CC BY
6THE UNDERWATER VESSEL RATIO LOAD AND SHAPE INFLUENCE ON THE IMMERSION POSSIBILITY IN THE ICE CONDITIONS
E.M. Gramuzov, A. G. Larin
Keywords: ice cover, ice towing tank, natural ice model, breaking load, modeling theory, underwater vessel
The article is devoted to the underwater vessel ratio load and shape influence study in terms of the breaking load value for the ice cover during the immersion. The experimental setup for the ice cover breaking is described. The model experiment results are given, the underwater vessel ratio load and shape correlation influence on the breaking load value is shown.
Статья поступила в редакцию 24.05.2016 г.
УДК 551.466.38: 46.086
С.А. Ермаков, зав. отд. ИПФ РАН, зав. каф. ФГБОУ ВО «ВГУВТ»;
А.В. Купаев, вед. конструктор ИПФ РАН;
И.А. Капустин, с.н.с. ИПФ РАН, ФГБОУ ВО «ВГУВТ»;
А.А. Мольков, н.с. ИПФ РАН, с.н.с. ФГБОУ ВО «ВГУВТ»;
И.А. Сергиевская, зав. лаб. ИПФ РАН, в.н.с. ФГБОУ ВО «ВГУВТ»;
О.В. Шомина, м.н.с. ИПФ РАН
603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46;
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДИСТАНЦИОННОМУ ЗОНДИРОВАНИЮ ОРГАНИЧЕСКИХ ПЛЕНОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОЧАСТОТНОГО РАДИОЛОКАТОРА МИКРОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА
Ключевые слова: радиолокационное зондирование, слики, натурный эксперимент, поляризация, пленки ПАВ.
В статье описаны результаты первых натурных экспериментов с использованием многочастотного радиолокатора, проведенных на Горьковском водохранилище в июле-августе 2016 г. Полученные результаты показали перспективность применения многочастотных поляризационных радиолокаторов для решения задач дистанционного зондирования загрязнений поверхности водоемов, в частности, через возможность восстановления интенсивности ветровых волн с различными длинами и анализ их изменчивости под действием загрязняющих пленок.
Введение
Несмотря на то, что развитию дистанционного зондирования морских пленочных сликов в настоящее время уделяется большое внимание, проблема обнаружения и оценки характеристик пленок на поверхности водоемов далека от решения. Присутствие пленок поверхностно-активных веществ (ПАВ), в том числе загрязняющих, на взволнованной водной поверхности приводит к сильному гашению мелкомасштабных ветровых волн. Поэтому области, покрытые пленками ПАВ, хорошо видны на радиолокационных изображениях в виде областей с пониженной (или повышенной в зави-
симости от условий наблюдения) интенсивностью отраженного радиолокационного сигнала. Всепогодность и большой обзор (особенно для случаев расположения радиолокаторов на борту искусственных спутников Земли (ИСЗ)) делают радиолокационные методы весьма перспективными для обнаружения пленочных сликов (см. [1-3] и цитируемую литературу). Однако информация, получаемая с одночастотных радиолокаторов, работающих на одной поляризации, оказывается недостаточной для выделения пленочных сликов на фоне сликов иной природы, поэтому в последнее время в литературе активно обсуждаются новые возможности, связанные с использованием многочастотных радиолокаторов, работающих на нескольких поляризациях (см., в частности, [4,5]). В ИПФ РАН в 2014-2016 годах был разработан и изготовлен уникальный комплекс многочастотной радиолокации для мониторинга океана и внутренних водоемов - радиолокатор, работающий на двух соосных поляризациях и в X-/C-/S-диапазонах. В статье описаны результаты первых натурных экспериментов с использованием многочастотного радиолокатора, проведенных на Горьковском водохранилище в июле-августе 2016 г. Получены новые результаты, касающиеся особенностей подавления интенсивности радиолокационного сигнала в областях пленочных сликов, а также зависимость контрастов интенсивности поляризованной компоненты радиолокационного сигнала от направления зондирования по отношению к скорости ветра и др. Полученные результаты показали перспективность применения многочастотных поляризационных радиолокаторов для решения задач дистанционного зондирования загрязнений поверхности водоемов, в частности, через возможность восстановления интенсивности ветровых волн с различными длинами и анализ их изменчивости под действием загрязняющих пленок.
