Центр аерокосмічних досліджень Землі
Національна Академія наук України
Інститут геологічних наук
Центр аерокосмічних досліджень Землі
Чепиженко Олексій Ілліч
УДК 528.8.044
ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННІ СИСТЕМИ ОДЕРЖАННЯ ДАНИХ ДЛЯ
ІНТЕРПРЕТАЦІЇ КОСМІЧНИХ ЗНІМКІВ
ПРИБЕРЕЖНИХ ВОД У ВИДИМОМУ ДІАПАЗОНІ
05.07.12 – Дистанційні аерокосмічні дослідження.
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата
технічних наук
Київ – 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті Національної академії наук України
Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук,
член-кореспондент НАН України, професор
Федоровський Олександр Дмитрович, завідувач відділу системного аналізу Центру аерокосмічних досліджень Інституту геологічних наук НАН України.
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Парняков Євген Серафімович,
завідувач кафедри економічної кібернетики Державного інституту економіки та управління,
м. Чернігів.
кандидат технічних наук
Пахомов Ігор Петрович,
доцент, Державна академія керівних кадрів культури і мистецтв, м. Київ.
Провідна установа: Центр Радіофізичного зондування Землі ім. А.І. Калмикова НАН України та НКА України, м. Харків
Захист відбудеться “14” вересня 2004 р. об 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.162.03 при Центрі аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук НАН України (01601, м. Київ, вул. Олеся Гончара, 55-Б)
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту геологічних наук НАНУ ( 01601, м. Київ, вул. Олеся Гончара, 55-Б)
Автореферат розісланий “ 13 ” серпня 2004 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради Д26.162.03,
кандидат біологічних наук Левчик О.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Використання космічної інформації дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) для дослідження прибережних вод шельфу, акваторії бухт і портів, естуаріїв рік, які характеризуються високою динамічністю химічного складу, значними концентраціями і великою кількістю джерел забруднень, вимагає нового підходу при розробці оптико-електронних систем для інтерпретації космічних знімків прибережних вод у видимому діапазоні. Традиційні біооптичні моделі та алгоритми визначення концентрації домішок для прибережних районів, естуаріїв рік та інших водних об’єктів за останні роки зазнали значних змін. Точність цих моделей залежить від походження домішок і механізмів деградації рослинного матеріалу – взаємного руйнування, цвітіння фітопланктону. Особливості трансформації вод у прибережних умовах, де домінують забруднюючі домішки антропогенного походження над фітопланктоном, неможливо розпізнати з необхідною точністю без використання відповідних дистанційних приладів, які розрізняють оптично активні домішки у водному середовищі на великих площах.
Розробці гідрооптичної апаратури, що найбільше повно характеризує водне середовище, велику увагу приділялося в Інституті океанологіі РАН (К.С.Шифрін, О.І.Копелевич, В.Н.Пелевін, І.М.Левін), Російському Державному оптичному інституті (С.Я.Емдін, Е.Й.Красовський), ЦКБ заводу “Арсенал” (О.Д.Федоровський, В.К.Радин), Лімнологічному інституті СВ РАН (П.П.Шерстянкін). Особливий розвиток як традиційного гідроотичного приладобудування, так і підсупутникового та розробки біооптичних моделей знайшли в МГІ НАН України (М.Є. Лі, М.М. Карнаушенко, В.О. Гайський), в Інституті гідромеханіки НАН України (О.Д. Федоровський, В.Ю. Філімонов). З 70-х років минулого століття традиційні методи гідрооптики були доповнені космічними досдідженями, внесок яких в останні роки стає визначальним (Б.О.Нелєпо, Г.К.Коротаев).
Необхідність підвищення ефективності космічних досліджень прибережних вод вимагає використання підсупутникових даних для завірки та інтерпретації космічних знімків. У зв’язку з цим розробка і створення оптико-електронних систем, що дозволяють безпосередньо у водному середовищі робити з високою точністю прямі виміри різноманітних гідрооптичних характеристик природних вод і оптично активних домішок, є актуальним завданням.
Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження, виконані за безпосередньої участі автора у опрацюванні в Морському гідрофізичному інституті НАН України низки наукових і науково-технічних програм і проектів НАН України: “Ресурси шельфу” (1993, 2002)р., “Чорне море”, “Регіон”, “Прибережна зона”, “Моніторинг”, “Вимірювання”:
1.
“Розробка наукових основ комплексного використання природних ресурсів шельфу і захисту прибережної зони Чорного й Азовського морів” (шифр “Ресурси шельфу”, № РК 0193U024767).
2.
“Комплексне вивчення стану й екоумов природних і антропогенних систем Чорноморського басейну, розробка методик керування морським середовищем в умовах впливу антропогенних факторів” (шифр “Чорне море”, № 6.4/0 НАМІТ).
3.
“Розробка теоретичних і технологічних основ діагностування і прогнозування систем, управління їх ресурсним потенціалом, забезпечення еколого-технічної безпеки й рекультивації водного середовища (шифр “Регіон”, № 0196U017322)”, Проекту Міністерства науки й освіти України “Створення системи спостережень, контролю й оцінки прибережної зони моря (шифр “Прибережна зона”, № 0197U017082)”, а також Державної науково-технічної програми “Екологічна безпека прибережної смуги Чорного й Азовського морів і комплексне використання ресурсів шельфу”, “Комплексний екологічний моніторинг прибережної смуги Чорного й Азовського морів” (шифр “Моніторинг”, № 0197U017081).
4.
“Розробка нових принципів і засобів виміру полів навколишнього середовища” (шифр “Вимірювання”, № 0197U012828).
5.
“Дослідження закономірностей функціонування шельфових екосистем в умовах антропогенного і техногенного навантаження” (шифр “Шельф”, № 0101U001019), а також “Сучасний стан шельфової зони Чорного моря й рекомендації з використання мінеральних і рекреаційних ресурсів” (шифр “Ресурси шельфу”, № 0102U001482).
