EA046482B1 - METHOD FOR DETECTING OIL FILMS ON A WATER SURFACE - Google Patents

METHOD FOR DETECTING OIL FILMS ON A WATER SURFACE Download PDF

Info

Publication number
EA046482B1
EA046482B1 EA202393034 EA046482B1 EA 046482 B1 EA046482 B1 EA 046482B1 EA 202393034 EA202393034 EA 202393034 EA 046482 B1 EA046482 B1 EA 046482B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
oil
water surface
power
oil film
optical
Prior art date
Application number
EA202393034
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Анатольевич Бородин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ")
Publication of EA046482B1 publication Critical patent/EA046482B1/en

Links

Description

Настоящее изобретение относится к области оптической локации и может быть использовано для мониторинга водной поверхности акваторий с целью обнаружения нефтяных пленок.The present invention relates to the field of optical location and can be used for monitoring the water surface of water areas in order to detect oil films.

Важной задачей экологического мониторинга водной поверхности является задача обнаружения разливов нефти. Особенно актуально решение указанной задачи для акваторий сравнительно небольших размеров, в которых осуществляется интенсивное судоходство и возможны несанкционированные сбросы нефтепродуктов в воду. При этом используют оптические локаторы (лидары), размещаемые на стационарных объектах вблизи морской поверхности, например на опоры мостов, для обеспечения непрерывного экологического контроля.An important task of environmental monitoring of the water surface is the task of detecting oil spills. The solution to this problem is especially relevant for relatively small water areas where there is intensive shipping and unauthorized discharges of oil products into the water are possible. In this case, optical locators (lidars) are used, placed on stationary objects near the sea surface, for example, on bridge supports, to ensure continuous environmental monitoring.

В процессе растекания на водной поверхности толщина пленки нефти уменьшается с течением времени до значений порядка нескольких микрометров, что требует создания более совершенных средств обнаружения.In the process of spreading on the water surface, the thickness of the oil film decreases over time to values on the order of several micrometers, which requires the creation of more advanced detection means.

Физической основой дистанционного обнаружения пленок нефти на водной поверхности с помощью лидара является различие характеристик сигналов оптического излучения, отраженных от чистой водной поверхности и водной поверхности, покрытой нефтяной пленкой. Указанное различие обусловлено отличием показателей преломления нефти и воды, а также эффектом сглаживания рельефа водной поверхности пленкой нефти.The physical basis for remote detection of oil films on a water surface using a lidar is the difference in the characteristics of optical radiation signals reflected from a clean water surface and a water surface covered with an oil film. This difference is due to the difference in the refractive indices of oil and water, as well as the effect of smoothing the relief of the water surface by the oil film.

В случае нефтяных пленок большой толщины проникновением оптического излучения в пленку пренебрегают и для обнаружения пленки нефти на водной поверхности используют пороговый метод. Поскольку коэффициент отражения от нефтяной пленки (граница раздела сред воздух-нефть) будет всегда больше, чем коэффициент отражения от границы раздела воздух-вода, значение последнего используют в качестве порога при обнаружении.In the case of oil films of large thickness, the penetration of optical radiation into the film is neglected and a threshold method is used to detect an oil film on a water surface. Since the reflectance from the oil film (air-oil interface) will always be greater than the reflectance from the air-water interface, the latter value is used as a detection threshold.

Для случая тонких пленок толщиною до 10 мкм (Козинцев В.И. и др. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. с. 229-232) отражение оптического излучение происходит от границы раздела сред воздух-нефть-вода, и коэффициент отражения носит осциллирующий характер из-за явления интерференции внутри пленки, в результате обнаружение последней становится затруднительным.For the case of thin films up to 10 microns thick (Kozintsev V.I. et al. Optical-electronic systems for environmental monitoring of the natural environment. M.: Publishing House of Moscow State Technical University named after N.E. Bauman, 2002. pp. 229-232) reflection optical radiation occurs from the air-oil-water interface, and the reflection coefficient is oscillating due to the phenomenon of interference inside the film, as a result of which detection of the latter becomes difficult.

