Двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного обнаружения разливов нефти и нефтепродуктов в морях и внутренних водоемах. Способ заключается в облучении поверхности и приеме отраженного сигнала, которые осуществляют для двух углов. В качестве параметров отраженного излучения выбирают мощности сигналов, полученных при облучении поверхности вертикально вниз и под углом к вертикали, а о наличии нефтяной пленки судят по выполнению одновременно двух соотношений:

P_oM>P_owM_w и M<M_w

где:

Р_o, P_ow - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка, направленного вертикально вниз, Р_x, P_xw и Р_у, P_yw - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка, направленного под углом θ к вертикали, для линий полета вдоль оси x и оси у соответственно. Техническим результатом является прощение аппаратной реализации при высокой достоверности обнаружения. 2 ил.

 

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, для принятия решения о наличии нефтяной пленки, 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:

P(λ₁)>P_w(λ₁) или P(λ₂)>P_w(λ₂)

N>1

где:

λ₁, λ₂ - длины волн зондирования; P(λ₁), P(λ₂) и Pw(λ₁) - Pw(λ₂) - мощности лазерных сигналов на длинах волн λ₁, λ₂, полученные от исследуемой и от чистой водной поверхности.

Недостатком этого способа является сложность его аппаратурной реализации, связанная с необходимостью облучения поверхности и приема отраженного сигнала на двух длинах волн. При этом не только возникает необходимость использования (из-за сильного отличия длин волн излучения) двух разных оптических излучателей (например, лазеров) и двух разных приемных оптических систем, но сами длины волн излучения могут быть очень специфичными и редко используемыми (что приводит к большой стоимости аппаратуры).

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 для двух углов, в качестве параметров отраженного излучения выбирают мощности сигналов, полученных при облучении поверхности вертикально вниз и под углом к вертикали, а о наличии нефтяной пленки судят по выполнению одновременно двух соотношений:

где:

P_o, Р_ow, - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка направленного вертикально вниз, Р_x, Р_xw и P_y, P_yw - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка, направленного под углом θ к вертикали, для линий полета вдоль оси x и оси у соответственно.

Наличие отличительных признаков указывает на соответствие критерию "новизна".

Указанные отличительные признаки известны в патентной литературе лишь частично [1-4] (известны варианты использования для обнаружения нефтяной пленки различных параметров, в том числе и двух параметров отраженного сигнала [2, 3]), их совокупность не известна, и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство содержит источник оптического излучения 1, фотоприемник 2, блок 3 памяти, блок 4 вычисления величин М и М_w, блок 5 сравнения величин Р_oМ, Р_owМ_w и М, М_w для исследуемой водной поверхности 8 и чистой водной поверхности.

Перед началом измерений на исследуемой акватории осуществляется предварительный полет над заведомо чистым (без нефтяных загрязнений) участком акватории. Во время предварительного полета регистрируются и запоминаются в блоке памяти 3 мощность сигнала Р_ow от чистой водной поверхности для пучка направленного вертикально вниз и мощности Р_xw, Р_yw от чистой водной поверхности для пучка, направленного под углом θ к вертикали, на двух отрезках полета - вдоль оси x (некоторой произвольной системы координат, например системы координат, привязанной к скорости ветра, для которой ось x совпадает с направлением ветра) и для линии полета вдоль оси у, перпендикулярной оси х.

Во время измерений на исследуемой акватории полет осуществляется также вдоль тех же самых осей x и у. Во время полета регистрируются мощность сигнала Р_o от исследуемой водной поверхности для пучка направленного вертикально вниз и мощности Р_xw, Р_yw от исследуемой водной поверхности для пучка, направленного под углом θ к вертикали для линий полета вдоль оси x и оси у соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Источник оптического излучения 1, облучающий исследуемую водную поверхность 8, движется вдоль линии движения 9 (галсами вдоль осей x и у).

