Радиолокационная система обнаружения нефтяных пятен на воде

Полезная модель относится к радиолокационным системам обнаружения нефтяных пятен на воде. В предлагаемой системе используется когерентный приемо-передатчик и блоки, осуществляющие доплеровский анализ отраженных сигналов. В систему также вводится измеритель скорости ветра, и информация о скорости ветра используется при анализе амплитуд и доплеровских спектров отраженных сигналов. Технический результат: значительно уменьшается число ложных тревог.

Полезная модель относится к радиолокационным системам обнаружения нефтяных пятен на воде. Радиолокационное обнаружение нефтяных пятен на воде основано на том физическом факте, что рябь на воде, которая, как было теоретически и экспериментально доказано [1, 2], ответственна за отражение СВЧ волн от водной поверхности, изменяет свои характеристики (натяжение поверхностной пленки и высоту) при наличии нефти на поверхности.

В связи с этим при наличии нефти уменьшается эффективная поверхность рассеяния участка водной поверхности, т. е. уменьшается амплитуда отраженного сигнала [3].

Экспериментально было установлено [4], что доплеровские спектры отражений от водной поверхности варьируются в значительных пределах во времени и по дистанции.

При наличии нефтяной пленки уменьшается дисперсия параметров ряби и благодаря этому уменьшается ширина доплеровского спектра сигнала.

Перечисленные факторы используются в предлагаемой полезной модели.

Основным преимуществом радиолокационных систем обнаружения перед оптическими и инфракрасными системами обнаружения является возможность использования радиолокационных систем в темное время суток, а также при дымке и тумане над водной поверхностью.

Наиболее близким аналогом является радиолокационная голландская система обнаружения разливов нефти на воде SeaDarQ Spill Master (TNO Phystes and Electronics Laboratory), в которой используется некогерентная импульсная навигационная РЛС СВЧ диапазона (9 ГТц) кругового обзора (с приводом горизонтального вращения) с направленной антенной размером 2,7 м (ширина диаграммы по азимуту около 1°) и разрешением по дальности 20 м и индикатором на TFT трубке диаметром 19 дюймов. В приемнике используется логарифмический усилитель. Имеется устройство первичной обработки (видеопроцессор) и устройство вторичной обработки, которая судя по краткому описанию может вычислять скорость и направление перемещения нефтяного пятна.

Основными недостатками системы SeaDarQ Spill Master являются: отсутствие доплеровской информации (данных о доплеровских спектрах отраженного сигнала) в связи с некогерентным типом приемопередатчика. Это затрудняет выделение отражений от нефтяного пятна на фоне других отражений; неучет изменений на 20-25 дБ амплитуды отраженного сигнала при изменении скорости ветра. Поэтому сгладить большие изменения амплитуды не удается и выделить амплитудный контраст (нефтяное пятно-чистая вода) весьма затруднительно.

Задачей заявляемой полезной модели является устранение этих недостатков.

Это задача достигается за счет того, что в предлагаемой системе используется когерентный приемопередатчик и блоки, осуществляющие доплеровский анализ отраженных сигналов. В систему также вводится измеритель скорости ветра, и информация о скорости ветра используется при анализе амплитуд и доплеровских спектров отраженных сигналов.

Эти технические решения позволяют значительно уменьшить число ложных тревог, т.к. сигналы, не отвечающие требованиям по ширине доплеровского спектра и по диапазону флюктуаций амплитуды, будут отсеяны в блоках предлагаемого в данной полезной модели устройства обработки сигналов (см. Фиг.1 и Фиг.2).