Известен способ обнаружения нефтяной пленки на морской поверхности (Авторское свидетельство СССР № 1354073, кл. G01N 21/55, 1987), заключающийся в том, что исследуемую водную поверхность облучают импульсным пучком оптического излучения, принимают отраженный сигнал и проводят сравнение сигналов, отраженных от чистой и исследуемой водной поверхности. В качестве параметра сравнения выбирается количество импульсных сигналов N, превысивших порог срабатывания анализатора. При N>Nb судят о наличии нефтяной пленки, а при N<Nb - об ее отсутствии, где Nb - число, характеризующее вероятность приема сигналов.There is a known method for detecting an oil film on the sea surface (USSR Copyright Certificate No. 1354073, class G01N 21/55, 1987), which consists in irradiating the water surface under study with a pulsed beam of optical radiation, receiving the reflected signal and comparing the signals reflected from the clean surface. and the studied water surface. The number of pulse signals N that exceed the analyzer response threshold is selected as a comparison parameter. When N>Nb, the presence of an oil film is judged, and when N<Nb, its absence is judged, where Nb is a number characterizing the probability of signal reception.

Главным недостатком данного способа-аналога является отсутствие возможности обнаружения тонких нефтяных пленок на морской поверхности. Также недостатком является малая производительность поиска нефтяных пленок на водной поверхности, обусловленная малыми размерами зоны обзора.The main disadvantage of this analogue method is the inability to detect thin oil films on the sea surface. Another disadvantage is the low productivity of searching for oil films on the water surface, due to the small size of the viewing area.

Известен способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды (патент RU, № 2387977 C1, G01N 21/55, 2008), включающий облучение исследуемой водной поверхности воды импульсным оптическим пучком с перестраиваемой в узком спектральном диапазоне длиной волны излучения, регистрацию излучения, отраженного от водной поверхности, определение по данным измерений зависимости мощности отраженного излучения от длины волны и нахождение на основе этой зависимости коэффициента отражения и его второй производной по длине волны. Принятие решения о наличии нефтяной пленки на водной поверхности производят по выполнению одновременно двух соотношений, в которые входят коэффициенты отражения от исследуемой и от чистой водной поверхности и вторые производные по длине волны коэффициента отражения от исследуемой и чистой водной поверхности.There is a known method for detecting oil pollution on the surface of water (patent RU, No. 2387977 C1, G01N 21/55, 2008), including irradiation of the studied water surface with a pulsed optical beam with a radiation wavelength tunable in a narrow spectral range, registration of radiation reflected from the water surface , determining from measurement data the dependence of the power of reflected radiation on the wavelength and finding, based on this dependence, the reflection coefficient and its second derivative with respect to wavelength. A decision on the presence of an oil film on a water surface is made by simultaneously fulfilling two relationships, which include the reflection coefficients from the studied and clean water surfaces and the second derivatives along the wavelength of the reflection coefficient from the studied and clean water surfaces.

Главным недостатком данного способа-аналога является малая зона обзора, и, как результат, малая производительность поиска нефтяных пленок на водной поверхности. Также недостатком является необходимость перестраивать длину волны излучения, что требует использования технически сложного лазера, что снижает надежность системы обнаружения.The main disadvantage of this analogue method is the small viewing area, and, as a result, the low productivity of searching for oil films on the water surface. Another disadvantage is the need to adjust the radiation wavelength, which requires the use of a technically complex laser, which reduces the reliability of the detection system.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу является способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности, следующий из технической реализации лидара OS1 High Resolution Imaging Ouster (https://data.ouster.io/downloads/datasheets/ datasheet-rev06-v2p4os1.pdf), в котором: ориентируют оси излучающей и приемной оптических систем лидара по нормали к плоскости водной поверхности в спокойном состоянии, формируют многолучевое лазерное импульсное излучение, облучают исследуемую водную поверхность импульсными оптическими сигналами в пределах совокупности из М сформированных лазерных лучей, где М - нечетное и М>9, для каждого сформированного луча производят прием отраженного оптического сигнала, выполняют оптическую фильтрацию, преобразуют оптический сигнал в электрический, производят аналогово-цифровое преобразование, рассчитывают коэффициент отражения по мощности, по совокупности полученных за один цикл зондирования коэффициентов отражения формируют кадр изображения.The closest analogue in technical essence to the proposed method is a method for detecting oil films on a water surface, following from the technical implementation of the OS1 High Resolution Imaging Ouster lidar (https://data.ouster.io/downloads/datasheets/datasheet-rev06-v2p4os1.pdf ), in which: the axes of the emitting and receiving optical systems of the lidar are oriented normal to the plane of the water surface in a quiet state, multi-beam laser pulse radiation is generated, the water surface under study is irradiated with pulsed optical signals within a set of M generated laser beams, where M is odd and M>9, for each formed beam, the reflected optical signal is received, optical filtering is performed, the optical signal is converted into an electrical one, analog-to-digital conversion is performed, the power reflectance is calculated, and an image frame is formed from the totality of the reflectance coefficients obtained in one probing cycle.

