Развитие методов радиометрического зондирования многослойных структур в миллиметровом диапазоне длин волн

Ракуть, Игорь Владимирович

Развитие методов радиометрического зондирования многослойных структур в миллиметровом диапазоне длин волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Ракуть, Игорь Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Развитие методов радиометрического зондирования многослойных структур в миллиметровом диапазоне длин волн»

Автореферат диссертации на тему "Развитие методов радиометрического зондирования многослойных структур в миллиметровом диапазоне длин волн"

На правах рукописи

РАКУТЬ Игорь Владимирович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

01.04.01 — Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

5 ДЕК 2013

Нижний Новгород 2013

005542315

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» (ФГБНУ НИРФИ) Министерства образования и науки РФ

Научный руководитель КИСЛЯКОВ Альберт Григорьевич

доктор физико-математических наук профессор

Официальные оппоненты: ПАНКРАТОВ Андрей Леонидович,

доктор физико-математических наук старший научный сотрудник отдела терагерцовой спектрометрии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН), г. Нижний Новгород

КУЛИКОВ Юрий Юрьевич доктор физико-математических наук старший научный сотрудник ведущий научный сотрудник отдела физики атмосферы и микроволновой диагностики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН), г. Нижний Новгород

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие федеральный научно-производственный центр «Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова (ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова), г. Нижний Новгород

Защита состоится 26 декабря 2013 года в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.161.01 при федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» (ФГБНУ НИРФИ) Министерства образования и науки РФ по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, 25/12а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ НИРФИ Автореферат разослан 25 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат.наук

А.Н. Караштин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В окружающей человека среде существует огромное многообразие природных и искусственно созданных многослойных структур, состояние и динамика которых оказывают многогранное действие на каждого человека в отдельности и общество в целом. Поэтому знание и контроль параметров окружающей среды и, в частности, многослойных образований в ней являются необходимыми условиями нормальной жизнедеятельности современного человечества. Особо важным знание о поведении конкретных объектов становится в условиях чрезвычайных ситуаций, когда незнание, как поведет себя то или иное природное или техническое образование, может привести к непоправимым последствиям. Таким образом, вопрос применимости дистанционного мониторинга окружающей среды во всех его проявлениях всевозможными дистанционными средствами в развивающемся технически и интеллектуально мире, несомненно, будет актуальным и развиваться в направлении насыщенности средствами реализации, применением многочисленных физических принципов и явлений, расширением диапазона применяемых частот, в увеличении дальности и быстроты определения параметров интересуемого процесса. В связи с этим использование электронных средств реализации данных проектов будет только расти, а, значит, применяться в них будет широкий спектр электромагнитных волн как средство, обладающее высокой скоростью распространения. Другим важным свойством электромагнитных волн является их проникающая способность, которая зависит от их частоты и диэлектрических параметров исследуемой среды и объектов в ней. Поскольку многослойные структуры имеются везде и на различных размерных уровнях, то невозможно выбрать одно средство для мониторинга всего разнообразия этих структур. Но, несомненно, для каждого явления найдется средство мониторинга или уже созданное, или, если это будет востребовано, разработанное в будущем. В этом плане развивающиеся с середины прошлого века методы пассивной радиометрии в будущем будут применяться и развиваться в разнообразных направлениях, несмотря на имеющиеся ограничения в различных условиях. К этим условиям относятся, например, уровень проникающей способности в исследуемую среду и способность

определения полезной информации на определённом расстоянии в результате поглощения в среде распространения. Таким образом, поиск условий и ситуаций, где эти ограничения несущественны, и способов, позволяющих преодолеть ограничения метода пассивной радиометрии, представляется чрезвычайно актуальной задачей. В частности, проникающая способность микроволн в исследуемую среду позволяет определить и их область применения, и создать два «различных» метода дистанционного зондирования. Первый из них - собственно радиометрия, которая использует свойства объекта излучать собственный спектр волн в соответствии со своей излучательной способностью и своей физической температурой. Однако можно использовать и вторую компоненту этого явления - отражательную способность объекта. Во втором методе говорят уже об использовании методов пассивно-активной радиометрии. Однако это разделение несколько условно, т.к. у любого исследуемого объекта всегда имеются обе компоненты, а средством их измерений в обоих методах является один и тот же радиометрический приёмник с некоторыми отличиями в схемном исполнении. Другим фактором отличия считается условие наличия излучения подсветки, но и тут нет абсолютного разграничения, т.к. любое нагретое тело излучает и может быть использовано в качестве источника подсветки. Таким образом, в использовании обоих методов ещё имеются возможности нового применения, и эта задача также актуальна. При этом самым важным звеном становится объект, который будет исследоваться с помощью этих методов. Таких объектов -огромное множество, но следует обратить особое внимание на активно обсуждающееся явление современного человечества - энергетический бум, неизменным спутником которого является средство его жизни -нефть. И тут мы сталкиваемся с огромным количеством природных и техногенных проблем, т.к. нефть нужно добыть, доставить от места добычи до производства, там её преобразовать в нефтепродукт, который опять необходимо доставить уже до потребителя. В результате на всех этапах появляются экологические катастрофы, которые необходимо ликвидировать, что сделает необходимой потребность в мониторинге места катастрофы, причем, как правило, в плохих погодных условиях. Так мы приходим к микроволновому радиометрическому мониторингу,

т.к. применение видимого и инфракрасного диапазонов излучения и, особенно, контактных методов в таких условиях затруднено.

Остаются микроволновые методы, и среди них пассивная радиометрия обладает лучшими качествами для определения толщины слоя разлива. Надо отметить, что активные средства также находят применение. Однако ни один из методов не является полным лидером мониторинга в задаче определения всех необходимых параметров разлитого в акваторию загрязнителя, способного уничтожать биосферу планеты.

Таким образом, определение областей применимости методов пассивной и пассивно-активной радиометрии, так и развитие новых методов радиометрического зондирования многослойных структур, позволяющих преодолеть ограничения метода пассивной радиометрии, представляется чрезвычайно актуальной задачей. В большой степени это связано с задачей своевременного обнаружения разлива нефтепродукта, определения его формы и динамики, площади и распределения толщины плёнки - важность этой задачи не вызывает сомнений.

Цель работы

Развитие методов радиометрического дистанционного зондирования для определения физических параметров слоистых структур на поверхности воды путём измерений поляризационных контрастов в их тепловом радиоизлучении.

