Інструментальні засоби спостережень

§ 1. Использование радиометров для определения границ распространения пятен нефтепродуктов

Современные радиационные термометры (радиометры) для измерения с самолета температура поверхности воды, работают в диапазоне длин волн от 8 до 13 мк, для которого вода является «абсолютно черным телом» (коэффициент ее теплового излучения в этом диапазоне волн близок к единице). При наличии на поверхности воды пленок нефтепродуктов излучательная способ­ность воды нарушается. По этой причине во время перехода само­лета с чистой воды в зону пленочного загрязнения нефтепродук­тами радиометр скачкообразно изменяет свои показания, что может служить индикатором для установления момента и места выхода самолета в район загрязнений.

Величина температуры, фиксируемой радиационным термомет­ром, изменяется также за счет того, что пленка нефтепродуктов

одновременно нарушает теплообмен между воздухом и поверхностью воды. Вследствие этого в летний пе­риод температура поверхности воды в зоне загрязнений нефтепро­дуктами обычно несколько ниже, чем в прилегающих зонах чистой воды, а в период выхолаживания вод она несколько выше. В ясную погоду эта закономерность вре­менно может нарушаться за счет собственного разогрева пленки пря­мыми солнечными лучами (разогрев может достигать нескольких граду­сов) . В этом случае скачок в пока­заниях радиационного термометра, как правило, проявляется еще бо­лее резко. Только в переходный мо­мент, когда наступает выравнивание температуры пленки и воды, ра­диометр может «не почувствовать» выхода самолета в район пленоч­ного загрязнения. Однако такие случаи практически наблюдаются редко, вследствие кратковременно­сти самого явления.

Величина указанного темпера­турного скачка зависит от интенсив­ности пятен (пленок) нефтепродук­тов и их густоты. На рис. 12 приводится примерная связь измене­ний показаний радиационного термометра в пасмурную маловетре­ную погоду при выходе самолета с чистой воды в зоны с различной интенсивностью пятен нефтепродуктов. Густота пятен во всех случаях была порядка 8—9 баллов. На рисунке видно, что при указанных условиях в момент выхода самолета в зону с интенсив­ностью пятен 2 балла, скачок в показаниях радиационного термо­метра составлял 0,4° С. Записывающее устройство радиационного термометра фиксирует практически изменения температуры с точ­ностью ±0,2°С. Поэтому такой скачок может быть вполне зафиксирован прибором. При выходе самолета в зону с интенсивностью пятен нефтепродуктов 3 балла скачок в показаниях радиометра достигает 0,6° С и т. д.

Изменение показаний радиационного термометра

Радиационный термометр реагирует и на изменение темпера­туры при пересечении самолетом границ зон с различной степенью загрязнения. Хотя в таких случаях скачок в его показаниях выра­жен менее четко, опытный бортнаблюдатель может его заметить и использовать в качестве дополнительного признака для установ­ления границ зон с различной степенью загрязнения.

§ 2. Использование фотометрической аппаратуры для измерения интенсивности пятен нефтепродуктов и мутности вод

Пленки нефтепродуктов изменяют оптические свойства поверх­ности воды, в частности, ее цвет и яркость. В них содержатся ве­щества органического происхождения, которые под воздействием ультрафиолетовых лучей, входящих в состав дневного света, начи­нают флуоресцировать. По существу, нефтепродукты являются органическими растворами флуоресцирующих веществ, раствори­телем которых служит углеводородная часть нефти.

Количество таких веществ в пленке нефтепродуктов практи­чески не влияет на спектры ее поглощения и излучения, однако оно определяет мощность излучения: с увеличением интенсивности (толщины) пленки увеличивается количество флуоресцирующих веществ, что приводит к увеличению излучения. Как видно из рис. 13, эта зависимость справедлива только до определенных пре­делов, при достижении которых интенсивность свечения почти не увеличивается и наступает так называемое концентрационное ту­шение свечения.

