Способ и устройство для обнаружения и измерения разливов нефти или нефтепродуктов

Способ и устройство для обнаружения и измерения разливов нефти или нефтепродуктов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение в целом относится к системе обнаружения разлива нефти или нефтепродуктов, а более конкретно к набору датчиков для контроля и измерения количества нефтепродуктов на больших водных пространствах.

Уровень техники

Разлив нефти или нефтепродуктов на поверхности воды создает большие экологические проблемы. Основными источниками этих проблем являются суда и морские установки, поскольку такие суда и сооружения ежегодно сбрасывают в окружающую морскую среду более 500000 тонн нефти или нефтепродуктов. Для решения этой проблемы было разработано и продолжает разрабатываться множество национальных, региональных и международных концепций. Однако эти современные концепции и связанные с ними бессистемные способы наблюдения оказались неадекватными для обнаружения нефти или нефтепродуктов в морской среде.

В результате Соглашения по защите морской окружающей среды в северо-восточной Атлантике (Соглашение OSPAR) разрабатываются программы и критерии для обнаружения выбросов и утечек различных веществ. Целью OSPAR является разработка необходимого оборудования для реализации и принудительного внедрения в практику программ и критериев, принятых в рамках данной концепции. Соответственно, внедрение этих мер требует круглосуточного наблюдения. Однако использование существующих способов наблюдения для достижений указанных целей является экономически неоправданным, ненадежным и неэффективным.

В настоящее время для обнаружения разливов нефти могут использоваться самолеты и суда. Самолеты способны исследовать большие площади. Однако использование самолета стоит слишком дорого. Судно обеспечивает более рентабельный способ обнаружения разливов нефти. Судно может быть оборудовано радиолокатором с регулируемыми фильтрами, позволяющими управлять чувствительностью для адаптации к туману, дождю и отражению от морской поверхности. Однако радиолокатор, установленный на судне, способен обнаружить только факт разлива нефти, но не может установить количество разлитой нефти. Кроме того, установленный на судне радиолокатор способен обнаруживать разлив нефти только на расстоянии приблизительно 1 км. Соответственно, одно судно способно осуществлять слежение лишь за очень небольшой площадью. Следовательно, для обнаружения разлива нефти на ранней стадии необходимо использовать несколько судов, а кроме того, необходимо, чтобы суда все время находились в море.

Для обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов в реках и внутренних водоемах использование самолетов и судов не является практичным, например, в связи с ограничениями на уровень шума или при исследовании мелких водоемов и применяются другие способы. В одном из таких подходов используется комбинация радиолокатора и СВЧ-радиометра, установленных на мосту через реку так, чтобы радиолокатор и СВЧ-радиометр были направлены вертикально вниз на воду, протекающую под мостом. Однако трудно узнать, где именно следует установить датчики, и не всегда там, где требуется установить датчики, имеется какой-либо мост. В результате необходимо использовать специально установленные конструкции, например тросы, натянутые поперек реки.

Таким образом, понятно, что имеется потребность в способе и устройстве для обнаружения и измерения разливов нефти или нефтепродуктов.

Сущность изобретения

Для преодоления недостатков, присущих вышеописанным известным способам и устройствам, и других ограничений, которые станут очевидными после прочтения настоящего описания, настоящее изобретение предлагает способ и устройство для обнаружения и количественной оценки разливов нефти или нефтепродуктов.

В одном своем варианте выполнения настоящее изобретение относится к устройству для обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов, предназначенному для обнаружения нефтяных пятен с неподвижной платформы. Устройство включает блок датчиков разлива нефти или нефтепродуктов, устанавливаемый на неподвижной платформе. Блок датчиков разлива нефти или нефтепродуктов содержит радиометрический сверхвысокочастотный (СВЧ) датчик и по меньшей мере один дополнительный дистанционный датчик наличия нефти или нефтепродуктов. Имеется анализатор данных, принимающий сигнал от радиометрического СВЧ-датчика и по меньшей мере одного дополнительного дистанционного датчика. Анализатор данных способен вырабатывать выходной сигнал, свидетельствующий об обнаружении разлива нефти или нефтепродуктов, в ответ на входной сигнал, полученный от радиометрического СВЧ-датчика и по меньшей мере одного дополнительного дистанционного датчика.

