Способ устранения неоднозначности при измерении толщины пленки нефтепродукта, разлитого на водной поверхности

 

Изобретение относится к дистанционным пассивным способам измерения толщины пленки нефтепродукта, включая и саму нефть, и может быть использовано для устранения неоднозначности при измерении толщины пленки в миллиметровом диапазоне длин волн. Сущность изобретения заключается в том, что на одной частоте измеряют вертикально поляризованные составляющие электрического поля в шумовом неполяризованном излучении неба на двух углах измерения ϕ1 и ϕ2, которые устанавливают от направления в зенит, а значения углов задают с условием ϕ1<ϕ2, причем каждый из углов не равен углу Брюстера для измеряемого нефтепродукта, далее направляют поочередно измеритель под углами ϕ1 и ϕ2, устанавливаемыми от нормали к поверхности пленки в направлении на пленку, и измеряют поочередно на каждом угле сумму когерентных волн зеркальной и соответственно переотраженной составляющих вертикальной поляризации с учетом разности их фаз, возникшей вследствие разности хода этих составляющих до входа измерителя, пропорциональной удвоенной толщине пленки нефтепродукта, для каждого угла вычисляют толщину пленки d1 и d2 соответственно, а фактическую толщину пленки нефтепродукта определяют по заданному алгоритму на основе сравнения полученных значений d1 и d2. Технический результат: устранение неоднозначности при дистанционном измерении толщины нефтепродукта. 1 ил.

Изобретение относится к дистанционным пассивным способам измерения толщины пленки нефтепродукта, включая и саму нефть, и может быть использовано для устранения неоднозначности при измерении толщины пленки в миллиметровом диапазоне длин волн.

Известно, что при определении посредством радиометрического измерителя толщины пленки нефтепродукта, разлитого на водной поверхности, может иметь место неоднозначность полученного результата измерений, обусловленная периодической зависимостью принятого суммарного излучения пленки нефтепродукта от ее толщины [1]. Там же описан способ устранения указанной неоднозначности, который заключается в проведении измерений на нескольких частотах с последующей обработкой результатов измерений по заданной программе.

Однако применение известного способа не всегда позволяет решить проблему неоднозначности, так как измерительные приемники имеют разную чувствительность на разных частотах. Кроме того, атмосферное ослабление непостоянно в частотном диапазоне, а наличие в атмосфере водяных паров является функцией частоты. Использование же многочастотного (многоканального) измерителя усложняет его реализацию. Такое устройство имеет большие массогабаритные характеристики по сравнению с одноканальным (одночастотным) измерителем.

Задачей заявляемого изобретения является решение проблемы устранения неоднозначности при дистанционном измерении толщины пленки нефтепродукта, включая и саму нефть, разлитого на водной поверхности.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе устранения неоднозначности при измерении посредством пассивного радиометрического измерителя толщины пленки нефтепродукта, разлитого на водной поверхности, основанном на приеме излучений отраженного шумового неполяризованного излучения неба от пленки нефтепродукта, на одной частоте измеряют вертикально поляризованные составляющие электрического поля в шумовом неполяризованном излучении неба на двух углах измерения ϕ1 и ϕ2, которые устанавливают от направления в зенит, а значения углов задают с условием ϕ1<ϕ2, причем каждый из углов не равен углу Брюстера для измеряемого нефтепродукта, далее направляют поочередно измеритель под углами ϕ1 и ϕ2, устанавливаемыми от нормали к поверхности пленки в направлении на пленку, и измеряют поочередно на каждом угле сумму когерентных волн зеркальной и соответственно переотраженной составляющих вертикальной поляризации с учетом разности их фаз, возникшей вследствие разности хода этих составляющих до входа измерителя, пропорциональной удвоенной толщине пленки нефтепродукта, для каждого угла вычисляют толщину пленки d1 и d2, соответственно, а фактическую толщину пленки нефтепродукта определяют по заданному алгоритму на основе сравнения полученных значений d1 и d2.

Заявляемый способ поясняется чертежом, где обозначено: - измеренные значения вертикальных составляющих напряженности электрического поля шумового излучения неба на углах измерения ϕ1 и ϕ2, соответственно, установленных от направления в зенит; - составляющие, преломленные на границе сред воздух-пленка нефтепродукта; - составляющие, преломленные на границе сред пленка нефтепродукта - вода; - зеркально отраженные составляющие; - составляющие, переотраженные от границы сред пленка нефтепродукта - вода; - составляющие, переотраженные от границы сред пленка нефтепродукта - воздух; - измеренные значения суммарных составляющих излучения от пленки нефтепродукта на углах измерения ϕ1 и ϕ2, соответственно, установленных от нормали на поверхность пленки нефтепродукта; d - толщина пленки нефтепродукта; И - радиометрический измеритель.

Способ осуществляют следующим образом.

Сначала измеряют вертикально поляризованную составляющую электрического поля в шумовом неполяризованном излучении неба, устанавливая измеритель сначала под углом ϕ₁ от направления в зенит, затем под углом ϕ₂. При этом углы ϕ₁ и ϕ₂ выбирают не равными углу Брюстера для измеряемого вещества. По принятым вертикально поляризованным составляющим электрического поля E₀₁ и Е₀₂ соответственно вычисляют по формулам Френеля зеркально отраженные от плоской границы раздела однородных изотропных сред воздух - пленка нефтепродукта и переотраженные от нижней границы кромки пленки нефтепродукта на границе сред пленка нефтепродукта - водная поверхность по известным показателям преломления сред: воздуха - n₁, воды - n_в и действительной части диэлектрической проницаемости нефтепродукта - ε_н, включая и саму нефть, с учетом углов преломления ψ₁ и ψ₂, соответствующих каждому углу измерения ϕ₁ и ϕ₂ [2].