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем:

1. Реализован метод дистанционных измерений поляризационных характеристик радиоизлучения разлива нефтепродукта на воде, который, в отличие от других радиометрических методов, позволяет исключить влияние параметров приемной антенной системы и существенно уменьшить влияние собственного радиоизлучения атмосферы на измеряемые параметры плёнок нефти на воде.

2. Разработаны алгоритмы исключения неоднозначностей в определении толщины плёнки нефти на поверхности воды

(й?пл= 0-12 мм) при 2х-частотном приёме излучения слоя (2 угла визирования) или при Зх-частотном приёме (1 угол визирования).

3. Реализован парциальный метод измерения диэлектрической проницаемости нефтепродукта по последовательности его нарастающих толщин, что позволяет увеличить точность определения диэлектрической проницаемости.

4. В результате измерений на стендах показано, что толщина плёнки <4л ~ 7 мм на поверхности воды в натурных условиях при наличии волнения с высотой волн до 16 см определяется достаточно точно (~10%) по значениям её эффективной диэлектрической постоянной.

Методы и подходы, используемые в диссертации

Использование уже разработанных и развиваемых модельных и теоретических представлений методов пассивного и пассивно-активного микроволнового дистанционного зондирования окружающей среды.

Проведение статистических исследований с использованием доступных в мировой научной литературе экспериментальных данных и полученных авторами работы в широком спектре микроволнового излучения.

Использование современных методов обработки и анализа данных, их развитие и применение специально разработанных программ для решения задач поставленных исследований.

Применение современных компьютерных методов расчёта для развития модельных представлений и их согласования с имеющимися экспериментальными данными.

Привлечение развитых другими авторами современных моделей распространения микроволн в средах с различным распределением механических и диэлектрических характеристик.

Верификация полученных результатов с имеющимися данными в научной литературе.

Практическая значимость диссертационной работы

1. Создан ряд стендов для лабораторных измерений методом пассивной и пассивно-активной поляризационной радиометрии плёнок нефти на поверхности воды с целью определения толщины слоя нефтепродукта, влияния наличия водности в плёнке и волнения водной

поверхности на излучательные и отражательные характеристики плёнки нефтепродукта на воде, исследования характеристик волнения и возможности отработки методов сканирования с построением радиоизображений.

2. Разработаны структурные и технические решения промышленных образцов двухчастотного радиометрического прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности воды типа «КТС-РМК-Н» и трехчастотного радиометрического прибора контроля параметров разливов нефти на поверхности воды типа «ПРИНТ-3», которые сертифицированы и утверждены Госстандартом РФ как средства измерений.

3. Разработана промышленная партия приборов «ПРИНТ-3», включенных в состав технических средств региональной сети экологического мониторинга разливов нефти в составе 9 отделений Управления по охране окружающей и природной среды Ханты-Мансийского автономного округа.

4. Разработаны системы автоматического управления и обработки в приборах «КТС-РМК-Н», «ПРИНТ-3»; для двухкоординатных сканирующих комплексов на базе ЭВМ созданы системы управления и одновременного сбора данных с радиометрического модуля с предварительной их обработкой для построения двумерного радиоизображения исследуемой среды (поверхности), математическое и программное обеспечение последующей обработки измерений.

Представленные в диссертации исследования поляризационных характеристик радиоизлучения водной поверхности с плёнкой нефти реализованы впервые, а метод поляризационных контрастов получил международное признание. Так, прибор «КТС РМК-Н» на 30-м Международном салоне изобретений «Женева-2002» удостоен Золотой медали и Диплома «30-го Международного салона изобретений -«Женева-2002». Также разработанная и созданная в ФГБНУ НИРФИ партия из 10 штук сертифицированных приборов «ПРИНТ-3», являющихся развитием прибора «КТС РМК-Н», удостоена диплома и бронзовой медали на IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций.

Обоснованность научных положений и выводов, достоверность

полученных результатов обусловлены:

- применением современных методик регистрации и обработки экспериментальных данных;

- сопоставлением результатов экспериментальных и статистических исследований с теоретическими представлениями и результатами других авторов, а также собственными проверенными теоретическими обоснованиями и расчётами;

- статистически значимым объёмом данных;

- использованием апробированных методов исследования;

- экспертными оценками при публикации основных результатов исследований в рецензируемых научных изданиях;

- наличием работающих на принципах, рассматриваемых в диссертации, и сертифицированных 10-ти приборов «ПРИНТ-З», разработанных и изготовленных в ФГБНУ НИРФИ при непосредственном участии автора диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Развитие методов радиометрического зондирования, которое включает проведение теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих увеличить точность, расширить диапазон и условия применимости, создать технические условия для разработки измерительных приборов, а именно,

- приём излучения на ортогональных поляризациях при наклонном зондировании,

- исключение неоднозначностей измерения толщины гладкого слоя разлива нефтепродукта на поверхности воды при двухчастотном приёме путём применения третьей частоты или измерениями на двух углах места,

- учёт волнения водной поверхности через эффективную диэлектрическую проницаемость,

- применение пассивно-активного дистанционного зондирования,

- применение парциального метода измерения диэлектрической проницаемости нефтепродукта.

2. Развитие метода пассивно-активной радиометрии в область дистанционных измерений многослойных структур для возможности

измерений коэффициента отражения, диэлектрической проницаемости, собственного и отраженного излучения слоя нефтепродукта на гладкой поверхности воды. 3. Создание технических комплексов различного назначения в миллиметровом диапазоне длин волн, предназначенных для проведения лабораторных, тестовых, поверочных, натурных испытаний и измерений при решении задач зондирования многослойных структур. Апробация работы

Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе: The Third International Airborn Remote Sensing Conference an Exhibition (Copenhagen, Denmark, 7-10 July, 1997); ежегодные научные конференции по радиофизике (ННГУ, Н. Новгород, 2001, 2002, 2009, 2010, 2012, 2013); XX Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (г. Н. Новгород, 2002); Международный симпозиум по инженерной Экологии - 2003 (г. Москва, 2003); Второй региональный семинар «Распространение микроволн в природных средах» (НИРФИ, г. Нижний Новгород, 2003); Всероссийские семинары по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (ИПФ РАН г. Н. Новгород, 2007, 2009); XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (МГТУ, г.Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011г.); II Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной среды», посвященная 300-летию образования Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского (Санкт-Петербург 24-26 апреля 2012 г.); 10 Международная Научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (г. Владимир 2012); 1-я Российско-Белорусская научно-техническая конференция «Элементная база отечественной радиоэлектроники» (ННГУ, НГТУ, НИРФИ. Нижний Новгород, 11-14 сентября 2013 г.).