Главным недостатком данного способа-прототипа является относительно низкая вероятность обнаThe main disadvantage of this prototype method is the relatively low probability of detection

- 1 046482 ружения тонких пленок нефти на водной поверхности, обусловленная осциллирующим характером зависимости коэффициента отражения от границы раздела сред воздух-нефть-вода. Обнаружение пленок нефти выполняется путем анализа сформированного кадра изображения, содержащего данные по всем М лазерным лучам, при использовании порогового метода отдельно для каждого луча и принятием решения при наличии факта обнаружения в большинстве из М лазерных лучей.- 1 046482 formation of thin films of oil on the water surface, due to the oscillating nature of the dependence of the reflection coefficient on the air-oil-water interface. Detection of oil films is carried out by analyzing the generated image frame containing data on all M laser beams, using the threshold method separately for each beam and making a decision if there is a fact of detection in the majority of M laser beams.

Задачей изобретения является разработка способа обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности лидаром, обеспечивающего высокую вероятность обнаружения тонких пленок нефти на морской поверхности в сочетании с большой зоной обзора.The objective of the invention is to develop a method for detecting oil films on a water surface with a lidar, providing a high probability of detecting thin films of oil on the sea surface in combination with a large viewing area.

Технический результат состоит в учете зависимости коэффициента отражения электромагнитных волн от границы раздела сред воздух-нефть-вода от угла облучения и толщины пленки при выполнении обнаружения.The technical result consists of taking into account the dependence of the reflection coefficient of electromagnetic waves on the air-oil-water interface on the irradiation angle and film thickness when performing detection.

Для обеспечения указанного технического результата в известный способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности, в котором: ориентируют оси излучающей и приемной оптических систем лидара по нормали к плоскости водной поверхности в спокойном состоянии, формируют многолучевое лазерное импульсное излучение, облучают исследуемую водную поверхность импульсными оптическими сигналами в пределах совокупности из М сформированных лазерных лучей, где М - нечетное и М>9, для каждого сформированного луча производят прием отраженного оптического сигнала, выполняют оптическую фильтрацию, преобразуют оптический сигнал в электрический, производят аналоговоцифровое преобразование, рассчитывают коэффициент отражения по мощности, по совокупности полученных за один цикл зондирования коэффициентов отражения формируют кадр изображения, введены новые признаки:To ensure the specified technical result, a known method for detecting oil films on a water surface, in which: the axes of the emitting and receiving optical systems of the lidar are oriented normal to the plane of the water surface in a quiet state, multi-beam laser pulse radiation is generated, the water surface under study is irradiated with pulsed optical signals in within a set of M formed laser beams, where M is odd and M>9, for each formed beam the reflected optical signal is received, optical filtering is performed, the optical signal is converted into an electrical one, analog-to-digital conversion is performed, the power reflectance is calculated based on the totality of the received in one cycle of reflectance sensing, an image frame is formed, new features are introduced:

устанавливают датчик температуры и влажности воздуха в месте установки лидара;install an air temperature and humidity sensor at the lidar installation location;

измеряют температуру и влажность воздуха;measure air temperature and humidity;

корректируют значение мощности принятых оптических сигналов;adjusting the power value of the received optical signals;

задают диапазон толщины и шаг изменения толщины пленки нефти, подлежащей обнаружению;set the thickness range and step of changing the thickness of the oil film to be detected;

рассчитывают эталонную зависимость коэффициента отражения от границы раздела сред воздухнефть-вода по мощности в зависимости от угла облучения и толщины пленки нефти;calculate the reference dependence of the reflection coefficient on the air-oil-water interface in terms of power depending on the irradiation angle and the thickness of the oil film;

