двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды

Классы МПК:G01N21/55 способность к зеркальному отражению
Автор(ы):, , , , ,
Патентообладатель(и):ООО "НИИ радиоэлектроники и лазерной техники" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2007-06-06
публикация патента:

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>PowMw и M<Mw

где: двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210

Рo, Pow - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка, направленного вертикально вниз, Рx , Pxw и Ру, P yw - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка, направленного под углом двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 к вертикали, для линий полета вдоль оси x и оси у соответственно. Техническим результатом является прощение аппаратной реализации при высокой достоверности обнаружения. 2 ил. двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210

двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210

Формула изобретения

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>PowMw и M<Mw

где двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210

Po, Pow - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка, направленного вертикально вниз, Рx , Pxw и Ру, P yw - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка, направленного под углом двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 к вертикали, для линий полета вдоль оси x и оси у соответственно.

Описание изобретения к патенту

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 (Nb - 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(двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 1)>Pw(двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 1) или P(двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 2)>Pw(двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 2)

N>1

где:

двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210

двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 1, двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 2 - длины волн зондирования; P(двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 1), P(двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 2) и Pw(двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 1) - Pw(двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 2) - мощности лазерных сигналов на длинах волн двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 1, двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 2, 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:

двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210

где:

двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210

Po, Рow , - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка направленного вертикально вниз, Рx , Рxw и Py, P yw - мощности сигналов от исследуемой и чистой водной поверхности для пучка, направленного под углом двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 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 Мw, блок 5 сравнения величин РoМ, РowМ w и М, Мw 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 Рxw, Р yw от чистой водной поверхности для пучка, направленного под углом двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 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 Рo от исследуемой водной поверхности для пучка направленного вертикально вниз и мощности Рxw, Рyw от исследуемой водной поверхности для пучка, направленного под углом двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 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 двухугловой дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений   на поверхности воды, патент № 2347210 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 Мw,. Затем в блоке сравнения 5 сравниваются величины РoМ, Р owМw и М, Мw 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.

Класс G01N21/55 способность к зеркальному отражению

сенсорное устройство для определения целевого вещества -  патент 2519505 (10.06.2014)
способ определения малых концентраций молекул летучих веществ в газовой среде -  патент 2510014 (20.03.2014)
способ измерения параметров световозвращения -  патент 2497091 (27.10.2013)
устройство микроэлектронного датчика -  патент 2494374 (27.09.2013)
система биодатчика на основе нарушенного полного внутреннего отражения (нпво) и способ обнаружения сигнала датчика, основанного на нпво -  патент 2492450 (10.09.2013)
способ измерения локальных электромагнитных полей на поверхности гетероструктур -  патент 2491679 (27.08.2013)
способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду -  патент 2491533 (27.08.2013)
микроэлектронное сенсорное устройство для обнаружения частиц-меток -  патент 2487338 (10.07.2013)
способ измерения коэффициентов отражения зеркал -  патент 2467309 (20.11.2012)
способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды -  патент 2440566 (20.01.2012)
Наверх