Способ определения дрейфа морских льдов и система для определения дрейфа морских льдов

Изобретение относится к области морской гидрометеорологии и может быть использовано при определении дрейфа морских льдов. Сущность: при помощи дрифтера, оснащенного приемопередатчиками спутниковой и гидроакустической навигационных систем, определяют координаты ледовых полей. Следят за перемещением ледовых полей относительно опорного пункта, отображая перемещение на экране монитора. При этом выявляют потенциально опасные ледовые поля, а также дистанцию сближения этих полей и запас времени для принятия решения по их локализации. Принятие решения по локализации опасного ледового поля выполняют, учитывая толщину ледового поля, определенную зондированием с помощью акустического локатора, установленного на дирижабле. Система для определения дрейфа включает дрифтер, добычную платформу и акустический локатор, установленный на жесткокаркасном дирижабле. Дрифтер представляет собой телескопический цилиндрический сосуд, выполненный из макролона. В верхней части дрифтера размещен приемопередатчик спутниковой навигационной системы, а в нижней части - приемопередатчик гидроакустического средства. Дрифтер работает в режимах «запрос-ответ» и «пингер» (маяк). Для обеспечения надежного закрепления дрифтера в лунках на поверхности льда в верхней части цилиндрического сосуда выполнены распорки в виде набора игольчатых трактов. Добычная платформа оснащена соответствующими режиму работ спутниковой навигационной системой и гидроакустическими приемопередающими антеннами, навигационным контроллером и навигационным программно-математическим обеспечением. Акустический локатор, установленный на жесткокаркасном дирижабле, выполнен с возможностью определения толщины льда. Технический результат: расширение функциональных возможностей, повышение надежности функционирования объектов хозяйственной деятельности на акваториях, подверженных ледовым образованиям. 2 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к автоматизированным техническим средствам обеспечения противодействия ледовым явлениям и может быть также использовано для борьбы с гололедом на крупных дорожных магистралях, включая кольцевые автомагистрали.

Известен способ определения дрейфа морских льдов путем сопоставления характерных одинаковых деталей ледяного покрова на двух последовательных спутниковых изображениях [1].

Недостатком способа является высокая трудоемкость, обусловленная обработкой фотографических изображений по визуальному выявлению характерных одинаковых деталей ледяного покрова.

В известном способе [2] находят узловые точки на изображении низкого разрешения и используют их в качестве центров, около которых находятся узловые точки при более высоком разрешении, следуя по иерархии уровней. Способ применяется при анализе сплоченных льдов в центральных районах Арктики, однако в битых льдах и в случаях значительных углов поворота ледяных полей работает хуже.

Известен также способ [3] определения дрейфа льдов, основанный на слежении за характерными деталями ледяного покрова. При этом на первом этапе выполняют сегментацию РСА-изображения и векторизацию границ сегментов. После этого сопоставляют сегменты на последовательных изображениях.

В известном способе [4] сопоставляют границы полей и разрывов, представленных в виде отрезков прямых линий.

В известном способе [5] выполняют выбор некоторого сегмента на одном изображении и поиск наилучшего совпадения на повторном изображении путем перемещения по всем сегментам с похожими характеристиками и нахождения их одномерной кросскорреляции. В известном способе [6] используется стохастический подход для нахождения соответствия ледяных полей.

Известная оперативная система определения дрейфа льдов по РСА-изображениям [7] включает комбинацию объектно-ориентированных и зонных методов для слежения за ледяными полями, которые могут перемещаться поступательно и поворачиваться в период между съемками. В центральной Арктике, где движение морских льдов является преимущественно поступательным, достаточно хорошие результаты получаются при использовании пространственной корреляции для нахождения одних и тех же участков изображения.

