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

• Автор: Трофимов, Борис Сергеевич
• Шифр специальности: 05.12.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Методы обнаружения разливов нефти
1.1. Экологические проблемы современного морского судохоства
1.2. Анализ и классификация методов обнаружения нефтяных разливов
1.3. Постановка задач исследования
Глава 2. Радиолокационный метод обнаружения разлива нефти
2.1. Обратное рассеяние радиоволн морской поверхностью
2.2. Оценка основных требований к РЛС в режиме обнаружения
нефти
2.3. Информационный подход к выбору оптимальных параметров
импульсных РЛС для обнаружения разливов нефти
2.4. Контрастный приём радиолокационных сигналов
2.5. Дальность обнаружения сликов
Глава 3. Вторичная обработка принятых сигналов с целью обнаружения и определения параметров разливов нефти
3.1. Методика обнаружения нефтяных разливов на радиолокационных изображениях РЛС
3.2. Предварительная вторичная обработка ПРЛИ
3.3. Обнаружение сликов
3.4. Оценка точности измерений параметров пятна
Глава 4. Экспериментальные исследования
4.1. Программный имитатор разлива нефти
4.2. Проведение натурных экспериментов
4.3. Результаты обработки на реальных изображениях
Заключение
Литература

Введение
Нефтяные разливы в море происходят вследствие ряда причин, среди которых наиболее распространены сбросы балластных 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 материальные 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 линейнологарифмической 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.

3. На примере навигационных РЛС ММ-диапазона волн предложена концепция использования штатных береговых и судовых РЛС для решения экологических задач путём создания в них дополнительного режима работы.
4. Разработан перечень теоретических исследований, которые необходимо осуществить для создания режима обнаружения разлива нефти и измерения его параметров в штатных береговых и судовых РЛС, что позволит к задачам обеспечения безопасности судовождения присоединить экологическую составляющую при минимальных затратах материальных средств.