Зависимость интенсивности свечения от толщины пленки нефтепродуктов

Наименьшая яркость излучения в видимой области спектра ха­рактерна для низкокипящих фракций нефти (бензин, лигроин). Более яркое свечение свойственно керосинам, соляровым маслам и другим продуктам переработки нефти. Цвет этого излучения из­меняется, переходя от темно-фиолетового (у бензинов) к яркому светло-фиолетовому (у керосинов), и к яркому сине-голубому и голубому у тяжелых масел. Слабо окрашенные нефтепродукты флуоресцируют голубым и голубовато-белым цветом сравнительно большой яркости.

Экспериментальным путем установлено, что нефтепродукты наиболее интенсивно поглощают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 363—365 нм, которые возбуждают их свечение в коротковол­новой области видимого спектра. Максимум излучения почти всех компонентов, входящих в пленки нефтепродуктов (за исключе­нием асфальтенов, которые быстро выпадают в осадок) приходится на фиолетово-синий участок видимого спектра с длинами волн примерно 400—450 нм (рис. 14).

Спектры излучения растворов различных групп органических соединений

Яркость пленок нефтепродуктов определяется не только собст­венным излучением, но и отражательной способностью их поверх­ности. Эта способность характеризуется показателем преломления, который в зависимости от состава и концентрации нефтепродуктов изменяется от 1,37—1,44 (для легкокипящих фракций нефти) до 1,44—1,53 (для масел). Измерение интенсивности света, прошед­шего через пленку нефтепродуктов, показали, что она пропускает от 1 до 10% падающего на ее поверхность света в зависимости от толщины пленки.

Следовательно, большая часть падающего света рассеивается и поглощается пленкой нефтепродуктов.

Таким образом, как собственное излучение, так и отражатель­ная способность пленок нефтепродуктов определяется главным образом их толщиной и составом, т. е. интенсивностью пленок. Поэтому величина яркости может быть использована в качестве показателя интенсивности пленок.

Яркость пленок сильно изменяется в зависимости от степени их освещенности. Поэтому использование яркости в качестве инди­катора интенсивности пленок практически возможно только при условии, если будут исключены колебания яркости, обусловленные изменением освещенности. Этого можно добиться, если использо­вать метод яркостного контраста. Наблюдение любого объекта на воде связано с определением разницы в яркости самого объекта и его окружающей среды. Если пятно нефтепродуктов с яркостью R_п наблюдается на фоне, имеющем яркость R_ф (например, на фоне чистой воды), фотометрический контраст между ними определится из отношения

Если величины R_п и R_ф измерены одновременно при одной и той же освещенности, при расчете контраста составляющая осве­щенности практически исключается (поскольку в формулу входит отношение R_п/R_ф и величина К будет определяться только собственным излучением пленок нефтепродуктов. Поэтому величина кон­траста может служить надежным индикатором их интенсивности. Как следует из приведенной формулы, фотометрический контраст определяется только отношением R_п/R_ф, которое можно ис­пользовать непосредственно в качестве характеристики относитель­ной яркости исследуемых предметов. Его называют относительным коэффициентом яркости

Поверхность водоемов почти всегда покрыта пленкой загрязне­ний слабой интенсивности, и найти достаточно обширные участки чистой воды, необходимые для измерения с самолета ее яркости, часто невозможно. Поэтому более целесообразно яркостный кон­траст (или относительный коэффициент яркости) пятен нефтепро­дуктов определять не на фоне воды, а относительно искусственного постоянного эталона, яркость которого измеряется одновременно с яркостью пятен при тех же условиях освещенности.

В качестве такого эталона может быть использована баритовая бумага, обладающая сравнительно постоянными отражательными свойствами (коэффициент ее отражения равен 0,80—0,85). Яркость этого эталона будет всегда выше яркости воды и пятен нефтепро­дуктов при той же освещенности.

