исходное изображение ПРЛИ с нало-ными разливами жением отселектированных сликов

Формула (14) позволяет оценить относительное отклонение результата измерений площади нефтяного пятна на основании измеренных параметров пятна и известной ширины диаграммы направленности антенны РЛС в горизонтальной плоскости.

В конце главы приводятся рекомендации по выбору параметров методики обработки. Поскольку методика основана прежде всего на межобзорном накоплении радиолокационного сигнала, то для повышения соотношения сигнал/помеха количество накапливаемых оборотов необходимо выбирать как можно ббльшим, однако движение пятна под действием течения и ветра будет сказываться на точности определения контура пятна, т.к. в результате накопления граница пятна будет размыта в направлении движения пятна. Степень размытости границы легко определить, зная скорость вращения антенны и количество накапливаемых оборотов, а чтобы определить максимальное количество накапливаемых оборотов, сохраняя при этом заданный уровень погрешности определения границы пятна, можно воспользоваться формулой:

АГ

Поб = 77—Г-■ (15)

■п ' ¿об

где ДГ - ширина переходной области между чистой водой и пятном, м; Уп = аУв + ЬУТ - скорость движения пятна, которую можно оценить, зная скорость ветра и течения (а = 0,03, Ь = 0,56... 0,97), м/с; ¿об - время одного оборота антенны, с; п& - количество накапливаемых оборотов.

Например, при скорости ветра 5 м/с, скорости течения 0,1 м/с, времени оборота антенны беи заданной максимальной погрешности определения контура 30 м, количество оборотов, которые необходимо накопить должно быть не более 20.

Поскольку накопление происходит экспоненциально, необходимо в формуле (4) подобрать коэффициент накопления а такой, чтобы результат накопления Рп содержал информацию только с заданного числа N прошедших оборотов. После несложных преобразований формулу (4) можно записать в следующем виде:

^Га-аМ,-* ,к=0

4- (1 - (16)

откуда видно, что выбор коэффициента а необходимо делать так, чтобы при заданном N второе слагаемое стремилось к нулю. Например, чтобы добиться условия, при котором результат накопления будет содержать лишь Ю-3 информации от оборотов с номером N > 20, необходимо выполнение условия:

(1-«)20 = ю-3,

которое выполняется при а = 0,3.

п = 8 п = 16 п = 32

¡лг — 4 0,35 0,58 0,76

/лг = 9 0,64 0,81 0,91

/^ = 36 0,88 0,95 0,98

Таблица 1. Значения вероятности правильного обнаружения контрастного приёмника

После того, как определено количество накапливаемых оборотов, можно рассчитать вероятностную характеристику обнаружения тёмных областей на светлом фоне. Для этого можно воспользоваться формулами расчета вероятности правильного обнаружения для контрастных приемников в общем виде, поскольку описанное выше двухпороговый обнаружитель по своей сути является частным случаем контрастного приёмника, т.к. информативным сигналом является не абсолютная яркость пикселей изображения, а контраст яркости, задаваемый коэффициентами Тя и Тю. Вероятность правильного обнаружения И контрастного приёмника с учетом межобзорного накопления сигнала зависит только от заданной вероятности ложных помех F, количества накапливаемых оборотов п и соотношения сигнал/помеха /1. Примеры значений вероятности правильного обнаружения при заданной вероятности ложных тревог ^ = Ю-3 приведены в таблице (1). Видно, что с увеличением числа накопления п вероятность правильного обнаружения возрастает, однако, как было показано выше, это число не может быть выбрано произвольно большим, если требуется сохранить постоянство максимальной погрешности измерения контура пятна.

После того, как найдена вероятность правильного обнаружения £>(/х, Р, п), её можно использовать при выборе параметров селекции обнаруженных сли-ков. Коэффициент рх из формулы (11) должен быть равен вероятности правильного обнаружения £>, поскольку отношение количества оборотов, на которых присутствовало пятно к количеству оборотов, на которых пятно не было обнаружено, по своему смыслу является вероятностностью правильного обнаружения.