Эксперимент
Эксперименты по радиолокационному зондированию органических пленок проводились в акватории Горьковского водохранилища в 2016 г. с использованием многочастотного радиолокатора. Многочастотный радиолокатор работал на частотах 10 ГГц, 6 ГГц и 3 ГГц, соответственно, на длинах волн 3 см, 5 см и 10 см, на двух соос-ных поляризациях (вертикальной - VV и горизонтальной - HH). Радиолокатор был установлен на верхней палубе учебного судна ВГУВТ «Петр Андрианов» (см. рис.1) на высоте 7 м над уровнем воды, наблюдения проводились при угле падения 60-70 градусов, радиолокационное зондирование велось в направлении «вперед» и составляло угол около 45 градусов, отсчитываемый влево от направления движения судна, расстояние до поверхности воды составляло 14-15 метров. Одновременно в проведении натурных экспериментов участвовало плавучая гидрофизическая лаборатория ИПФ РАН (ПГЛ) «Геофизик», с борта которой проводились разливы сликов, измерялся ветер, течения и другие параметры водной среды. Для создания пленки на водной поверхности использовалось поверхностно-активное вещество (ПАВ) - олеиновая кислота (OLE), характеристики пленки были предварительно измерены в лабораторных условиях.
Рис. 1. Многочастотный радиолокатор Х-/С-^-диапазонов на борту исследовательского судна «Петр Андрианов»
Небольшое количество OLE (около 0.5 л) растворялось в 1.5 л этилового спирта и выливалось на поверхность воды с ПГЛ «Геофизик», который двигался по раскручивающейся спирали, по крайне мере за 30 мин. до проведения радиолокационных наблюдений. Размеры искусственных сликов (областей, покрытых пленкой) к началу измерений составляли 200-300 м. Скорость ветра измерялась акустическим анемометром WindSonic, расположенным на мачте исследовательского судна «Геофизик» на высоте 10 м (в экспериментах 12.08.2016) и судна «Петр Андриянов» на высоте 13 м от поверхности воды (22.07.2016). Физические характеристики пленки OLE предварительно исследовались в лаборатории ИПФ РАН методом параметрических волн [3, 6]. Метод основан на измерении длины волны и коэффициента затухания коротких гравитационно-капиллярных волн, возбуждаемых в кювете на определенной частоте, и дальнейшем восстановлении коэффициента поверхностного натяжения и динамической упругости пленки. Следует отметить, что коэффициент поверхностного натяжения и динамическая упругость это характеристики пленки, которые и определяют аномальное затухание поверхностных волн в присутствии пленок [3]. При малых поверхностных концентрациях упругость пленки OLE растет, а затем концентрации порядка 1 мг/м2 (мономолекулярная пленка) выходит на постоянный уровень (уровень насыщения). При больших, чем насыщенная концентрациях, избыток ПАВ образует микроскопические линзы, а динамическая упругость и поверхностное натяжение остаются такими же, как для мономолекулярной пленки. Оценка поверхностной концентрации по объему использованного OLE и площади поверхности, покрытой пленкой, позволяет сделать вывод о том, что пленка во время наших экспериментов имела поверхностную концентрацию порядка нескольких десятков мг/м2, т.е была перенасыщена, и таким образом, может характеризоваться постоянными величинами упругости и коэффициента поверхностного натяжения, для OLE - 22 мН/м и 32 мН/м соответственно. Для анализа влияния скорости ветра выбраны два случая с разными скоростями. Краткие сведения об экспериментах приведены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристики эксперимента по дистанционному зондированию искусственных сликов на Горьковском водохранилище
Дата Угол падения Скорость ветра Азимутальный угол между направлением зондирования и направлением ветра Брэгговская частота kBragg , рад/см
22 07.2016, КМРЛ, 3 галс 60 7 м/с , В (кУ) « 180° (навстречу ветру) 1.1, 2.2, 3.6
12.08.2016 60 3 м/с ЮВ (кУ)«75° (почти поперек ветра) 1.1, 2.2, 3.6
Ниже дается более подробнее описание экспериментов.