Коэффициент относительной яркости пятна нефтепродуктов по отношению к эталону рассчитывается по формуле

Если пленка поверхностных загрязнений отсутствует, данный метод позволяет определить коэффициент яркости самой водной поверхности относительно эталона. Яркость воды слагается из двух компонентов: яркости, обусловленной отражением света ее поверх­ностью и яркости слоя воды, обусловленной обратным рассеянием света молекулами воды и взвешенными в ней частицами (мут­ностью воды). Компонента яркости, обусловленная отражением света от поверхности воды, зависит от направления визирования. При измерениях с самолета вертикально вниз (в надир) коэффи­циент отражения водной поверхности минимальный и составляет около 2% величины светового потока, падающего на поверхность воды. В этих условиях изменения в яркости воды будут опреде­ляться в основном обратным рассеянием света, обусловленным мутностью воды.

Относительный коэффициент яркости воды по отношению к эта­лону рассчитывается по формуле

При увеличении мутности воды (уменьшении относительной прозрачности) увеличивается ее яркость, что приводит к увеличе­нию и относительного коэффициента яркости. При большой проз­рачности воды (глубина видимости стандартного белого диска 15—16 м) относительный коэффициент яркости становится мини­мальным.

Спектральные измерения показали, что наиболее интенсивные изменения яркости воды при изменении ее мутности происходят в области ультрафиолетовых и фиолетовых лучей с максимумом, приходящимся на длины волн порядка 400 нм. Поэтому измерение яркости мутных вод целесообразно производить именно в этой области излучения, соответствующей участку видимого спектра с длинами волн 380—420 нм.

§ 3. Описание телефотометрической аппаратуры

Яркость воды, пятен нефтепродуктов и эталона можно измерить с самолета с помощью фотометрической аппаратуры, предложен­ной СЗУГМС. Порог чувствительности этой аппаратуры гораздо выше, чем у человеческого глаза. Это позволяет значительно увеличить точность измерений как интенсивности пятен нефтепродук­тов, так и мутности воды, и исключить субъективные ошибки визуальных наблюдений.

В комплекс этой аппаратуры входят телефотометр, фотометр, блоки регистрации и питания (рис. 15). Телефотометр служит для измерения светового потока, отраженного подстилающей водной поверхностью или пятнами нефтепродуктов. Фотометр предназ­начен для измерения яркости эталона.

Блок-схема аппаратуры для измерения яркости воды и пятен нефтепродуктов с самолетов

Регистрация сигналов в фотометрах производится с помощью стрелочных микроамперметров или самопишущих миллиампермет­ров типа Н37, используемых в комплекте с усилителями постоянного тока И37. Телефотометр (рис. 16) состоит из телескопической оптической системы 1 и фотоумножителя 2, жестко закрепленного в металлическом защитном корпусе 3. Оптическая система состоит из объектива 4 и окуляра 5. Между объективом и его фокусом помещена двояковогнутая рассеивающая линза 6, перемещение которой с помощью кремальеры 7 позволяет получить в плоскости входного окна фотоумножителя четкое увеличенное изображение исследуемого участка водной поверхности.

Телефотометр

Перед линзой 6 укреплен поляризационный светофильтр 8, ко­торый позволяет исключить из измеряемой величины отраженный от водной поверхности прямой солнечный свет.

Вращая измеритель яркости относительно вертикальной оси, его всегда устанавливают в одном и том же положении относи­тельно азимута Солнца (что позволяет получать сравнимые данные при полетах на различных курсовых углах относительно направле­ния на Солнце).

Перед системой линз окуляра 5 установлен цветной свето­фильтр № 3(5), посредством которого выделяется рабочий участок спектра с максимумом в области длин волн порядка 400 нм.

В качестве приемника излучения используется фотоэлектронный умножитель типа ФЭУ-29 с сурьмяно-цезиевым фотокатодом, кото­рый обладает повышенной чувствительностью и высокой амплитуд­ной разрешающей способностью. Спектральная характеристика фотокатода приведена на рис. 17. Под действием светового потока, падающего на фотоэлектронный катод, возбуждается электронный ток, величина которого находится в прямой зависимости от интенсивности падающего света. Измерение фототока может произво­диться или с помощью стрелочного микроамперметра или само­пишущего миллиамперметра Н37, через усилитель постоянного тока И37, которые включаются последовательно в анодную цепь фотоумножителя с помощью переключателя.

