Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды
Владельцы патента RU 2440566:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает облучение поверхности воды в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны возбуждения λвозб и регистрацию интенсивности флуоресцентного излучения I(λ1) и I(λ2) от исследуемой водной поверхности в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2. Проводят сравнение измеренной относительной флуоресценции с пороговыми значениями. Конкретные значения порогов зависят от конкретной длины волны возбуждения λвозб и определяются из условия максимальной вероятности правильного обнаружения при приемлемом значении вероятности ложных тревог. 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного обнаружения разливов нефти и нефтепродуктов на морских, озерных и речных акваториях.
Одними из наиболее перспективных классов датчиков для дистанционного оперативного обнаружения разливов нефти и нефтепродуктов являются лазерные флуорометры, работа которых основана на регистрации флуоресцентного излучения от исследуемой водной поверхности [1].
Известны способы обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды [1-4], заключающиеся в том, что исследуемую водную поверхность облучают на длине волны возбуждения в ультрафиолетовом диапазоне, регистрируют флуоресцентное излучение от исследуемой водной поверхности и о наличии нефтяных загрязнений судят, либо проводя калибровку измеренных сигналов в некоторых спектральных диапазонах по сигналу флуоресценции окружающей чистой воды и потом используя величину калиброванных сигналов для нахождения аномалий в принятом сигнале флуоресценции [1-3], либо по результату корреляции измеренных спектров флуоресцентного излучения со спектрами излучения эталонных образцов [4].
Недостатком этих способов обнаружения нефтяных загрязнений является сложность методики измерения, связанная с необходимостью калибровки измеряемых сигналов по сигналу флуоресценции окружающей воды, или сложность регистрирующей аппаратуры, вызванная необходимостью регистрации спектра флуоресценции в широком спектральном диапазоне для использования корреляционной обработки измеренных спектров флуоресцентного излучения.
Избежать этого недостатка можно тем, что для обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды облучают исследуемую водную поверхность в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны λвозб, регистрируют интенсивность флуоресцентного излучения I(λ1) и I(λ2) от исследуемой водной поверхности в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2, выбранных из условия максимального различия величины
для нефтепродуктов) от величины 
для воды),
и о наличии нефтяных загрязнений судят по выполнению соотношения:
или
где
- пороговые значения, выбранные в результате предварительных исследований спектров флуоресценции нефтепродуктов (отношения 
) и спектра флуоресценции воды (отношения 
) для исследуемой акватории.
Вид пороговых соотношений (1) или (2) и конкретные значения порогов зависят от конкретной длины волны возбуждения λвозб и определяются из условия максимальной вероятности правильного обнаружения (вероятности принятия решения о наличии нефтяных загрязнений, когда они действительно присутствуют на исследуемой акватории) при приемлемом значении вероятности ложных тревог (вероятности принятия решения о наличии нефтяных загрязнений, когда их в действительности нет на исследуемой акватории).
Предлагаемый способ использует достоинства способов [1-3] (использование для измерения всего нескольких спектральных диапазонов) и [4] (возможность использования относительных измерений и заранее снятых спектров эталонных образцов), но не имеет их недостатков. Предлагаемый способ позволяет:
- по сравнению с [1-3] упростить методику измерений: убрать этап измерения интенсивности сигналов флуоресценции заведомо чистой (без нефтяных загрязнений) окружающей воды, ведь автоматически (например, с авиационного носителя) это сделать очень сложно (сложно принять решение, что на акватории нет нефтяных загрязнений), значит надо привлекать для измерений береговые службы или суда на исследуемой акватории;
- по сравнению с [4] упростить регистрирующую аппаратуру: вместо регистрации спектра флуоресценции в широком спектральном диапазоне использовать регистрацию спектра флуоресцентного излучения в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2, которые выбираются в результате предварительных исследований.
На чертеже схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.
Устройство содержит источник ультрафиолетового излучения 1, облучающий водную поверхность на длине волны возбуждения λвозб; фотоприемник 2, регистрирующий флуоресцентное излучение от водной поверхности в двух узких спектральных диапазонах (с центрами на длинах волн λ1, λ2); блок обработки 3, который по данным измерений определяет величину 
и проводит проверку выполнения соотношений (1) или (2).