Участие в выставках и международных салонах: 30-й Международный салон изобретений «Женева-2002» (золотая медаль и диплом «30-го международного салона изобретений - «Женева-2002»); IV Московский международный салон инноваций и инвестиций,

«Москва-2004» (бронзовая медаль и диплом «IV Московского международного салона инноваций и инвестиций» - «Москва-2004»); Международная экологическая акция «Спасти и сохранить» в рамках Третьей специализированной выставки «Югра 2003 — Экология», 35 июня 2003, г. Ханты-Мансийск (диплом участника); Третий Всероссийский съезд и выставка по охране окружающей природной среды, 20-21 ноября 2003, Москва; Международный научно-промышленный форум «Великие реки 2003», 20-23 мая 2003, Н. Новгород.

Работы по тематике диссертации выполнялись в рамках важнейших НИР и НИОКР ФГБНУ НИРФИ, по заданиям Министерства образования и науки РФ и поддерживались грантами Министерства образования РФ, РФФИ, Программой ОФН РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях природных сред и человека».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 26 работ. Из них: 8 статей в рецензируемых отечественных журналах, в том числе, 7 - в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ, 7 работ - публикации докладов в трудах всероссийских и международных конференций, остальные работы - публикации докладов в трудах конференции по радиофизике и тезисы докладов на всероссийских и региональных семинарах.

Получены сертификаты Госстандарта РФ утверждения типа средств измерений на разработанные приборы «КТС РМК-Н» и «ПРИНТ-3», в разработке и создании которых автор принимал активное участие.

Личный вклад автора

Автор принимал участие в разработке физических принципов радиометрического метода поляризационных контрастов для определения толщины нефтяных плёнок на водной поверхности. Под его руководством и при непосредственном участии разработаны и созданы измерительные стенды для исследования излучательных и отражательных характеристик неоднородных, многослойных структур и нефтяных плёнок и опытный образец прибора «ПРИНТ-3» для дистанционного определения толщины нефтяной плёнки. Все

эксперименты по исследованию излучательных характеристик различных объектов, в том числе нефтяных плёнок, и дистанционного определения их толщины выполнены лично автором или при его участии. Обработка и интерпретация полученных результатов также выполнены при непосредственном участии автора.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Диссертация изложена на 164 страницах, содержит 56 рисунков, 9 таблиц. Список литературы содержит 78 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, формулируется цель работы и кратко изложены основные результаты, отмечена их новизна, научная и практическая значимость. Дано краткое содержание диссертации.

В главе 1 диссертации проведен анализ ограничений методов нерадиометрических и пассивной радиометрии при проведении измерения толщины плёнок нефти на водной поверхности. В разделе 1.1 представлен обзор известных нерадиометрических методов обнаружения разливов нефти на поверхности воды с определением толщины по результатам дистанционных методов: а) визуального восприятия цветовой палитры отраженного от плёнки солнечного излучения, б) измерений спектрального распределения интенсивности отражённого лазерного и инфракрасного излучений от плёнок нефтепродуктов микронной толщины, в) измерений лазерно-акустическим методом; и контактных методов: калиброванных поглощающих нефть емкостей и акустических измерений разности во времени отраженных сигналов от границ вода-плёнка и плёнка-воздух; рассмотрены возможности и ограничения всех методов. В разделе 1.2 приведен анализ ограничений методов пассивной радиометрии, носящих в ряде случаев принципиальный характер, которые связаны с разбросом величины диэлектрической проницаемости сухой нефти, эмульсии от её влагосодержания, ветрового волнения, неоднородности облачности и погодных факторов [1]. В разделе 1.2.1 представлены условия формирования радиояркостных контрастов участков нефтяных разливов на поверхности воды при отсутствии волнения для метода

радиационных контрастов и спектрального метода. Приведен колебательный характер теоретической зависимости контрастов от толщины, что требует решения вопроса устранения неоднозначности при необходимости измерять толщины. Неоднозначность в определенных пределах устраняется применением 2х-частотного приёма. Раздел 1.2.2 посвящён методу радиояркостных контрастов при измерениях толщины плёнки нефти на гладкой поверхности воды относительно участка с чистой водой. Ошибка измерений возникает при неопределённости параметров антенны и при невозможности точного расчёта излучения атмосферы в условиях облачности и осадках. В разделе 1.2.3 рассмотрен спектральный радиометрический метод измерения толщины плёнки нефти на ровной поверхности воды, в котором при росте толщины плёнки увеличивается частота осцилляций яркостной температуры, что однозначно определяет толщину, но имеется ошибка из-за неравномерности излучения атмосферы вблизи линий поглощения атмосферных газов и на тонких плёнках. В разделе 1.3 делаются выводы по главе и ставится задача о необходимости развития радиометрических методов по определению толщины плёнки нефти на ровной водной поверхности путём исключения параметров приемной антенны и существенного уменьшения влияния параметров излучения атмосферы применением радиометрического метода поляризационных контрастов.

Глава 2 посвящена развитию радиометрического метода поляризационных контрастов для измерений характеристик радиоизлучения двухслойных сред на водной поверхности. В разделе 2.1 рассмотрены физические основы, модельные представления и возможности радиометрического поляризационного метода (рис.2.1)

[1,2].

Рисунок 2.1 Условия формирования радиационных контрастов при радиометрических наблюдениях из среды (1) или двухслойной среды (2+3).

В разделе 2.2 рассмотрены условия формирования радиационных поляризационных контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области [1,9,14] неполяризованного собственного излучения атмосферы. В разделе 2.3 рассмотрены условия формирования радиационных поляризационных контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области участка земной [9] поверхности. В разделе 2.4 рассмотрены условия формирования радиационных поляризационных контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области участка чистой водной поверхности с первым и вторым сочетанием измеряемых величин [2,9,14]. В разделе 2.5 рассмотрены условия формирования радиационных поляризационных контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области участка чистой водной поверхности с третьим сочетанием измеряемых величин для применения в обзорных радиометрических системах наблюдения с борта носителя, определены: диапазон оптимальных углов сканирования, ограничения при наличии неоднородной облачности и способ их коррекции. В разделе 2.6 даны выводы по разделу о положительных качествах поляризационного метода относительно других радиометрических методов, но и указываются общие проблемы.