выполняют усреднение полученных за один цикл зондирования значений коэффициента отражения по мощности для лазерных лучей с одинаковыми углами наклона относительно нормали;perform averaging of the power reflectance values obtained during one probing cycle for laser beams with the same inclination angles relative to the normal;

рассчитывают показатель обнаружения пленки нефтиcalculate the oil film detection rate

М 2 _M 2_

FW= X[R^m,dK)-R2^m)] , к = 1,К, т=1 где R - эталонная зависимость коэффициента отражения от границы раздела сред воздух-нефтьвода по мощности в зависимости от угла облучения Θ1, m и толщины пленки нефти dK; R2 - усредненная зависимость коэффициента отражения по мощности для лазерных лучей с одинаковыми углами наклона, полученных за один цикл зондирования; K - число значений толщин пленки, которые используются для выполнения обнаружения; М1 - число используемых углов облучения;FW= X[R^ m ,d K )-R 2 ^ m )], k = 1,K, t=1 where R is the reference dependence of the reflection coefficient on the air-oil-water interface in terms of power depending on the irradiation angle Θ 1 , m and oil film thickness d K ; R2 is the average dependence of the reflection coefficient on power for laser beams with the same angles of inclination, obtained during one probing cycle; K is the number of film thicknesses that are used to perform detection; M1 is the number of irradiation angles used;

выполняют обнаружение пленки нефти при выполнении условия min F<ΔО, Δο - порог обнаружения, min F - минимальное значение показателя обнаружения пленки.oil film detection is performed when the condition min F<Δ O is met, Δ ο is the detection threshold, min F is the minimum value of the film detection indicator.

Таким образом, использование набора эталонных зависимостей коэффициента отражения по мощности от угла облучения и толщины пленки нефти позволяет учесть осциллирующий характер коэффициента отражения от границы раздела сред воздух-нефть-вода при обнаружении, что в сочетании с процедурой коррекции мощности принятых сигналов и с учетом данных по совокупности полученных значений коэффициента отражения по мощности в пределах большой зоны обзора лидара позволяет увеличить вероятность обнаружения пленок нефти на водной поверхности.Thus, the use of a set of reference dependences of the power reflection coefficient on the irradiation angle and oil film thickness makes it possible to take into account the oscillating nature of the reflection coefficient from the air-oil-water interface during detection, which, in combination with the procedure for correcting the power of received signals and taking into account data on The combination of the obtained values of the power reflectivity within a large lidar viewing area makes it possible to increase the probability of detecting oil films on the water surface.

Реализация способа поясняется фигурой.The implementation of the method is illustrated by the figure.

На фигуре показана геометрия задачи обнаружения пленок нефти на водной поверхности, в которой представлены опора 1, держатель 2, лидар 3, состоящий из лазера 4, оптической изучающей системы 5, оптического дифракционного элемента 6, оптической приемной системы 7 многоканального оптического приемника 8, блока 9 обработки информации, системы 10 отображения информации, блока 11 контроля лазерного излучения, граница 12 раздела сред воздух-вода, датчик 13 температуры и влажности воздуха.The figure shows the geometry of the problem of detecting oil films on a water surface, which includes a support 1, a holder 2, a lidar 3 consisting of a laser 4, an optical learning system 5, an optical diffraction element 6, an optical receiving system 7 of a multi-channel optical receiver 8, a block 9 information processing, information display system 10, laser radiation control unit 11, air-water interface 12, temperature and air humidity sensor 13.

Предложенный способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности реализуется следующим способом.The proposed method for detecting oil films on a water surface is implemented in the following way.

Лидар 3 закрепляют на опоре 1 с помощью держателя 2 и ориентируют оси излучающей оптической системы 5 и приемной оптической системы 7 лидара 3 по нормали к плоскости водной поверхности в спокойном состоянии. В месте установки лидара 3 на держателе 2 устанавливают датчик 13 температуры и влажности воздуха.The lidar 3 is fixed on the support 1 using a holder 2 and the axes of the emitting optical system 5 and the receiving optical system 7 of the lidar 3 are oriented normal to the plane of the water surface in a quiet state. At the installation location of the lidar 3, a temperature and air humidity sensor 13 is installed on the holder 2.