Другой вариант выполнения настоящего изобретения относится к способу обнаружения разлива нефти или нефтепродуктов. Способ включает дистанционный контроль поверхности воды в первом месте на предмет наличия нефти или нефтепродуктов с выработкой данных контроля первого места и дистанционный контроль поверхности воды во втором месте на предмет присутствия нефти или нефтепродуктов с выработкой данных контроля второго места. Данные контроля первого места передают в приемник, расположенный во втором месте. Информацию, относящуюся к данным контроля первого и второго места, передают в станцию управления.

Еще один вариант выполнения настоящего изобретения относится к способу обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов в море. Способ включает получение первых данных обнаружения от радиометрического СВЧ-блока, установленного на неподвижной морской платформе, и получение вторых данных обнаружения по меньшей мере от одного дополнительного датчика, установленного на неподвижной морской платформе. Первые и вторые данные обнаружения объединяют с формированием объединенных данных обнаружения. Затем на основе объединенных данных обнаружения определяют, присутствует ли нефть на поверхности воды в море.

Еще один вариант выполнения настоящего изобретения относится к системе обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов. Система включает первый блок контроля, расположенный в первом фиксированном месте в море и предназначенный для дистанционного контроля поверхности воды в этом первом месте. Первый блок дистанционного контроля формирует данные контроля первого места. Второй блок контроля расположен во втором фиксированном месте в море и предназначен для дистанционного контроля поверхности воды в этом втором месте. Второй блок дистанционного контроля формирует данные контроля второго места. Первый передатчик установлен в первом месте для приема данных контроля первого места и передачи их во второе место. Приемник во втором месте получает данные контроля первого места. Второй передатчик установлен во втором месте для передачи информации, извлеченной из данных контроля первого и второго места, в станцию управления.

Еще один вариант выполнения настоящего изобретения относится к устройству для обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов с судовой платформы. Устройство включает блок датчиков разлива нефти или нефтепродуктов, установленный на судовой платформе и включающий радиометрический СВЧ-датчик и по меньшей мере один дополнительный дистанционный датчик наличия нефти или нефтепродуктов. Анализатор данных выполнен с возможностью приема данных от радиометрического СВЧ-датчика и по меньшей мере одного дополнительного дистанционного датчика нефти или нефтепродуктов. Анализатор данных предназначен для формирования выходного сигнала, свидетельствующего о наличии разлива нефти или нефтепродуктов, в ответ на данные, полученные от радиометрического СВЧ-датчика и по меньшей мере одного дополнительного дистанционного датчика. Блок датчиков разлива нефти или нефтепродуктов учитывает движение судна, что повышает точность выходного сигнала.

Еще один вариант выполнения настоящего изобретения относится к способу обнаружения с судна разливов нефти или нефтепродуктов. Способ включает контроль поверхности воды с судна с использованием радиометрического СВЧ-датчика и по меньшей мере одного дополнительного дистанционного датчика наличия нефти или нефтепродуктов. Движение судна учитывают при снятии и/или анализе данных по меньшей мере радиометрического СВЧ-датчика. На основе данных обнаружения, полученных от радиометрического СВЧ-датчика и/или по меньшей мере одного дополнительного дистанционного датчика, определяют, присутствует ли нефть на поверхности воды.

Вышеприведенный краткий обзор настоящего изобретения не предназначен для описания каждого иллюстрируемого варианта его выполнения или каждого примера его реализации. Варианты выполнения настоящего изобретения будут более подробно описаны ниже со ссылками на сопровождающие чертежи.

Краткое описание чертежей

Изобретение можно будет лучше понять из последующего подробного описания различных вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, где:

на фиг.1 схематично показан блок датчиков разлива нефти, установленный на неподвижной морской платформе согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения;

на фиг.2 схематично показан вариант соединений внутри системы обнаружения и контроля разливов нефти, выполненной согласно настоящему изобретению;

на фиг.3 и 4 изображены диаграммы, демонстрирующие вычисленную по данным радиометрии температуру поверхности в зависимости от толщины слоя нефти при измерении на частоте 36 ГГц с углом падения 50° и горизонтальной поляризацией;

на фиг.5 схематично поясняется геометрия радиометрического СВЧ-обнаружения;

на фиг.6А-6D изображены диаграммы, демонстрирующие температуру поверхности, вычисленную по данным радиометрии на частоте 36 ГГц с горизонтальной поляризацией для углов 20°, 70°, 75° и 80° соответственно.