В главе 3 представлены созданные радиометрические комплексы, применённые для исследования характеристик плёнки нефтепродукта на водной поверхности. В разделе 3.1 представлено описание характеристик стендового автоматизированного двухкоординатного пассивно-активного комплекса 8-мм «СА2К-ПАК8» (Рис.3.2), его применение для исследования нефтяных сликов на поверхности воды и результаты модельных измерений пятна разлива с различной толщиной плёнки на поверхности воды.

В разделе 3.2 рассмотрено описание стендового пассивно-активного радиометрического комплекса вертикального зондирования лабораторный «ПАРК» (Рис.3.8) применительно к исследованиям водо-нефтяной эмульсии. Представлены результаты измерений коэффициентов отражения от слоя водонефтяной эмульсии (Рис. 3.10) на ровной поверхности воды в зависимости от её влагосодержания м> и результаты по расчётам диэлектрических свойств эмульсий в данных экспериментах.

РЕГИСТРАТОР

но

кд -

сд

сн

РШ АТТ

гшп

гон

I 1 I 1 I 1 I 0.04 0.08 0.12 0.16 »

>СХ-> НЕФТЬ

ВОДА

Рисунок 3.10 - Действительные е„л (а) и мнимые ет2 (б) части диэлектрические проницаемости эмульсий в зависимости

от величины м>.

Рисунок 3.8 - Комплекс «ПАРК» Блок-схема

В разделе 3.3 приведено описание радиометрического стендового комплекса «РСК-ПН», предназначенного для исследований нефтяных плёнок на воде, апробации, наладки, сертификации и поверки изготавливаемой аппаратуры, в составе макета радиометрического двухканального приёмника (с описанием его устройства и характеристик), используемого для исследования характеристик плёнок нефтепродуктов на поверхности воды, ставшего прототипом измерителя «ПРИНТ-3», и проведения их поверки и сертификации. Приведены результаты экспериментальных измерений поляризационных характеристик излучения водной поверхности при наличии плёнки нефти, которые свидетельствуют о высокой эффективности при измерениях отражательных и излучательных характеристик водной поверхности в микроволновом диапазоне длин волн в широком диапазоне изменений метеоусловий.

На данном стенде отрабатывались все этапы создания технического и алгоритмического содержания приборов «КТС РМК-Н» и «ПРИНТ-3». В разделе 3.4 представлено описание [1,2,7] стендовых радиометрических комплексов размерами 2.5м*5.5м («СРКНВ-1») и 7.5м><10м («СРКНВ-2») для исследования плёнок на взволнованной поверхности воды в натурных условиях, методика эксперимента и обработки, изложены полученные результаты и их анализ. По результатам исследований сделан вывод, что радиометрический метод поляризационных контрастов в модели плоско-слоистой двухслойной среды позволяет определять толщину нефтяного слика в условиях волнения до 16 см высотой (Рис.3.19). При этом необходимо использовать величины эффективных диэлектрических проницаемостей плёнки нефтепродукта (Таблица 3.2). Соответствующие среднеквадратичные отклонения измеренных толщин приведены в Табл.3.3. (Здесь принято: «волны 2», «волны 4», «волны 109», «волны 2_09», соответственно, имеют высоту волны до 4, 8, 10 и 16 см).

Рисунок 3.19 -Здесь ён - заданная толщина нефти, ёр - разность между вычисленной толщиной и налитой толщиной (с1н). Точки с кругами для радиометрического канала 8.8мм, точки со звёздами для радиометрического канала 24.6 мм. Угол визирования от надира 55°. а), б), в) - 2008 г.; г), д), е) - 2009 г. а) и г) - ровная поверхность; б) «волны 2» до 4 см; в) «волны 4» до 8 см; д) «волны 1_09» до 10 см; е) «волны 2_09» до 16 см

Таблица 3.2. Эффективные комплексные диэлектрические проницаемости нефти (£8"8 и ^ 6 ) в соответствии с длиной волны принимаемого излучения

(А, = 8,8 мм и А. = 24,6 мм), углами визирования относительно надира (9) и состоянием поверхности воды с нефтяной плёнкой

6, поверхность £¡ 3 (2008г.) £>24,6 (20 0 8г.) Е^ (2009г.) Б 24,6 (2009г.)

60°, ровно 1.84 + /0.080 1.89 +/0.06 1.56 + /0.13 1.71 + /0.13

55°,ровно 1.84 +/0.066 1.89 +/0.06 1.56 + /0.13 1.71 + /0.13

50°,ровно 1.84 +/0.056 1.84 +/0.05 1.56 + /0.13 1.71 + /0.13

60°, «волны 2; 109» 2.15 +/0.15 2.10 + /0.15 1.56 +/0.18 1.71 + /0.70

55°, «волны 2;109» 2.15 + /0.15 2.10 + /0.15 1.56 +/0.22 1.71 + /0.70

50°, «волны 2; 1_09» 2.20 +/0.15 2.10 + /0.15 1.56 + /0.18 1.71 +/0.50

60°, «волны 4; 2_09» 2.80 + /0.90 2.80 +/0.85 1.56 +/0.25 1.71 +/0.50

55°, «волны 4; 2_09» 4.00 +/1.09 4.00 + /1.80 1.56 +/0.24 1.71 +/0.70

50°, «волны 4; 2_09» 4.55 +/0.88 4.55 +/1.88 1.42 +/0.20 1.72 +/0.60

Таблица 3.3. Среднеквадратичное отклонение (сг8 8 и сг24>6 ) по набору

измеренных толщин относительно соответствующих им заданных толщин плёнки нефти для угла визирования 55° в соответствии с состоянием поверхности воды с нефтяной плёнкой и длиной волны принимаемого излучения (X = 8,8 мм и X = 24,6 мм)

состояние поверхности ровно (2008г.) волны 2 (2008г.) волны 4 (2008г.) ровно (2009г.) волны 1_09 (2009г.) волны 2_09 (2009г.)