Эксперимент 22.07.2016. Схема наблюдения искусственного слика приведена на рис. 2. Временная запись интенсивностей УУ и НН компонент, интенсивностей поляризованной и неполяризованной компонент, а также отношение интенсивностей на соосных поляризациях в X-, С- и S- диапазонах для галсов 2 и 3 приведены на рис. 2. К 3-ему галсу пятно было частично разрушено из-за ветра, первый провал во временном ряду соответствует маленькому подветренному фрагменту, а второй провал -основной части слика. Контрасты для поляризованной компоненты несколько отличаются для разных групп и довольно большие, около 10, контрасты для неполяризо-ванной компоненты имеют одинаковый порядок величины. Контрасты для галса 2 примерно в два раза меньше, чем для третьего.
Рис. 2. Схема проведения эксперимента 22.07.2016. Прозрачными стрелками показано направление движения судна. Серая стрелка - направление ветра. Цифрами обозначены галсы. Овалы - схематическое изображение слика в момент прохода соответствующего галса
> >
1000
100
10-
36
37
38 39 Время, мин.
40
41
1000-
100-
10-
8
О
с
36
1000
100
10
37
36
1000
100
10
36
6п
37
38 39 Время, мин.
40
41
37
38 39 Время, мин.
40
41
38 39 Время, мин.
40
41
> £
К
к
36
37
38 39 Время, мин.
40
41
Рис. 3. Временные ряды записей интенсиностей соосной горизонтальной СУУ), соосной вертикальной (НН) компонент, поляризованной (PD) и неполяризованной (ЫР) компонент и отношения интенсивностей (PR) на VV и НН поляризациях 22.07.2016. Третий галс
1
1
1
1
4
2
0
Эксперимент 12.08.2016. Во время эксперимента судно два раза пересекало один и тот же слик в двух противоположных направлениях (200 градусов на север и обратно). Временной ряд интенсивностей УУ и НН компонент, интенсивностей поляризованной и неполяризованной компонент, а также отношение интенсивностей на соос-ных поляризациях в X-, С- и S- диапазонах для обоих галсов приведены на рис. 4. Вертикальной стрелкой указана точка разворота. При разливе пятно разбилось на два неравнозначных по величине куска, которые хорошо видны справа и слева от точки разворота.
Я н
о >
>
л
н о о
я «
8 о Я
н я Я
1000
100
10
Точка разворота
1
100 110 120 130 140 150 Время, мин.
Я н о
Я X
л
н о о
Я «
8 о
Я
<ц
н я Я
1000
100
10
1
1 Ы 1
\л 'V
* I
и I / ' ' .
100 110 120 130 140 150 Время, мин.
о
и £
«
о
со 8
Л «
Ч О
С
,» »■г**
1 »л. <
у> V ч.
100 110 120 130 140 150 Время, мин.
о
щ 10000
н о
о и
и
о
М
К
а «
ч о с
о
СС
> >
ее к
1000 100 10
1
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
100
110
120 130 Время, мин.
140
150
100
110
120 130 Время, мин.