Однако с увеличением угла поворота льдин пик корреляции расширяется и в конечном итоге становится статистически незначимым. Поэтому для анализа изображений кромки льда в алгоритме предусмотрено слежение за характерными особенностями ледяного покрова и определение их идентичности путем одномерной кросскорреляции сегментов. Недостатком применения объектно-ориентированных подходов к РСА-изображениям является неточность выделения признаков изображения (границы каналов и полей, отдельные поля и т.д.) из-за спекл-шума и низкого контраста изображения. В случае значительных углов поворота ледяных полей используется система полярных координат, в которой параметр поворота становится поступательным, что позволяет применить кросскорреляционный метод к преобразованному спектру мощности для определения угла поворота [8]. После исключения относительного поворота пик кросскорреляции возрастает, что позволяет получить векторы перемещения первого порядка, определяющие движение льда как твердого тела (перемещение и поворот) [9].

При «нежестком» движении используют способ «оптического потока», в котором в отличие от объектно-ориентированных способов слежения проблема деформации решается посредством использования локальных частных производных значений яркости [8]. Основой этого алгоритма является использование пространственных и временных изменений яркости соседних точек для получения векторов перемещения. Способ применяется для получения данных о деформации льда при образовании ледяных торосов или разводий. Недостатком является то, что при его применении нельзя восстановить поле дрейфа при нарушениях непрерывности движения.

При использовании кросскорреляционного способа строится пирамида с различными уровнями разрешения изображения и кинематика льдов вычисляется на каждом уровне, начиная с самого низкого разрешения, результаты одного уровня используются как начальные значения для следующего (более высокого) уровня. На каждом уровне используется двумерный бинарный поиск в окне размером d и определяется смещение до d/2 пикселя вверх/вниз/вправо/влево. При этом выбирается пара блоков с наибольшей корреляцией, а соответствующее перемещение позволяет оценить дрейф льда. Для удаления ложных векторов после окончания бинарного поиска выполняется медианная фильтрация полученных векторов и каждый из них замещается медианой девяти векторов. При помощи вспомогательной программы векторы дрейфа могут наноситься на изображение.

В общем случае этот способ не обеспечивает достоверное определение характеристик поверхности при изменяющихся сложных метеорологических условиях и в условиях быстрой изменчивости отражательных и излучаемых характеристик подстилающей поверхности.

Это объясняется тем, что общая зависимость принятых сигналов радиолокационной станции бокового обзора и радиометра от параметров ледяного покрова является достаточно сложной, так как в пределах элемента разрешения каждого прибора находятся смешанные поля льдов разного возраста, а система уравнений для оценки эффективности площади рассеяния, определяемой по радиолокационной станции бокового обзора и эффективной радиояркостной температуры, определяемой по радиометру, содержит четыре неизвестных и соответственно четыре непостоянных параметра[5], что оказывается не разрешимой задачей для определения значений искомых параметров, а именно частной сплоченности, в пределах разрешения соответственно радиолокатора бокового обзора и радиометра. Устранение данного недостатка в известном способе [5] решается путем использования карт состояния ледового покрова за предшествующую декаду месяца, которые строятся в Гидрометеоцентре по обобщенным данным ледовой авиаразведки для арктического бассейна. При этом на текущие изображения, полученные по полям соответственно радиолокационным и радиометрическим способом, наносят вручную контуры однородных состояний ледяного покрова, соответствующие предыдущим картам - схемам. Далее выполняют идентифицирование областей с однородными состояниями ледяного покрова. После того, как полностью идентифицированными оказались одна или две области на текущем изображении поверхности и предыдущих картах - схемах, определяют направление и среднюю величину смещения между этими областями. С учетом полученных значений среднего смещения и направления, границы предшествующего положения областей, занесенные на текущую информацию, смещают для более точного соответствия. Данную операцию необходимо выполнять ввиду того, что на изображениях с текущей информацией, некоторые области перестают различаться, в то время как на предыдущей карте - схеме они могут различаться.