Мета і задачі дослідження. Метою досліджень автора є розробка і створення оптико-електронних систем одержання даних для інтерпретації космічних знімків прибережних вод у видимому діапазоні, що дозволяють робити з високою точністю прямі виміри різноманітних гідрооптичних характеристик, природних вод і забруднюючих оптично активних домішок у водному середовищі. При цьому розробка структурних схем нових оптико-електронних систем робиться як на збільшення спектрального діапазону, так і на розширення номенклатури вимірюваних оптичних параметрів, комплексний аналіз яких забезпечує підвищення точності визначення окремих компонентів.
Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:
- аналіз методів і засобів ДЗЗ, тенденцій розвитку космічних сканерів дистанційного зондування Землі (ДЗЗ), методології підсупутникового забезпечення, з урахуванням особливостей задач космічної програми України дослідження прибережних вод і визначення їх інформативних ознак;
- розробка структурних схем нових оптико-електронних систем на основі диференціальних методів виміру гідрооптичних характеристик, що найбільш повно характеризують природні і забруднюючі оптично активні домішки в прибережній зоні водного середовища;
- розробка методів і оптико-електронних систем виміру: товщини поверхневих плівок нафтопродуктів, спектрального показника дійсного поглинання природного світла водним середовищем, фотосинтетичної радіації, спектрального ослаблення спрямованого світла і методики з подвійною оптичною базою, інтенсивності люмінесценції мікроорганізмів, характеристик світлорозсіювання і спектрального поглинання;
- апробація розроблених оптико-електронних систем просторового розподілу оптично активних речовин у динамічних прибережних районах о.Зміїний - естуарій р.Дунай, Севастопольській бухті, акваторії Блакитної затоки;
- експериментальні дослідження вертикального розподілу спектрального показника ослаблення і люмінесценції для прибережних районів Чорного моря, у яких поширені газогідратні відклади.
Об’єкт дослідження: чинна підсупутникова технологія дистанційного зондування Землі прибережних районів.
Предмет дослідження: оптико-електронні системи одержання даних для інтерпретації космічних знімків прибережних вод у видимому діапазоні.
Наукова новизна одержаних результатів:
1. Визначено вимоги до складу параметрів оптико-електронних систем, які використовуються для одержання гідрооптичних даних при інтерпретації космічних знімків у видимому діапазоні спектру і найбільш повно характеризують просторовий розподіл оптично активних домішок у прибережних водах.
2. Уперше розроблені і захищені авторськими посвідченнями особливості структурних схем оптико-електронних систем, спрямованих на підвищення точності й швидкодії виміру у видимому діапазоні спектру при дослідженні різних гідрооптичних характеристик прибережних вод, на основі яких було створено:
- спектральний вимірювач показника поглинання природного світла водним середовищем;
- вимірювач фотосинтетично активної радіації;
- вимірювач товщини плівки нафтопродуктів;
- вимірювачі спектрального коефіцієнта ослаблення спрямованого світла;
- вимірювач люмінесценції мікроорганізмів;
- вимірювач характеристик світлорозсіювання;
- вимірювач спектрального поглинання;
3. Експериментально підтверджена ефективність розроблених вимірників при натурних експериментальних дослідженнях прибережних районів різних акваторій Світового океану:
- отримані якісні і кількісні оцінки природних і забруднюючих оптично активних домішок для різних акваторій прибережної зони, що мають регіональні особливості;
- уперше виявлено аномальний розподіл характеристик люмінесценції і спектральної прозорості для районів виходу газогідратів у Чорному морі. Одержано оцінку прояву оптично активних компонентів у верхньому шарі водного середовища.
Практичне значення отриманих результатів. У результаті дисертаційних досліджень визначені вимоги до оптико-електронних систем “in situ” і розроблені різноманітні вимірники, що забезпечують:
1.
Безпосереднє вимірювання спектральних характеристик ослаблення й поглинання, параметрів світлорозсіювання і поверхневої плівки, а також визначення оптично активних речовин у водному середовищі прибережної зони.
2.
Підвищення точності і вірогідності виміру характеристик ослаблення, поглинання й розсіювання в натурних умовах при швидкоплинних процесах і впливі зовнішніх умов.
3.
Підвищення точності і вірогідності виміру спектральних характеристик ослаблення і поглинання на основі застосування двохбазового методу й методики розрахунку, що виключає вплив на виміри поверхневої плівки на поверхні ілюмінаторів, що утворюється при перебуванні приладу у водному середовищі.
4.
Виявлення ділянок виходу газогідратів у Чорному морі за аномальним розподілом характеристик люмінесценції і спектральної прозорості.
Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі використані результати, отримані особисто чи за керівництва автора колективних робіт. Автор безпосередньо розробив структуру необхідних приладів [3,5,6,10,14,15], обґрунтував принципи системи стабілізації фотоприйомного пристрою, що забезпечують підвищення його метрологічних характеристик (швидкодії, точності, діапазону виміру) [2,4]. В основу усіх вимірювальних приладів покладені запропоновані технічні рішення, захищені чотирма авторськими свідоцтвами [16-19]. Автор особисто розробив і виготовив усі перелічені вище прилади і вхідні в них основні оптико-електронні пристрої [9,10,12,13]. За особистою участю автора впроваджені в практику і проведені численні дослідження просторового розподілу і вертикальної стратифікації гідрооптичних характеристик на Наукових Дослідницьких Суднах (НДС) [2,5,6,7]. Автор особисто дослідив просторовий розподіл оптично активних речовин поблизу о.Зміїний –естуарії р.Дунай [1], акваторії Севастопольської бухти і Блакитної затоки [1], естуарії ріки Ла-Плата [15], в акваторії циркуляції й взаємодії вод Чорного і Середземного морів (Егейське море - протока Дарданелли – Мармурове море – протока Босфор – Чорне море), на антарктичній станції УАЦ “Ак.Вернадський” [ 2,15].