140
150
Рис. 4. Временные ряды записей интенсиностей VV и НН компонент, поляризованной и не поляризованной компонент и отношения интенсивностей на НН и VV поляризациях 12.08.2016 . Стрелкой обозначена точка разворота исследовательского судна
Обсуждение результатов
Обычно отражение радиолокационного сигнала под умеренными углами падения описывают в рамках двухмасштабной Брэгговской модели [7]. Недавно было предложено усовершенствовать модель радиолокационного рассеяния за счет введения дополнительного слагаемого, учитывающего вклад небрэговского (неполяризованного) рассеяния, обусловленного обрушениями волн. Соответственно, полная величина удельного сечения обратного рассеяния о°№ записывается в виде суммы Брэгговской и неполяризованной компонент (см., например, [8, 9]):
^0 _ _0 , _0
0pp - 0B_pp + Ш ,
(1)
Здесь, р означает вертикальную (V), или горизонтальную (Н) поляризацию, o0B
- интенсивность поляризованной компоненты в двухмасштабном приближении, с^р
- интенсивность неполяризованной компоненты. Брегговская поляризованная компонента пропорциональна спектральной интенсивности возвышений волнения F(kbr) на
Брэгговской длине волны к^ и коэффициенту отражения Rpp (б), зависящему от поляризации и угла падения излучения [7]:
< pp = 16^,
Rpp (9) F (К (9)),
(2)
Здесь kbr = 2kradar sin(6), kradar - волновое число радиолокатора, 6 - угол падения. Выражение (2) для простоты записано без учета длинных волн. Что касается, неполяризованной компоненты, то общепринятого выражения для нее не существует, но, например в [10], для этой компоненты приведено эмпирическое выражение, аналогичное формулам для интенсивности при зеркальном рассеяния в приближении Кирхгофа [7].
Поскольку пленка, как предполагается, должна приводить к подавлению ветровых волн см-длин, то при анализе важно восстанавливать поляризованную (Брэгговскую) компоненту, которая определяется волнами этого диапазона. Поляризованная компонента может быть найдена из (1) как разница интенсивностей VV и HH компонент:
PD = a°B vr - а°в нн = ^ - RHH)F(kUK) (3)
Вклад неполяризованной компоненты в полную интенсивность рассеяния характеризуется поляризационным отношением, определяемым как PR = <7¡°V /<J(°H , которое для Брэгговского рассеяния определялось бы RVV /RHH .
Неполяризованная компонента может быть найдена из (1) и (3):
NP = a°NP = 1 (a°w +CTHH -°B_VV -<5°b_HH) (4)
Радиолокационный контраст в слике для полного сечения рассеяния, а также контраст поляризованной и неполяризованной компонент определяются следующим образом:
a°pp( background) PD( background) NP( background) (5)
K „„ =-„- , KB =- , KNP =- (5)
pp a°pp( slick) B PD( slick) NP NP( slick)
Сравним вначале поляризационное отношение, оцененное по экспериментальным данным, с рассчитанным по двух масштабной модели для условий отражения от чистой поверхности (см. рис. 5). Ясно видно, что измеренное поляризационное отношение меньше, чем без учета неполяризованной компоненты, что означает, что поляризованная компонента вносит значительный вклад в интенсивность обратно рассеянного радиолокационного сигнала.
100
«
о н о о К я S
и Д
о И
15 F 10-s >
о ^ S К о
В
о к н О
1Н 1 I 1 I 1 I 1 I 30 40 50 60 70
Угол падения, град.