Порог р2, ограничивающий максимальное изменение площади и координат центра пятна выбирается исходя из предположения о том, что пятно растекается и перемещается медленно. Например, при скорости ветра 5 м/с и скорости течения 0,1 м/с, скорость перемещения пятна может составлять 0,2 м/с. Следовательно за п ~ 20 оборотов антенны пятно переместиться на 24 метра. С учетом погрешности измерения координат и разрешающей способностью РЛС (3,75 м), значение порога может быть выбрано равным 26,25 м.

Вычисление порога р$ основано на погрешности измерения координат. Поскольку целью данного порога является отсечение стационарных пятен, то в идеальном случае его значение должно быть равно нулю. Однако на практи-

ке необходимо учитывать погрешности измерения координат и выбирать этот порог исходя из этой погрешности и разрешающей способности РЛС. Например, если разрешающая способность РЛС 3,75 м, то порог рз целесообразно выбрать равным 7 м.

Радиус пространственного сглаживания (размер ядра фильтра Гаусса к) следует выбирать исходя из заданной погрешности измерения контуров пятна ДГ:

(2к + 1)1, < ДГ,

где Ь - линейный размер одного дискрета в метрах.

Как было сказано ранее, выбор коэффициента сильного порога обнаружения Т5 для двухпорогового обнаружителя производится вручную, поскольку необходимо учесть влияние многих факторов (настройки усиления РЛС, погода, сила ветра и волнения, радиолокационная обстановка на акватории и т.п.). Поэтому для настройки данного порога в программном обеспечении индикатора был реализован режим калибровки, которую необходимо производить перед началом наблюдения или при смене условий наблюдения. Данный режим заключается в следующем: на экран оператора выводится бинарное изображение, получаемое в процессе работы двухпорогового обнаружителя. Значение коэффициента сильного порога Т8 по умолчанию равно единице, поэтому на бинарном изображении присутствует множество темных областей, т.к. двухпороговый обнаружитель согласно формуле (10) выбирает все пикселы, яркость которых ниже среднего значения по всему изображению. Оператору необходимо уменьшать значение коэффициента до тех пор, пока на бинарном изображении не исчезнут мелкие темные области в зоне волнения, при этом тёмные области, образованные из-за радиолокационных теней, могут оставаться.

Коэффициент слабого порога Т№ следует выбирать, руководствуясь правилом трех сигм, согласно которому 99,7% значений случайной величины лежит в пределах от — За до За. При Тш = 0 выращивание темных областей не будет происходить вообще, а при Гш = 3 к черным пикселам изображения будут присоединены пикселы, яркость которых составляет утроенное среднеквадратичное отклонение.

В четвёртой главе приводится подробное описание программного имитатора разливов нефти, позволяющего воспроизводить записи первичной радиолокационной информации с наложением имитируемых разливов нефти с заданными параметрами. Результаты испытания методики вторичной обработки с использованием имитатора нефтяных загрязнений показали, что минимальное значение контраста, при котором пятно обнаруживается, равно 6 дБ. При этом вероятность правильного обнаружения составляла 0,5.

Далее приводятся результаты натурного эксперимента, подтверждающие принципиальную возможность применения штатных навигационных РЛС

Рис. 10. Фотография пятна на морской поверхности

Рис. 11. Изображение слика на индикаторе РЛС «Нева-Б»

Рис. 12. Снимок экрана индикатора с изображением обнаруженных пятен

ММ-диапазона в режиме наблюдения сликов на водной поверхности. В ходе 1 наблюдения за акваторией Финского залива с помощью РЛС ММ-диапазона 1 волн «Нева-Б» было обнаружено пятно загрязняющего вещества на дистанции 1,4 км объемом 3,5 литра, состоящего из смеси керосина с машинным маслом в пропорции 1:1, которое было разлито с борта моторной лодки. При проведении эксперимента скорость ветра составляла (3 - 5) м/с, волнение — (1 - 2) балла, временами шел дождь (см. рис. 10). К окончанию наблюдения площадь пятна составляла около 13 330 м2.