Многолучевое лазерное импульсное излучение формируют следующим образом. Лазер 4 генерирует на фиксированной длине волны зондирующий импульс, который попадает в излучающую оптическую систему 5, направляющую импульс на оптический дифракционный элемент 6. Оптический дифракционMultibeam laser pulse radiation is generated as follows. Laser 4 generates a probing pulse at a fixed wavelength, which enters the emitting optical system 5, which directs the pulse to the optical diffraction element 6. Optical diffraction

- 2 046482 ный элемент 6 разделяет первичный лазерный луч на М лазерных лучей, излучаемых в сторону границы 12 раздела сред.- 2 046482 element 6 divides the primary laser beam into M laser beams emitted towards the interface 12 of the media.

Т акже излученный лазером 4 зондирующий импульс поступает на блок 11 для контроля интенсивности лазерного излучения.Also, the probe pulse emitted by laser 4 is supplied to block 11 to control the intensity of laser radiation.

Облучают исследуемую водную поверхность импульсными оптическими сигналами в пределах совокупности сформированных лазерных лучей.The water surface under study is irradiated with pulsed optical signals within the set of generated laser beams.

Углы облучения соответствующие углам наклона лазерных лучей θm относительно нормали к поверхности границы 12 раздела сред рассчитывают по формуле вт = θ0 + (т-1) · ΔΘ, /л = 1д7, (1) гдеThe irradiation angles corresponding to the angles of inclination of laser beams θ m relative to the normal to the interface surface 12 are calculated using the formula in m = θ 0 + (m-1) · ΔΘ, /l = 1d7, (1) where

Δθ - шаг изменения угла наклона оси лазерного луча;Δθ - step of changing the angle of inclination of the laser beam axis;

θο - начальный угол наклона оси лазерного луча;θ ο - initial angle of inclination of the laser beam axis;

М - число сформированных лазерных лучей.M is the number of generated laser beams.

Граница 12 раздела сред рассеивает поступающие на нее зондирующие импульсы в сторону лидара 3.The interface 12 of the media scatters the probing pulses arriving at it towards the lidar 3.

Далее для каждого сформированного лазерного луча производят прием отраженного оптического сигнала - зондирующего импульса с помощью оптической приемной системы 7. Оптическая приемная система 7 направляет принятые сигналы на многоканальный оптический приемник 8, с помощью которого выполняют оптическую фильтрацию, преобразуют оптический сигнал в электрический и производят аналогово-цифровое преобразование.Next, for each generated laser beam, a reflected optical signal is received - a probing pulse using an optical receiving system 7. The optical receiving system 7 directs the received signals to a multi-channel optical receiver 8, with the help of which optical filtering is performed, the optical signal is converted into an electrical one and an analog signal is produced. digital transformation.

Измеряют температуру и влажность воздуха с помощью датчика 13.Air temperature and humidity are measured using sensor 13.

В блоке 9 обработки информации для каждого сформированного лазерного луча корректируют значение мощности принятых оптических сигналовIn information processing block 9, the power value of the received optical signals is adjusted for each generated laser beam

Др =рпр Ί0 , (2) гдеDr = p pr Ί0 , (2) where

Рпр - мощность принятого оптического сигнала;P pr - power of the received optical signal;

р «д - мощность принятого оптического сигнала после коррекции;p «d - power of the received optical signal after correction;

γ - коэффициент затухания оптического сигнала в атмосфере;γ is the attenuation coefficient of the optical signal in the atmosphere;

h - расстояние от лидара 3 до водной поверхности.h is the distance from lidar 3 to the water surface.

Коэффициент затухания оптического сигнала γ в зависимости от длины волны, температуры и влажности атмосферы определяют согласно рекомендации MC3-R.P.1817 (08/2007): данные о распространении радиоволн, требуемые для разработки наземных оптических линий для связи в свободном пространстве.The optical signal attenuation coefficient γ as a function of wavelength, temperature and atmospheric humidity is determined according to recommendation MC3-R.P.1817 (08/2007): radio wave propagation data required for the development of terrestrial optical links for free-space communications.

Расстояние от лидара 3 до водной поверхности определяют при установке на опоре 1.The distance from lidar 3 to the water surface is determined when installed on support 1.

