Разработка технологии комплексного экологического контроля акваторий морских и речных портов

Одной из важнейших задач конференции является рассмотрение и решение важнейших задач в области экологического мониторинга акваторий в прибрежной зоне, в частности, нефтяных загрязнений и их обнаружения и идентификации с использованием радиолокационных и/или спутниковых методов.

В этой связи в рамках конференции особое внимание уделено рассмотрению результатов, полученных в ходе выполнения работ по направлению «Разработка технологии комплексного экологического контроля акваторий морских и речных портов».

Указанные работы выполняются в Российском государственном гидрометеорологическом университете в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (Соглашение № 14.577.21.0056 от 05.06.2014 г., по теме «Разработка технологии комплексного экологического контроля акваторий морских и речных портов», уникальный идентификатор Соглашения - RFMEFI57714X0056).

Руководителем проекта является, исполнительный Директор Лаборатории спутниковой океанографии РГГМУ, д.ф.-м.н.,
Кудрявцев Владимир Николаевич.

Цели и задачи исследования:
Основной целью проекта является разработка метода радиолокационной идентификации и определения характеристик техногенных загрязнений на морской поверхности и реализация метода на основе навигационных радиолокационных станций (далее – РЛС).
Основные задачи:
- Разработка методики, организация и проведение натурных экспериментов по исследованию радиолокационных контрастов сликов искусственного происхождения с использованием навигационной радиолокационной станции при различных гидрометеорологических условиях и состоянии поверхностного волнения.
- Обработка и анализ радиолокационных данных измерений сликов, установление эмпирических зависимостей контрастов радиолокационного сигнала от скорости ветра, стратификации атмосферы, стадии развития волнения, и условий радиолокационных наблюдений, дальности и азимута измерений.
- Построение физической модели формирования радиолокационных контрастов сликов, тестирование и «настройка» модели на основе данных натурных экспериментов.
- Разработка метода и алгоритма идентификации техногенных загрязнений на основе радиолокационных измерений навигационной РЛС.
- Разработка программного модуля со встроенным блоком обработки радиолокационного сигнала, позволяющим проводить непрерывный мониторинг поверхности, идентифицировать загрязнения и определять их характеристики.
- Испытание радиолокационного комплекса в реальных условиях с искусственно созданными поверхностными загрязнениями.

Актуальность и новизна исследования
Колоссальная опасность разливов техногенных загрязняющих веществ, и в первую очередь нефти и нефтепродуктов, предопределяет политику и приоритетное внимание государства в области предупреждения и ликвидации последствий таких чрезвычайных ситуаций. При этом, несмотря на разработку целого ряда технологий обнаружения, локализации и ликвидации аварийных разливов техногенных загрязняющих веществ, данная проблема остается актуальной и, к сожалению, во многих случаях либо вовсе не решённой, либо решенной частичной на основе применения примитивных средств и технологий. Аналогов предлагаемых к созданию методов и технологий с заявляемыми функциональными возможностями (а именно со столь детальным описанием гидрометеорологической среды распространения загрязнений и физико-химических процессов, определяющих распространение и эволюцию разливов) по открытым информационным источникам не обнаружено.
Проведенные консультации с основными игроками на рынке обслуживания инфраструктуры крупнейших российских портов («Росморпорт», «Роснефть», «Транснефть»), а также добычи, переработки и транспортировки нефти и нефтепродуктов («Нефтяная компания «ЛУКОЙЛ») показали насущную необходимость в развитии заявляемого направления, поскольку аварии и чрезвычайные ситуации такого рода приводят не только к увеличению издержек и снижению прибыли, но и к значительным негативным экологическим последствиям, вплоть до самых катастрофических.