После настройки оперативных регулировок РЛС на радиолокационном изображении появилось отчётливое изображение пятна (см. рис. 11), пеленг и дистанция до которого соответствовали данным визуального наблюдения. I Во время эксперимента производилась запись изображений индикатора, на I

I

основе которых в дальнейшем разрабатывалась методика вторичной обработки ПРЛИ.

Описанная в главе 3 методика обработки ПРЛИ была применена к записям, сделанным в 2009 году на БРЛС MM-диапазона волн в порту Кавказ Керчь-Еникальского пролива. На этих записях присутствуют несколько пятен нефтепродуктов на фоне морской поверхности. Результаты применения методики вторичной обработки ПРЛИ представлены на рис. 12, на котором показано совмещенное изображение основной радиолокационной информации с контурами обнаруженных нефтяных разливов. Как видно из рисунка, с помощью данной методики удалось обнаружить, оконтурить и вычислить параметры сликов. Пеленг и дистанция до центров составляют соответственно (396°, 798 м) и (19°, 1038 м). Площади пятен равны 10696 и 3795 дискрет, что в пересчёте на квадратные метры составляет 49223 м2 и 22660 м2. При толщине плёнки 0,2 мкм суммарный объем обнаруженного загрязняющего вещества составляет 14,3 литра.

В заключении представлены основные выводы и результаты работы:

1. Анализ существующих методов дистанционного зондирования загрязнений на морской поверхности показал, что предлагаемые способы обнаружения нефти затруднительно использовать в портах, местах добычи нефти и во время оперативной деятельности по ликвидации разливов. В то же время, в большинстве указанных мест уже размещены РЛС различного типа и назначения.

2. Предложена концепция использования штатных береговых и судовых РЛС в целях обнаружения разливов нефти путём добавления в них дополнительного режима, работающего совместно со штатным режимом приёма сигнала. Данный подход позволит сэкономить значительные средства, т.к. не придётся устанавливать отдельное дорогостояю-щее оборудование или уменьшить его стоимость.

3. Показано, что теоретический контраст между отражением от чистой воды и пленкой нефти в РЛС MM-диапазона волн может достигать 26 и более децибел, тогда как для РЛС СМ-диапазона волн величина контраста будет около 10-16 дБ, а для РЛС ДМ-диапазона волн составляет единицы децибел. Указанный контраст в процессе приема в штатном режиме уменьшается в десятки раз.

4. Предложен механизм увеличения контраста принимаемых сигналов при первичной обработке в режиме обнаружения разливов нефти путем добавления модуля, выполняющего антилогарифмическое усиление. При этом остаются неизменными штатные схемы приёмника и в то же время обеспечивается требуемая процедура первичной обработки сигнала в режиме обнаружения разливов нефти.

5. Разработана методика вторичной обработки сигнала для обнаружения разливов нефти. Использование данной методики позволяет находить

на радиолокационных изображениях разливы нефти и определять их параметры.

6. Разработан модуль ПО, реализующий данную методику и взаимодействующий с ПО штатного индикатора РЛС. В результате оператор может наблюдать на экране навигационную обстановку акватории совместно с контурами обнаруженных пятен. Для каждого пятна также доступен просмотр и архивация их формуляра, содержащего номер пятна, площадь, периметр, пеленг и дистанцию до него.

7. Результаты теоретических исследований по созданию в существующих РЛС ММ-диапазона волн режима обнаружения и измерения параметров нефтяных разливов подтверждены моделированием и натурными испытаниями на акваториях Финского залива, Балтийского моря и Керчь-Еникальского пролива.