0,1584 0,1896 0,4987 0,1578 0,2494 0,3158

а24,6 0,4211 0,4406 0,5227 0,3664 0,5236 0,6656

В разделе 3.5 рассмотрен состав пассивно-активного [1] радиометрического комплекса наклонного зондирования лабораторный «ПАРК-НЗЛ» для исследования плёнок на спокойной и взволнованной

поверхности воды в пассивно - активном режиме, элементы его работы, возможные направления исследований и уже полученные результаты о зависимостях влияния высоты волнения и углов падающего излучения «подсветки» в виде двумерных радиометрических изображений.

В разделе 3.6 представлены результаты поляризационных измерений (Рис. 3.23) на стенде «РСК-ГШ» параметров плёнки нефти на поверхности воды и абсолютные ошибки (Рис. 3.24) этих измерений.

Кизм

* +

+ 34 Ггц изм. О 12.2 Ггц изм.

---- 34 Ггц теор.

--12.2 Ггц теор. ^

Л / ,0 + /

Ф ? : 4 +

\ 1 / ■ + / А

-|-1 р-

10 Й.ММ 12

Рисунок 3.23.

Результаты измерения коэффициента Кизм, полученные по данным измерений в радиометрическом канале 12,2 и 34 ГГц, и графики расчётных значений коэффициента^

дс1, мм 0.2

-0.2 -

а)

Ца а § ^

-в-8—^

-а—

Оо

ДС1, ММ 0.2

0 -0.2

8 Рисунок 3.24 - Разброс

— измеренных данных

____° _1_________ °о о ' ° при определении

м I 11 11 п | 11111 и 111 11 I 11 I м 11 11 11 11 11 I I I 11 11 11 и 11 11 111 I 11 | толщины пленки

0123456789 10 11 12 нефти: а) для

с'м.мм радиометрического

б) канала 12,2 ГГц, б) ддя

: ^ радиометрического

+*** 1 + * + + + _ ,, * * канала 34 ГГц.

+ +++ + +

"1""1""1""1"||1|т]"|Ч""1""Г"Ч|т11т! 0 1 2345678 Э 10 11 12 с1„, мм

В разделе 3.7 сформулированы основные результаты главы 3.

В Главе 4 рассмотрены теоретические и практические положения об измерении толстых плёнок нефти портативными 2-х и 3-х частотными радиометрическими приборами с применением радиометрического

метода поляризационных контрастов и методов устранения неоднозначности. В разделе 4.1 представлены основные причины возникновения точек неоднозначности первого рода (ТНПР) и точек неоднозначности второго рода (ТНВР) при измерениях разлива толстых плёнок нефти на воде радиометрическим методом поляризационных контрастов, которые связаны с рабочими частотами приёмников и максимальной измеряемой толщиной пленки. Также исследуется вопрос оптимального соотношения частот каналов. В разделе 4.2 представлены методы устранения неоднозначности при определении толщины плёнки нефти на поверхности воды радиометрическим поляризационным методом. В разделе 4.2.1 дано три способа устранения ТНПР и ТНВР неоднозначности первого и второго рода для созданных измерителей «КТС РМК-Н» и «ПРИНТ-3» толщины плёнки нефти на воде.

Допустим, толщина плёнки в реальности 0,66 мм и её измерение проводится двумя приборами «КТС РМК-Н» и «ПРИНТ-3». В каждом канале определяется набор точек ТНПР, но важными являются всего две из них, образующих одну точку ТНВР. В данном примере ТНВР = 0,66 мм, т.к. для канала 8,8 мм есть точки А2=0,66мм и А4=Ю,63 мм и для канала 24,6 мм: А!=0,66 мм и А3=10,63 мм (Рис.4.6).

Рисунок 4.6 - Кривая 1 - канал 8,8 мм, кривая 2 - канал 24,6 мм, кривая 3 -канал 26,8 мм, угол визирования (-35°). £*= 2.05+Ю.01, Тводы = 20°С. Кизм8>8 и КЮм24,б Кизм26,8 выбраны для толщины А,= А2= Ап=0,66 мм.

Таким образом, для обоих приборов возникает проблема неоднозначности 2 рода. При этом прибор «ПРИНТ-3» одновременно с каналами 8,8 мм и 24,6 мм проводит измерение в канале 26,8 мм, в котором определяются точки Ац= 0,66 мм и Ап= 11,31 мм. Откуда ЭВМ прибора «ПРИНТ-3» видит, что тройка точек А2,АьАп много ближе друг к другу, чем другая тройка точек А3=А4<А13, с разностью 0,68 мм, поэтому ЭВМ прибора «ПРИНТ-3» выбирает тройку точек А2,АьАц и соответствующую толщину 0,66 мм, т.е. близкую к реальной.

Оператор прибора «КТС РМК-Н» в этом случае получает команду на второе измерение. По методике он должен «сделать» шаг назад и измерить ту же самую область пленки нефти под другим углом. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что проведение второго измерения на другом угле может решить задачу: например, первое измерение - на угле (-35°) (Рис.4.6), а второе - на угле

Рисунок 4.9 - Кривая 1 - канал 8,8 мм, кривая 2 - канал 24,6 мм, угол места (-30°), диэлектрическая проницаемость е*= 2.05+Ю.01, ТВ0ДЬ1 = 20°С. Кизы8 8 и Кизм24,б выбраны для толщины 01=0.68 мм.

Тогда во втором измерении получаем в канале 8,8 мм точки ТНПР 02=0,68мм и 04=Ю,94 мм, которые также и ТНВР. Но, т.к. между точками 02 и А2 разница 0,02 мм, а между точками 04 и А4 разница 0,3 1 мм, то ЭВМ выбирает точки 0,66 мм и 0,68 мм и по их среднему выдаёт оператору толщину 0,67 мм [14]. Для прибора «КТС РМК-Н» разработаны два способа. Их теоретическое содержание одинаково, а

практическое отличается. В первоначальном варианте (способ 2) при измерении прибор «КТС РМК-Н» весом И кг находится на плече оператора. Этот прибор неудобен в эксплуатации, что приводит к увеличению времени измерений и повышению ошибки при выборе значения толщины. Для повышения точности измерения, облегчения работы оператора и безопасности его и прибора предложено использовать специальное, лёгкое многофункциональное устройство -«шест-опора». При измерениях прибор вешается на него, т.е. его вес приложен к «шесту-опоре». Измерения становятся унифицированными, оператор для второго измерения остаётся на месте, т.к. производит единообразное уменьшение высоты «шеста-опоры». Применение этой методики к прибору «ПРИНТ-3» даёт те же преимущества.