Описание исследования
Одним из основных методов при выполнении исследований являлись натурные экспериментальные работы, выполненные в 2014-2016 годах на Стационарной океанографической платформе в Черном море.
Эксперименты проводились с искусственно созданными и безопасными для окружающей среды загрязнениями водной поверхности, и, наряду с радиолокационными измерениями, эксперименты сопровождались также измерением параметров окружающей среды: характеристик ветрового волнения и обрушений волн, температуры поверхности моря и воздуха, влажности, скорости ветра. По итогам экспериментальных работ создана уникальная база данных радиолокационных контрастов искусственных сликов, собранных при различной геометрии радиолокационных наблюдений и разнообразных гидрометеорологических условиях: состоянии поверхности моря, скорости ветра, стратификации атмосферы.
Анализ базы данных позволил установить основные особенности формирования радиолокационных контрастов сликов. При скользящих углах наблюдений основной вклад в принимаемый радиолокационный сигнал вносят отражения радиосигнала от обрушений ветровых волн. В результате радиолокационное изображение характеризуется спекл-структурой. Обрушения основных ветровых волн не подвержены воздействию пленками поверхностных загрязнений, поэтому слики также имеют выраженную спекл-структуру. При осреднении сигнала (накоплении серии радиолокационных кадров) спекл-структура остается доминирующим фактором, в результате контрасты радиолокационного сигнала области слика ненамного меньше, чем на чистой воде. Это создает принципиальные проблемы для разработки метода радиолокационной идентификации загрязнений.
Экспериментально установлено, что подавление влияния спекл-структуры может быть достигнуто при работе с логарифмированием радиолокационного сигнала в каждом пикселе изображения и последующем осреднении серии радиолокационных кадров. Такая операция эквивалентна расчету среднего геометрического по ансамблю данных. В результате этой операции происходит выравнивание вклада обрушений ветровых волн различного масштаба в принимаемый радиолокационный сигнал.
В отличие от обрушений основных ветровых волн, обрушения волн дециметрового-метрового диапазона подвержены воздействию поверхностных загрязнений. Так как поверхностная плотность этих обрушений (число обрушений на единицу поверхности) существенно превосходит плотность обрушений основных волн, то применение такого способа обработки радиолокационного сигнала позволяет надежно идентифицировать зону загрязнения, определять ее характеристики, включая ее радиолокационный контраст.
Анализ базы данных позволил получить предварительные зависимости радиолокационных контрастов сликов от азимута и дальности наблюдения, скорости ветра, которые будут внедрены в окончательный вариант алгоритма идентификации загрязнений.
Результаты экспериментальных исследований легли в основу способа идентификации морских поверхностных загрязнений с помощью радиолокационных систем, базирующихся на малой высоте и зондирующих морскую среду под малыми углами скольжения, который будет подан в качестве заявки на патент на изобретение.
Предложенный метод идентификации поверхностных загрязнений использован в качестве основы программного модуля обработки радиолокационного сигнала для полуавтоматического выделения поверхностных загрязнений и отслеживания эволюции их параметров в реальном масштабе времени с использованием типовой РЛС. Программный модуль РЛС включает:
(а) преобразование входного сигнала в удельную эффективную площадь рассеяния;
(б) вычитание шумовой составляющей из приемного сигнала;
(в) эквализацию сигнала (устранение зависимости от дальности);
(г) реализацию оригинального алгоритма выделения зоны загрязнения и
(д) определения параметров зоны загрязнения: площадь, контрасты, скорость перемещения, скорость растекания;
(е) отображение информации на интерактивном дисплее оператора.
Возможности оперативного мониторинга загрязнений и их эволюции ограничены радиусом действия РЛС (которые зависят от ветровых условий).
Результаты исследования
1. Проведен масштабный комплекс натурных экспериментов с использованием Стационарной океанографической платформы (Черное море, Республика Крым, п. Кацивели) по радиолокационной идентификации поверхностных загрязнений, которые образуют уникальную базу данных радиолокационных контрастов сликов при различных гидрометеорологических условиях.
2. В результате анализа полученных экспериментальных данных установлены закономерности формирования контрастов поверхностных загрязнений, обусловленные отражениями радиоволн от обрушений ветровых волн различного пространственно-временного масштаба.
3. Предложен и экспериментально апробирован метод обработки радиолокационного сигнала, позволяющий надежно идентифицировать и отслеживать растекание и перемещение пятна загрязнения в пределах видимости радиолокационной станции.
4. Проведенные патентные исследования показали, что разработанный метод не имеет прямых аналогов, в рамках выполнения проекта подана заявка на изобретение.
5. Предложенный метод идентификации поверхностных загрязнений на водной поверхности использован в качестве основы программного модуля обработки радиолокационного сигнала для полуавтоматического выделения поверхностных загрязнений и отслеживания эволюции их параметров в реальном масштабе времени с использованием навигационной (судовой) РЛС.
6. Так как навигационные РЛС являются общедоступным инструментом, то дальнейшее практическое внедрение полученных по проекту результатов потенциально позволяет создать широкую сеть экологического контроля, основанную на РЛС такого типа. Они могут быть размещены в портах, на буровых платформах, а также на судах, совершающих регулярные рейсы и осуществляющие тем самым мониторинг зон интенсивного судоходства.
Практическая значимость исследования
Основным результатом проекта является метод и алгоритм идентификации загрязнений на поверхности моря и его реализация в виде встроенного программного модуля в типовую навигационную РЛС. В результате РЛС такого типа дополняется «новым качеством», позволяющим оператору (без ущерба навигационным функциям РЛС) в реальном масштабе времени осуществлять мониторинг морской акватории на предмет наличия нефтяных загрязнений, определять их характеристики, и отслеживать эволюцию во времени (скорость растекания, перемещения). Разработанная система может найти широкое применение для осуществления экологического контроля в портах, зонах газо- и нефтедобычи, зонах интенсивного морского и речного судоходства. Обладая определенной спецификой, идентификация загрязнений при скользящих углах радиолокационных измерений имеет и общенаучное значение. Это утверждение основывается на том, что обрушения волн влияют на радиолокационный сигнал и при умеренных углах падения (типичных для спутниковых и самолетных радиолокационных измерений), поэтому результаты исследований могут быть использованы и для разработки методов мониторинга техногенных загрязнений водной поверхности со спутниковых и самолетных платформ.
Существенным преимуществом предложенного подхода является то, что регистрируемые контрасты нефтяных сликов в обрушениях волн (в отличие от контрастов Брэгговской ряби) чувствительны к характеристикам загрязнений (тип, толщина нефтяной пленки), и, следовательно, открывают принципиально новые возможности мониторинга таких загрязнений.