Кривые спектрального пропускания светофильтров

Фотометр (рис. 18) состоит из приемной головки 1 и фотоумно­жителя 2, помещенного вместе с делителем напряжения в защит­ный металлический корпус 3. Перед входным окном фотоумножи­теля установлены нейтральный стеклянный светофильтр 4 и стандартный цветной светофильтр №3. Перед светофильтром 4 по­мещена диафрагма 6, предохраняющая фотоумножитель от сильных засветок. Поле зрения фотометра ограничено размерами входного отверстия приемной трубки 7. Размеры этого отверстия выбраны с расчетом, чтобы поле зрения прибора находилось в пределах горизонтальной круглой площадки 8, на которой установлен эталон 9.

Фотометр

В фотометре используется фотоумножитель типа ФЭУ-69 с сурьмяно-натриево-калиево-цезиевым катодом. Спектральная характеристика катода приводится на рис. 17. Регистрация фототока, как и в телефотометре, осуществляется с помощью стрелочного микроамперметра М24 или самопишущего миллиамперметра Н37 через усилитель постоянного тока И37. Включение в анодную цепь регистраторов осуществляется переключателем.

Источником для питания аппаратуры служит бортовая сеть самолета, дающая постоянный ток напряжением 27 В. С помощью преобразователя ПО-ЗООА и стабилизатора С-0,5 этот ток преобра­зуется в переменное стабилизированное напряжение 220 В, которое используется для питания двух усилителей постоянного тока и самописцев. В блоке питания переменное напряжение 220 В выпрямляется однополупериодным выпрямителем. Пульсация выпрям­ленного напряжения сглаживается П-образным LC-фильтром. Ста­билизация выпрямленного напряжения обеспечивается электрон­ным стабилизатором, собранным из 6 стабилизаторов СГ1П, включенных последовательно. Это позволяет получить на выходе питающего устройства стабилизированное напряжение 900 В, кото­рое и подается для питания фотоумножителей. Электрическая схема аппаратуры приводится на рис. 19.

Электрическая схема аппаратуры для измерения яркости водной поверхности

§ 4. Установка телефотометрической аппаратуры в самолете

Перед вылетом телефотометр устанавливается над фотолюком и крепится к аэрофотоустановке (обычно используемой для уста­новки на самолете аэрофотоаппаратов). К ней же крепится спе­циальный зачерненный изнутри конус (рис. 20). Телефотометр устанавливается таким образом, чтобы его оптическая ось была строго вертикальна. Контроль за правильностью установки осуществляется по коническому уровню, который имеется на верхней горизонтальной площадке конуса. В полете периодически произ­водится проверка, а при необходимости и корректировка верти­кальности установки телефотометра с помощью амортизационных стоек аэрофотоустановки.

Схема размещения в самолете аппаратуры

Измеритель яркости эталона обычно устанавливается в венти­ляционной шахте, расположенной в средней верхней части фюзе­ляжа самолета (рис. 18). Фотометр с помощью штатива-стойки 13 крепится к деревянной рамке 15, которая устанавливается в венти­ляционной шахте. Приемная площадка эталона должна на 3—4 см возвышаться над внешней обшивкой фюзеляжа самолета.

Блоки питания и регистрации смонтированы на специальной этажерке, которая устанавливается на особой подставке. Соедине­ние фотометров с блоком питания и блоком регистрации осуществ­ляется посредством трехжильного кабеля, разъема типа ШР-20 — со стороны телефотометра, трехполюсного штепсельного разъема — со стороны фотометра и общего разъема типа РП-10 — со стороны блока управления. Подключение аппаратуры к бортсети произво­дится при помощи кабеля через распределительный щит.

Чтобы добиться стабильности работы фотоумножителей, аппара­тура должна включаться примерно за 1 ч до начала наблюдений.