В разделе 4.2.2 рассмотрены причины неопределённости диэлектрической проницаемости нефтепродукта: разные месторождения и влажность [14]. В разделе 4.2.3 рассматривается парциальный метод измерения диэлектрической проницаемости нефтепродукта, позволяющий измерять диэлектрическую проницаемость плёнки в полевых условиях. Использование этого метода позволяет получать повышенную точность определения толщины. Наглядный результат использования метода показан на Рис.3.23 и Рис.3.24, т.к. реальная погрешность определения толстых плёнок ~ ± 0,2 мм, что меньше заданной до ± 0,6 мм по техническому заданию. В разделе 4.3 представлены описания портативных радиометрических приборов: 2"х-частотного «КТС РМК-Н» и 3"х-частотного «ПРИНТ-3», даны их структурные схемы, технические характеристики и методы их измерения. В разделе 4.4 представлены основные характеристики приборов «КТС РМК-Н» и «ПРИНТ-3»: диаграммы антенн, уровень кросс-поляризации, диапазон частот, чувствительность каналов, постоянная времени, энергопотребление, массогабаритные параметры. В разделе 4.5 сформулированы выводы главы 4: выявлено оптимальное соотношение частот двухканального приёмника, предложено решение проблемы неоднозначности определения толщины пленки на воде (3 способа), для прибора «КТС РМК-Н» усовершенствована методика снятия неоднозначности определения толщины нефтяной плёнки на воде, предложен «парциальный» метод измерения диэлектрической проницаемости нефтепродукта на местности [1,14].

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты работы

1. Развит радиометрический метод поляризационных контрастов двухслойных сред, позволяющий существенно уменьшить влияние радиоизлучения атмосферы, подстилающей поверхности и характеристик приёмной антенной системы на измеряемые параметры плёнок нефтяных разливов.

2. Разработан и создан портативный трёхчастотный (34; 12,2; 11,2 ГГц) радиометрический прибор для контроля параметров разлива нефти на поверхности воды - «ПРИНТ-3», позволяющий дистанционно определять толщину нефтяных плёнок в диапазоне 0,2 + 12 мм с точностью 0,1 +0,6 мм в зависимости от толщины. Прибор прошёл сертификацию Госстандарта РФ как средство измерений.

3. Разработан и создан радиометрический стендовый комплекс миллиметрового диапазона («РСК-ПН», «СРКНВ-1,2») для натурных исследований характеристик нефтяных плёнок на воде при различных состояниях водной поверхности (волнение, температура) и водонефтяного эмульсионного слоя.

4. На основе метода поляризационных контрастов по результатам натурных стендовых измерений разработан алгоритм исключения неоднозначности определения толщины нефтяной плёнки до 12 мм при двух- и трёхчастотном приёме.

5. На основе метода пассивно-активной радиометрии по результатам стендовых измерений его отражательных характеристик определены диэлектрические характеристики водонефтяного эмульсионного слоя в диапазоне толщин до 5 мм и водности до 20%.

6. Разработан и создан автоматизированный двухкоординатный пассивно-активный многофункциональный комплекс ближнего радиовидения в 8-мм диапазоне длин волн «СА2К-ПАК8» для исследований многослойных структур с построением пространственных радиоизображений, который может применяться в медицинской диагностике, в подповерхностном зондировании протяжённых неоднородных сред, при моделировании разлива нефтепродукта в акватории.

Список основных работ автора по теме диссертации

1. Кротиков В.Д., Мордвинкин И.Н., Пелюшенко С.А., Пелюшенко А.С., Ракуть И.В. Радиометрические методы дистанционного зондирования разливов нефти на поверхности воды // Изв. вузов. Радиофизика. 2002. Т. 45, №3. С. 243-253.

2. Пелюшенко С.А., Кисляков А.Г., Ракуть И.В. К вопросу определения поляризационных характеристик микроволнового излучения плёнок нефти на поверхности воды по данным обзорных наблюдений с борта носителя. // Вестник ННГУ. 2005. Вып. 1(3). С. 26-33.

3. Ракуть И.В., Пелюшенко С.А., Пелюшенко А.С., Железняков Ю.А. Исследование неоднородностей протяженных сред методом пассивно-активной радиометрии в миллиметровом диапазоне длин волн. // Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т. 48, №10-11. С. 890-898.

4. Канаков В.А., Орехов Ю.И., Пелюшенко С.А., Ракуть И.В., Курбаков А.В. Антенны для систем радиовидения КВЧ диапазона. // Антенны. 2006. Вып. 5(108). С. 13-16.

5. Ракуть И.В., Крамаренко П.Т. Теплообмен излечением через светопрозрачные ограждающие конструкции помещений. // Приволжский научный журн. 2007. Вып. 2(2). С. 41-48.

6. Ракуть И.В., Крамаренко П.Т. Теплофизическая модель теплообмена излучением через стекло. // Приволжский научный журн. 2009. Вып. 1(9). С. 77-83.

7. Ракуть И.В., Кисляков А.Г., Кротиков В.Д., Пелюшенко С.А., Пелюшенко А.С. Радиометрические стендовые измерения толщины нефтяной плёнки на воде. // Вестник ННГУ. 2011. Вып. 5(3). С. 128135.

8. Pelyushenko S.A., Racut I.V. The Low cost microwave sensors for airborne remote sensing system. // Proc. Third Int. Airborne Remote Sensing Conf. and Exhibition. Copenhagen, Denmark. 1997. V. 2. P. 106112.

9. Пелюшенко C.A., Мордвинкин И.Н., Ракуть И.В., Пелюшенко А.С. Обнаружение разливов нефти на поверхности воды по данным обзорных наблюдений поляризационным радиометром с борта носителя // Труды XX Всерос. научной конф. «Распространение радиоволн». Н. Новгород, 2002. С. 384-385.

Ю.Пелюшенко С.А., Ракуть И.В., Мордвинкин И.Н., Ольков H.H. Радиометрический прибор контроля параметров разлива нефти -«ПРИНТ-3» в составе региональной системы экологического мониторинга. // Материалы международного симпозиума «Инженерная Экология - 2003». Москва, 2003. С.170-171.

