Выбор высоты установки пассивного отражателя радиолокационной системы обнаружения мономолекулярных пленок нефти на поверхности моря Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Радиолокация и радионавигация

УДК 621.396.33:528.8

О. А. Игнатьева, В. В. Леонтьев

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)

Выбор высоты установки пассивного отражателя радиолокационной системы обнаружения мономолекулярных пленок нефти на поверхности моря

Даны рекомендации по выбору параметров системы "РЛС - пассивный отражатель " при обнаружении мономолекулярных пленок нефти на поверхности моря.

Радиолокация, моделирование, рассеяние радиоволн, морская поверхность, эффективная площадь рассеяния, комплексный коэффициент отражения, нефтяная пленка

Радиолокационные методы обнаружения нефтяных пленок на морской поверхности базируются на различии рассеивающих свойств моря при наличии и при отсутствии на нем загрязнения. Береговые радиолокационные станции (РЛС) облучают морскую поверхность под малыми углами скольжения, поэтому амплитуды отраженных в направлении на РЛС сигналов незначительны. При наличии нефтяной пленки ситуация только усугубляется. Для устранения этого недостатка в работе [1] предложено объединить в единый комплекс РЛС с пассивными отражателями, расположенными либо по периметру акватории порта (рис. 1), либо на специальных буях в море, а в качестве информативного параметра рассматривать эффективную площадь рассеяния (ЭПР) отражателя. Рассеивающие свойства последнего вблизи границы раздела "воздух - морская поверхность" зависят от наличия или отсутствия нефтяного слика на поверхности воды [2].

В [1] решение задачи обнаружения и измерения параметров разлива подробно исследовано только для случая гладкой морской поверхности. В работах [3]-[7] предложены методы оценки комплексных коэффициентов отражения (ККО) электромагнитного поля от чистой и от загрязненной нефтью поверхностей моря.

Цель настоящей статьи - обоснование подходов к выбору параметров системы " РЛС - пассивный уголковый отражатель" для об-

0:

0

/ / /

[^2 наружения мономолекулярных пленок нефти на поверхности моря при слабом волнении (т. е. для общего случая, когда поверхность моря является статистически шероховатой).

77777777777777777777777777777777777

Рис. 1

Будем считать, что антенна РЛС расположена в точке А (см. рис. 1) на высоте

94

© Игнатьева О. А., Леонтьев В. В., 2013

Н над уровнем моря, а уголковый отражатель - в точке B на высоте В соответствии с четырехлучевой моделью распространения радиоволн комплексный коэффициент рассеяния (ККР) системы "пассивный отражатель - морская поверхность" имеет вид [2]:

A = \_A (02,02 ) exp (-i2kh2 sin 0)+Г2 ^) A2 (0Ь 0i) exp (i2kh2 sin 0) + 2Г (0X) A3 (02,0!)], (1) где Ai (02, 02), A2 (0i, 0i) и A3 (02,0i) - ККР собственно уголкового отражателя при указанных углах падения (первый аргумент) и отражения (второй аргумент) электромагнитной волны; k = 2л/А - волновое число (А, - длина электромагнитной волны); Г() -ККО от взволнованной морской поверхности, приведенный к точке C зеркального отражения от гладкой морской поверхности. Входящие в (1) ККР и ККО должны соответствовать одинаковой поляризации - вертикальной или горизонтальной. Выражение (1) не учитывает поле, отраженное по направлению к РЛС собственно подстилающей поверхностью (без отражателя), так как при скользящем облучении им можно пренебречь по сравнению с полем, рассеянным системой " отражатель - морская поверхность".

ЭПР отражателя с учетом влияния морской поверхности определяется соотношением

а = | Al2. (2)

Из выражений (2) и (1) следует, что ЭПР отражателя зависит как от коэффициента отражения от морской поверхности, так и от геометрии системы. Для гладкой морской поверхности геометрия системы однозначно определяется по правилам геометрической оптики, а ККО чистого моря легко вычислить по известным формулам Френеля. При наличии пленки нефти выражение для ККО несколько усложняется:

г(0 ) = ri2 (0i ) + Г23 (0i) exp (i 2Р) (i) i + ri2 (0i )Г23 (0i) exp (i 20)' ()

где Г^ (0i) и Г23 (0i) - ККО Френеля от границ раздела сред "воздух - нефть" и "нефть

- вода" соответственно; Р - коэффициент затухания, пропорциональный толщине нефтяной пленки. Из анализа (3) следует, что в случае гладкой морской поверхности обнаружение разлива нефти базируется на различиях диэлектрических свойств воды и нефти и зависит от толщины нефтяной пленки.