на фиг.7 схематично показана геометрия обнаружения при радиолокационном обнаружении;

на фиг.8А и 8В схематично показан вариант выполнения блока датчиков разлива нефти согласно настоящему изобретению;

на фиг.8С схематично показан другой вариант выполнения блока датчиков разлива нефти согласно настоящему изобретению;

на фиг.9А и 9В схематично показан вариант выполнения судовой системы обнаружения разлива нефти согласно настоящему изобретению; и

на фиг.9С схематично показан способ компенсации движения судна при определении положения разлива нефти согласно настоящему изобретению.

В то время как изобретение может быть подвергнуто различным модификациям и может иметь различные формы, ниже на примерах его выполнения и на чертежах подробно описаны и показаны его характерные особенности. Однако должно быть понятно, что изобретение не ограничено конкретными описанными вариантами его выполнения. Напротив, цель состоит в том, чтобы охватить все модификации, эквиваленты и варианты, соответствующие сущности и объему изобретения, определенного в соответствии с формулой изобретения.

Подробное описание

В целом настоящее изобретение относится к системе для обнаружения и контроля разливов нефти или нефтепродуктов, которая может использоваться для обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов в озере, море или океане.

Один из конкретных вариантов выполнения системы 100 для обнаружения разливов нефти согласно настоящему изобретению схематично показан на фиг.1. Для постоянной установки блока 104 датчиков разлива нефти используется конструкция 102, например морская платформа, такая как нефтяная платформа (как на чертеже), или береговая конструкция, расположенная на берегу озера, моря или океана. На иллюстрации показана только часть конструкции 102. Блок 104 датчиков установлен на конструкции 102 с возможностью контроля большой площади поверхности воды 106. Соответственно, береговые конструкции, расположенные около моря, могут, но не обязательно, включать береговые ветряные установки, маяки, трубы и/или высокие строительные конструкции, например склады или бункеры в гавани. Установка блока 104 датчиков разлива нефти на неподвижной конструкции позволяет избежать потребности в транспортных средствах, например в судах и самолетах, несущих на себе датчики разлива нефти. Однако это налагает различные ограничения на выбор датчика, используемого в блоке обнаружения разлива нефти, и на его функционирование, если контроль планируется проводить на больших площадях. Блок 104 датчиков может быть установлен на высоте 10-300 м или 30-300 м или 10-100 м или 30-100 м выше поверхности воды 106. Понятно, что блок 104 датчиков может быть также расположен на высоте вне данных диапазонов.

Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает интерактивный контроль морских установок, расположенных в любом месте, на основе новой технологии датчиков, нового поколения искусственных спутников связи и продолжающегося развития Интернета. Ожидается, что предотвращение разливов нефти и их контроль станет более важным, чем обнаружение разливов нефти с целью очистки водной поверхности.

Блок датчиков разлива нефти может иметь заданное поле обзора или может перемещаться, изменяя свое поле обзора с течением времени. В одном конкретном варианте выполнения настоящего изобретения блок датчиков вращается, периодически просматривая площадь обнаружения.

Кроме того, настоящее изобретение предлагает систему обнаружения, пригодную для установки в море и включающую множество блоков датчиков, предназначенных для обнаружения разлитой нефти, а также для измерения ее количества. Если обнаружен разлив нефти, система может автоматически подать сигнал тревоги и автоматически сохранить и/или передать данные. Линия передачи данных, например спутниковая линия передачи данных, позволяет доставлять оперативную информацию учреждениям, занимающимся контролем окружающей среды и расположенным на берегу. Однако настоящее изобретение не ограничено спутниковой линией передачи данных.