Также в блоке 9 обработки информации для каждого сформированного лазерного луча рассчитывают коэффициент отражения по мощности. После обработки всех М лазерных лучей получают массив т = ЦЙAlso in the information processing block 9, the power reflectance is calculated for each generated laser beam. After processing all M laser beams, an array m = CI is obtained

Для обнаружения пленки нефти на водной поверхности задают диапазон толщины пленок нефти путем установки минимальной и максимальной толщины пленки нефти - dm,n и dmax, соответственно, которую будут обнаруживать.To detect an oil film on a water surface, set the range of oil film thickness by setting the minimum and maximum oil film thickness - dm, n and d max , respectively, which will be detected.

Толщину пленки нефти в пределах заданного диапазона толщин определяют по формуле d(k) = dmn + А = jj. (3)The thickness of the oil film within a given thickness range is determined by the formula d(k) = d mn + A = jj. (3)

Л — 1 где K - число градаций толщин пленки в пределах заданного диапазона толщин, определяющее шаг изменения толщины пленки.L - 1 where K is the number of film thickness gradations within a given thickness range, which determines the step of change in film thickness.

Из (3) шаг изменения толщины пленки равенFrom (3), the step of changing the film thickness is equal to

Дпах — ДтпDpah - accident

К-1K-1

Для расчетов целесообразно установить значение нечетным и равным K>101, a d,,,,,, 0.1 мкм, dmax = 20 мкм.For calculations, it is advisable to set the value odd and equal to K>101, ad,,,,,, 0.1 µm, d max = 20 µm.

Рассчитывают эталонную зависимость коэффициента отражения от границы раздела сред воздухнефть-вода по мощности в зависимости от угла облучения и толщины пленки нефти по формуле [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. М.: Наука, 1973. с. 76-77] D/Q , λ Ί2(θ1.»Ι) + 'έ(θ»Ι)Τ№) + 2η2(θι,η,)^(θ„,)7’№)ε05(2β^) ^(θΐ,тЛ) =----3-------5-------------------------------------7-----\ ’ + г12 (θΐ,/τζ )г23 (θ/и УГ(с1к ) + 2/)2 (θΐ,ζτζ )г23 (θ/?? ) cos (^т,к ) т = \,М, к = 1,К. (4) где n1, n2, n3 - показатели преломления воздуха, нефти и морской воды соответственно;Calculate the reference dependence of the reflection coefficient on the air-oil-water interface in terms of power depending on the irradiation angle and the thickness of the oil film according to the formula [Born M., Wolf E. Fundamentals of Optics. Ed. 2nd. Translation from English. M.: Nauka, 1973. p. 76-77] D/Q , λ Ί2(θ1." Ι ) + 'έ(θ" Ι )Τ№) + 2η 2 (θι, η ,)^(θ„,)7'№)ε05(2β^ ) ^(θΐ,tL) =----3-------5----------------------------- --------7----------\ ' + g 12 (θΐ,/τζ ) g 23 (θ/ and УГ(с1к ) + 2/)2 (θΐ,ζτζ ) g 23 (θ/ ?? ) cos (^m,k) m = \,M, k = 1,K. (4) where n1, n 2 , n 3 are the refractive indices of air, oil and sea water, respectively;

λ - длина волны излучаемого оптического сигнала;λ is the wavelength of the emitted optical signal;

- 3 046482 dk - толщина пленки нефти;- 3 046482 d k - oil film thickness;

r12 - коэффициент отражения от границы раздела сред воздух-нефть;r 12 - reflection coefficient from the air-oil interface;

r23 - коэффициент отражения от границы раздела сред нефть-вода;r 23 - reflection coefficient from the oil-water interface;

Т - коэффициент пропускания пленки нефти;T - oil film transmittance;

θ =0 -----i,m т+ыо - т - + 1^ = 0.5 · -М -1) - угол облучения границы раздела сред воздух-нефть или воздух-вода;θ =0 -----i,m t+yo - t - + 1^ = 0.5 · -M -1) - irradiation angle of the air-oil or air-water interface;

θ2^ - угол облучения границы раздела сред нефть-вода;θ 2 ^ - irradiation angle of the oil-water interface;

=^»2dtcoSe2tm ..... ..=^»2d t co S e 2tm ..... ..

- - вспомогательный параметр.- - auxiliary parameter.

