БЕЛОВ, Михаил Леонидович (ул. Пудовкина, д. 6 к. 3, кв. 80, Москв, 5 Moscow, 119285, RU)
GORODNICHEV, Victor Aleksandrovich (kor.1204, kv.169Moscow, 103460, RU)
ГОРОДНИЧЕВ, Виктор Александрович (кор.1204, кв.169 Москв, 0 Moscow, 103460, RU)
KOZINTSEV, Valentin Ivanovich (Rubtsovskaya nab, d.2 k.1, kv.1, Moscow 5, 113035, RU)
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Э.БАУМАНА" (МГТУ ИМ. Н.Э.БАУМАНА) (2-я Бауманская, 5 Москва 5, Moscow, 105005, RU)
BELOV, Mikhail Leonidovich (ul. Pudovkina, d. 6 k. 3, kv. 8, Moscow 5, 119285, RU)
БЕЛОВ, Михаил Леонидович (ул. Пудовкина, д. 6 к. 3, кв. 80, Москв, 5 Moscow, 119285, RU)
GORODNICHEV, Victor Aleksandrovich (kor.1204, kv.169Moscow, 103460, RU)
ГОРОДНИЧЕВ, Виктор Александрович (кор.1204, кв.169 Москв, 0 Moscow, 103460, RU)
| Формула изобретения Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды заключающийся в том, что поверхность воды облучают в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны λΒ03ρ , регистрируют интенсивность флуоресцентного излучения Ι( ι) и 1(^2 ) от исследуемой водной поверхности в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн , λ^2 ' выбранных из условия максимального различия величины ιΗ(λ2) для всех типов нефтепродуктов от величины ιΒ(λ2) для Ι„(λ,) Ι-(λ,) исследуемой акватории, а о наличии нефтяных загрязнений судят по выполнению соотношений: ΐ -Ιπορ2 где: - пороговые значения, выбранные в результате предварительных исследований спектров флуоресценции нефтепродуктов - отношения ιΗ(λ2) и спектра флуоресценции воды - отношения ιΒ(λ2) для ΙΗ(λι) 1В(/Ч) исследуемой акватории, причем вид пороговых соотношений, (1) или (2), и конкретные пороговые значения зависят от длины волны возбуждения λΒ03ρ и определяются из условия максимальной вероятности правильного обнаружения при приемлемом малом значении вероятности ложных тревог. |
Область техники
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного обнаружения разливов нефти и нефтепродуктов на морских, озерных и речных акваториях.
Уровень техники
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.
Раскрытие изобретения
Избежать этого недостатка можно тем, что для обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды, облучают исследуемую водную поверхность в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны λ Β03β , регистрируют интенсивность флуоресцентного излучения Ι(λι) и 1(^ 2 ) от исследуемой водной поверхности в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λι , λ^ , выбранных из условия ι Η (λ 2 ) Ι„(λ 2 ) Ι(λ 2 )
максимального различия величины ( для нефтепродуктов) от
ι Η (λ,) ι Η (λ ΐ(λ величины ι Β (λ 2 ) ( ι Β (λ 2 ) = ΐ(λ 2 ) для воды), и о наличии нефтяных загрязнений
Ι,(λ,) Ί,(λ,) Ι(λ, )
судят по выполнению соотношения:
-шор или
Jnopl Ι(λ,) Jnop 2 где: пороговые значения, выбранные в пор2
результате предварительных исследований спектров флуоресценции нефтепродуктов
Ι„(λ 2 ) Ι Β (λ 2 )
(отношения ) и спектра флуоресценции воды (отношения ) для
Ι Η (λι) Ι Β (λι ) исследуемой акватории.
Вид пороговых соотношений, (1) или (2), и конкретные значения порогов зависят от конкретной длины волны возбуждения λ Β03β 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 несколько 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 | , λ2 , которые выбираются в результате предварительных исследований.
Перечень фигур
На фиг. 1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.
Осуществление изобретения
Устройство содержит источник ультрафиолетового излучения 1, облучающий водную поверхность на длине волны возбуждения λ Β03 ; фото приемник 2, регистрирующий флуоресцентное излучение от водной поверхности в двух узких спектральных диапазонах (с центрами на длинах волн , °л° к обработки 3, который по данным измерении определяет величину ΐ(λ 2 ) 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 Β03β (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 Ι^ ^ ), Ι(λ 2 ) в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн , λ 2 · 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 пор заранее определены для используемой волны возбуждения
λ Β03 5 и исследуемой акватории). В блоке обработки по данным измерений определяют
Ι(λ 2 )
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 λ ] и λ 2 является максимизация
«расстояния» Κ(λ^ λ 2 ) (в пространстве значений отношения интенсивности сигналов флуоресценции (отношения интенсивности сигналов флуоресценции для этого нефтепродукта) и значением Ι. (λ 2 )
Ι Β (λι )
(отношения интенсивности сигнала флуоресценции для воды). В качестве «расстояния» 1 , λ 2 ) можно использовать, например, следующее выражение:
где:
ι Η (λ 2 ) ι Β (λ 2 ) значения отношения интенсивности сигналов флуоресценции
Ι Η (λ, ) 1 в (^ )
длинах волн и λ 2 , соответственно, для нефтепродукта и воды.
Для задачи обнаружения любого нефтепродукта на конкретной акватории естественным требованием к выбору длин волн λ | и λ 2 является максимизация минимального (по всем видам нефтепродуктов для конкретной акватории) из «расстояний»
Κ(λ ΐ 5 λ 2 ) - в пространстве значении отношения интенсивности
сигналов флуоресценции. Таким образом, в общем случае задача выбора 1 и λ 2 сводится к перебору по длинам волн и поиску максимума функции ¥( , ^- двух переменных:
где: значения отношения интенсивности сигналов флуоресценции
длинах волн ; и , соответственно, для m-oro вида нефтепродукта и конкретной к-ой 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 и λ 2 : λ ] =537,5 нм, λ 2 =395,0 нм. Пороговый алгоритм обнаружения нефтяных загрязнений для длины волны возбуждения 337 нм имеет простой вид:
где:
пор
Для другой длины волны возбуждения - 266 нм выбор λ- j и λ 2 математическое моделирование дает: =348,5 нм, λ 2 =317 нм. Пороговый алгоритм обнаружения нефтяных загрязнений для длины волны возбуждения 266 нм имеет более сложный вид:
г
1 ' -Jnopl -Ιπορ2
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 1,0000 1 ,0000 1,0000 0,9996 0,9984 0,9954 топливо
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.
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. CI. G 01 N 21/64.
3. Заявка PCT WO 93/25891. Oil spill detection system. International Publication Date 23.12.1993. International Patent Classification G 01 N 21/64.
4. Патент RU 2233438. Способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения. Дата действия патента 26.08.2003. МПК G 01 N 21/64. 5. Таер Абд Дейдан, Пацаева СВ., Фадеев В.В., Южаков В. И. Спектральные особенности флуоресценции нефтепродуктов в пленках и в объеме воды // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. JN° 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 СМ., Фадеев В.В., Филиппова Е.М., Чубаров В. В.. Проблемы лазерной флуориметрии органических примесей в природных водах // Оптика атмосферы и океана. - 1994. - Т. 7, J4°4. - С 464 - 473.