Причинами этого являются ситуации, заключающиеся в нарастании присутствующего в пределах области молодого льда (от нилоса к серому льду), отражательные характеристики которого становятся близкими к характеристикам многолетнего льда, изменение частичной сплоченности многолетнего льда резко уменьшилась из-за появления ветровых трещин и разводий или выпадением на поверхность нескольких областей многолетнего льда выпал влажный снег. Для однозначно опознанных областей выполняется расчет характеристик ледяного покрова, т.е. определение частной сплоченности льдов разного возраста.

При выполнении идентификации с использованием нескольких карт-схем при переносе изображений необходимо учитывать масштабы карт, т.е. выполнять генерализацию новых карт, в противном случае возможны существенные искажения изображений, а в некоторых случаях и потеря информации.

Способ имеет высокую трудоемкость как при обработке вновь полученной информации, так и информации предшествующих наблюдений.

Кроме того, необходимо учитывать проявление маскирующего эффекта в арктических районах, который определяется скоростью изменения метеорологических условий, а также изменение условий дрейфа льда, что требует повторения операций способа через несколько часов, особенно при резком изменении пространственного распределения гидрометеорологических параметров.

И если при проведении масштабных исследований в арктическом регионе данный способ имеет применимость при составлении прогноза развития ледовой обстановки в сочетании с использованием информации, полученной от других источников информации (гидрометеорологические станции, суда гидрографической службы и т.п.), то для обеспечения безопасной эксплуатации морских терминалов нефтегазовых месторождений в арктической зоне его эффективность не является достаточной.

Повышение достоверности определения достоверности дрейфа ледовых полей, преимущественно в зонах нефтегазовых месторождений, оборудованных добычными платформами и погрузочными морскими терминалами, достигается в способе определения дрейфа морских льдов, включающем слежение за их перемещением с отображением на мониторе пути перемещения морских льдов, в котором слежение за перемещением морских льдов осуществляют относительно морского опорного пункта с известными координатами, путем определения изменения координат ледовых полей, полученных посредством дрифтера, оснащенного приемопередатчиком, спутниковой навигационной системой и гидроакустической навигационной системой, при отображении на мониторе пути перемещения льдов выявляют потенциально опасные ледовые поля, определяют дистанцию сближения и запас времени для принятия решения по локализации потенциально опасного ледового поля (заявка RU №2010106859 [10]).

Применение дрифтеров, оснащенных приемником спутниковой навигационной системы и аппаратурой гидроакустического канала связи, в качестве навигационных маяков, расположенных на морской ледовой поверхности, позволяет определить путь движения ледовых полей (дрейф) относительно добычной платформы с большей достоверностью, так как при этом обеспечивается возможность реализации высокоточной навигации по сравнению с известными способами определения дрейфа морских льдов.

Однако для обеспечения безопасной эксплуатации морских терминалов по добыче углеводородов недостаточно только прогнозных данных о возможных путях перемещения ледовых образований. Для принятия решения и организации необходимых мероприятий и средств по защите морских терминалов по добыче углеводородов помимо скорости и направления перемещения ледового образования и его площади существенной характеристикой ледовых образований является толщина льда или объем ледового образования, которые известными способами не определяются. Данные характеристики являются определяющими при выборе необходимых средств по защите морских терминалов по добыче углеводородов от их возможного разрушения под действием ледовых полей.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей способа определения дрейфа ледовых полей, преимущественно в зонах нефтегазовых месторождений, оборудованных добычными платформами и погрузочными морскими терминалами, и повышение надежности функционирования морских объектов хозяйственной деятельности на акваториях, подверженных ледовым образованиям, представляющих опасность для морских объектов хозяйственной деятельности.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения дрейфа морских льдов, включающем слежение за их перемещением, отображение на мониторе пути перемещения морских льдов, в котором слежение за перемещением морских льдов осуществляют относительно морского опорного пункта с известными координатами, путем определения изменения координат ледовых полей, полученных посредством дрифтера, оснащенного приемопередатчиками спутниковой навигационной системы и гидроакустической навигационной системы, при отображении на мониторе пути перемещения льдов выявляют потенциально опасные ледовые поля, определяют дистанцию сближения и запас времени для принятия решения по локализации потенциально опасного ледового поля, в котором в отличие от прототипа принятие решения по локализации опасного ледового поля выполняют с учетом толщины ледового поля, величины которого определяют путем зондирования площади ледяного поля посредством акустического локатора, установленного на дирижабле.