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показана блок-схема радиолокационной системы обнаружения, где 1 - передатчик, 2 - блок управления, 3 - СВЧ антенна, 4 - устройство первичной обработки сигналов (УПОС), 5 - измеритель скорости ветра, 6 - индикатор, 7 - устройство вторичной обработки сигналов. На Фиг.2 показана блок-схема устройства первичной обработки сигналов, где 8 - усилитель, 9 - АЦП, 10 - блок БПФ, 11 - блок оценки ширины доплеровского спектра S, 12 - узел хранения оценок S, 13 - узел хранения амплитуд, 14 - узел оценки вариации (разброса) амплитуд, 15 - узел оценки вариации S для одной и той же скорости ветра, 16 - селектор ложных тревог, 17 - блок каналов дальности, 18 - блок логической обработки пакета сигналов.

Принцип действия системы

Передатчик (1) (см. Фиг.1) по команде блока управления (2) генерирует когерентный зондирующий сигнал, который через антенну (3) излучается в пространство и отражается от водной поверхности.

Отраженный сигнал принимается приемником (1), сохраняющим когерентность сигнала, и подается в устройство первичной обработки сигналов (УПОС) (4) (см. Фиг.2).

В УПОС (4) сигнал за счет усилителя (8) усиливается и поступает в АЦП (9) (где оцифровывается в синфазном и квадратурном каналах), после чего передается в блок БПФ (10), где осуществляется стандартная процедура когерентного накопления (на базе быстрого преобразования Фурье) и амплитуда на выходе поступает в блок каналов дальности (17), а фаза - в блок оценки ширины доплеровского спектра S (11). Сигнал с выхода последнего блока поступает в узел хранения оценок S(12), а амплитуда поступает в узел хранения амплитуд (13) (с амплитудного выхода блока БПФ).

Таким образом, для каждого канала дальности в узлах хранения накапливается информация. В этих узлах хранятся сигналы для каждой скорости ветра («метка» скорости ветра поступает от измерителя скорости ветра (5) через устройство управления системой). С выхода этих узлов сигналы поступают в узел оценки вариации (разброса) амплитуд (14) и узел оценки вариации S (15) для одной и той же скорости ветра, т.е. верхней и нижней границы соответственно размаха амплитуды и параметра S.

Общее время накопления этих сигналов устанавливается блоком управления временем памяти в устройстве управления. Рекомендуется использовать общее время памяти не менее 1 месяца, чтобы охватить различные метеорологические условия, т.е. зафиксировать в памяти отраженные сигналы при различной скорости ветра.

Благодаря такой процедуре фактически формируется адаптивная система обнаружения, учитывающая постоянно меняющуюся информацию об окружающей среде и реагирующая на редкие события - разлив нефтяных загрязнений.

Отсеивание ложных тревог (сигналов от незагрязненной водной поверхности) происходит следующим образом. Селектор ложных тревог (16) выполнен в виде двухканального узла (по параметрам амплитуды и S), в каждом из каналов которого имеется пороговая схема, выполняющая функцию схемы сравнения.

На селектор ложных тревог (16) поступают текущие сигналы и сигналы от блока памяти сигналов от водной поверхности. Текущие сигналы поступают на вход селектора от блока каналов дальности (17) (амплитуда) и от блока оценки ширины доплеровского спектра (11) (параметр S). От блока памяти сигналов на вход селектора (16) поступают сигналы от узла оценки вариации амплитуд (14) и узла оценки вариации параметра S (15). Сигнал, характеризующий нижнюю границу вариации, определяет порог в схеме сравнения (управляет этим порогом). Если поступивший от приемника текущий отраженный сигнал по амплитуде оказывается ниже нижнего порога, то он считается сигналом, отраженным от нефтяного пятна.

Если ширина доплеровского спектра текущего сигнала оказывается ниже порога, определяемого нижней границей вариации S, то сигнал считается принадлежащим к отражениям от нефтяного пятна. В противном случае сигналы считаются ложными тревогами (т.е. сигналами от незагрязненной водной поверхности) и не поступают на вход блока логической обработки пакета сигналов. Рекомендуется устанавливать величину вариации амплитуды и доплеровского спектра на уровне двух среднеквадратических отклонений изменяющейся величины для амплитуды и параметра S, полагая, что распределение этих величин подчиняется нормальному закону. В блоке логической обработки пакета сигналов (18) логически обрабатываются несколько зондирований (обычно на диаграмму направленности приходится 5-20 зондирований) в результате чего происходит конечная оценка поступивших сигналов, результат которой

передается на индикатор (6) и в устройство вторичной обработки сигналов (7). Устройство управления вырабатывает синхроимпульсы, которые организуют временной порядок работы устройств системы (импульсы запуска, задержки и т.п.).