Один из конкретных вариантов выполнения системы обнаружения разливов нефти схематично показан на фиг.2. В системе 200 используется множество сателлитных блоков 202 датчиков, например расположенных на нефтедобывающих платформах и т.п., которые обнаруживают возникновение разливов нефти в соответствующих локальных областях. Сателлитный блок 202 датчиков передает обнаруженную информацию в главный блок 204 либо непосредственно, либо опосредованно, например через другой сателлитный блок 202 датчиков. Главный блок 204 получает информацию обнаружения из множества сателлитных блоков 202. Сателлитные блоки датчиков могут взаимодействовать с главным блоком, используя любой подходящий способ, например включающий использование радиосвязи в диапазоне ультравысоких частот (УВЧ), очень высоких частот (ОВЧ) и т.п. Главный блок 204 может также содержать блок датчиков для обнаружения нефтяных пятен, расположенных около главного блока 204. Главный блок 204 передает накопленную информацию в станцию 206 управления, которая способна получать информацию от одного или нескольких главных блоков 204. Станция 206 управления может быть расположена на берегу, как показано на схеме, или в море. Главный блок 204 может взаимодействовать непосредственно со станцией 206 управления с использованием любого подходящего способа, например включающего использование радиосвязи в диапазоне УВЧ, ОВЧ и т.п. Кроме того, главный блок 204 может взаимодействовать со станцией 206 управления опосредованно, например через орбитальный спутник 203.

Пользователь, обычно находящийся на берегу, имеет доступ к информации, полученной станцией 206 управления. Пользователь может находиться на станции 206 управления лично и получать доступ к информации через пользовательский интерфейс, имеющийся на станции 206 управления. В другом варианте выполнения настоящего изобретения пользователь может получить доступ к информации, имеющейся на станции 206 управления, дистанционно, например через систему связи, Интернет и т.п. Пользователь может проанализировать данные, полученные от всех сателлитных и главных блоков 202 и 204.

Исходные данные, собранные сателлитными блоками 202, могут быть проанализированы, или по меньшей мере частично проанализированы, на месте в каждом сателлитном блоке до их передачи в главный блок 204, или же в главный блок 204 могут быть переданы сами исходные необработанные данные. Аналогично, главный блок 204 может передать собранные исходные данные на станцию 206 управления или может проанализировать, или по меньшей мере частично проанализировать, собранные исходные данные и лишь затем передать проанализированные данные на станцию 206 управления. Станция управления собирает и анализирует данные, полученные от всех главных блоков 204, и представляет их пользователю в удобной форме. Кроме того, станция 206 управления может взаимодействовать с главными блоками 204 и сателлитными блоками 202, например загружать калибровочную информацию или эксплуатационные параметры и т.п. Станция 206 управления может взаимодействовать с сателлитными блоками 202 непосредственно или через главные блоки 204.

Блоки датчиков могут быть установлены на границах нефтеносных площадей (нефтепромыслов) в виде сателлитных блоков 202, а также на соответствующей главной платформе, где обычно находится главный блок 204, хотя это и не является необходимым условием. Главный блок 204 взаимодействует со станцией 206 управления, тогда как сателлитные блоки 202 взаимодействуют с главным блоком 204.

Система обнаружения разливов нефти согласно настоящему изобретению обеспечивает преимущество, состоящее в способности обнаружить разлив нефти и измерить его в точно заданном месте, близком к месту возникновения разлива нефти. Кроме того, система обнаружения разлива нефти обеспечивает и другое преимущество, состоящее в том, что она имеет неподвижную конструкцию в том месте, где требуется обнаружить разлив нефти. Использование неподвижной конструкции позволяет поставщику таких систем выбирать различные параметры системы обнаружения, например количество датчиков, используемых для охвата желательной площади, и высоту расположения датчиков.

Блок датчиков обнаружения разлива нефти

Ниже дается краткий обзор различных типов датчиков, которые могут использоваться для обнаружения разлива нефти на морской поверхности. Согласно настоящему изобретению для обнаружения разлива нефти и определения количества разлившейся нефти используется комбинация датчиков. Использование этих датчиков в комбинации друг с другом позволяет решать особые задачи.

СВЧ-радиометр: При использовании СВЧ-диапазона электромагнитного спектра измерения не зависят от дневного освещения и значительно меньше зависят от атмосферных условий. Только проливной дождь затрудняет измерения в коротковолновой области СВЧ-диапазона. СВЧ-радиометр способен осуществить количественные измерения толщины слоя нефти и, следовательно, в конечном счете оценить объем нефти. Единственным недостатком СВЧ-радиометра является невысокое пространственное разрешение. Поскольку этот инструмент является пассивным, пространственное разрешение определяется соотношением апертуры антенны и длины волны, и в СВЧ-диапазоне он дает лишь относительно грубое изображение для практических размеров апертур.

