Двухспектральный дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды

Двухспектральный дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного обнаружения разливов нефти и нефтепродуктов в морях и внутренних водоемах.

Известен способ обнаружения нефтяной пленки на поверхности воды [1], заключающийся в том, что исследуемую водную поверхность облучают импульсным пучком оптического излучения, принимают отраженный сигнал и проводят сравнение сигналов, отраженных от поверхности чистой и исследуемой воды. В качестве параметра сравнения выбирается количество импульсных сигналов N, превысивших порог срабатывания анализатора. При N≥N_b судят о наличии нефтяной пленки, а при N<N_b - об ее отсутствии (N_b - число, характеризующее вероятность приема сигналов в условиях волнения).

Недостатком этого способа обнаружения нефтяных загрязнений является невысокая достоверность обнаружения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ [2] обнаружения нефтяной пленки на водной поверхности путем облучения поверхности воды импульсным пучком оптического излучения и приема отраженного сигнала с последующим сравнением сигналов, отраженных от поверхности чистой и исследуемой воды, в качестве параметров отраженного излучения выбирают энергию W и длительность эхо-импульса τ, а о наличии нефтяной пленки судят по выполнению одновременно двух соотношений:

W>W_o

τ<τ_о

где W, W_o и τ, τ_o - соответственно энергии и длительности эхо-импульса, регистрируемого приемником от исследуемой и чистой водной поверхностей.

Недостатком этого способа является ошибочное обнаружение нефтяных загрязнений при наличии на водной поверхности участков с сильно сглаженным волнением, на которых нефтяных загрязнений нет.

Избежать этого недостатка можно тем, что согласно способу обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности водоемов, включающему облучение поверхности воды импульсным пучком оптического излучения, прием отраженного сигнала и последующее сравнение сигналов, отраженных от поверхности чистой и исследуемой воды, облучение поверхности и прием отраженного сигнала осуществляют на двух длинах волн, в качестве параметров отраженного излучения выбирают отношения мощностей лазерных сигналов, полученных от исследуемой водной поверхности, к соответствующим мощностям лазерных сигналов, полученным от чистой водной поверхности, а о наличии нефтяной пленки судят по выполнению одновременно двух соотношений:

где

λ₁, λ₂ - длины волн зондирования;

Р(λ₁), Р(λ₂) и P_w(λ₁), P_w(λ₂) - мощности лазерных сигналов на длинах волн λ₁, λ₂, полученные, соответственно, от исследуемой водной поверхности и от чистой водной поверхности.

Наличие отличительных признаков указывает на соответствие критерию "новизна".

Указанные отличительные признаки известны в патентной литературе лишь частично [1-3] (известны варианты использования для обнаружения нефтяной пленки различных параметров, в том числе и двух параметров отраженного сигнала - энергии и длительности импульса [2]), их совокупность не известна, и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство содержит источник оптического излучения 1, формирующий излучение на двух длинах волн; фотоприемник 2, регистрирующий отраженное от водной поверхности излучение на двух длинах волн; блок обработки 3, который по данным двухспектральных измерений определяет отношения мощностей лазерных сигналов, полученных от исследуемой водной поверхности, к соответствующим мощностям лазерных сигналов, полученным от чистой водной поверхности, и проводит проверку выполнения соотношений (1), что позволяет с высокой достоверностью проводить обнаружение нефтяных загрязнений.

Устройство работает следующим образом.

Источник оптического излучения 1 облучает исследуемую водную поверхность 4 (например, источник излучения 1 может находиться на самолетном носителе). Облучение водной поверхности осуществляют вертикально вниз на двух длинах волн. Интенсивность отраженного излучения на каждой длине волны регистрируется фотоприемником 2. Сигнал с фотоприемника 2 поступает в блок 3, где измеренные интенсивности отраженного излучения от исследуемой водной поверхности сравниваются с интенсивностью отраженного излучения от чистой водной поверхности (которая регистрируется в начале измерений при полете над заведомо чистым участком водной поверхности и хранится в памяти блока 3). В блоке обработки вычисляются отношения мощностей лазерных сигналов, полученных от исследуемой водной поверхности, к соответствующим мощностям лазерных сигналов, полученным от чистой водной поверхности, проводится проверка выполнения соотношений (1) и делается ввод о наличии или отсутствии нефтяных загрязнений. При облете исследуемой акватории результатом работы блока 3 является массив данных о наличии нефтяных загрязнений.

Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что физической основой дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности методом оптического зондирования является наличие контраста яркости отраженного излучения от чистой водной поверхности и водной поверхности, покрытой пленкой нефти. Контраст обусловлен двумя причинами: нефтяная пленка имеет другой коэффициент отражения, чем граница раздела воздух-вода, и нефтяная пленка сглаживает волнение водной поверхности (см., например, [4, 5]). Контроль только одного из этих эффектов уменьшает достоверность обнаружения нефтяных загрязнений: область со сглаженным волнением может быть ветровой тенью за островом или высоким берегом; коэффициент отражения может меняться не только из-за нефтяных загрязнений, но и из-за наличия пены на водной поверхности, пленки биологического происхождения и т.п.

Для повышения достоверности обнаружения нефтяных загрязнений необходимо контролировать наличие одновременно двух эффектов - сглаживания волнения и изменения коэффициента отражения водной поверхности. Это достигается облучением поверхности и приемом отраженного сигнала на двух длинах волн, определением по данным двухспектральных измерений отношения мощностей лазерных сигналов, полученных от исследуемой водной поверхности, к соответствующим мощностям лазерных сигналов, полученным от чистой водной поверхности, и проверкой выполнения соотношений (1).

Длины волн зондирования λ₁, λ₂ должны быть специально подобраны так, чтобы выполнялись приведенные выше неравенства. Вариантов выбора пар длин волн λ₁ и λ₂ достаточно много. В таблице в качестве примера приведены результаты расчетов (проведенных по формулам [4, 5]) величин

и N для трех пар длин волн зондирования: 2,5 и 1,06 мкм; 5,9 и 2,86 мкм; 11 и 1,43 мкм в случае различного характера исследуемого участка водной поверхности: нефтяное пятно, область со сглаженным волнением, пенное образование, участок водной поверхности без нефтяных загрязнений. Из таблицы хорошо видно, что для всех трех пар длин волн соотношения (1) выполняются и это позволяет отличать нефтяные загрязнения от областей со сглаженным ветровым волнением и пенных образований и тем самым с большой достоверностью принимать решения о наличии нефтяных загрязнений.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи увеличения надежности обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности. Известные способы обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды могут ошибочно идентифицировать как "нефтяные загрязнения" участки водной поверхности со сглаженным ветровым волнением и области с пенными образованиями.

Двухспектральный дистанционный лазерный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды позволяет с высокой достоверностью обнаруживать нефтяные загрязнения на водной поверхности, так как отличает области загрязнения от областей со сглаженным ветровым волнением и областей с пенными образованиями.

Данное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонентов и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР N1354073, кл. G01N 21/55, 1987.

2. Патент РФ на изобретение №2143108, кл. G01N 21/55, 1999.

3. Авторское свидетельство СССР N1092393, кл. G01N 21/85, 1984.

4. Радиофизический мониторинг загрязнений природной среды / Белов М.Л., Городничев В.А., Козинцев В.И. и др. М.: Аргус, 1994, 107 с.

5. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды / Козинцев В.И., Орлов В.М., Белов М.Л. и др. М.: Изд-во МГТУ, 2002, 528 с.

Дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности путем облучения поверхности воды импульсным пучком оптического излучения и приема отраженного сигнала с последующим сравнением сигналов, отраженных от поверхности чистой и исследуемой воды, для принятия решения о наличии нефтяной пленки, отличающийся тем, что облучение поверхности и прием отраженного сигнала осуществляют на двух длинах волн, в качестве параметров отраженного излучения выбирают отношения мощностей лазерных сигналов, полученных от исследуемой водной поверхности, к соответствующим мощностям лазерных сигналов, полученным от чистой водной поверхности, а о наличии нефтяной пленки судят по выполнению одновременно двух соотношений:

где

λ₁, λ₂ - длины волн зондирования;

Р(λ₁), Р(λ₂) и P_w(λ₁), P_w(λ₂) - мощности лазерных сигналов на длинах волн λ₁, λ₂, полученные от исследуемой и от чистой водной поверхности.