Для взволнованной морской поверхности аналитические выражения ККО как для чистого моря, так и при наличии на нем пленки нефти отсутствуют. Мономолекулярная пленка (слик) нефти диэлектрических свойств воды практически не изменяет. Кроме того, использование правил геометрической оптики при выборе параметров геометрии системы не столь очевидно, как в случае гладкой морской поверхности. В этих условиях решение может быть получено математическим моделированием статистических испытаний на ЭВМ. Численный эксперимент включал следующие операции:

• моделирование волнового профиля моря;

• определение электромагнитного поля, рассеянного морской поверхностью;

• вычисление ЭПР отражателя с учетом влияния морской поверхности.

Реализации волнового профиля моря моделировались с помощью спектрального метода. В основе модели поверхности чистого моря лежал набор пространственных гармоник, амплитуды которых являлись независимыми гауссовскими случайными величинами с дисперсиями, зависящими от волнового числа в радиальном спектре морских волн. Распространение каждой гармоники моделировалось независимо от остальных. Круговая частота гармоник подчинялась дисперсионному соотношению для глубокой воды. Волновой профиль моря получен применением к пространственным Фурье-компонентам обратного преобразования Фурье.

Моделирование реализаций волнового профиля загрязненной поверхности моря проведено с учетом изменения радиального спектра волнения при появлении нефтяного сли-ка. Моделировалось волнение, обусловленное ветром, скорость которого на высоте 10 м над поверхностью моря принимала значения 3.5 и 5 м/с. В качестве примера на рис. 2

приведены частные реализации морской поверхности, используемые при моделировании.

В настоящей статье рассмотрены два типа нефти, различающиеся по плотности: средняя и тяжелая. Сплошные линии на рис. 2 соответствуют реализациям чистой морской поверхности, штриховые - морской поверхности с пленкой средней нефти, точечные - морской поверхности с пленкой тяжелой нефти.

Электромагнитное поле, рассеянное морской поверхностью, определено по классической схеме в два этапа. На первом этапе для каждой реализации волнового профиля по падающему полю рассчитана плотность поверхностного тока. Для этого численным методом решено интегральное уравнение Фредгольма второго рода. Подробное изложение алгоритма решения и оценку его точности можно найти в работах [3]—[6]. На втором этапе по полученной плотности тока определено рассеянное поле и ККО.

ЭПР отражателя с учетом влияния морской поверхности вычислена по формуле (2).

Для каждой скорости ветра в численном эксперименте моделировались три выборки, каждая из которых содержала 100 случайных профилей. Первая выборка соответствовала чистой морской поверхности, вторая выборка — наличию на поверхности моря мономолекулярных пленок средней нефти, третья — наличию тяжелой нефти. При моделировании исследованы бистатические диаграммы рассеяния (БДР) чистой и загрязненной морской поверхности для вертикальной и для горизонтальной поляризаций облучающего поля [7]. Под БДР понималась зависимость модуля ККО от угла рассеяния 9р поля морской поверхно-

У, м 0.09 0

- 0.09

- 0.18 96

УвШ = 3.5 м/с

х, м

У, м 0.18 0

- 0.18

- 0.36 Рис. 2

х, м

стью при фиксированном угле скольжения облучающего поля. Угол рассеяния 9р отсчи-

тывался от нормали к невозмущенной поверхности моря. За положительное направление отсчета угла принято направление по часовой стрелке (см. рис. 1). Угол скольжения поля составил 2°, длина волны РЛС - 3 см. Расстояние между РЛС и отражателем, а также возможные высоты его расположения над уровнем моря, выбраны с учетом размещения системы на континентальных шельфовых буровых платформах.

Характерные участки усредненных БДР для увю = 3.5 ^с при горизонтальной поляризации (ГП) электромагнитного излучения представлены на рис. 3, при вертикальной поляризации (ВП) - на рис. 4. Сплошные линии соответствуют чистой морской поверхности, штриховые - морской поверхности со сликом средней нефти, пунктирные - морской поверхности со сликом тяжелой нефти. Анализ БДР, усредненных по 100 случайным профилям морской поверхности, показал, что при угле скольжения 2° интенсивное рассеяние

наблюдается только вблизи углов рассеяния вперед: 0р =90° -2° =88°. Для других углов

рассеяния модуль ККО падает ниже - 20 дБ. Из БДР следует, что использование рассеяния в зеркальном направлении (рассеяния вперед) при обнаружении пленок нефти на поверхности моря обеспечит существенный энергетический выигрыш по сравнению со всеми другими направлениями.