Впровадження результатів роботи. Розроблені і виготовлені оптико-електронні системи – вимірники показника ослаблення - ВПО, вимірник опромінення – ВО, вимірники біолюмінесценції – БІО, вимірник дійсного показника поглинання – Спектр, вимірник розсіювання – ВР увійшли до складу численних комплексів, розроблених у СКТБ МГІ за проектом МГІ “Приладобудування”, метрологічно атестованих та прийнятих Замовниками – “Ертаул”, “Битип”, Комплекс–3”, “Ліра”, “Джерело – 6”, “Галс-3”, “ОГФ”, “ОГХ”, “Гідрооптик”, “Зонд-ос”. Деякі з них – “Битип”, “Галс-3” комплекси, які буксируються, виготовлені в кількості 3 - екземплярів, метрологічно атестовані і застосовувалися для проведення досліджень на суднах МГІ. Зондувальні комплекси “ОГХ” і “Гідрооптик”, як основний оптико-гідролого-хімічний комплекс, застосовувалися для одержання натурних даних у численних рейсах НДС “М.Ломоносов”, “Ак.Вернадский”, “Проф. Колесников”, “Київ”, “Piri Reis”, “Експеримент”, “Калинин”, “Обрій”, “Трепанг”. Вимірник товщини плівки нафтопродуктів і спектрального показника ослаблення “ОСА” випробуваний при проведенні досліджень Севастопольської бухти у 2000-2003 роках і акваторії Блакитної затоки (2002-2003) і Козачої бухти (2003).
Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на 7-му Пленумі оптики океану “Способы логарифмирования электрических сигналов в электронных измерителях.” (Таллін,1980 р.), 5-й Всесоюзної конференции “Фотометрия и ее метрологическое обеспечение”, “Унифицированное фотоприемное устройство” і “К вопросу градуировки прозрачномеров на воздухе” (Москва, 1984р.), 6-му З'їзду лімнологів “Гидрооптические измерители in situ.” (Иркутск, 1985р.), конференції Системы контроля окружающей среды – “Измерители спектральной подводной освещенности с помощью квантометра” (Севастополь, 1999р.), “Оптические методы и средства экологического мониторинга” (Севастополь, 2001р.); міжнародній конференцій Carrent Problems in Optics of Natural Waters: ONW-2001 “ Optical methods and tools in a system ecological monitoring” (St-Peterburg, 2001), Seventh International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments, “A Submersible Probe to Measure Spectral Diffuse Attenuation and Diffuse Reflectance of Light by Natural Waters,” (Miami, Florida, USA,2002); конференції “Современные проблемы океанологии шельфовых морей России.”, (“Особенности вертикального распределения показателя ослабления света в глубоководной части Черного моря” та “Оптические методы и средства екологического мониторинга” (Ростов на Дону, 2002р.); International Conference on Remote Sensing of the Atmosphere, Environment, and Space, “Laboratory and flow-through optical spectral probes to measure water quality and content” (Hangzhou, China. 2002); міжнародній конференції “Carrent Problems in Optics of Natural Waters: ONW-2003, Optical instruments for ecological monitoring of coastal regions” (St-Peterburg, 2003).
Публікації. Основні результати досліджень опубліковані у 19 друкованих роботах, у тому числі, у 5 фахових виданнях, а також включають чотири авторські посвідчення на винахід.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, додатка й списку літературних джерел із 138 назв. Основний зміст разом із 44 рисунками і 6 таблицями викладено на 179 сторінках машинописного тексту.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
-
Перший розділ “Аналіз інформативних характеристик поверхневих вод і параметрів космічної оптико-електронної апаратури ДЗЗ” присвячений дослідженню інформативних характеристик поверхневих вод і параметрів космічної оптико-електронної апаратури ДЗЗ і виявленню достовірних оптичних характеристик поверхневих вод з урахуванням вимог Національної космічної програми України. Проведено аналіз інформативних ознак і методів їхньої реєстрації. Визначено структуру оптичних вимірювальних систем підсупутникового забезпечення з урахуванням особливостей моніторингу прибережної зони.
-
На основі проведеного аналізу концепції моніторингу прибережної зони і тенденції розвитку КС ДЗЗ з метою диференціювання природних і забруднюючих оптично – активних речовин запропоновано, обґрунтовано і реалізовано використання методу комплексного аналізу водного середовища. Метод заснований на вимірі не тільки особливостей спектрального розподілу оптичних характеристик, але і параметрів середовища, що мають для природних і забруднюючих речовин свої особливості - умови біопродуктивності, розмірний склад. При цьому, по інтенсивності фотосинтетично активної радіації, оцінюються умови фотосинтезу, умови трансформації природного світлового поля у верхньому шарі водного середовища, що обумовлює поглинання, викликане оптично активними речовинами і біотичну продуктивність за інтенсивністю біолюмінесценції.
У другому розділі “Методологія підсупутникового забезпечення” розглядаються методи і засоби визначення оптично активних речовин. Розглянуто особливості досліджуваних акваторій, обумовлені взаємодією двох різнотипних середовищ – морської води й вод рік, поверхневих стоків, впливом антропогенних факторів, які характеризуються властивими їм концентраціями речовин, їхньою взаємною трансформацією та високими динамічним характеристикам середовища.
Показано, що вірогідність даних, отриманих на основі дистанційних моделей, значною мірою залежать від повноти й точності вимірюваних безпосередньо у водному середовищі оптичних характеристик .