В работе получены совокупность теоретических и практических результатов, которые вносят существенный вклад в разработку технических средств экологического мониторинга водной среды на базе существующих береговых и судовых РЛС ММ-диапазона волн. Это даёт значительную экономию средств, затрачиваемых на разработку и установку аппаратуры экологической защиты среды. Разработанные методики первичной и вторичной обработки сигналов также могут быть применены в действующих береговых и судовых РЛС СМ- и ДМ-диапазонов волн.

Основное содержание диссертационного исследования отражено в следующих публикациях: I. Статьи в ведущих научных журналах, перечень которых утвержден Высшей аттестационной комиссией

1. Трофимов Б. С. Методика вторичной обработки радиолокационных изображений для обнаружения разливов нефти // Журнал университета водных коммуникаций. 2011. Т. 12, № 4. С. 131-135.

2. Ничипоренко Н. Т., Трофимов Б. С. Использование контрастного приёма радиолокационных сигналов для повышения эффективности обнаружения разливов нефти // Эксплуатация морского транспорта. 2011. Т. 66, № 4. С. 35-40.

3. Ничипоренко Н. Т., Трофимов Б. С. Теоретико-информационный подход к выбору оптимальных эксплуатационных характеристик и технических параметров импульсных РЛС для обнаружения разливов нефти // Эксплуатация морского транспорта. 2009. Т. 58, № 4. С. 32-35.

4. Ничипоренко Н. Т., Маренич И. Е., Петров А. В., Мисюченко И. Л., Трофимов Б. С., Ушаков И. Е. Обнаружение разливов нефтепродуктов с использованием навигационной РЛС // Судостроение. 2010. Т. 789, № 2. С. 39-41.

II. Статьи и тезисы докладов

5. Ничипоренко Н. Т., Трофимов Б. С. Использование контрастного приёма радиолокационных сигналов для повышения эффективности обнаружения разливов нефти // Тезисы докладов научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. адм. С.О. Макарова. С-Пб. 2011.

6. Трофимов Б. С. Методика автоматического обнаружения нефтяных разливов на радиолокационных изображениях РЛС // Тезисы докладов научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. адм. С.О. Макарова. С-Пб. 2011.

7. Ничипоренко Н. Т., Маренич И. Е., Мисюченко И. Л., Петров А. В., Семёнов П. А., Трофимов Б. С., Ушаков И. Е. Экспериментальные исследования по радиолокационному обнаружению разливов нефтепродуктов // Сборник материалов научно-практической конференции «Актуальные вопросы метрологии», Северо-Западный Государственный Заочный Технический Университет, С-Пб. 2010.

8. Трофимов Б. С. Применение модели распространения нефтяного пятна в целях прогнозирования его перемещения // Сборник материалов научно-практической конференции «Актуальные вопросы метрологии», Северо-Западный Государственный Заочный Технический Университет. С-Пб. 2010.

9. Ничипоренко Н. Т., Ушаков И. Е., Мисюченко И. Л., Фадеев В. В., Трофимов Б. С. Береговой радиолокационный комплекс мониторинга разливов нефти // Сборник докладов международной науно-практической конференции «Радиолокация, навигация, связь» ЫЬМС-2011. Воронеж. 2011.

п 7/

ГМА им. адм. С.О. Макарова Заказ № 5 от 12.01.2012. Усл. печ. л. - 1,5 Тираж 100 экз. Формат 60*84/16 '

61 12-5/1934

На правах рукописи

Трофимов Борис Сергеевич

Использование импульсных береговых и судовых РЛС миллиметрового диапазона волн для обнаружения разливов нефти

05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Ничипоренко Н. Т.