Угол облучения границы раздела сред нефть-вода определяют по формулеThe irradiation angle of the oil-water interface is determined by the formula

02 т = arcsin —sin01 т _п2 ’ (5)0 2 t = arcsin —sin0 1 t _ n 2 ' (5)

Коэффициент отражения от границы раздела сред воздух-нефть рассчитывают по формулеThe reflection coefficient from the air-oil interface is calculated using the formula

Z?1COS0lw-/l2COS02^ —Г12(θΐ т ) =------7Г-----------> т = · ’ /71 COS 01/77-н Л?2 C°S θ2/77 (6)Z? 1 COS0 lw -/l2COS02^ - Г 12(θΐ t ) =------7Г-----------> t = · ' /7 1 COS 0 1/77 -н L? 2 C °S θ2/77 (6)

Коэффициент отражения от границы раздела сред нефть-вода рассчитывают по формуле n2COSe2>m-«3COS03mг23^2,т) =----7^-------7^, т = 1,М.The reflection coefficient from the oil-water interface is calculated using the formula n 2 COSe 2>m - «3COS0 3m - r 23^2, t) =----7^-------7^, t = 1 ,M.

”2cose2,m+«3cose3,»>"2 cose 2, m +"3 cose 3,">

Угол преломления лазерного излучения в водной среде (ΌAngle of refraction of laser radiation in an aqueous environment (Ό

Коэффициент пропускания пленки нефти определяют по формуле ( 4л Т --7’№) = ехр ---k2dk , к = 1,К, у Л J (9) где k2 - показатель поглощения нефти.The transmission coefficient of the oil film is determined by the formula ( 4l T --7'№) = exp ---k 2 d k , k = 1,K, y L J (9) where k 2 is the oil absorption rate.

Выполняют усреднение полученных за один цикл зондирования значений коэффициента отражения по мощности для лазерных лучей с одинаковыми углами наклона относительно нормали по формуле Rl(Qm+M1\nPum=1 ^2^1т) = < Г / \ / \Ί --------5 (1θ) ’ 0.5-17?! (ΘΛ/1 +2_т ] + (0Л//) +/77) I ,прит = 2,Мг +1 где М1=0.5-(М-1).Averaging of the power reflectance values obtained during one probing cycle for laser beams with the same angles of inclination relative to the normal is performed according to the formula R l( Q m+M 1 \ n P um=1 ^2^1т) = < Г / \ / \Ί -------- 5 (1θ) ' 0.5-17?! (Θ Λ/1 +2 _ t ] + (0 L//) +/77 ) I,ad = 2.M g +1 where M 1 =0.5-(M-1).

Рассчитывают показатель обнаружения пленки нефти л/, 2 ____Calculate the oil film detection index l/, 2 ____

F(k)= Σ[«(6,™^·)-«2(6,»)] ,k = l,K. (11) т=\F(k)= Σ[“(6,™^·)-“2(6,”)] ,k = l,K. (11) t=\

Выполняют обнаружение пленки нефти при выполнении условия minF<Ao, (12) где Δο - порог обнаружения, min F - минимальное значение показателя обнаружения пленки.An oil film is detected when the condition minF<Ao is met, (12) where Δ ο is the detection threshold, min F is the minimum value of the film detection index.

По совокупности полученных за один цикл зондирования коэффициентов отражения R1 формируют кадр изображения, который отображают с помощью системы 10 отображения информации.Based on the totality of the reflection coefficients R1 obtained in one probing cycle, an image frame is formed, which is displayed using the information display system 10.

Оценим увеличение вероятности обнаружения пленки нефти на водной поверхности предложенным способом.Let us evaluate the increase in the probability of detecting an oil film on a water surface using the proposed method.