СВЧ-радиометрия дает уникальную возможность определения толщины нефтяного пятна. Это связано с тем, что яркостная температура в СВЧ-диапазоне в области разлива нефти больше, чем в соседнем незагрязненном море, на величину, которая зависит от толщины пленки. В сущности, нефть действует как согласующий слой между морем (высокая диэлектрическая проницаемость) и свободным пространством (низкая диэлектрическая проницаемость), что повышает яркостную температуру моря, покрытого нефтью. При увеличении толщины нефтяного слоя яркостная температура сначала возрастает, а затем проходит через чередующиеся максимумы и минимумы. Максимумы и минимумы имеют место на последовательных длинах волн наблюдения, кратных четверти длины волны в нефти. Радиометрический отклик в виде так называемой яркостной температуры (ТВ) зависит от частоты, поляризации и угла падения. Яркостная температура показана на фиг.3 и 4 в зависимости от толщины слоя нефти при измерении на частоте 34 ГГц при горизонтальной поляризации и угле падения 50°. На фиг.3 толщина слоя нефти лежит в диапазоне 0-10 мм, а на фиг.4 - в диапазоне 0-2,5 мм.

Амплитуда отклика высока, но имеется проблема неоднозначности, поскольку есть несколько толщин, которые соответствуют данной яркостной температуре. Измеренное увеличение яркостной температуры обычно связывают с удельной толщиной в диапазоне 0-1,8 мм, но в экстремальных случаях оно может также быть откликом на значительно более толстые слои нефти. Кроме того, разрешение для тонких слоев, толщиной менее 0,1 мм, является плохим. Использование более низкой СВЧ-частоты позволяет измерять более толстые слои нефти без неоднозначности, тогда как использование более высоких частот позволяет измерять более тонкие слои, толщиной менее 0,1 мм. Для получения преимуществ, присущих обоим подходам, можно использовать комбинацию низких и высоких частот СВЧ-диапазона. Важно отметить, что вышеописанная проблема неоднозначности дает погрешность измерений, приводящую к недооценке количества нефти.

СВЧ-радиометр способен осуществить количественное измерение толщины нефти, а следовательно, оценить объем нефти как днем, так и ночью и при любой погоде. Однако качество изображения несопоставимо с возможностями инфракрасного или ультрафиолетового сканера. При традиционном использовании на борту самолета максимальная полоса обзора обычно составляет удвоенную высоту полета, но для достижения разумного разрешения необходимо лететь относительно низко, а следовательно, снижать ширину полосы обзора. Типичные цифры для радиометрической системы на частоте 34 ГГц: разрешение на уровне земли 10 м с высоты 500 м, что дает ширину обзора 1000 м.

Радиолокатор: Радиолокационные датчики включают бортовой радиолокатор бокового обзора и радиолокатор полярного обзора. Радиолокационные датчики похожи на ультрафиолетовый сканер тем, что способны обнаружить площадь всего разлива нефти, причем они охватывают большую площадь с хорошим качеством изображения. Однако радиолокатор дает мало информации относительно толщины нефтяного пятна. Радиолокационный датчик может быть радиолокатором, формирующим изображение, при этом он формирует карту отражений для окружающей области. Отражение от поверхности воды зависит от ветра. Когда ветер отсутствует, водная поверхность воспринимается радиолокационным датчиком как зеркало и при малых углах излученная энергия зеркально отражается в направлении от радиолокатора. В результате отраженный сигнал очень мал. Однако при ветре, даже при таком небольшом, как 1-2 м/с, на поверхности воды образуются капиллярные волны, которые приводят к отражению сигнала обратно в радиолокатор. Нефть на поверхности воды подавляет капиллярные волны, что уменьшает сигнал. Следовательно, разлив нефти проявляется в уменьшении сигнала, отраженного от моря.