Досліджено особливості алгоритмічної побудови, як найбільш перспективних, вимірників компаній WetLabs, DYN-OPTICS, Sea Tech Inc., Chelsea Instrument Ltd., Biospherical Instruments Inc, HobiLabs Inc. Досліджено конструкції вимірників спектрального ослаблення і поглинання “АС-9” компанії WETLabs In і вимірників зворотного розсіювання компанії HOBI Labs.
На основі аналізу визначена необхідність розробки нових приладів, які найбільш повно характеризують водне середовище прибережної зони. При цьому акцент робиться як на розширенні спектрального діапазону й дозволу, так і на збільшенні номенклатури вимірюваних оптичних параметрів, комплексний аналіз яких забезпечує підвищення точності визначення окремих компонентів.
Показано можливість і необхідність створення вимірників, які повніше і точніше визначають параметри послаблення, поглинання і розсіювання властивостей водного середовища прибережної зони.
У третьому розділі “Розробка оптико-електронних систем одержання даних для інтерпретації космічних знімків прибережних вод у видимому діапазоні” висвітлені результати розробки оптико-електронних систем для інтерпретації космічних знімків прибережних вод у видимому діапазоні: обгрунтована ефективність застосування диференціальних методів виміру з урахуванням особливостей гідрооптичних характеристик.
Уперше розроблені і захищені авторськими свідоцтвами структурні схеми оптико електронних систем, в яких диференціальні принципи виміру у сполученні із застосуванням опорних температурно компенсованих джерел випромінювання і нових принципів системи стабілізації фотоприйомного пристрою забезпечують підвищення швидкості на чотири порядки і точності виміру на 70%. При вимірі первинних гідрооптичних характеристик –спектрального коефіцієнта ослаблення спрямованого світла і спектрального поглинання діапазон виміру збільшується на півтора порядки.
Обґрунтовуються способи підвищення точності виміру, які засновані на використанні принципів і засобів вимірів, застосування яких дозволяє виключити з результатів вимірів ряд систематичних похибок, обумовлених впливом зовнішніх умов (зовнішнього тиску, світла, температурної і тимчасової залежності та інших) на елементи оптично - механічної схеми.
Запропоновано та обґрунтовано комплексні технічні і конструктивні рішення оптико-електронних систем, які дозволяють визначити:
Ш
умови фотосинтезу, що залежать від поглинання, обумовленого природним світловим полем та біотичною продуктивністю (вимірники фотосинтетичної активної радіації (ФАР), спектрального поглинання світла і біолюмінесценції);
Ш
послаблюючі, поглинаючі і світло розсіюючі властивості водного середовища (вимірники спектрального коефіцієнта ослаблення спрямованого світла, спектральний вимірник поглинання, вимірник світлорозсіювання);
Ш
забруднюючі речовини, які скупчуються на водній поверхні та істотно впливають на точність визначення оптично активних домішок дистанційними методами (вимірник товщини поверхневої плівки нафтопродуктів).
1. Оптико-електронні системи моніторингу стану екосистеми водного середовища, представлені вимірниками, що характеризують інтенсивність сонячного світла, яка обумовлює фотосинтез (вимірник ФАР), її трансформації у водному середовищі (вимірник поглинання природного світла) та інтенсивність люмінесценції мікроорганізмів (вимірник біолюмінесценції).
1.1 Вимірник ФАР. Вимірювання ФАР, спрямовано на оцінку існування й умови розвитку біоценозу і фізичного процесу, що відбувається в біотичній системі при фотосинтезі. Спектральна чутливість вимірника ФАР - квантометра "Квант", пропорційна довжині хвилі: , і показання вимірника ФАР відповідають: Квантометр “Квант”, структурна схема якого представлена на рис.1, містить оптико-механічний спектрально-селективний пристрій (ССП), що формує необхідну інтегральну спектральну характеристику вимірника, і фотоприйомний (ФП) пристрій, особливість схемного рішення якого передбачає діапазонування і двохрівневу стабілізацію анодної чутливості Фото Електронного Помножувача (ФЕП) на кожному з піддіапазонів, забезпечує перетворення і реєстрацію спектрального квантового опромінення.
1.2. Вимірник поглинання світла. Сутність методу визначення коефіцієнта поглинання природного світла водним середовищем для дослідження біофізичних характеристик існування біоценозу полягає у вимірі спектрального опромінення зверху Еv, спектрального коефіцієнта вертикального ослаблення спадного природного світлового потоку ?v і спектрального коефіцієнта дифузійного відбиття R на розподіленій по глибині оптичній базі і розрахунку спектральної енергії, поглиненої в досліджуваному шарі, з наступним розрахунком концентрації визначальних її оптично активних домішок (CDOM, TSM, хлорофілу і пігментів фітопланктону).
Особливість структурної схеми вимірника “Спектр” (рис.2) передбачає реєстрацію
спектрального світлового опромінення одночасно на двох, розподілених по глибині
площинах, і швидкодіюче спектральне сканування з попереднім частотним модулюванням вхідних світлових потоків, що, у поєднанні з двохрівеневою системою стабілізації чутливості, забезпечило підвищення точності і швидкодії виміру.
1.3. Вимірник люмінесценції. Одним з ефективних методів аналізу концентрації і стану біомаси у водному середовищі є вимірювання біолюмінесценції мікроорганізмів, який характеризує не тільки концентрацію мікроорганізмів і відображає одну з ланок первинної продукції, але показує ступінь антропогенно зумовленого токсичного впливу на мікроорганізми.
Відомо, що вимірники біолюмінесценції попередньо переводять мікроорганізми у збуджений стан. Розроблений вимірник біолюмінесценції (ВБ), структурна схема якого подана на рис.3, поєднує високочутливий одноелектронний режим ФЕП з оптимізацією шумової складової методом двохрівневої дискримінації із системою стабілізації анодної чутливості, що дає змогу підвищити швидкодію і розширити динамічний діапазон при збереженні високої чутливості. Особлива конструкція робочої камери, яка забезпечує механічний перехід мікроорганізмів до активного стану при турбулентному формуванні потоку, і системи збору інтенсивності люмінесценції – світлопроводу, формує інтегральний турбулентний потік у робочому обсязі камери і передачу енергії люмінесценції мікроорганізмів із всього обсягу робочої камери на фотоприйомний пристрій.
