Дистанционный лазерный способ обнаружения нефтяной пленки на поверхности воды

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для экспресс-контроля разливов нефти и нефтепродуктов в морях и внутренних водоемах. Способ обнаружения нефтяной пленки на поверхности водоемов включает зондирование исследуемой водной поверхности импульсным оптическим пучком, регистрацию энергии и длительности эхо-импульса, отраженного от водной поверхности, и сравнение энергии и длительности эхо-импульса, отраженного от исследуемой и чистой водных поверхностей. О наличии нефтяной пленки на водной поверхности судят по выполнению одновременно двух соотношений: W > W₀, τ<τ₀, где W, W₀ и τ,τ₀ - соответственно энергии и длительности эхо-импульса, регистрируемого приемником от исследуемой и чистой водных поверхностей. Техническим результатом является повышение достоверности обнаружения. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для экспресс-контроля разливов нефти и нефтепродуктов в морях и внутренних водоемах.

Известен способ обнаружения нефтяной пленки на поверхности воды, заключающийся в том, что исследуемую поверхность облучают оптическим излучением и регистрируют интенсивность отраженного излучения в разных спектральных диапазонах [1].

Недостатком этого способа является его малая оперативность и вследствие этого слабая пригодность к дистанционным измерениям, предназначенным для контроля больших акваторий.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ [2] обнаружения нефтяной пленки на поверхности воды, в котором исследуемую водную поверхность облучают импульсным пучком оптического излучения, принимают отраженный сигнал и проводят сравнение сигналов, отраженных от поверхности чистой и исследуемой воды, выбирая в качестве параметра сравнения 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 (где N_b - число, характеризующее вероятность приема отраженных сигналов в условиях волнения).

Недостатком этого способа обнаружения нефтяной пленки является невысокая достоверность обнаружения.

Избежать этого недостатка можно тем, что согласно способу обнаружения нефтяной пленки 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, в качестве параметров отраженного излучения выбирают энергию W и длительность эхо-импульса τ, регистрируемого приемником, а о наличии нефтяной пленки судят по выполнению одновременно двух соотношений: W > W₀, τ < τ_o, где W, W₀ и τ,τ_o - соответственно энергии и длительности эхо-импульса, регистрируемого приемником от исследуемой и чистой водных поверхностей.

Наличие отличительных признаков указывает на соответствие критерию "новизна".

Указанные отличительные признаки известны в научно-технической и патентной литературе лишь частично [2-4] (известны варианты использования в качестве параметра интенсивности отраженного излучения, которая является энергетической характеристикой отраженного излучения, как и энергия эхо-импульса), их совокупность неизвестна в научно-технической и патентной литературе, и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство содержит импульсный лазерный источник 1, фотоприемник 2, блок 3 вычисления энергии W и длительности τ эхо-импульса, регистрируемого приемником, блок 4 сравнения энергии и длительности эхо-импульса, отраженного от исследуемой поверхности 5 и от чистой водной поверхности.

Устройство работает следующим образом.

Зондирующее импульсное лазерное излучение отражается исследуемой водной поверхностью, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок 3 вычисления энергии W и длительности τ эхо-импульса. Затем вычисленные энергия W и длительность τ эхо-импульса, отраженного от исследуемой водной поверхности, сравнивают в блоке сравнения 4 с энергией и длительностью эхо-импульса, отраженного от чистой водной поверхности, которые хранятся в памяти упомянутого блока сравнения.

Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что физической основой дистанционного обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности методом лазерного 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. Контроль только одного из этих эффектов уменьшает достоверность обнаружения нефтяных загрязнений: область со сглаженным ветровым волнением может быть бликом на водной поверхности или ветровой тенью за островом или высоким берегом; коэффициент отражения от водной поверхности может меняться не только из-за нефтяных загрязнений, но и из-за наличия пены на водной поверхности, пленки биологического происхождения, водорослей и т.п. Для повышения достоверности обнаружения нефтяных загрязнений необходимо контролировать наличие одновременно двух эффектов - сглаживания ветрового волнения и изменения коэффициента отражения водной поверхности. Это достигается выбором в качестве статистических параметров энергии W (для контроля изменения коэффициента отражения водной поверхности) и длительности τ эхо-импульса, регистрируемого приемником (для контроля сглаживания ветрового волнения).

Таким образом, выбор в качестве статистических параметров энергии W и длительности τ эхо-импульса, регистрируемого приемником, позволяет существенно повысить достоверность обнаружения нефтяной пленки на поверхности воды при дистанционных измерениях.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи увеличения надежности обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности. Известные способы обнаружения нефтяной пленки на поверхности воды могут ошибочно идентифицировать как "нефтяные загрязнения" участки водной поверхности со сглаженным ветровым волнением (такие как блик на водной поверхности, ветровая тень за островом или высоким берегом) и области с высоким коэффициентом отражения (например, из-за наличия пены на водной поверхности, пленки биологического происхождения, водорослей и т.п.).

Разработанный алгоритм обнаружения позволяет с высокой достоверностью идентифицировать нефтяные загрязнения на водной поверхности, так как отличает нефтяные загрязнения от областей со сглаженным ветровым волнением и областей с высоким коэффициентом отражения.

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

Источники информации 1. Крылова Т.В. Интерференционные покрытия. - Л.: Машиностроение, 1973, с. 174-190.

2. Авторское свидетельство СССР N 1354073, кл. G 01 N 21/55, 1987.

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

4. Кропоткин М.А. и др. Применение для обнаружения поверхностных нефтяных загрязнений внутренних водоемов оптического локатора на основе прожектора видимого света. // Водные ресурсы, 1980, N 6, с. 167-171.

Формула изобретения

Дистанционный способ 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, отличающийся тем, что 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 > W₀, τ < τ_o, где W, W₀ и τ, τ_o - соответственно энергии и длительности эхо-импульса, регистрируемого приемником от исследуемой и чистой водной поверхностей.

РИСУНКИ

Рисунок 1