11.Ракуть И. В., Кисляков А. Г., Кротиков В. Д. Исследование микроволновых поляризационных излучательных характеристик взволнованной поверхности воды с плёнкой нефтепродукта. // Тр. 23 Всерос. научной конф. Распространение радиоволн. Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011 года. С. 263 - 266.

12. Ракуть И.В. Поляризационная радиотеплолокация водной поверхности с плёнкой нефтепродукта. // Тр. II Всерос. научной конф. «Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной. 2012. Т. 2. С. 44-51.

13.Ракуть И.В. Развитие методов тепло и радиовидения для медицинской диагностики. // Сб. докл. 10 межд. научн.-техн. конф. «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии». Книга 3. Владимир, 2012. С. 55-60.

14.Ракуть. И.В. Методы устранения неоднозначности определения толщины плёнки нефти на поверхности воды радиометрическим поляризационным методом. // Тр. 1-й Российско-Белорусской научно-техн. конф. «Элементная база отечественной радиоэлектроники», 11-14 сентября 2013 г. Нижний Новгород. 2013. Т. 1.С. 240-244.

Благодарности: Особую благодарность автор выражает канд. физ.-мат.наук С.А. Пелюшенко за привлечение автора в 1988 г. к работе по проблемам радиометрии и последующую многолетнюю совместную работу над различными научными задачами. Глубокую благодарность автор выражает научному руководителю профессору докт. физ.-мат. наук А.Г. Кислякову и канд. физ.-мат. наук В.Д. Кротикову за многолетние плодотворные дискуссии. Автор благодарен докт. физ.-мат. наук A.B. Троицкому, Ю.А. Железнякову, H.H. Головановой, В.В. Кочину, A.C. Пелюшенко, И.Н. Мордвинкину, В.Ю. Савельеву за участие в выполнении работ, составивших основу данной диссертации.

РАКУТЬ Игорь Владимирович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 21.11.2013 г. Формат 60x90/16. Бумага писчая. Усл. п. л. 1. Тираж 100. Заказ 5627

Отпечатано в ФГБНУ НИРФИ 603950, г. Нижний Новгород, ул. Б.Печерская, 25/12а

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ракуть, Игорь Владимирович, Нижний Новгород

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАДИОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

(ФГБНУ НИРФИ)

04201 455777 На правах рукописи

Ракуть Игорь Владимирович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико - математических наук, профессор Кисляков А.Г.

Нижний Новгород - 2013 г.

Оглавление

Введение 6

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы измерения 23

толщины плёнок нефти на водной поверхности и методы её решения

1.1. Нерадиометрические методы измерения толщины плёнки нефти на 23 водной поверхности.

1.2. Методы пассивной радиометрии в дистанционном зондировании 26 параметров нефтяных разливов на водной поверхности при отсутствии волнения

1.2.1 Условия формирования радиояркостных контрастов участков 28

нефтяных разливов на поверхности воды при отсутствии волнения для метода радиационных контрастов и спектрального метода 1.2.2. Метод радиояркостных контрастов при измерениях толщины "З'З плёнки нефти на поверхности воды при отсутствии волнения. 1.2.3 Спектральный радиометрический метод измерения толщины 34

плёнки нефти на поверхности воды при отсутствии волнения 1.3 Вывод по разделу 37

Глава 2. Поляризационный радиометрический метод зондирования 37 разливов нефти на водной поверхности при отсутствии волнения 2.1. Условия формирования контрастов в поляризационном методе 38

измерения толщины плёнки нефти на водной поверхности при отсутствии волнения

2.2 Условия формирования радиационных поляризационных 44 контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области -атмосфера

2.3 Условия формирования радиационных поляризационных 47

контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области -участка земной поверхности

2.4 Условия формирования радиационных поляризационных 49 контрастов участка с плёнкой нефти относительно опорной области -участка чистой водной поверхности

2.5 Определение параметров разливов нефти на поверхности воды по 54 данным обзорных наблюдений поляризационным радиометром с борта носителя

2.6. Выводы по разделу 60

Глава 3. Радиометрические комплексы для исследования 61

характеристик двухслойных систем

3.1. Стендовый автоматизированный двухкоординатный пассивно- 65 активный комплекс 8-мм «СА2К-ПАК8» для исследования нефтяных сликов на поверхности воды

3.2. Стендовый пассивно-активный радиометрический комплекс 73 вертикального зондирования лабораторный «ПАРК» для исследования водонефтяной эмульсии.

3.3. Радиометрический стендовый комплекс поверочный натурный 81 «РСК-ПН» для исследования характеристик плёнок нефтепродуктов на поверхности воды и проведения поверки приборов

3.4. Стендовые радиометрические комплексы натурные «СРКНВ-1,2» 86 для исследования плёнок на взволнованной поверхности воды

3.4.1 Методика эксперимента и обработки данных 93

3.4.2 Изложение полученных результатов и их анализ 98

3.4.3 Выводы по разделу 102 3.5 Пассивно-активный радиометрический комплекс наклонного 103 зондирования лабораторный «ПАРК-НЗЛ» для исследования плёнок на спокойной и взволнованной поверхности воды

3.6 Результаты поляризационных измерений параметров плёнки нефти 114 на поверхности воды

3.7 Выводы по разделу 120

Глава 4. Измерение толстых плёнок нефти портативными 2-х и 3-х 122

частотными радиометрическими приборами с применением радиометрического метода поляризационных контрастов и методов устранения неоднозначности

4.1. Измерения толстых плёнок нефти радиометрическим методом 122

поляризационных контрастов

4.2 Методы устранения неоднозначностей определения толщины 128 плёнки нефти на поверхности воды радиометрическим поляризационным методом

4.2.1 Неоднозначности первого и второго рода и способы их 128 устранения

4.2.2 Неопределённость диэлектрической постоянной плёнки 139

4.2.3 Парциальный метод измерения диэлектрической проницаемости 142 нефтепродукта

4.3 Портативные радиометрические приборы: 2-х частотный «КТС 144 РМК-Н» и 3-х частотный «ПРИНТ-3»

4.4 Результаты измерений основных характеристик приборов «КТС 154

РМК-Н» и «ПРИНТ-3»

4.5. Выводы по разделу 153

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154

Список литературы 155

Сокращения в тексте диссертации:

РЖ-радиометрия - инфракрасная радиометрия, ПАВ - поверхностно активные вещества,

«ПРИНТ-3» - Радиометрический прибор для измерения толщины плёнки нефти на поверхности воды разработки НИРФИ,