Рис. 5. Поляризационное отношение от угла падения. Точки - экспериментальные данные. Скорость ветра ~7 м/с (круги), ~3 м/c (крест)
Проанализируем изменение интенсивности Брэгговской компоненты в областях, покрытых пленками ПАВ. Как видно из (2) в первом приближении отношение брэг-говских компонент равно отношению спектральных интенсивностей волнения на брэгговском волновом числе в фоновой области и в области пленочного слика. Одной из простейших моделей, позволяющих оценить величину контраста, является модель локального баланса [3]. В основе этой модели лежит баланс между притоком энергии от ветра ($(У,к) - инкремент ветрового роста, G - пульсации ветрового давления), вязким затуханием (у(Е,к) - декремент затухания волн) и нелинейным ограничением спектра, локальным в пространстве волновых чисел:
$(Г,к,ф)М -у(Е,к)Ы + G-Ш2 = 0, (6)
Здесь N(k) = F(k)
с
gk + - к3 Р
спектр волнового действия, связанный со
спектром возвышений волнения F(k), V - скорость ветра на высоте 10 м, Е - упругость пленки, 5 - некий коэффициент, который полагается равным в области пленочного слика и вне его, у( 0,к) = 4vk2 - соответствует затуханию волн на чистой воде
(V - вязкость воды). Согласно (5) и (6) контраст поляризованной компоненты в простейших случаях, когда можно пренебречь пульсациями ветрового давления, либо когда рост спектра волнения ограничивается вязким затуханием, равен:
с0рр( background ) рр = с0рр( slick)
F(k,h )
,h / background
F(k,h I
Р(У,к,ф) -y(0,k) Р(К,к,ф) -y(E,k)
(7)
Знак в показателе выбирается таким образом, чтобы контраст был больше единицы. Заметим, что данная модель работает в ограниченной области волновых чисел, когда (P(V, k,p) - y(E,k)\fi(V, k,p) - y(0,k))> 0 . Выражения для инкремента
ветрового роста и декремента вязкого затухания можно найти в [3] Согласно (8) контраст зависит не только от скорости ветра и свойств пленки, но и от направления наблюдения. В простейшем случае, если принять, что инкремент ветрового роста зависит от угла между направлениями наблюдения и ветра как cos2р , то контраст в направлении поперек ветра равен коэффициенту затухания K рр = — ^ , и не зависит от скорости ветра. Развитием модели локального баланса стала предложенная недавно модель [10], которая содержит в (6) дополнительный источник энергии сантиметровых волн, связанный с их генерацией при обрушении более длинных волн. Контрасты, полученные в наших экспериментах, приведены на рис. 6 как функция брэг-говского волнового числа: ромбы - наблюдение в направлении ветра, кресты - поперек ветра. Из рисунка видно, что контраст сильно зависит от скорости ветра и его направления. При наблюдении по ветру контраст увеличивается с увеличением длины волны, при наблюдении поперек ветра уменьшается, такая зависимость контрастов находится в качественном соответствии с описанными теоретическими моделями гашения ветровых волн. Полученные результаты наглядно демонстрируют необходимость дальнейшего развития модели радиолокационнонного изображения пленочных сликов для успешного решения задачи радиолокационой диагностики пленок на водной поверхности.
Волновое число, рад./см
Рис. 8. Контраст поляризованной компоненты радиолокационного сигнала как функция Брэгговскоговолнового числа для эспериментов, описанных в Табл. 1. Ромбы - наблюдение в направлении ветра 22.07.2016, кресты - поперек ветра, 12.08.2016
Заключение
Проведенные исследования показали наличие новых особенностей характера подавления интенсивности радиолокационных сигналов в пленочных сликах в различных частях СВЧ-диапазона. Показано, в частности, что в сигнале радиолокационного рассеяния существенно представлены как поляризованная, так и неполяризованная компоненты радиолокационного рассеяния, подавление которых пленкой зависит от длины волны радиолокатора. Получено также, что зависимость контрастов интенсивности поляризованной компоненты радиолокационного сигнала может быть существенно различной в зависимости от угла между направлением зондирования и направлением скорости ветра. Полученные величины контрастов достаточно велики, соответственно чувствительность вариаций радиолокационного сигнала весьма высока. Результаты показывают, что информация о пленочных сликах, получаемая новым радиолокатором ИПФ РАН, оказывается более полной, чем при использовании одно-частотных неполяризационных радиолокаторов. Это свидетельствуют о перспективности использования многочастотных поляризационных радиолокаторов для решения задач дистанционного зондирования загрязнений поверхности водоемов, в частности, через возможность восстановления интенсивности ветровых волн с различными длинами и анализ их изменчивости под действием загрязняющих пленок. Следует отметить в то же время, что необходимо дальнейшее развитие теоретических моделей радиолокационного зондирования пленочных сликов.