Зондирование осуществляют двумя оптическими пучками - вертикально вниз 6 и под некоторым углом θ к вертикали 7 (для определенности пучок 7 показан на чертеже в плоскости полета носителя). Мощность отраженного излучения каждого из двух пучков регистрируется фотоприемником 2. Сигнал с фотоприемника поступает в блок 4, где мощности отраженного излучения от исследуемой поверхности для двух пучков и мощности отраженного излучения от чистой поверхности из блока 3 используют для вычисления М и М_w,. Затем в блоке сравнения 5 сравниваются величины Р_oМ, Р_owМ_w и М, М_w для исследуемой водной поверхности 8 и чистой водной поверхности (проводится проверка выполнения соотношений (1)) и принимается решение о наличии нефтяных загрязнений на водной поверхности. Результатом работы блока 5 является массив данных о наличии нефтяных загрязнений на водной поверхности.

Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что физической основой дистанционного обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности в оптическом диапазоне является наличие контраста яркости отраженного излучения от чистой водной поверхности и водной поверхности покрытой пленкой нефтепродукта (см., например [5, 6]). Контраст обусловлен двумя причинами: пленки нефтепродуктов имеют другой коэффициент отражения, чем граница раздела воздух-вода, и пленки нефтепродуктов сглаживают волнение водной поверхности. Контроль только одного параметра (например, интенсивности отраженного излучения при зондировании водной поверхности одним оптическим пучком) уменьшает достоверность обнаружения пленок нефтепродуктов, т.к. на него одновременно влияют как коэффициент отражения, так и волнение водной поверхности. Это связано с тем, что область со сглаженным ветровым волнением может быть областью слика на водной поверхности или ветровой тенью за островом или высоким берегом, а коэффициент отражения от водной поверхности может меняться не только из-за нефтяных загрязнений, но и из-за наличия пенных образований на водной поверхности, пленки биологического происхождения, водорослей и т.п.

Для повышения достоверности обнаружения нефтяных загрязнений необходимо контролировать наличие одновременно двух эффектов - сглаживания волнения и изменения коэффициента отражения водной поверхности. Это может быть достигнуто использованием двухуглового метода обнаружения нефтяных загрязнений на неровной морской поверхности [7]. Использование дополнительной информации (полученной во время предварительного полета над заведомо чистым участком акватории) позволяет упростить аппаратурную реализацию и использовать для облучения поверхности только два оптических пучка - направленного вертикально вниз и под некоторым углом к вертикали.

На фиг.2 приведены результаты математического моделирования работы дистанционного способа обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды. Здесь показана зависимость вероятности правильного обнаружения нефтяного загрязнения Р от относительной (к значению полезного измеряемого сигнала) дисперсии шума измерения (заданной в процентах) при разных значения скорости приводного ветра U. Из чертежа видно, что двухугловой способ обеспечивает высокую достоверность обнаружения нефтяных загрязнений в широком диапазоне скоростей приводного ветра и шума измерения.

Таким образом, использование двухуглового способа позволяет существенно упростить аппаратурную реализацию и обеспечить в то же время высокую достоверность обнаружения пленок нефтепродуктов на поверхности воды при дистанционных измерениях.

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

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР N 1354073, кл. G01N 21/55, 1987.

2. Патент РФ на изобретение № 2298169, кл. G01N 21/55, 2006.

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

4. Авторское свидетельство СССР N 1092393, кл. G01N 21/85, 1984.

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

6. 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.

7. Двухугловой лазерный метод обнаружения нефтяных загрязнений на неровной морской поверхности // Белов М.Л., Козинцев В.И., Городничев В.А. и др. Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 2005. - N1. - С.19-29.

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 для двух углов, в качестве параметров отраженного излучения выбирают мощности сигналов, полученных при облучении поверхности вертикально вниз и под углом к вертикали, а о наличии нефтяной пленки судят по выполнению одновременно двух соотношений

P_oM>P_owM_w и M<M_w

где

P_o, P_ow - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка, направленного вертикально вниз, Р_x, P_xw и Р_у, P_yw - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка, направленного под углом θ к вертикали, для линий полета вдоль оси x и оси у соответственно.