«КТС-РМК-Н» - Радиометрический прибор для измерения толщины плёнки

нефти на поверхности воды совместной разработки НИРФИ и НИИ «Полёт»,

ТНПР и ТНВР - точки неоднозначности первого и второго рода,

ДП - диэлектрическая проницаемость,

ДНИ - диэлектрическая проницаемость плёнки,

верт и гор - вертикальная и горизонтальная поляризации,

ОПУ - опорно-поворотное устройство,

ДКС - 2-х координатный сканер планшетного типа,

АЦП-ЦАП - плата аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователя, Рт-АТТ - полупроводниковый аттенюатор (переключатель), ГШП - генератор широкополосного шумового сигнала (подсветки), НО - направленный ответвитель, СН - согласованная нагрузка,

«ПАРК» - Пассивно-активный радиометрический комплекс вертикального зондирования эмульсионных плёнок на воде,

«СА2К-ПАК8» - Стендовый автоматизированный двухкоординатный пассивно-активный комплекс 8-мм,

«СРКНВ-1,2» - Стендовые радиометрические комплексы натурные для

исследования плёнок на спокойной и взволнованной поверхности воды,

«ПАРК-НЗЛ» - Пассивно-активный радиометрический комплекс наклонного

зондирования лабораторный для исследования плёнок на спокойной и

взволнованной поверхности воды,

ИПВ - измеритель параметров волнения,

СУ СОД - Система управления сбора и обработки данных,

ВЧ канал - высокочастотный канал с длиной волны 8.8 мм,

ЕЛ канал - низкочастотный канал с длиной волны 24.6 и 26.8 мм.

ВВЕДЕНИЕ

мониторинга всего разнообразия этих структур. Но, несомненно, для каждого явления найдется средство мониторинга или уже созданное, или, если это будет востребовано, разработанное в будущем. В этом плане развивающиеся с середины прошлого века методы пассивной радиометрии в будущем будут применяться и развиваться в разнообразных направлениях, несмотря на имеющиеся ограничения в различных условиях. К этим условиям относятся, например, уровень проникающей способности в исследуемую среду и способность определения полезной информации на определённом расстоянии в результате поглощения в среде распространения. Таким образом, поиск условий и ситуаций, где эти ограничения несущественны, и способов, позволяющих преодолеть ограничения метода пассивной радиометрии, представляется чрезвычайно актуальной задачей. В частности, проникающая способность микроволн в исследуемую среду позволяет определить и их область применения, и создать два «различных» метода дистанционного зондирования. Первый из них - собственно радиометрия, которая использует свойства объекта излучать собственный спектр волн в соответствии со своей излучательной способностью и своей физической температурой. Однако можно использовать и вторую компоненту этого явления - отражательную способность объекта. Во втором методе говорят уже об использовании методов пассивно-активной радиометрии. Однако это разделение несколько условно, т.к. у любого исследуемого объекта всегда имеются обе компоненты, а средством их измерений в обоих методах является один и тот же радиометрический приёмник с некоторыми отличиями в схемном исполнении. Другим фактором отличия считается условие наличия излучения подсветки, но и тут нет абсолютного разграничения, т.к. любое нагретое тело излучает и может быть использовано в качестве источника подсветки. Таким образом, в использовании обоих методов ещё имеются

возможности нового применения, и эта задача также актуальна. При этом самым важным звеном становится объект, который будет исследоваться с помощью этих методов. Таких объектов

- огромное множество, но следует обратить особое внимание на активно обсуждающееся явление современного человечества - энергетический бум, неизменным спутником которого является средство его жизни -нефть. И тут мы сталкиваемся с огромным количеством природных и техногенных проблем, т.к. нефть нужно добыть, доставить от места добычи до производства, там её преобразовать в нефтепродукт, который опять необходимо доставить уже до потребителя. В результате на всех этапах появляются экологические катастрофы, которые необходимо ликвидировать, что сделает необходимой потребность в мониторинге места катастрофы, причем, как правило, в плохих погодных условиях. Так мы приходим к микроволновому радиометрическому мониторингу, т.к. применение видимого и инфракрасного диапазонов излучения и, особенно, контактных методов в таких условиях затруднено.

определения его формы и динамики, площади и распределения толщины плёнки - важность этой задачи не вызывает сомнений.

Цель диссертационной работы

Решаемые задачи:

1. Разработать и создать стенды для дистанционных измерений параметров разливов нефти на гладкой и волнистой поверхностях воды по наблюдаемым поляризационным контрастам.

2. Оснастить стенды активно-пассивными радиометрическими комплексами, на базе которых возможно устранение неоднозначностей при определении толщины нефтепродукта на воде, в том числе сертифицированным прибором «ПРИНТ-З».

3. Разработать и ввести в действие математическое обеспечение установок.

4. Провести цикл исследований плёнок эмульсий в зависимости от влагосодержания с целью определения их отражательной способности и диэлектрической постоянной.

5. Провести поверочные испытания приборов «ПРИНТ-З» на стенде «РСК-ПН» путём измерений параметров разлива нефти на воде.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

2. Разработаны алгоритмы исключения неоднозначностей в определении толщины плёнки нефти на поверхности воды (¿/пл = 0 12 мм) при 2х-частотном приёме излучения слоя (2 угла визирования), или при 3х-частотном приёме (1 угол визирования).

4. В результате измерений на стендах показано, что толщина плёнки ~ 7 мм на поверхности воды в натурных условиях при наличии волнения с высотой волн до 16 см определяется достаточно точно (-10%) по значениям её эффективной диэлектрической постоянной.

Методы и подходы, используемые в диссертации

Использование уже разработанных и развиваемых модельных и теоретических представлений методов пассивного и пассивно- активного микроволнового дистанционного зондирования окружающей среды.

Верификация полученных результатов с имеющимися данными в научной литературе.

Практическая значимость диссертационной работы

нефтепродукта, влияния наличия водности в плёнке и волнения водной поверхности на излучательные и отражательные характеристики плёнки нефтепродукта на воде, исследования характеристик волнения и возможности отработки методов сканирования с построением радиоизображений.

Представленные в диссертации исследования явились развитием метода определения температуры водной поверхности [1] путём измерения её поляризованного излучения, впервые реализованы для задачи определения толщины слика в акватории в середине 1990-х годов �