Нетрадиційне конструктивне виконання вимірника забезпечує тривалу його експлуатацію в морських умовах до глибини 6000 метрів і дозволяє вимірювати інтенсивність біолюмінесценції мікроорганізмів як у фотичному, так і глибоководних шарах, про що свідчать дослідження, проведені в Чорному морі в 4-му рейсі НДС "Київ", у межах "грязьового" вулканізму й виходів газогідрату на глибинах від 750 м до дна (2200 м).
2. Оптико-електронні системи, які характеризують властивості середовища, представлені розробленими вимірниками коефіцієнта ослаблення, вимірниками поглинання і розсіювання.
2.1. Вимірники спектрального коефіцієнта ослаблення спрямованого світла.
Численні розроблені вимірники спектрального коефіцієнта ослаблення спрямованого світла водного середовища (представлені трьома комплексами - БИТИП, ОГХ і ВПО-Лебідь) відрізняються як за особливостями реалізації базисного методу, так і за структурно-схемотехнічною побудовою, що забезпечує отримання необхідних метрологічних характеристик за натурних умов експлуатації.
Вимірювання грунтуються на базисному методі і законі Бугера: . Коефіцієнт ослаблення спрямованого світла визначається на основі диференціального методу - вимірювання інтенсивності двох світлових потоків у неоднорідному водному середовищі. Окремим є варіант, за якого у водне середовище входить тільки один із світлових потоків Ф, ослаблення якого при проходженні водного середовища реєструється на базі L. Інший світловий потік (Ф0), який вимірюється перед входженням у водне середовище, є опорним. За такою схемою працюють вимірники спектрального коефіцієнта ослаблення спрямованого світла комплексів БИТИП і ОГХ.
Вплив на результат виміру нестабільності джерела випромінювання і фотоприймача застосуванням диференціальної схеми і нормуванням варіації їхнього внеску по кожному з каналів виключається, однак облік перерозподілу світла, який відбувся, та відбитого світла від зовнішньої грані оптичних деталей при їхньому контакті з водою - "просвітління" враховується введенням поправочних коефіцієнтів. Для виключення впливу сонячного світла на результати виміру при розробці вимірників спектрального коефіцієнта ослаблення спрямованого світла комплексів "Ертаул", "Комплекс-3", "Ліра", "Битип","ОГФ", "ОГХ" і "Гідрооптик" були розроблені і захищені авторськими свідоцтвами частотно-тимчасовой і різночастотний метод модуляції світлового потоку і методи стабілізації анодною чутливістю ФЕП (керуванням високовольтною напругою живлення) і стабілізацією струму джерела випромінювання.
Двобазовий вимірник "ВПО-Лебідь" грунтується на тому, що об'єктивні виміри спектральної прозорості можуть бути отримані при формуванні двох рівнобіжних монохроматичних променів і спрямуванні їх у водне середовище, причому кожний з них проходить у водному середовищі різну відстань. Інформаційний сигнал про прозорість водного середовища простежується в об'ємному ослабленні світлового потоку і залежить від відстані проходження у середовищі. При цьому ослаблення світлового потоку, спричинене зміною коефіцієнта відображення Френеля й утворенням поверхневої плівки, викликає пропорційну зміну сигналів в обох каналах і зменшує їхні абсолютні значення, що, за необхідності, компенсується збільшенням чутливості фотоприйомного пристрою. Результуючий інформаційний сигнал при цьому не змінюється. Застосування методу подвійної оптичної бази забезпечує підвищення точності і об'єктивності виміру. При цьому динамічний діапазон виміру значно збільшується.
2.2. Спектральний вимірник поглинання "ОСА-П" призначений для виміру спектрального коефіцієнта поглинання світла у забруднених водах. Він складається з оптико-механічного спектрального блоку з фотометричною сферою (з розташованою в ній двохбазовою проточною кюветою) і фотоелектронного блоку, що забезпечує реєстрацію монохроматичного світлового потоку, його перетворення і формування. Диспергуючий пристрій за схемою Еберта зі сферичними дифракційними ґратами (1200 штрихів\мм) і система формування монохроматичних частотно-модульованих світлових потоків на двобазовой кюветі, розташованій в дифузійнорозсіювальний фотометричній сфері, формує в ній інтегральний світловий режим, який залежить від поглиненої у водному середовищі енергії малою і великою кюветами і реєструється фотоприйомним пристроєм на базі фотоелектронного помножувача ФЕП-114. Метод подвійної оптичної бази забезпечує розширення динамічного діапазону виміру при постійних коефіцієнтах градуювання і безпосередній вимір поглинання світла за відсутності впливу зовнішніх умов та спектральних характеристик оптичних елементів і фотометричної інтегруючої сфери.
2.3. Вимірник світлорозсіювання “ВР” забезпечує зміну інтенсивності розсіяного світла під різними кутами (індикатриси розсіювання), обумовлену гранулометричним складом зваженої речовини. Застосування монохроматичного джерела випромінювання і методу кутового рознесення щодо прямого світлового потоку спільно із застосуванням особливого ілюмінатора забезпечило як діафрагмування прямого світлового потоку, так і формування діаграми спрямованості дзеркальними гранями в межах малих кутів (2 і 50) при вимірі прямим і розсіяним світлом під фіксованим кутами – 0, 2, 5, 15, 45, 90 і 170 0. Формування частотно-тимчасового послідовного сигналу, що реєструє інтенсивність розсіяного світла, із системою стабілізації анодної чутливості з застосуванням термостабільного джерела опорного світлового потоку і швидкодіючої компенсаційної системи забезпечило необхідні метрологічні характеристики.