Многолучевой механизм распространения электромагнитного поля в системе "отражатель - морская поверхность" приводит к тому, что зависимость ЭПР отражателя от его высоты над границей раздела носит сильно изрезанный (осциллирующий) характер. Кроме того, вблизи статистически шероховатой границы раздела двух сред ЭПР отражателя становится случайной и характеризуется плотностью распределения вероятности (ПРВ). В этих условиях выбирать высоту отражателя следует с учетом следующих двух требований.

1. Необходимо обеспечить пороговый контраст Кп ЭПР отражателя, при котором

задача обнаружения мономолекулярной пленки может быть решена с заданным показателем качества. Контраст определяется соотношением

К = стн/ав, (4)

где ан - ЭПР отражателя при наличии на поверхности моря пленки нефти; а в - ЭПР того же отражателя над чистой водной поверхностью. Так как ЭПР отражателя вблизи статистически шероховатой границы раздела двух сред случайна, то и контраст (4) также изменяется случайно.

80

82

84

86

0 - 10 - 20

- 30

- 40 |г|, дБ

80

82

84

86

88 е„

= 3.5 м/с; ГП

- 20

- 40

|г|, дБ

1 1 1 Лч

..........у V '^

тт..-----•••••"••..... УвШ = 3.5 м/с; ВП :

Рис. 3

Рис. 4

0

м

^2, м

4 -

10

^2, м

3

14 ст, м2 5

Рис. 5

УвШ = 3.5 м/с Л2, м

5

11

3

ст, м

= 5 м/с

Р = 0.1

2

^2, м.

Р = 0.1

ст, м2 4

Рис. б - - / Й2, м

Ув10 = 3.5 м1с 2

Р = 0.707

12 ст, м2

_1_

34 68 102 ст, м2

^2, м

5 = 3.5 м/с

ст, м

Рис. 7

Р = 0.1

- 6 - 4 - 2 0

2 К, дБ - 3 - 2 - 1

Рис. 8

1 К, дБ

- 25 - 20 - 15 - 10 - 5 0 5

10 К, дБ - 25 Рис. 9

- 20 - 15 - 10 - 5 0 5 К, дБ

5

5

4

3

2

6

8

5

4

4

3

5

5

4

4

3

3

0

0

2. Необходимо, чтобы ЭПР отражателя вблизи подстилающей поверхности существенно превышала ЭПР фона (ЭПР собственно морской поверхности в заданном элементе разрешения РЛС).

Для выбора высоты отражателя исследованы изменения ПРВ ЭПР и контраста ЭПР отражателя при изменении его высоты (рис. 5-9). Рис. 5-7 отображают сечения нормированных ПРВ ЭПР отражателя двумя параллельными плоскостями при вероятности Р = 0.707 и 0.1 при ВП излучения для чистой морской поверхности (см. рис. 5), морской поверхности со сли-ком средней нефти (см. рис. 6) и морской поверхности со сликом тяжелой нефти (см. рис. 7). На рис. 8 и 9 представлены сечения нормированных ПРВ контраста ЭПР отражателя двумя параллельными плоскостями при тех же значениях вероятности при ВП излучения для морской поверхности со сликом средней нефти (рис. 8) и со сликом тяжелой нефти (рис. 9).

Анализ особенностей изменения контраста по ЭПР при изменении параметров задачи позволяет оценить вероятность превышения указанным контрастом заданного уровня Кп. Из рис. 8 и 9 следует, что при прочих равных условиях контраст по ЭПР падает с

уменьшением плотности нефти и усилением ветра. Принято считать, что для обнаружения пленки нефти на основе результатов измерения ЭПР контраст по ЭПР должен превышать 1 дБ, однако согласно рис. 9 для тяжелой нефти пороговое значение контраста может быть увеличено, например до 8 дБ, что позволит снизить требования к точности измерения ЭПР.

На рис. 10 представлены зависимости вероятности превышения контрастом по ЭПР порогового уровня 1 дБ для поверхности с пленкой средней нефти, а на рис. 11 - порогового уровня 8 дБ для поверхности с пленкой тяжелой нефти. Кривые 1 соответствуют скорости ветра Увю = 3.5 м/с, кривые 2 Увю = 5 м/с. Из указанных зависимостей следует, что увеличение скорости ветра ведет к уменьшению вероятности выброса контраста по ЭПР за заданный фиксированный уровень. Из анализа рис. 10 и 11 с учетом рис. 6, 7 следует, что приемлемые высоты размещения отражателя составили 3.6, 4.5 и 5.4 м. Заключительный этап моделирования выполнен для = 3.6 м.