Санкт-Петербург - 2012

Содержание

Введение . .......................................3

Глава 1. Методы обнаружения разливов нефти ..................6

1.1. Экологические проблемы современного морского судохоства . . 6

1.2. Анализ и классификация методов обнаружения нефтяных разливов ...............................х. . Ю

1.3. Постановка задач исследования....... ...........33

Глава 2. Радиолокационный метод обнаружения разлива нефти ......................................36

2.1. Обратное рассеяние радиоволн морской поверхностью.....36

2.2. Оценка основных требований к РЛС в режиме обнаружения нефти.................................47

2.3. Информационный подход к выбору оптимальных параметров импульсных РЛС для обнаружения разливов нефти.......48

2.4. Контрастный приём радиолокационных сигналов........52

2.5. Дальность обнаружения сликов..................61

Глава 3. Вторичная обработка принятых сигналов с целью обнаружения и определения параметров разливов нефти ... 65

3.1. Методика обнаружения нефтяных разливов на радиолокационных изображениях РЛС.......................65

3.2. Предварительная вторичная обработка ПРЛИ..........67

3.3. Обнаружение сликов ........................75

3.4. Оценка точности измерений параметров пятна..........81

Глава 4. Экспериментальные исследования............89

4.1. Программный имитатор разлива нефти..............89

4.2. Проведение натурных экспериментов...............91

4.3. Результаты обработки на реальных изображениях........95

Заключение..................................99

Литература..................................101

Введение

Нефтяные разливы в море происходят вследствие ряда причин, среди которвк наиболее распространены сбросы балластнв1х вод, выносы нефтепродуктов со стороны рек, промышленные и канализационные стоки, аварии танкеров, аварии на нефтедобывающих платформах. Нефтяные загрязнения наносят невосполнимые потери окружающей среде, а регионы, пострадавшие от загрязнения несут огромные материалвные потери.

Наибольшее количество загрязнений поступают в результате эксплуатации танкерного флота (2 млн т. в год). Наибольшее количество разливов производится в портах при погрузочно-разгрузочных работах или на подходах к ним (90%), из них 80% составляет разлив сырой нефти.

При добыче в море за счет сброса технологических вод, а так же вследствие аварий при разведочном бурении, промышленной добыче и транспортировке нефти по нефтепроводам в Мировой океан поступают (60-80) тыс. т. нефти в год. В подавляющем большинстве случаев (84%) количество нефти, попадающее в море в результате разлива, не превышает 7 тонн. Большая часть мелких разливов связана с повседневными операциям, такими как загрузка/разгрузка нефти в танкеры, бункеринг.

Суммарные оценки количества нефти, поступающей в Мировой океан, составляют от 2 до 8 млн. т. нефти в год. Своевременное обнаружение и принятия экстренных мер по ликвидации загрязнений может снизить ущерб в десятки раз.

Основными целями мониторинга разливов нефти являются:

— обнаружение нефтяных пятен на контролируемой акватории;

— идентификация источников загрязнения;

— прогноз дрейфа обнаруженных нефтяных пятен;

— систематизация и архивация данных.

В настоящее время для обеспечения безопасности судовождения применяются сотни береговых и тысячи судовых РЛС ММ-, СМ- и ДМ-диапазо-нов волн. Разработка дополнительных режимов обнаружения и определения параметров разлива в штатных РЛС позволит увеличить их многофункциональность, так как к решению навигационных задач добавляются еще и экологические.

Приведенные количественные данные подтверждают актуальность выбранного направления по обоснованию концепции применения навигационных радаров на примере РЛС ММ-диапазона волн для решения экологических задач.

В первой главе проведён анализ существующих отечественных и зарубежных дистанционных методов обнаружения разливов нефти, который показал, что в настоящее время нет надежных устройств оперативного экологического контроля на акватории портов и на пути следования судов. Однако нельзя не отметить, что существует множество специализированных средств экологического контроля, пригодных для использования в ограниченном круге ситуаций и условий.

Предложено для указанных целей применить штатные береговые и судовые РЛС миллиметровых волн, создав дополнительный режим обнаружения и измерения разливов нефти путём специальной первичной и вторичной обработки принятых сигналов. Также приведён перечень теоретических и практических исследований, которые необходимо провести для решения указанных задач.