Публикация осуществлена при финансовой поддержке Всероссийской общественной организации «Русское географическое общество» (РГО) в рамках грантового проекта РГО «Экспедиция «Плавучий университет Волжского бассейна» (Договор №10/2016-И), а также поддержке РФФИ (проекты 14-05-00876, 15-35-20992, 15-45-02690, 15-45-02650).
Список литературы:
[1] Alpers, W., and Huehnerfuss, H. «The damping of ocean waves by surface films: A new look at an old problem,» J.Geophys. Res., 94(C5), 6251-6266 (1989).
[2] Scott, J.C., and Thomas, N.H. «Sea surface slicks - surface chemistry and hydrodynamics in radar remote sensing,» Wind-over- wave couplings. Perspectives and prospects (Sajjadi, Thomas and Hunt, Eds.), Clarendon Press. Oxford, 221-229 (1999).
[3] Ермаков, С.А. Влияние пленок на динамику гравитационно-капиллярных волн. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2010. 165 с.
[4] Brekke, C., and Solberg ,A.H.S. Oil spill detection by satellite remote sensing. Remote Sensing of Environment 95, pp. 1-13 (2005)
[5] Skrunes, S., Brekke, C., and Eltoft, T. «Characterization of marine surface slicks by Radarsat-2 multipolarization features» IEEE Trans. Geosci. RemoteSens., vol. 52, no. 9, pp. 5302-5319, Sep. 2014.
[6] Ermakov S.A., and Kijashko S.V., «Laboratory study of the damping of parametric ripples due to surfactant films». Marine surface films. Springer. 113-128 (2006).
[7] Рассеяние волн на статистически неровной поверхности Автор: Баге Ф.Г., Фукс. И.М. Издательство: Наука Язык: русский Год: 1972
[8] Phillips, O. M. «Radar returns from the sea surface-Bragg scattering and breaking waves,» J. Phys. Oceanogr., vol. 18, no. 8, pp. 1065-1074 (1988).
[9] Kudryavtsev V., B. Chapron, A. Myasoedov, F. Collard, J. Johannessen. «On dual co-polarized SAR measurements of the Ocean surface». IEEE Geosci. Remote Sensing Let., vol. 10, issue 4, (2013). doi:10.1109/LGRS.2012.2222341.
[10] Kudryavtsev, V., Hauser, D., Caudal, G., Chapron, B. «A semiempirical model of the normalized radar cross-section of the sea surface: 1. Background model». J.Geophys. Res. 2003. V. 108. C3. p.8054 (2003)
EXPERIMENTS ON REMOTE SENSING OF ORGANIC FILMS USING MULTI FREQUENCY MICROWAVE RADAR
S.A. Ermakov, A. V. Kupaev, I.A. Kapustin, A.A. Molkov, I.A. Sergievskaya, O. V. Shomina
Keywords: radar probing, slicks, field experiment, polarization, surfactant film.
The article describes results of first field experiments with the use of a multi-frequency radar, which were carried out at the Gorky Water Rreservoir in July-August, 2016. The results showedn high perspectives of the use of multi-frequency, polarized radars to solve the problem of remote sensing of the water surface pollutions, in particular through the possibility of retrieval of the intensity of wind waves at different wave lengths and of the analysis of their variability under the effect of surfactant films.
Статья поступила в редакцию 19.09.2016 г.
УДК 681.3.07
Н.И. Запорожцева, доцент, к.т.н., ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ СТАНДАРТОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Ключевые слова: структурно-параметрический подход, идентифицируемые атрибуты, нормативно-техническая документация, информационные потоки, единые требования, базы данных.
В статье рассматриваются: задачи организации системы доступа к конструкторской информации на рабочем месте конструктора; формирование системы поиска на основе классификационных обозначений изделий, параметрических моделей, конструкторских элементов и документов, с учетом особенностей организационной среды, обмена данными с использованием отечественных стандартов и технических условий в рамках концепции «Базы данных».