3.
Оптико-електронні системи, що характеризують забруднюючі домішки на водній поверхні, представлені вимірником плівки нафта вуглеводнів на водній поверхні “Шар”.
Поверхнева плівка нафтопродуктів на водній поверхні виникає на водних об’єктах під впливом антропогенних навантажень (прибережна зона, акваторії портів, бухт) як об'єкт дослідження дистанційними методами, плівка істотно впливає на точність визначення оптично активних домішок у водному середовищі. Реєстрацію товщини плівки нафтопродуктів у натурних умовах здійснювали традиційними аналітичними методами і методами оперативної діагностики та із врахуванням особливості розподілу плівки, які впливають на точність виміру (нерівномірності товщини, обумовленої хвилюванням водної поверхні, відсотком збору нафтопродуктів і співвідношенням фракційного складу в суміші вуглеводнів).
Принцип роботи вимірника товщини нафтової плівки (рис.4) полягає у синхронному вимірі відношень спектральних індексів поглинання і відбитого світлового потоку на двох ділянках спектра при проходженні границі контакту водного середовища і нафтової поверхневої плівки. Модульований сформований світловий потік на двох ділянках спектру через ілюмінатор надходить на сферичне дзеркало і, відбившись, реєструється фотоприймачем.
Ослаблення світлового потоку вимірника товщини плівки відбувається за рахунок спектрального поглинання водним середовищем, а також (через спектральне ослаблення світла на границі контакту плівки нафтопродуктів з водою) і спектральним поглинанням світлового потоку в самій плівці. Одночасно реєструється відбитий світловий потік від верхньої границі нафтової плівки. При цьому на основі обмірюваних індексів спектрального поглинання й відбиття в процесі розрахунку визначається індекс, пропорційний товщині плівки нафтопродуктів і залежний від коефіцієнта поглинання суміші нафтопродуктів.
Товщина нафтової плівки залежить від показника поглинання нафтовуглеводнів, які утворюють поверхневу плівку в досліджуваному спектральному діапазоні, може бути розрахована:
де С0, С1 - коефіцієнти градуювання, H - товщина плівки нафтопродуктів, мкм, I (?1/л2)? – індекс відбитого випромінювання світлового потоку, I (?1/л2)? – індекс показника ослаблення світлового потоку, I? - індекс показника поглинання нафтопродуктів. Описано принципи й методи, що лежать в основі всіх запропонованих оптико-електронних систем і захищені авторськими свідоцтвами та спрямовані на підвищення точності й швидкодії при дослідженні в натурних умовах і впливі різних дестабілізуючих природних факторів.
Показано, що властивості оптично активних домішок у прибережній зоні, естуаріях рік, акваторіях заток, бухт і портів, які зазнають значного антропогенного впливу, істотно відрізняються від океанічного, тому і підвищення точності їхнього визначення має ґрунтуватися на комплексному дослідженні їх основних оптичних властивостей.
У четвертому розділі “Апробація розроблених оптико-електронних систем і завірка результатів космічних досліджень оптичних характеристик прибережних вод” викладено результати апробації розроблених оптико-електронних систем і завірки результатів космічних досліджень оптичних характеристик прибережних вод та результати експериментальних досліджень у натурних умовах просторової мінливості і вертикальної стратифікації гідрооптичних характеристик, оцінки просторового розподілу оптично активних домішок у прибережній зоні для різних
акваторій Світового океану, що мають регіональні особливості. Робота виконувалася на морській платформі Експериментального відділення МГІ (п.Кацивелі), НДС “М.Ломоносов” (1987р.), “Ак.Вернадский” (1980р.), “Проф. Колесников” (1994,1995р), “Київ” (1995р.), “Piri Reis” (1994-1996р.), “Експеримент” (1996р.), “Калінін” (1994г), “Обрій” (2000р.), “Трепанг” (1996,1997р.), "Професор В'яземський" ( 2000р.), "Порив" (2001р.), “Стриж” (2002,2003р.).
У задачу експериментальних робіт спочатку включали вивчення достовірності даних - особливостей впливу зовнішніх умов (тиску, світлового режиму, а для комплексів, які буксируються особливостей обтікання оптичної бази), а також дослідження просторової структури і вертикальної стратифікації гідрооптичних характеристик та оцінка просторового розподілу оптично активних домішок у водному середовищі й оцінки взаємозв'язку концентрації оптично активних домішок, розрахованого за даними виміру спектральної прозорості і щільності фототону космічних знімків сканерів AVHRR штучний супутник Землі (ШСЗ) NOAA і КС LISS-3 ШСЗ IRS. Усього автором виконано близько 740 зондувань. Крім того, на суднах МГІ співробітниками відділу оптики МГІ були проведені буксирування комплексом Битип, тривалість яких склала понад 6000 миль.
На основі проведеного аналізу особливостей спектрального розподілу оптично активних речовин, інформативних ознак і методів їхньої реєстрації, розроблені алгоритми розрахунку концентрації оптично активних речовин, що домінують у прибережній зоні. Проведені дослідження просторового розподілу оптично активних речовин у прибережній зоні (акваторії Севастопольської бухти і Блакитної затоки) дозволили визначити джерела надходження забруднюючих речовин, напрям переносу і міграції їх у водному середовищі. Розроблені методики спрямовані на підвищення точності визначення оптично активних речовин у водяному середовищі.
У акваторії естуарію р.Дунай – о.Зміїний (18 рейс НДС “Трепанг”) і Севастопольської бухти досліджений просторовий розподіл зважених домішок, у зв'язку з щільністю фототону космічних знімків сканерів ДЗЗ. Досліджено особливості розподілу природних і забруднюючих оптично активних домішок в акваторії Севастопольської бухти і Блакитної затоки, оцінений контраст прояву джерел надходження забруднюючих домішок (стоків) за даними визначення оптично активних домішок і концентрації розчиненого кисню та біогенних домішок.