§ 5. Определение мутности (относительной прозрачности) вод

При полетах над водной поверхностью, свободной от пятен нефтепродуктов, измеряется яркость воды и одновременно яркость эталона. По полученным дан­ным рассчитывается, по приве­денной выше формуле, коэффи­циент яркости водной поверх­ности по отношению к эталону. Этот коэффициент не за­висит от высоты Солнца и определяется, как было пока­зано выше, только мутностью (относительной прозрачно­стью) воды. Благодаря этому представляется возможность построить график связи между этими характеристиками вод­ных масс. Такой график приводится на рис. 21. Он построен по материалам синхронных ра­бот самолета и судна. При этом яркость воды и эталона измеря­лась с самолета с помощью описанной выше телефотометрической аппаратуры, а относительная прозрачность воды определялась с судна с помощью стандартного белого диска. Измерения яркости воды производились только на участках, где глубина места превы­шала относительно прозрачность воды, так как в противном слу­чае появились бы существенные ошибки за счет отражения света от дна.

По оси ординат графика отложены значения относительного коэффициента яркости, а по оси абсцисс — относительная прозрач­ность воды, характеризующая ее мутность. Из приведенного графика видно, что при прозрачности воды 1 м относительный ко­эффициент яркости равен 0,06, а при прозрачности воды 6 м, он уменьшается до 0,03.

Чтобы убедиться в реальной действенности предлагаемого авиаметода измерений мутности воды, были выполнены три авиа­съемки относительной яркости водной поверхности одного и того же обширного участка моря. Учитывая, что прозрачность воды явля­ется весьма устойчивой характеристикой водных масс моря, эти авиасъемки были сдвинуты во времени относительно друг друга примерно на 6 месяцев. Однако выполнялись они примерно при одинаковых метеорологических условиях.

Связь мутности воды с относительным коеффициентом яркости

По полученным данным были рассчитаны относительные коэф­фициенты яркости воды, по которым были определены с помощью графика, приводимого на рис. 21, величины относительной прозрач­ности воды и составлены карты (рис. 22). На этих картах изоли­нии относительной прозрачности были проведены через 1 м. При­нимая во внимание, что яркость сильно взмученных вод особенно резко изменяется, карты были дополнены изолиниями, соответству­ющими малой относительной прозрачности вод — 0,2 и 0,5 м. Зоны таких вод весьма четко фиксировались прибором в процессе поле­вых авиасъемок.

Относительная прозрачность вод

Анализ полученных карт показал их почти полную идентич­ность, что создало уверенность в надежности предлагаемого метода инструментального измерения мутности (относительной прозрач­ности) вод с самолета.

Это, в свою очередь, позволило привязать (с помощью графика, представленного на рис. 21) баллы шкалы визуальных оценок внутримассовой загрязненности (табл. 4) к метрическим величи­нам— относительной прозрачности вод, выраженной в метрах.

§ 6. Измерение интенсивности пятен нефтепродуктов

Метод яркостного контраста для определения интенсивности пятен нефтепродуктов на фоне воды используется только на участ­ках, где прозрачность воды достаточно высокая (не менее 4—5 м). Вначале, при подходе к пятну, измеряется яркость поверхности чистой воды, прилегающей к пятну нефтепродуктов, затем яркость самого пятна (рис. 23). После выхода самолета с пятна для кон­троля вновь измеряется яркость чистой водной поверхности.

Измерение контраста между пятном нефтепродуктов и чистой водной поверхностью

При всех этих измерениях одновременно фиксируется яркость эталона по фотометру. Эти наблюдения ведутся с целью контроля за неизменностью освещенности водной поверхности и пятна нефте­продуктов в период измерения их яркостей.

После того как будут определены яркости, рассчитывается, по приведенной выше формуле, яркостный контраст между пятном нефтепродуктов и чистой водой. Далее по графику (рис. 24) опре­деляется интенсивность пятна нефтепродуктов.