Затем измеритель направляют на пленку нефтепродукта под углами ϕ₁ и ϕ₂, устанавливаемыми от нормали к поверхности пленки нефтепродукта в направлении на пленку, и измеряют на каждом угле ϕ₁ и ϕ₂ сумму когерентных волн зеркальных и соответственно переотраженных составляющих вертикальной поляризации с учетом разности их фаз, возникшей вследствие разности хода этих составляющих до входа измерителя, пропорциональной удвоенной толщине пленки нефтепродукта [3]. Сумма когерентных волн может быть представлена в виде:
E²_изм = E²_зер+E²_пер+2E_зер•E_пер•cosΔϕ°,
где Е_изм - измеренное значение сумм когерентных волн на соответствующих углах измерения ϕ₁ и ϕ₂;
E_зер и Е_пер - вычисленные по формулам Френеля зеркальные и переотраженные составляющие вертикальной поляризации на углах измерения ϕ₁ и ϕ₂ по принятому излучению неба.

По измеренным величинам E_изм1 и Е_изм2 вычисляют для каждого угла измерения ϕ₁ и ϕ_2/
cosΔϕ° = [E²_изм-(E²_зер+E²_пер)]/2E_зер•E_пер
откуда определяют сдвиг фаз в градусах на каждом угле измерения:
Δϕ° = arccos[E²_изм-(E²_зер+E²_пер)]/2E_зер•E_пер
затем сдвиг фаз в радианах
Δφ = (Δϕ°•π)/180°
С другой стороны (см. чертеж) сдвиг фаз в радианах для исследуемой структуры сред можно определить для каждого угла измерения ϕ₁ и ϕ₂ и соответствующих им углов преломления ψ₁ и ψ₂ в нефтепродукте по сравнению со свободным пространством (в воздухе) как:
Δφ = 2π•f₀•t_сред-2π•f₀•t_воз,
где t_сред - временной сдвиг в среде нефтепродукта, определяемый выражением

t_воз - временной сдвиг в воздушной среде за время выхода переотраженного сигнала из нефтепродукта в воздушную среду, определяемый выражением
t_воз=ОД/с=(2•d•sinϕ•sinψ)/с•cosψ
где с= 3•10⁸ м/сек - скорость распространения радиоволн в свободном пространстве.

Сдвиг фаз в радианах между зеркальными и переотраженными составляющими для каждого угла измерения ϕ₁ и ϕ₂ и соответствующим им углам преломления ψ₁ и ψ₂ на границе сред выражается формулой:

где λ₀ - средняя длина волны диапазона длин волн измерителя;
К - волновое число для каждого угла измерения в данной структуре сред.

При Δφ = π определяют предельное однозначное значение измеряемой толщины пленки нефтепродукта на каждом угле измерения ϕ₁ и ϕ₂ по формуле:

Если сдвиг фаз Δφ>π, появляется неоднозначность в определении толщины пленки. Критерием перехода к неоднозначности определения толщины служит расхождение измеренных значений толщины пленки на углах ϕ₁ и ϕ₂, то есть d₁≠d₂.

При этом, если d₂>d₁, то значение сдвига фаз лежит в пределах 360^o. Для этого случая уточняют для каждого угла сдвиг фаз по формуле

а фактическое значение толщины пленки определяют следующим образом:

Если d₁>d₂, то значение сдвига фаз превышает 360^o, и устранение неоднозначности проводят по следующим формулам:
Δφʺ = [(360°+Δϕ°)•π]/180°,

О достижении поставленной задачи, т.е. устранении неоднозначности, судят по совпадению с заданной наперед точностью, например 3%, полученных значений толщины пленки d'_1фак и d'_2фак, а также d''_1фак и d''_2фак, соответственно.

Если для случая, когда d₁>d₂, при вычислении по соответствующим формулам не выполняется совпадение полученных значений d''_1фак и d''_2фак, то это определяет выход за предел диапазона измеряемой толщины в частотном диапазоне используемого радиометрического измерителя.

ЛИТЕРАТУРА
1. R.Goodman, H.Brown, J.Bitner. The measurement of the thickness of oil on water. Proceedings of the fourth international conference "Remote sensing for marine and coastal environments", v.1, 17-19 march 1997, Orlando, Florida, USA, pp.1-31-1-40 (прототип).

2. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. Высшая школа, М., 1978.

3. Ладсберг Г. С. Оптика. Издательство "Наука". Главная редакция физико-математической литературы. М., 1975.

Формула изобретения

Способ устранения неоднозначности при измерении толщины пленки нефтепродукта, разлитого на водной поверхности, посредством пассивного радиометрического измерителя, основанный на приеме излучений отраженного шумового неполяризованного излучения неба от пленки нефтепродукта, отличающийся тем, что на одной частоте измеряют вертикально поляризованные составляющие электрического поля в шумовом неполяризованном излучении неба на двух углах измерения ϕ1 и ϕ2, которые устанавливают от направления в зенит, а значения углов задают с условием ϕ1<ϕ2, причем каждый из углов не равен углу Брюстера для измеряемого нефтепродукта, далее направляют поочередно измеритель под углами ϕ1 и ϕ2, устанавливаемыми от нормали к поверхности пленки в направлении на пленку, и измеряют поочередно на каждом угле сумму когерентных волн зеркальной и соответственно переотраженной составляющих вертикальной поляризации с учетом разности их фаз, возникшей вследствие разности хода этих составляющих до входа измерителя, пропорциональной удвоенной толщине пленки нефтепродукта, для каждого угла вычисляют толщину пленки d1 и d2 соответственно, а фактическую толщину пленки нефтепродукта определяют по заданному алгоритму на основе сравнения полученных значений d1 и d2.

РИСУНКИ

Рисунок 1