При этом система для определения дрейфа морских льдов, включающая дрифтер, который представляет собой телескопический цилиндрический сосуд, выполненный из макролона, выдерживающего высокие ударные нагрузки в условиях возможных подвижек ледовых полей под действием гидрометеорологических факторов, в верхней части цилиндрический сосуд снабжен распорками, выполненными в виде набора игольчатых трактов, для обеспечения надежного закрепления дрифтера на поверхности льда в заранее оборудованные лунки, в верхней части дрифтера размещен приемопередатчик спутниковой навигационной системы, а в нижней части дрифтера размещено приемопередающее устройство гидроакустического средства, добычная платформа оснащена соответствующими режиму работ гидроакустическими приемопередающими антеннами и спутниковой навигационной системой, навигационным контроллером и навигационным программно-математическим обеспечением, при этом дрифтер работает в режиме «запрос-ответ» и в режиме «пингер» (маяк), дополнительно содержит еще одно гидроакустическое средство, выполненное в виде акустического локатора и установленное на летательном аппарате, выполненном в виде жесткокаркасного дирижабля, при этом акустический локатор выполнен с возможностью определения толщины льда.

Способ реализуется следующим образом.

Как и в прототипе [10] по снимкам, полученным с ИСЗ, воспроизводят изображения ледовых полей на мониторе, находящихся в регионе размещения добычной платформы. На основе полученной информации производят топологический анализ возможных опасных областей и формируют необходимое число информационных массивов координат точек границ областей чрезмерного сближения для каждого ледового поля, формируют формуляр ледовых полей (номер цели, размер ледового поля, скорость и направление движения относительно добычной платформы). На основе анализа данных формуляра выявляют потенциально опасные ледовые поля, которые при сближении с добычной платформой могут нарушить безопасную эксплуатацию, как самой добычной платформы, так и инфраструктуры месторождения (погрузочные морские терминалы, подходные судовые пути).

На потенциально опасные ледовые поля устанавливают дрифтеры, оснащенные спутниковыми и гидроакустическими навигационными каналами.

Дрифтер представляет собой телескопический цилиндрический сосуд, выполненный из макролона, выдерживающего высокие ударные нагрузки в условиях возможных подвижек ледовых полей под действием гидрометеорологических факторов.

В верхней части цилиндрический сосуд снабжен распорками, выполненными в виде набора игольчатых трактов, которые предназначены для обеспечения надежного закрепления дрифтера на поверхности льда. Дрифтеры размещают в заранее оборудованные лунки.

В верхней части дрифтера размещен приемопередатчик спутниковой навигационной системы, а в нижней части дрифтера размещено приемопередающее устройство гидроакустического средства.

Добычная платформа оснащается соответствующими режиму работ гидроакустическими приемопередающими антеннами и спутниковой навигационной системой, навигационным контроллером и навигационным программно-математическим обеспечением. Дрифтер работает в режиме «запрос-ответ» и в режиме «пингер» (маяк).

При решении навигационных задач с использованием гидроакустического канала при глубинах моря более одного километра целесообразно работать на частотах в диапазоне от 8 до 15 КГц, при этом энергетическая дальность связи с дрифтером будет достигать 10-14 км, а погрешность определения координат аппарата составит 7-10 метров в режиме ДБ и 0,3% от дальности в режиме УКБ и 0,5 град. по углу пеленгации. При глубине моря менее одного километра целесообразно использовать рабочие частоты в диапазоне 25-35 кГц и работать в режиме УКБ. При этом максимальная дальность связи будет достигать порядка 3 км.