Связь яркостного контраста пятно нефтепродуктов-вода

Указанный график связи получен экспериментальным путем. По оси ординат графика отложены значения яркостного контраста (пятно нефтепродуктов — чистая вода) в процентах, а по оси абс­цисс — интенсивность нефтяных пятен по приводимой выше пяти­балльной шкале. На графике видно, что для тонких пленок нефтепродуктов, интенсивность которых составляет 2 балла, контраст между пятнами нефтепродуктов и чистой водой не превышает 12%. При увеличении толщины пленки контраст резко возрастает, и при интенсивности пятен нефтепродуктов 5 баллов он достигает 72% и более.

В настоящее время пленочные загрязнения, создаваемые судо­ходством и приносимые воздушными массами, встречаются повсе­местно. Даже в открытых районах морей и крупных озер интенсив­ность пленочного загрязнения нефтепродуктами водной поверхности составляет порядка одного балла (по приводимой выше пяти­балльной шкале). Поэтому при измерении яркостного контраста пятна нефтепродуктов относительно воды в качестве фона служит не идеальная чистая водная поверхность, а слабо загрязненная, с интенсивностью пленки порядка одного балла. Поэтому получен­ная эмпирическим путем кривая связи, приводимая на рис. 24, оказалась сдвинутой по оси абсцисс относительно нуля координат примерно на 1 балл — соответственно интенсивности фонового за­грязнения водной поверхности в районе работ.

Чтобы исключить ошибки, появляющиеся за счет фонового за­грязнения, интенсивность пятен нефтепродуктов можно определять относительно эталона. Для этого по полученным в процессе полевой авиасъемки материалам необходимо рассчитать относи­тельный коэффициент яркости системы пятно нефтепродуктов — эталон.

Войдя с этими данными в график, приводимый на рис. 25 (этот график получен экспериментальным путем), легко определить зна­чение соответствующих баллов интенсивности пятен нефтепродук­тов. Преимущество этого способа определения заключается в том, что его применение не ограничено фоновой загрязненностью окру­жающих водных масс, что делает его более универсальным.

Связь интенсивности пятен нефтепродуктов с относительным коэффициентом яркости

При измерении с самолета яркости объектов могут появиться ошибки за счет неблагоприятных метеорологических условий, вы­соты полета и других причин. Чтобы свести их к минимуму необ­ходимо:

1) измерения яркости производить с высоты полета не более 200—300 м;

2) строго соблюдать горизонтальность полета в момент измере­ния яркости, так как телефотометр и фотометр при измерении должны находиться в строго вертикальном положении;

3) при изменениях курса телефотометр должен быть правильно ориентирован относительно направления на Солнце;

4) измерения проводить при сравнительно однородной освещен­ности поверхности воды (при ясном небе или при сплошной одно­родной облачности не ниже 600 м) и при отсутствии дымки. Види­мость должна быть не менее 6—10 км, а волнение — не более 1—2 баллов;

5) наблюдения проводить только в дневное время с 10 до 16 часов по местному времени, т. е. в период, в течение которого альбедо водной поверхности меняется незначительно.

При несоблюдении указанных условий метод авиаизмерений яркости может давать значительные ошибки.

За счет неоднородности пятен нефтепродуктов и изменения прозрачности воды на участке измерения могут происходить не­большие колебания стрелки регистрирующего прибора, вследствие чего отсчет результатов измерений по шкале микроамперметра или с ленты самописца требует определенного навыка.

Некоторым недостатком аппаратуры является также ее сравни­тельно малая чувствительность к мощным разливам яркой красно-бурой сырой нефти, поскольку аппаратура работает в диапазоне фиолетово-синих волн.

Следует отметить, что измеренные с самолета с помощью фото­метрической аппаратуры яркости пятен нефтепродуктов характе­ризуют некоторую среднюю ее величину на площади пятна, раз­меры которой определяются углом зрения телефотометра, высотой и скоростью полета.

Для самолетов типа ИЛ-14 и высоты полета 200 м размеры этой площади составляют примерно 8×60 м.

• ← Склад та методика авіаспостережень
• Забруднення льодового покриву →