Устройство работает следующим образом.
Источник ультрафиолетового излучения 1 (например, лазер с длиной волны возбуждения 266, или 308, или 337 нм - на эти длины волн приходится наибольшее количество известных по общедоступной научно-технической литературе измеренных спектров флуоресценции воды и нефтепродуктов) облучает исследуемую водную поверхность 4 на длине волны возбуждения λвозб (например, источник излучения 1 может находиться на авиационном носителе). Облучение водной поверхности осуществляют вертикально вниз. Фотоприемник 2 регистрирует от исследуемой водной поверхности интенсивность флуоресцентного излучения I(λ1), I(λ2) в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2. Сигналы с фотоприемника 2 поступают в блок обработки 3, в который заранее введены пороговые значения (вид пороговых соотношений (1) или (2), и конкретные значения порогов 
или 
и 
заранее определены для используемой волны возбуждения λвозб и исследуемой акватории). В блоке обработки по данным измерений определяют величину 
, проводят проверку выполнения порогового соотношения и определяют наличие или отсутствие нефтяных загрязнений. При облете исследуемой акватории результатом работы блока 3 является массив данных о наличии нефтяных загрязнений (карта нефтяных зазрязнений).
В настоящее время имеются достаточно многочисленные общедоступные экспериментальные данные по спектрам флуоресценции различных нефтепродуктов и чистой воды для разных акваторий (и для разных лазерных длин волн возбуждения) (см., например, [1, 5-7]).
Для обнаружения конкретного вида нефтепродукта на фоне конкретного типа вод естественным требованием к выбору длин волн λ1 и λ2 является максимизация «расстояния» R(λ1, λ2) (в пространстве значений отношения интенсивности сигналов флуоресценции 
на длинах волн λ1 и λ2) между значением 
(отношения интенсивности сигналов флуоресценции для этого нефтепродукта) и значением 
(отношения интенсивности сигнала флуоресценции для воды). В качестве «расстояния» R(λ1, λ2) можно использовать, например, следующее выражение:
где
- значения отношения интенсивности сигналов флуоресценции на длинах волн λ1, λ2 соответственно для нефтепродукта и воды.
Для задачи обнаружения любого нефтепродукта на конкретной акватории естественным требованием к выбору длин волн λ1 и λ2 является максимизация минимального (по всем видам нефтепродуктов для конкретной акватории) из «расстояний»
в пространстве значений отношения интенсивности сигналов флуоресценции. Таким образом, в общем случае задача выбора λ1 и λ2 сводится к перебору по длинам волн и поиску максимума функции F(λi, λj) двух переменных:
где 
- значения отношения интенсивности сигналов флуоресценции на длинах волн λi и λj соответственно для m-го вида нефтепродукта и конкретной k-й акватории.
Исследование эффективности предлагаемого метода обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности проводилось методом математического моделирования. Для моделирования использовались длины волн возбуждения 337 нм и 266 нм. Относительное среднеквадратическое значение шума регистрирующей аппаратуры задавалось в диапазоне 2-12%. В качестве исходных данных были использованы общедоступные экспериментально измеренные спектры флуоресценции различных нефтепродуктов и чистой воды для разных акваторий (см., например, 1, 5-7).
Для длины волны возбуждения 337 нм математическое моделирование дает следующие значения λ1 и λ2: λ1=537,5 нм, λ2=395,0 нм. Пороговый алгоритм обнаружения нефтяных загрязнений для длины волны возбуждения 337 нм имеет простой вид:
где
Для другой длины волны возбуждения - 266 нм выбор λ1 и λ2 математическое моделирование дает: λ1=348,5 нм, λ2=317 нм. Пороговый алгоритм обнаружения нефтяных загрязнений для длины волны возбуждения 266 нм имеет более сложный вид:
где
В Таблицах 1 и 2 приведены результаты математического моделирования обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности предлагаемым способом. Моделирование проводилось для длин волн возбуждения 337 нм и 266 нм и разной величины относительного среднеквадратического значения шума регистрирующей аппаратуры. В таблицах приведены вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений и вероятности ложных тревог.