На рис. 12 и 13 представлены гистограммы ЭПР отражателя, построенные для трех моделируемых выборок, каждая из которых содержала 100 случайных профилей морской поверхности. Гистограммы 1 соответствуют чистой морской поверхности, гистограммы 2 - морской поверхности с пленкой средней нефти, гистограммы 3 - морской поверхности с пленкой тяжелой нефти. При скорости ветра Увю = 3.5 м/с (рис. 12) тяжелая нефть успо-

Р 0.75 0.50 0.25

0

3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1 5.4 5.7 И2, м

Рис. 10

Р 0.75 0.50 0.25

0 I 14 I

3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1 5.4 5.7 И2, м

Рис. 11

1

п, %

г г

40 20

0

п, % 25

•в10

= 3.5 м/с; вп ?

I.

2

20 120

•в10

= 5 м/с; вп

тт

-цы-

20 60

80

п, %

г г

40 20

•в10

= 3.5 м/с; гп ?

2

а, м

20 40

60

Рис. 12 п, %

40

20

й

г

•в10

ш

I

а, м

20 80

100

I

80 120 а м2

= 5 м/с; гп

а, м

Рис. 13

3

3

1

1

2

0

1

3

3

0

0

Поверхность

Параметр модели с пленкой

средней нефти тяжелой нефти

Поляризация •в10 , Средняя Дисперсия Средняя Дисперсия Средняя Дисперсия

м/с ЭПР, м2 ЭПР, м4 ЭПР, м2 ЭПР, м4 ЭПР, м2 ЭПР, м4

вертикальная 3.5 8.4 1.0 14.8 5.7 129.1 0

горизонтальная 26.9 12.0 53.2 19.6 131.5 0

вертикальная 5.0 10.1 1.7 9.8 3.0 73.7 31.2

горизонтальная 6.7 5.6 11.2 7.2 84.5 27.9

каивала волнение (см. левое поле рис. 2) и ЭПР отражателя вблизи морской поверхности не флуктуировала (см. гистограммы 3 на рис. 12). При ВП ЭПР отражателя составила

129.1 м2, при горизонтальной - 131.5 м2.

Статистические характеристики флуктуаций ЭПР отражателя при отсутствии загрязнения моря и при загрязнении нефтью для различных волнений представлены в таблице.

При наличии на морской поверхности тяжелой нефти контраст ЭПР отражателя относительно его ЭПР при чистом море в зависимости от поляризации РЛС и волнения изменялся от шести до 15 раз, что позволяет говорить об уверенном обнаружении наличия загрязнения. Контраст ЭПР отражателя при наличии средней нефти и слабого волнения равен, приблизительно, двум, а для более сильного волнения практически отсутствовал, что сильно затрудняло обнаружение.

Лучшие результаты обнаружения мономолекулярной пленки средней нефти при более слабом волнении обусловлены более сильным эффектом гашения менее развитого волнения.

Список литературы

1. Леонтьев В. В. Использование РЛС в сочетании с пассивным отражателем для обнаружения загрязнения водной поверхности нефтью // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1991. № 8. С. 33-37.

2. Леонтьев В. В. Феноменологическая теория рассеяния радиоволн морскими объектами. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2006. 216 с.

3. Леонтьев В. В., Бородин М. А., Богин Л. И. Итерационный алгоритм расчета поля, рассеянного шероховатой поверхностью // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53, № 5. С. 537-544.

4. Бородин М. А., Леонтьев В. В. Анализ точностных характеристик итерационного алгоритма вычисления поля, рассеянного шероховатой поверхностью // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54, № 9. С. 1-6.

5. Леонтьев В. В., Бородин М. А., Третьякова О. А. Рассеяние вертикально поляризованной электромагнитной волны шероховатой поверхностью при скользящем облучении // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2010. Вып. 5. С. 33-46.

6. Леонтьев В. В., Третьякова О. А. Моделирование рассеяния радиоволн поверхностью моря, покрытой мономолекулярной пленкой нефти // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 3. С. 55-64.

7. Леонтьев В. В., Бородин М. А., Игнатьева О. А. Бистатические диаграммы рассеяния морской поверхности, покрытой мономолекулярной пленкой нефти // Радиотехника. 2012. № 7. С. 39-44.

O. A. Ignateva, V. V. Leontyev

Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"

Parameter design of radar in conjunction with radar reflector for monomolecular oil slick detection revisited

Recommendations for parameter design of radar in conjunction with radar reflector for monomolecular oil slick detection are presented.

Radiolocation, modeling, wave scattering, sea surface, radar cross section, complex reflection factor, oil slick

Статья поступила в редакцию 7 февраля 2013 г.