Інструментальні засоби спостережень
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
§ 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.
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.
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).
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 Rп наблюдается на фоне, имеющем яркость Rф (например, на фоне чистой воды), фотометрический контраст между ними определится из отношения
Если величины Rп и Rф измерены одновременно при одной и той же освещенности, при расчете контраста составляющая освещенности практически исключается (поскольку в формулу входит отношение Rп/Rф 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 Rп/Rф, 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.
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.
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.
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.
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.
§ 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.