Каждый сигнал дрифтера имеет специальный формат и кодировку и несет в себе информацию о географических координатах дрифтера (определенных посредством спутниковой навигационной системы), его индивидуальном номере, направлении и скорости его перемещения совместно с ледовым полем.

Передача гидроакустических сигналов на приемник гидроакустических сигналов, размещенный на добычной платформе, осуществляется в режиме «запрос-ответ» или режиме «пингер». Приемник фиксирует дистанцию и пеленг до дрифтера (режим УКБ) и вычисляет его точные географические координаты, используя информацию, принятую от спутниковой навигационной системы. Скорость передачи по гидроакустическому каналу связи составлять 9600-12400 бод.

На добычной платформе полученная от дрифтеров информация о дистанциях и пеленгах ледовых полей преобразуется с помощью преобразователя в цифровую форму и вводится в процессор для расчета скорости и направления движения дрифтеров совместно с ледовыми полями. Кроме того, на добычную платформу поступает информация о величинах толщины ледовых полей, которые определяют посредством гидроакустического средства по изменению коэффициента отражения на границе атмосфера - лед и на границе лед - вода.

При этом выполняется топологический анализ потенциально опасных ледовых полей по отношению к инфраструктуре месторождения. Определяется запас времени для принятия решения по локализации потенциально опасного ледового поля.

Гидроакустическое средство установлено на дирижабле типа Au 30, который также оснащен штатными средствами для выполнения лазерного сканирования, аэрофото- и тепловизионной съемки.

Выбор дирижабля по сравнению с другими летательными аппаратами обусловлен тем обстоятельством, что в системе «Газпрома» дирижабли рассматриваются как техническое средство для мониторинга газопроводов и в качестве транспортных средств в отдаленных районах Сибири и Крайнего Севера (А.Фролов. Дирижабли в системе «Газпрома». Корпоративный журнал ОАО «Газпром» (www.GAZPROM.RU). №6, 2009, с.40-41). Кроме того, плавность и скорость перемещения, а также надежность полета этого летательного аппарата являются основным достоинством, позволяющим получать более качественные материалы для трехмерных моделей местности.

В качестве гидроакустического средства в конкретной технической реализации используется акустический локатор с высокочастотным непрерывным излучением.

Несмотря на то, что для профилирования нижней поверхности льда с высокой разрешающей способностью целесообразно использовать высокочастотные звуковые колебания (100 кГц и выше), непосредственное применение этого частотного диапазона для измерения толщины льда затруднено из-за затухания акустических волн в толще льда.

Для преодоления указанной трудности предлагается использовать нелинейные или параметрические эффекты (В.А.Воронин, С.П.Тарасов, В.И.Тимошенко. Гидроакустические параметрические системы. Ростов-на-Дону, Ростиздат, 2004, с.29-30). При этом непрерывное колебание модулируется по амплитуде отрезком сигнала низкой частоты и за счет нелинейных эффектов во льду распространяется низкочастотная волна. Толщина льда определяется по величине запаздывания низкочастотного сигнала, отраженного от границы лед-воздух, по отношению к огибающей сигнала, отраженного от границы вода-лед.

Аналогом такого акустического локатора является устройство, приведенное в источнике: Linearisierung des Schreibermasstabes vom Seitensicht - Sonar. Kilian Zech, Marszal Tacek/Wiss. Z. Wik/Ihelm-Pieck-Univ. Rostok, Naturwiss. R., 1986. - V. 34, №3, p.36-40.

При мониторинге ледовых полей дирижабли могут использоваться попутно, при выполнении ими задач по прямому назначению, что может сократить расход материальных ресурсов.

Наличие на борту штатных средств для выполнения лазерного сканирования, аэрофото- и тепловизионной съемки позволит повысить достоверность и надежность получения трехмерных моделей местности на акватории местонахождения объектов хозяйственной деятельности для выявления наиболее опасных ледовых полей и принятия решений по их локализации.