| Таблица 1 | ||||||
| Вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений и вероятность ложных тревог для длины волны возбуждения 337 нм | ||||||
| Относительное среднеквадратическое значение шума измерения, % | ||||||
| 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| Вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений | ||||||
| Дизельное топливо | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 0,9996 | 0,9984 | 0,9954 |
| Керосин | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 0,9996 | 0,9976 | 0,9914 |
| Нефть | 1,0000 | 1,0000 | 0,9998 | 0,9992 | 0,9951 | 0.9878 |
| Солярное масло | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 0,9994 | 0,9974 | 0,9945 |
| Вероятности ложных тревог | ||||||
| Вода речная | 0,0000 | 0,0005 | 0,0001 | 0,0004 | 0,0028 | 0,0068 |
| Таблица 2 | ||||||
| Вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений и вероятность ложных тревог для длины волны возбуждения 266 нм | ||||||
| Вещество | Относительное среднеквадратическое значение шума измерения, % | |||||
| 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | |
| Вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений | ||||||
| Топливо | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,000 |
| Нефть Шаимская | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 0,9986 | 0,9946 |
| Нефть Ливийская | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 |
| Мазут | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 0,9999 |
| Вероятности ложных тревог | ||||||
| Вода | 0,0000 | 0,0000 | 0,0000 | 0,0000 | 0,0007 | 0,0025 |
Из Таблиц 1, 2 видно, что предлагаемый способ позволяет обнаруживать нефтяные загрязнения на водной поверхности с вероятностью правильного обнаружения, близкой к единице при очень небольшой вероятности ложных тревог, даже при больших значениях шума измерения.
Таким образом, предлагаемый способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды, основанный на регистрации флуоресцентного излучения в двух узких спектральных диапазонах, позволяет достаточно надежно обнаруживать нефтяные загрязнения на водной поверхности.
Источники информации
1. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. - М.: Мир. 1987, - 550 с.
2. Patent US 7227139. System and method for optical detection of petroleum and other products in an environment. Date of Patent Jun. 5, 2007. Int. Cl. G01N 21/64.
3. Заявка РСТ WO 93/25891. Oil spill detection system. International Publication Date 23.12.1993. International Patent Classification G01N 21/64.
4. Патент RU 2233438. Способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения. Дата действия патента 26.08.2003. МПК G01N 21/64.
5. Таер Абд Дейдан, Пацаева С.В., Фадеев В.В., Южаков В.И. Спектральные особенности флуоресценции нефтепродуктов в пленках и в объеме воды. // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т.7. №4. С.455-463.
6. Дистанционный контроль верхнего слоя океана. / В.М.Орлов, И.В.Самохвалов, М.Л.Белов и др. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1991, 149 с.
7. Глушков С.М., Фадеев В.В., Филиппова Е.М., Чубаров В.В. Проблемы лазерной флуориметрии органических примесей в природных водах. // Оптика атмосферы и океана. - 1994. - Т.7, №4. - С.464-473.
Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды, заключающийся в том, что поверхность воды облучают в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны λвозб, регистрируют интенсивность флуоресцентного излучения I(λ1) и I(λ2) от исследуемой водной поверхности в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2, выбранных из условия максимального различия величины 
для всех типов нефтепродуктов от величины 
для исследуемой акватории, а о наличии нефтяных загрязнений судят по выполнению соотношений:
или 
где 
, 
и 
- пороговые значения, выбранные в результате предварительных исследований спектров флуоресценции нефтепродуктов - отношения и спектра флуоресценции воды - отношения для исследуемой акватории, причем вид пороговых соотношений, (1) или (2), и конкретные пороговые значения зависят от длины волны возбуждения λвозб и определяются из условия максимальной вероятности правильного обнаружения при приемлемом малом значении вероятности ложных тревог.