Наведено дані експериментальних досліджень люмінесценції на ділянках виходів газогідратів і оцінені особливості їхнього прояву у верхніх шарах водного середовища.
Для всіх проведених досліджень у межах прояву вуглеводнів у вигляді газогідратів встановлено стійкий зв'язок між люмінесценцією (яка виявляється на глибинах від 500 метрів і до дна) і флуктуацією коефіцієнта ослаблення спрямованого світла (яка відзначається над шаром люмінесценції). Флуктуація коефіцієнта ослаблення виявляється до приповерхневого шару і може застосовуватися при картографуванні гідратопроявів. Виявлено, що інтенсивність флуктуації коефіцієнта ослаблення на різних глибинах має свої особливості обумовлені особливостями фазової трансформації водно-метанової суміші. Використання спектрофотометричної методики визначення концентрації розчинених нафтопродуктів, яка застосована при дослідженні Севастопольської бухти і Блакитної затоки, і дослідження флуктуації коефіцієнта ослаблення спрямованого світла дозволяли підвищити вірогідність картографування місць прояву вуглеводнів (УВ) у вигляді газогідратів.
Висновки
1. Ефективність інтерпретації космічних знімків у видимому діапазоні спектру значною мірою залежить від якості підсупутникових вимірювань. Тому розробка методів і створення оптико-електронних систем, що визначають просторовий розподіл природних і забруднюючих оптично активних домішок і найбільш повно характеризують прибережні води, є актуальною задачею.
2. В результаті досліджень розроблено і захищено авторськими свідоцтвами оригінальні структурні схеми оптико-електронних систем для підвищення точності і швидкості виміру різних гідрооптичних характеристик при дослідженні прибережних вод.
На основі розроблених структурних схем створені нові оптико-електронні системи:
- спектральний вимірювач показника поглинання природного світла водним середовищем;
- вимірювач фотосинтетично активної радіації;
- вимірювач товщини плівки нафтопродуктів;
- цифрові вимірювачі спектрального ослаблення спрямованого світла, що відрізняються особливістю застосування базисного методу;
- вимірювач люмінесценції мікроорганізмів;
- вимірювач характеристик світлорозсіювання;
- вимірювач спектрального поглинання;
3.
Апробація оптико-електронних систем, яка проведена у різних акваторіях Світового океану, які мають свої регіональні особливості, підтвердила складний багатокомпонентний склад оптично активних домішок. Дослідження акваторії Севастопольської бухти і Блакитної затоки виявили значний контраст прояву джерел надходження забруднюючих домішок (стоків) за даними визначення оптично активних домішок, що підтверджено аналітичними вимірами гідрохімічних характеристик (концентрації розчиненого кисню і біогенних домішок).
4.
Виконано експериментальні дослідження люмінесценції і спектрального коефіцієнта ослаблення спрямованого світла в межах прояву виходів газогідратів. При цьому уперше виявлено аномально високі значення формування оптично активних компонентів у верхньому шарі водного середовища.
5. Встановлено, що властивості оптично активних домішок у прибережній зоні (естуарії рік, акваторії заток, бухт і портів, які зазнають значного антропогенного впливу), істотно відрізняються від океанічного, тому підвищення точності їхнього визначення має ґрунтуватися на комплексному дослідженні основних оптичних властивостей об’єктів.
6.
Розроблені і виготовлені оптико-електронні системи увійшли до складу ряду комплексів, розроблених у СКТБ МГІ: “Ертаул”, “Битип”, “Комплекс–3”, “Ліра”, “Джерело–6”, “Галс-3”, “ОГФ”, “ОГХ”, “Гідрооптик”, “Зонд-ОС” та ін.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИССЕРТАЦІЇ
1.
Чепиженко О.І. Оптичні системи для підсупутникової завірки результатів космічних досліджень морських акваторій. // Космічна наука і технологія. - Київ, 2003. - №1. - C. 45-53.
2.
Булгаков М.П., Ломакин П.Д., Артамонов Ю.В., Кондратьєв С.I., Чепиженко О.I. Результати океанографічних досліджень у районі української антарктичної станції “Академік Вернадський” за даними П'ятої національної антарктичної експедиції. // Доп. НАНУ.- 2001.- №7.- С.110-113.
3.
Чепиженко О.І. Виміри спектральної підвідної освітленості за допомогою квантометра. // Системи контролю навколишнього середовища. – Севастополь: Экоси, 1999. - C.118.
4.
Чепиженко О.І. Оптичні методи і засоби екологічного моніторингу. // Системи контролю навколишнього середовища. – Севастополь: Экоси, 2001. - C.41-46.
5.
Сорокіна Н.А., Чепиженко О.І. Прозорість вод поблизу узбережжя Криму в районі Феодосія – Керч. // Екологічна безпека прибережної і шельфової зон і комплексне дослідження ресурсів шельфу. – Севастополь: Экоси. – 1999. - C.153-160.
6.
Власенко В.І., Кузнєцов А.С., Вівсяний В.А., Чепиженко О.І. Гідрофізичні дослідження в 4-му рейсі НДС "Київ". // Геологічні дослідження у Чорному морі (4-й рейс НДС "Київ").- Київ: ОМГОР, ЦНПМ. - 1996. - C.181-209.
7.
Булгаков Н.П., Ломакин П.Д., Артамонов Ю.В., Кондратьев С.И., Чепыженко А.И. Структура и кинематика вод в районе архипелага Аргентинские острова в марте-апреле 2000г // МГЖ. – 2002. - №5. - C. 56-64.
8.