Во второй главе рассмотрены теоретические модели обратного рассеяния радиоволн взволнованной морской поверхностью, приведены выражения, подтверждающие наличие в суммарном отражённом сигнале от волнения составляющей от капиллярных волн, которые гасятся плёнкой нефти. Показано, что наибольший контраст отражённой мощности на границе чистая вода-нефть достигается с помощью РЛС ММ-диапазона волн (более 26 дБ), тогда как для РЛС СМ- и ДМ-диапазонов волн контраст составляет соответственно (10 - 16) дБ и (1 - 3) дБ.

В связи с этим представляется целесообразным использование для этих целей РЛС миллиметрового диапазона, как наиболее оптимальных и эффективных датчиков информации, обоснованы основные требования к оптимальным характеристикам этих радаров, приведены расчетные данные потенциального количества информации, получаемых при помощи РЛС разных диапазонов. Показано, что информативность в РЛС ММ-диапазона волн на 1,5 -2 порядка выше, чем в РЛС СМ-диапазона волн и на 3 - 4 порядка выше, чем в РЛС ДМ-диапазона волн. Импульсный объем и разрешающая площадь в РЛС ММ-диапазона волн в 1,5 - 2,5 раза меньше, чем в РЛС СМ-диапазона волн, и в 8 - 10 раз меньше, чем у РЛС СМ-диапазона волн. Это позволяет с помощью РЛС ММ-диапазона волн получить более чёткое и подробное радиолокационное изображение, а, следовательно, большее количество информации о разливе нефти.

Дана оценка основных требований к РЛС в. режиме обнаружения разлива нефти. Приведён обобщённый алгоритм контрастного обнаружения разливов. Показано, что при приёме сигналов в штатном режиме из-за линейно-логарифмической амплитудной характеристики приёмника контраст уменьшается в десятки раз. Предлагается при первичной обработке сигналов в режиме обнаружения разливов подключать каскады с антилогарифмической характеристикой. Это позволит восстановить контраст до прежней величины.

Приведена структурная схема первичной обработки сигналов в режиме обнаружения и измерения параметров сликов. Рассмотрен вариант реализации режима обнаружения цифровым методом.

Показано, что дальность обнаружения разливов нефти зависит от частоты зондирующего импульса, удельной эффективной площади рассеяния морской поверхности, угла скольжения, скорости ветра и др. Показано, что УЭПР в ММ-диапазоне в 2-4 раза больше, чем СМ-диапазоне.

В третьей главе приводится методика вторичной обработки радиолокационных изображения с целью обнаружения потенциальных разливов нефти на морской поверхности. Приведены структурные блок-схемы отдельных этапов обработки. В качестве основной особенности данной обработки можно выделить использование в качестве информативного сигнала не только абсолютную яркость элементов радиолокационного изображения, но и анализ дисперсии яркостей элементов. Использование дисперсии яркости при вторичной обработке позволяет увеличить контраст между отражениями от чистой взволнованной морской поверхности и поверхности, покрытой плёнкой ПАВ.

Далее предлагается алгоритм по классификации обнаруженных пятен с целью отличить разливы загрязняющих веществ от ложных сликов, вызванных ветром, турбуленцией в атмосфере или воде или радиолокационной тенью.

Произведена оценка точности измерений параметров разлива, оценка минимальной площади и объема обнаруживаемых разливов. Данная оценка зависит от технических параметров конкретной РЛС.

В четвёртой главе приводится подробное описание устройства программного имитатора разливов, с помощью которого отрабатывались результаты вторичной обработки. Описываются различные режимы его работы, а так же способ моделирования пятна на морской поверхности.

Далее описывается натурный эксперимент, подтвердивший возможность обнаружения нефтепродуктов на морской поверхности с помощью импульсных береговых навигационных РЛС ММ-диапазона волн. Приведена общая методика обработки изображений с целью выделения на них пятен с загрязняющими веществами, послужившая основной для создания методики вторичной обработки, описанной в третьей главе.