Типичной частотой радиолокатора является Х-диапазон (10 ГГц), а предпочтительной поляризацией является вертикальная, благодаря большим отраженным сигналам и более гладким откликам от морской поверхности. Поскольку в радиолокаторе используются СВЧ-волны, работа радиолокационного датчика в значительной степени не зависит от освещенности и от тумана и облачности. Однако необходим небольшой ветер для создания отраженного от поверхности воды сигнала.

Для обнаружения нефти на поверхности воды могут также использоваться другие типы датчиков. Например, в системе с лидаром (лазерным локатором) воду освещают по существу монохроматическим лазерным лучом, обычно в ближнем ультрафиолетовом или видимом диапазонах длин волн. Затем можно обнаружить отраженный и/или флуоресцентный свет. Спектр обнаруженного света для нефти и воды отличается. Лидар позволяет также классифицировать конкретный тип нефти на воде и определить толщину слоя нефти. Можно также использовать пассивные оптические датчики, работающие, например, в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра. Все оптические датчики для своей работы требуют хорошей погоды.

Ранее для охвата больших площадей с авиационных или космических платформ использовались дистанционные датчики, для которых угол падения, то есть угол между лучом в опорном направлении датчика и водной поверхностью, был близок к прямому. Кроме того, инфракрасные и ультрафиолетовые датчики обычно используются в конфигурации, близкой к надиру, обеспечивая падение под углом приблизительно до 45°. СВЧ-радиометр обычно используется при угле падения до 50°. При относительно малой высоте, обеспечиваемой буровой вышкой, если использовать углы падения только менее 50°, охватываемая площадь ограничена. Поэтому важно рассмотреть возможность работы датчиков при больших углах падения. С другой стороны, радиолокатор часто используется для приложений с малыми высотами и малыми углами падения, например в качестве навигационного судового радиолокатора.

Пассивные датчики, такие как СВЧ-радиометр, обычно не используются для создания изображений при малых углах падения, поскольку контур диаграммы направленности на поверхности Земли ограничен лучом и, таким образом, растет, когда угол падения приближается к 90°. Это схематично иллюстрируется на фиг.5, где θ - угол падения, h - высота датчика и R - расстояние от точки надира до рассматриваемого контура диаграммы направленности на поверхности Земли. Пространственное разрешение в плоскости θ составляет FP. В направлении, перпендикулярном лучу обнаружения, разрешение составляет fp. Можно показать, что fp=(β·h)/cosβ, где β - угловое разрешение луча обнаружения. Кроме того, FP=fp/cosθ, и, таким образом, получаем, что FP=p*h/cos2θ.

В последующем описании для иллюстрации используются различные значения различных рабочих параметров радиометрической СВЧ-системы. Очевидно, что эти значения ни в коем случае не следует понимать как ограничение изобретения, и для системы, работающей согласно настоящему изобретению, можно выбрать другие значения.

Угловая разрешающая способность СВЧ-антенны β=(1,2λ)/D, где λ - длина волны, a D - размер апертуры антенны. Если частота, используемая для СВЧ-радиометра, равна 36 ГГц, угловая разрешающая способность β=1,0/D, где размер D выражен в см. Если антенна имеет апертуру 35 см, что является типичным размером для антенны, работающей на частоте 35 ГГц, то β=1/35=0,0286 рад = 1,64°.

На фиг.5 видно, что R=h·tgθ. В таблице 1 показаны различные значения fp, FP и R как функции θ, причем предполагается, что высота h=40 м. Нижний предел угла падения установлен 20°, чтобы избежать попадания луча на какие-либо конструкции буровой вышки.

Таблица 1
Параметры радиометрической СВЧ-системы для различных углов падения на водную поверхность
θ	fp (m)	FP (m)	R (m)	δTB
20°	1,2	1,3	15	2,4 К
50°	1,8	2.8	48	2К
70°	3,3	9,8	110	1,3 К
75°	4,4	17	149	1,0 К
80°	6,6	38	227	0,7 К