Чепиженко О.І., Спиридонов В.В. Гидрооптические измерители in situ. Сб. Круговорот вещества и энергии в водоемах. – Иркутск: ИГ СО АН СССР, 1985. - С.99-102.
9.
Чепиженко О.І., Моисеєв Ю.Г., Перов А.А., Сорокіна Н.А., Щетинін Ю.Т. Деякі результати іспиту гідролого-оптичного комплексу ОГХ. // Морське й екологічне приладобудування. – Севастополь: Экоси, 1994. - С.95.
10.
Чепыженко А.И. Оптический спектральный анализатор. // Экологические системы и приборы. - М.: Научтехлитиздат, 2002. - №5. - C.6-10.
11.
Чепыженко А.И. Измеритель фитосинтетической радиации "КВАНТ". // Экологические системы и приборы. - М.: Научтехлитиздат, 2002. - №6. - C.9-11.
12.
Chepyzhenko A.I., Optical methods and tools in a system ecological monitoring. // Carrent Problems in Optics of Natural Waters: ONW-2001. - St-Peterburg, Russia. – 2001. - 323-328pp.
13.
Chepyzhenko A.I., Ivanov V.A., Optical instruments for ecological monitoring of coastal regions. // Carrent Problems in Optics of Natural Waters: ONW-2003.,St-Peterburg, Russia. – 2003. - 323-328pp.
14.
Chepyzhenko A.I., Haltrin V.I. A Submersible Probe to Measure Spectral Diffuse Attenuation and Diffuse Reflectance of Light by Natural Waters. // Proceedings of the Seventh International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments. - Miami, Florida, USA, ISSN 1066-3711: Veridan, P.O. Box 134008, Ann Arbor, MI 48113-4008. - 2002. - 1-5pp., paper №00121.
15.
Chepyzhenko A.I., Haltrin V.I. Laboratory and flow-through optical spectral probes to measure water quality and content. // Ocean Remote Sensing and Applications. Robert J. Frouin, YellYuan, Hiroshi Kawamura, Editors. Proceedings of SPIE. - Vol. 4892 (2003) (24-26 October 2002, Hangzhou, China). - 2003 SPIE * 0277-786X/03. - 482-488 pp.
16.
Ас. 781836 СССР, МКИ G 06 G 7/24. Разностно - логарифмический преобразователь / А.И.Чепыженко, В.В. Спиридонов (СССР). -№2741612; Заявлено 20.03.79; Опубл.23.11.80, Бюл.№ 43. – С.217-218.
17.
Ас. 1120176 СССР, МКИ G 01 J 1/44. Фотометр / А.И. Чепыженко, В.В. Спиридонов (СССР). –№3620211; Заявлено 15.06.83; Опубл. 23.10.84, Бюл.№39. – С. 112.
18.
Ас. 1241070 СССР, МКИ G 01 J 1/44. Фотоприемное устройство/ А.И. Чепыженко, В.В. Спиридонов, Е.И. Афонин, М.Е. Ли (СССР). –№3827642; Заявлено 18.12.84; Опубл.30.06.86, Бюл. №24. – С. 141.
19.
Ас. 1500855 СССР, МКИ G 01 J 1/44. Фотоприемное устройство / А.И. Чепыженко (СССР). –№4260044; Заявлено 10.06.87; Опубл.15.08.89, Бюл. №30. – С. 150.
АНОТАЦІЯ
Чепиженко О. І. Оптико-електронні системи одержання даних для інтерпретації космічних знімків прибережних вод у видимому діапазоні. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.12. – Дистанційні аерокосмічні дослідження. - Морський гідрофізичний інститут НАН України, - Севастополь, 2003.
У роботі обгрунтовано і розвивається новий напрям дослідження прибережної зони, заснований на попередньому аналізі інформативних ознак і методів їхньої реєстрації та визначенні структури оптичних вимірювальних систем підсупутникового забезпечення з урахуванням особливостей моніторингу прибережної зони. Викладено результати розробки оптико-електронних систем для інтерпретації космічних знімків прибережних вод у видимому діапазоні. Обгрунтовано ефективність застосування диференціальних методів при розробці вимірників гідрооптичних характеристик, висока ефективність яких доведена теоретично і підтверджена експериментальними й натурними дослідженнями. Основними результатами роботи є розробка оптико-електронних систем, які чітко визначають послаблення, поглинаючі і світлорозсіюючі властивості водного середовища; умови фотосинтезу і поглинання обумовленого природним світловим полем і біотичною продуктивністю. А також забруднюючі домішки на водній поверхні, що істотно впливають на точність визначення оптично активних домішок дистанційними методами і їхньою апробацією.
Ключові слова: оптико-електронні системи, гідрооптичні вимірники, підсупутникове забезпечення, методи і засоби визначення оптично активних речовин.
АННОТАЦИЯ
Чепыженко А. И. Оптико-электроные системы получения данных для интерпретации космических снимков прибрежных вод в видимом диапазоне. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.07.12. – Дистанционные аэрокосмические исследования. - Морской гидрофизический институт НАН Украины, - Севастополь, 2003.
Диссертация посвящена вопросам разработки и создания оптико -электронных систем получения данных для интерпретации космических снимков поверхностных вод наиболее сложных для исследования объектов прибрежной зоны, позволяющих производить с высокой точностью прямые измерения разнообразных гидрооптических параметров, с высокой достоверностью характеризующих содержание природных и загрязняющих оптически активных компонентов в водной среде. В работе развивается новое направление при исследовании прибрежной зоны, основанное на предварительном анализе информативных признаков и методов их регистрации. Определение, с целью повышения точности интерпретации данных космических снимков видимого диапазона, структуры оптических измерительных систем подспутникового обеспечения с учетом особенностей мониторинга прибрежной зоны. Установлено, что достоверность данных, опирающихся на дистанционные модели, в значительной мере основана на полноте и точности измеряемых оптических характеристик непосредственно в