Источники:

1. Басе Ф.Г., Фукс И.М.

Рассеяние волн на статистически неровной поверхности, М. Наука, 1972 г.

2. Bass F.G., Fuks I.M., Kalmykov A.I. et al.

Very high frequency radio-wave scattering by a disturbed sea surface.

IEEE Trans on Ant. and Prop. 1968. AP-16, p.554.

3. Митник Л.М.

Дистанционное зондирование загрязнений акваторий, Океанология, Обнинск,

Инф. центр, 1977 г.

4. Винокуров В.И., Генкин В.А. И ДР.

Морская радиолокация. Л, Изд-во «Судостроение», 1986 г.

5. Материалы по радару SeaDarQ (Информация Института Океанологии РАН РФ).

1. Радиолокационная система обнаружения нефтяных пятен на воде, включающая в себя индикатор, направленную СВЧ антенну, привод горизонтального вращения антенны, радиолокационный приемо-передатчик, устройство первичной обработки сигналов, включающее в себя блок каналов дальности, выход которого соединен с блоком логической обработки пакета сигналов, которое соединено с устройством вторичной обработки сигналов, устройство управления, соединенное с перечисленными устройствами, причем в устройстве первичной обработки сигналов имеется усилитель и последовательно соединенные с ним АЦП и накопитель сигналов в виде блока каналов дальности, отличающаяся тем, что приемо-передатчик выполнен по когерентной схеме, в устройство первичной обработки сигнала дополнительно введены селектор ложных тревог, выход которого подключен к блоку логической обработки пакета сигналов, к выходу АЦП подключен блок БПФ с амплитудным и фазовым выходом, вход блока БПФ подключен к АЦП, а фазовый выход блока БПФ соединен с введенным в устройство обработки сигнала блоком оценки ширины доплеровского спектра, а выход последнего блока и амплитудный выход блока БПФ соединены с введенным в устройство обработки сигнала блоком памяти сигналов, отраженных от водной поверхности, в виде узла хранения амплитуд и узла хранения оценки ширины доплеровского спектра, выход которых соединен с узлами оценки вариации амплитуды и оценки вариации ширины доплеровского спектра соответственно, к входу селектора ложных тревог подключены выход узла оценки вариации амплитуд и выход узла оценки вариации ширины доплеровского спектра блока памяти сигналов от водной поверхности.

2. Радиолокационная система обнаружения нефтяных пятен на воде по п.1, отличающаяся тем, что в систему введен измеритель скорости ветра, причем вход устройства управления соединен с выходом измерителя скорости ветра, а выход устройства управления, транслирующий скорость ветра, соединен с узлами хранения амплитуды и ширины доплеровских спектров.

3. Радиолокационная система обнаружения нефтяных пятен на воде по п.1, отличающаяся тем, что в устройство управления введен блок управления временем памяти, выход которого соединен с узлами хранения амплитуд и ширины доплеровского спектра.

4. Радиолокационная система обнаружения нефтяных пятен на воде по п.1, отличающаяся тем, что селектор ложных тревог выполнен в виде двухканального узла принятия решения (сравнения сигналов текущего обнаружения от блока каналов дальности и от блока оценки ширины доплеровского спектра и сигналов, хранящихся в блоке памяти в узлах хранения амплитуды и в узлах хранения ширины доплеровского спектра) на основе пороговой схемы, у которой вход для управления величиной порога соединен с выходом соответственно узла оценки вариации амплитуд и узла оценки вариации ширины доплеровского спектра.