В Таблице 1 также показано изменение яркостной температуры δТВ при толщинах нефти от 0,1 до 0,2 мм, и к рассмотрению этого вопроса мы сейчас перейдем. В дополнение к влиянию увеличения угла падения на разрешение на уровне земли, как отмечалось выше, имеется влияние толщины нефти. Яркостная температура (ТВ) нефти, загрязняющей море, в зависимости от толщины нефтяного слоя представлена на фиг.6А-6D для углов падения 20°, 70°, 75° и 80° соответственно. Отметим, что диапазон изменения ТВ от минимума до максимума растет с углом падения. С ростом угла падения толщина, соответствующая максимальному сигналу, немного смещается в сторону больших значений (от 1,5 мм при 20° до 2 мм при 75°): это означает, что для каждого измерительного угла падения требуется разный алгоритм определения толщины нефти. Кроме того, по мере приближения угла падения к 90° кривые имеют тенденцию становиться довольно плоскими при малых значениях толщины нефти. Это соответствует снижению разрешения по толщине нефти при больших углах падения. Последняя колонка в Таблице 1 демонстрирует увеличение яркостной температуры с увеличением толщины нефтяной пленки от 0,1 мм до 0,2 мм. Например, при 75° чувствительность к тонким слоям падает до менее чем половины значения, имеющего место при углах падения в диапазоне 20-50°. В заключение отметим, что радиометрический СВЧ-блок формирования изображений, используемый в настоящей системе, может работать в диапазоне, например, 20°≤θ≤75°, хотя понятно, что радиометрическая СВЧ-система может работать и вне этого диапазона или в более узком диапазоне углов.

Инфракрасные, ультрафиолетовые и оптические сканеры видимого диапазона в принципе используют ту же геометрию создания изображения, что и вышеописанный СВЧ-радиометр. Однако благодаря меньшей длине волны угловая разрешающая способность у них значительно выше, и, таким образом, ухудшение диаграммы направленности на уровне земли при приближении углов падения к 90° не является столь серьезным ограничением. Однако при больших углах имеет место такое явление, как затенение волнами, которое ограничивает использование сканера. Соответственно, верхний предел угла падения для инфракрасного сканера, сканера видимого диапазона и ультрафиолетового сканера может быть приблизительно равен его значению для СВЧ-радиометра, например, может составлять приблизительно 75°. Понятно, что можно использовать и большие углы, хотя это и приведет к снижению пространственного разрешения вследствие затенения.

Геометрия создания изображения для радиолокатора отличается от геометрии пассивных датчиков, как показано на фиг.7. Разрешение на уровне земли в азимутальном направлении ограничено лучом, см. вид сверху, то есть, другими словами, ограничено только углом расхождения β луча. Разрешающая способность по дальности ограничена длительностью τ импульса, как показано на виде сбоку.

В вертикальной плоскости, в которой пассивные инструменты испытывают ухудшение разрешения при приближении угла падения к 90°, радиолокатор фактически демонстрирует улучшение разрешения при увеличении угла падения, приближаясь к разрешению по дальности (сτ)/2, где с - скорость света. Таким образом, радиолокатор хорошо подходит для широкого охвата площадей с небольших высот. Однако в отличие от судового радиолокатора, который обнаруживает твердые цели на уровне морской поверхности или выше него, радиолокатор для наблюдения за разливами нефти, описанный в настоящем изобретении, наблюдает за самой поверхностью моря, что ограничивает подходящий угол падения. Верхний предел, в общем, может лежать в диапазоне 85-87°. При высоте 40 м угол 85° соответствует диапазону 460 м, а угол 87° соответствует диапазону 760 м.

Общее разрешение радиолокатора определяется длиной антенны (в азимутальном направлении) и длительностью импульса (в направлении по дальности). Если длительность импульса радиолокатора составляет 60 нс, это соответствует разрешающей способности по дальности 9 м. Это значение ухудшается до разрешения 12 м на уровне земли (FP) при угле падения 50° и до 26 м при угле падения 20°.

Согласно настоящему изобретению работа блока датчиков разлива нефти основана на использовании по меньшей мере радиолокатора для обнаружения нефти и одного или нескольких СВЧ-радиометров. СВЧ-радиометр следит за объемом нефти 24 часа в сутки и при большинстве погодных условий. Дальность обнаружения СВЧ-радиометра составляет приблизительно до 150 м для конкретных условий, рассмотренных выше, что достаточно для многих целей. Измерения производятся с заданной точностью, хотя известно, что по своей природе радиометр занижает объем нефти.