В конце главы приводятся результаты обработки записей, сделанных в порту Кавказ, на которых присутствует изображение разлива нефтепродуктов. Приведены снимки экрана индикатора, на которых запечатлены результаты работы модуля обнаружения разливов. На этих снимках пятна оконтурены, вычислены их площади, периметры, координаты центра.

В заключении представлены основные выводы и результаты работы.

Глава 1

Методы обнаружения разливов нефти

1.1. Экологические проблемы современного морского судохоства

Море со всех сторон окружено множеством морских портов, по нему проходят большое количество транспортных коридоров, обеспечивающих перевозку нефти, минеральных удобрений, химических грузов. Перевозка и перевалка всех этих грузов на смежные виды транспорта оказывает негативное воздействие на эколого-геологическую среду моря. В настоящее время наблюдается прогрессирующее загрязнение морей, особенно в прибрежных зонах и на оживлённых судоходных трассах. Причин попадания загрязнителей в море с судов много, но основной является преднамеренный их сброс.

Морская среда подвержена воздействию прилегающей суши. Прибрежно-морские системы являются наиболее техногенно-напряжёнными. Это определяется природной спецификой прибрежных районов моря: естественные лито- и геохимические барьеры между терригенным стоком и открытыми частями моря; области наибольшей биологической активности, которые формируют биологическую структуру шельфа и открытой части моря, а самое главное - это области высокой техногенной нагрузки,с жёстко выраженной тенденцией к её увеличению [1]. По оценке Финского института окружающей среды общее ежегодное количество нефтяных пятен в Балтийском море, возникающее в результате эксплуатации судов, составляет около десяти тысяч.

В целом источники загрязнения Мирового океана многочисленны и разнообразны. Из большого числа источников попадания загрязнителей чаще других встречаются следующие:

— балластные воды танкеров, транспортных и пассажирских судов;

— промывка бункерных и отстойных баков, утечки при бункеровках в штормовую погоду;

— сточные воды, производственный и бытовой мусор.

В зависимости от местонахождения, источники загрязнения можно подразделить на три основные группы.

1. Береговые - к ним относятся реки, озёра и другие водные системы, куда загрязняющие вещества попадают с грунтовыми водами в результате сбросов сточных вод с различных береговых объектов. Опасными загрязнителями являются пестициды, они токсичны для ракообразных.

Попадая в водоемы, пестициды убивают рыбу, отравляют продукты питания человека.

2. Морские источники - все морские суда, различные установки по разведке и обработке ресурсов морского дна, нефте- и газотрубопроводы.

3. Атмосферные источники - это промышленные и другие объекты, откуда могут происходить выбросы вредных газообразных отходов.

Загрязнители большей частью попадают в морскую среду в результате морских аварий, в результате захоронения вредных отходов, отвалов, дноуглубительных работ, а также других работ при создании различных установок и сооружений на морском дне, при добыче нефти и газа на шельфе, при транспортировке нефти, сбросе промывных вод танкеров, сбросе отходов, содержащих нефтепродукты. Отмечается [2], что 10% от общего объема загрязнений поступает именно в результате нелегального преднамеренного сброса отходов судами в открытое море. Ежегодно регистрируется около 500 таких сбросов, общий объём которых не превышает одного кубического метра.