По результатам ледового мониторинга строят двухмерные и трехмерные модели ледовых образований, а также определяют их прочностные характеристики. Промышленная реализация дрифтерной технологии и гидроакустических и спутниковых навигационных средств имеет достаточную апробацию, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического предложения условию патентоспособности «промышленная применимость».

Источники информации

1. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение/Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Спб. Наука, 2007, с.235-238.

2. Daida J., Samadani R. Object-oriented feature-tracking algorithms for SAR images of the marginal ice zone // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1990, №28(4), p.573-589.

3. Cjllins M.J., Emery W.J. Computational method for estimating sea motion in sequential seasat synthetic aperture radar imagery by matched filtering // j. Geophys. Res. 1988. №93(C8), p.9241-9251.

4. Vesecky J.F., Samadani R., Smith M.P., Daica J.M. et. al. // IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing. 1988. №26(1), p.38-48.

5. McConnell R., Kwok R., Curlander J.C., Kober W. et. al. Psi-S correlation and dynamic time warp-ice: two methods for tracking ice floes in SAR images // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1991, №29(11), p.1004-1012.

6. Banfield J. Automated tracking of ice floes: a stochastic approach // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1991, №29(6), p.905-911.

7. Kwok R., Curlander J.C., McConnell R., Pang S.S. An ice-motion tracking system at the Alaska SAR facility // IEEE J. Oceanic Engineering. 1990. №15(1), p.44-54.

8. Sun Y. Ice motion retrieval from SAR imagery in terms of intensive derivative // Proc. Of the Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp., May 1992, Houston, Texas, USA, vol.1 IEEE, Piscataway, NJ, 1992, p.585-587.

9. Sun Y. A new correlation technique for ice motion analysis // EARSeL Advances in Remote sensing, 1994, №3(2), p.2489-2514.

10. Заявка RU №2010106859.

1. Способ определения дрейфа морских льдов, включающий слежение за их перемещением, отображение на мониторе пути перемещения морских льдов, в котором слежение за перемещением морских льдов осуществляют относительно морского опорного пункта с известными координатами путем определения изменения координат ледовых полей, полученных посредством дрифтера, оснащенного приемопередатчиками спутниковой навигационной системы и гидроакустической навигационной системы, при отображении на мониторе пути перемещения льдов выявляют потенциально опасные ледовые поля, определяют дистанцию сближения и запас времени для принятия решения по локализации потенциально опасного ледового поля, отличающийся тем, что принятие решения по локализации опасного ледового поля выполняют с учетом толщины ледового поля, величины которой определяют путем зондирования площади ледяного поля посредством акустического локатора, установленного на дирижабле.

2. Система для определения дрейфа морских льдов, включающая дрифтер, который представляет собой телескопический цилиндрический сосуд, выполненный из макролона, выдерживающего высокие ударные нагрузки в условиях возможных подвижек ледовых полей под действием гидрометеорологических факторов, в верхней части цилиндрический сосуд снабжен распорками, выполненными в виде набора игольчатых трактов для обеспечения надежного закрепления дрифтера на поверхности льда в заранее оборудованные лунки, в верхней части дрифтера размещен приемопередатчик спутниковой навигационной системы, а в нижней части дрифтера размещено приемопередающее устройство гидроакустического средства, добычная платформа оснащена соответствующими режиму работ гидроакустическими приемо-передающими антеннами и спутниковой навигационной системой, навигационным контроллером и навигационным программно-математическим обеспечением, при этом дрифтер работает в режиме «запрос-ответ» и в режиме «пингер» (маяк), отличающаяся тем, что в систему для определения дрейфа морских льдов введено еще одно гидроакустическое средство, выполненное в виде акустического локатора и установленное на летательном аппарате, выполненном в виде жесткокаркасного дирижабля, при этом акустический локатор выполнен с возможностью определения толщины льда.