Могут использоваться и другие типы СВЧ-радиометров. СВЧ-радиометр, работающий на частоте 36 ГГц, испытывает затруднения при обнаружении нефтяной пленки с толщиной меньше приблизительно 0,1 мм. Возможно, это и не является серьезным ограничением там, где датчик близок к разливу нефти, как в пространстве, так и во времени, и, таким образом, обнаруживает разлив прежде, чем происходит значительное распространение нефти. Однако, если требуется лучшее разрешение тонких пленок, можно использовать другую частоту. Например, имеется другое практически пригодное атмосферное окно в районе 90 ГГц. Работа на этой более высокой частоте уменьшает минимально обнаружимую толщину нефти почти в три раза.

Кроме того, система датчиков должна быть в состоянии обнаружить нефтяные пятна, толщина которых ниже предела, обнаружимого СВЧ-радиометром, и поэтому в дополнение к СВЧ-радиометру система датчиков включает радиолокационный блок. Радиолокационный блок осуществляет обнаружение разливов нефти круглосуточно в широком диапазоне погодных условий и с хорошим пространственным разрешением. Соответственно, один из вариантов выполнения настоящего изобретения представляет собой набор датчиков, который включает СВЧ-радиометр с рабочей частотой 36 или 90 ГГц, а, возможно, оба, и маломощный радиолокатор ближнего действия Х-диапазона. Кроме того, система датчиков может быть дополнительно укомплектована инфракрасным/ультрафиолетовым датчиком и/или блоком лидара.

Блок датчиков может вращаться вокруг вертикальной оси, а по меньшей мере часть СВЧ-радиометра может также наклоняться, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси, чтобы СВЧ-радиометр фактически перемещался вверх и вниз в направлении, параллельном вертикальной оси. Таким образом, датчик осуществляет контроль не только определенной горизонтальной угловой площади, но и контроль определенной вертикальной угловой площади. Это позволяет контролировать большую полную площадь. Кроме того, когда датчик поворачивается вокруг горизонтальной оси, он обращен к различным частям контролируемой поверхности воды, которые расположены ближе или дальше от датчика.

Если датчик предназначен для наблюдения за разливами нефти, важно, чтобы он был откалиброван при установке на неподвижную конструкцию и непрерывно калибровался после такой установки. Непрерывная калибровка гарантирует то, что датчик будет откалиброван относительно фактического "состояния" контролируемой воды, то есть с учетом точной температуры контролируемой воды. При наклонах датчика вверх и вниз наряду с вращением датчик некоторое время в процессе контроля будет обращен к воде, не загрязненной разливами нефти. Это соответствует калибровочному состоянию воды. Если присутствует разлив нефти, который изменяет "состояние" воды, то есть повышает температуру воды вследствие наличия разлива нефти на поверхности воды, датчик обнаружит такой разлив нефти. Обнаружение происходит в процессе непрерывного контроля путем сравнения с калибровочным состоянием незагрязненной воды, имеющей более низкую температуру, чем загрязненная вода.

Один из вариантов выполнения блока 800 датчиков схематично показан на фиг.8А и 8В, на которых соответственно изображены вид сбоку и вид спереди блока 800 датчиков. Радиометрический СВЧ-блок 804 установлен на основной платформе 802. Радиолокационный блок 806 также установлен на основной платформе 802. Основная платформа 802 может быть смонтирована на вращательном блоке 808 для обеспечения вращательного перемещения. Радиометрический-СВЧ-блок 804 содержит зеркальную антенну 810, предназначенную для приема СВЧ-волн и их фокусировки на СВЧ-детекторе 812. Зеркальная антенна 810 может иметь механизм 811 качания, позволяющий регулировать угол места антенного отражателя 810. Радиолокационный блок 806 связан с антенной 814, например, посредством волновода 816. Антенна 814 может быть любого подходящего типа, пригодного для передачи радиолокационного сигнала. Антенна 814 может также использоваться для приема отраженного радиолокационного сигнала. В другом подходе, который не иллюстрируется, радиолокатор может иметь разнесенные передающую и приемную антенны.

В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения (не показан) только части радиометрического СВЧ-блока 804 и радиолокационного блока 806 вращаются вокруг вертикальной оси для сканирования зоны обнаружения. Например, антенны 810 и 814 могут вращаться вокруг вертикальной оси и мог