Одной из самых главных причин загрязнения является именно сброс нефти и нефтепродуктов [3]. Уже в настоящее время до 1/3 всей площади Мирового океана покрыто плёнкой нефти различной толщины. Загрязнены до опасного предела Средиземное, Карибское, Северное, Тирренское моря и Бискайский залив. Загрязнение моря нефтью вызывает гибель планктонных организмов, рыбы, птиц и млекопитающих. Нефтяное загрязнение может сделать воду совершенно не пригодной для жизни. При загрязнении обширных акваторий возникает реальная опасность нарушения процессов массо- энергообмена между морем и атмосферой. При разливе нефти на поверхности акватории образуется нефтяной слой толщиной в несколько сантиметров (2-6 см), который затем в течение нескольких часов растекается на значительную площадь, при этом толщина пленки достигает (0,1-0,01) мм. Через несколько суток толщина пленки уменьшается до молекулярного слоя и при этом часть нефти эмульгирует и находится в толще воды в виде включений. Образовавшийся нефтяной слой изменяет условия термодинамического равновесия и приводит к возникновению температурной аномалии - температурному контрасту между чистой водой и водой, загрязненной нефтепродуктами. Эта аномалия обусловлена:

— уменьшением скорости испарения с поверхности воды из-за подавления нефтяной пленкой высокочастотных поверхностных волн;

— изменением излучательной способности загрязненной поверхности воды из-за более высокого коэффициента отражения нефтепродуктов;

— более низкой теплопроводностью нефти и нефтепродуктов (в 3-6 раз) и теплоемкостью (1,5-2,5 раза) по сравнению с "чистой"водой.

Вследствие этих причин, согласно расчетам, разница радиационных температурах нефти Тн и воды Тв : в солнечный день (Тн - Тв) ~ (1-2) К, ночью ~ (0, 5 — 1) К. Оптические свойства чистой воды также существенно отличаются от свойств воды, загрязненной нефтепродуктами. Для чистой воды в океане длина волны максимально рассеянного света в близкой ультрафиолетовой и видимой области спектра равна 470 нм, коэффициент преломления п - 1,3, угол Брюстера 53°. В загрязненной нефтепродуктами воде за счет электронных переходов легкие фракции нефти, присутствующие в нефтяных пленках на поверхности воды и поглощающие излучение в области ~300 нм, могут давать люминесценцию в диапазоне 360-460 нм; более тяжелые фракции поглощают в области ~37 нм и люминесцируют ^52 нм. Коэффициент преломления в ультрафиолетовом (~300 нм) и видимом диапазоне (~550 нм) 1,6; угол Брюстера 58°.

По оценке специалистов, только 1 т разлитой нефти нарушает естественные процессы на морской акватории на площади 8,4 км2, при средней толщине 0,02 мм отрицательно влияет на процессы, протекающие в море, в течение 100 суток [4]. В результате воздействия внешних условий нефть постепенно загустевает и превращается в асфальто-бетонную массу и загрязняет суда, акватории портов, береговую черту. Использование детергентов для ликвидации разливов нефти так же приводит к пагубным последствиям [4].

Вредное воздействие нефтяного загрязнения на биологическую среду выражается в следующем:

— прямое уничтожение морских организмов в результате их обволакивания и удушения, контактного отравления или от воздействия растворимых в оде токсичных компонентов, наблюдаемое на некотором отдалении от места аварийного разлива нефти;

— уничтожение развивающихся, ещё не окрепших морских организмов;

— уничтожение продуктов питания морской фауны;

— ослабление сопротивляемости морских организмов к различным инфекциям вследствие поглощения ими нефти и нефтепродуктов смертельных дозах;

— снижение жизнеспособности и жизнедеятельности морских организмов.

Основными источниками поступления сырой нефти в море при аварийных ситуациях являются:

— танкеры при повреждениях корпуса ( во время шторма, при посадке на мель, столкновениях, пожаре или взрыве);

— нефтепроводы, расположенные под судоходными трассами на дне моря, в результате механических повреждений, из-за эрозии или оползания дна, шторма, перемещения якорей, дноуглубительных работ;

— морские перевалочные базы и порты во время погрузки или выгрузки нефти вследствие повреждения рукавов трубопроводов и их соединительных узлов;

— береговые нефтехранилища и нефтеперерабатывающие заводы в результате каких-либо непредвиденных обстоятельств;

— морские нефтя