В способе-прототипе реализовано обнаружение пленки нефти по кадру изображения при использовании порогового метода отдельно для каждого лазерного луча. Принятие решения об обнаружении производят при наличии факта обнаружения в большинстве лазерных лучей количеством L из М возможных лучей, где число L>0.5M. При этом вероятность обнаружения пленки нефти по совокупности любых L из М лазерных лучей рассчитывают по формулеThe prototype method implements the detection of an oil film from an image frame using a threshold method separately for each laser beam. A decision on detection is made if there is a fact of detection in the majority of laser beams by a number L of M possible beams, where the number L>0.5M. In this case, the probability of detecting an oil film from a combination of any L of M laser beams is calculated using the formula

Ρι= ΣΟ,/ρο/Ο-ρΧΑ (В) i-L где рО - вероятность обнаружения пленки нефти в одном лазерном луче;Ρι= ΣΟ,/ρο/Ο-ρΧΑ (B) iL where p O is the probability of detecting an oil film in one laser beam;

„ М-(М-1)... И) СЛД/ =----------j---------z - коэффициент.„ M-(M-1)...I) C LD/ = ----------j--------- z - coefficient.

В предложенном способе обнаружение ведется путем сравнения известной зависимости коэффициента отражения по мощности от угла облучения и толщины пленки с зависимостью коэффициента отражения по мощности от угла облучения при неизвестной толщине пленки нефти. При этом для сравнения используют даже те лазерные лучи, в которых значения коэффициента отражения по мощности меньше порога, т.е. в которых пленка не обнаружена. Следовательно, для выполнения обнаружения используютIn the proposed method, detection is carried out by comparing the known dependence of the power reflection coefficient on the irradiation angle and film thickness with the dependence of the power reflection coefficient on the irradiation angle for an unknown oil film thickness. In this case, for comparison, even those laser beams are used in which the power reflectance values are less than the threshold, i.e. in which the film was not detected. Therefore, to perform detection, use

- 4 046482 ся данные по всем М лазерным лучам, в этом случае вероятность обнаружения пленки нефти по совокупности из М лазерных лучей рассчитывают по формуле- 4 046482 data on all M laser beams, in this case the probability of detecting an oil film from a set of M laser beams is calculated using the formula

P2 = YCM^\\-p^ . (14) /=1P2 = YC M ^\\-p^ . (14) /=1

При вероятности обнаружения тонкой пленки нефти на водной поверхности в одном лазерном луче равной 0.6 и типовых значениях М=9, L=5, получаем P1=0.73, а Р2=0.9997. Увеличение вероятности обнаружения пленки нефти на водной поверхности составляет 36,9%.With the probability of detecting a thin film of oil on the water surface in one laser beam equal to 0.6 and typical values M = 9, L = 5, we obtain P 1 = 0.73, and P 2 = 0.9997. The increase in the probability of detecting an oil film on the water surface is 36.9%.

Таким образом, предложенный способ обнаружения пленок нефти на водной поверхности обеспечивает высокую вероятность обнаружения тонких пленок нефти на морской поверхности в сочетании с большой зоной обзора.Thus, the proposed method for detecting oil films on the water surface provides a high probability of detecting thin oil films on the sea surface in combination with a large viewing area.

Технический результат изобретения достигнут.The technical result of the invention has been achieved.

Claims (1)

Способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности, в котором ориентируют оси излучающей и приемной оптических систем лидара по нормали к плоскости водной поверхности в спокойном состоянии, формируют многолучевое лазерное импульсное излучение, облучают исследуемую водную поверхность импульсными оптическими сигналами в пределах совокупности из М сформированных лазерных лучей, где М - нечетное и М>9, для каждого сформированного луча производят прием отраженного оптического сигнала, выполняют оптическую фильтрацию, преобразуют оптический сигнал в электрический, производят аналогово-цифровое преобразование, рассчитывают коэффициент отражения по мощности, по совокупности полученных за один цикл зондирования коэффициентов отражения формируют кадр изображения, отличающийся тем, что устанавливают датчик температуры и влажности воздуха в месте установки лидара, измеряют температуру и влажность воздуха, корректируют значение мощности принятых оптических сигналов, задают диапазон толщины и шаг изменения толщины пленки нефти, подлежащей обнаружению, рассчитывают эталонную зависимость коэффициента отражения от границы раздела сред воздух-нефть-вода по мощности в зависимости от угла облучения и толщины пленки нефти, выполняют усреднение полученных за один цикл зондирования значений коэффициента отражения по мощности для лазерных лучей с одинаковыми углами наклона относительно нормали, рассчитывают показатель обнаружения пленки нефтиA method for detecting oil films on a water surface, in which the axes of the emitting and receiving optical systems of the lidar are oriented normal to the plane of the water surface in a quiet state, multi-beam laser pulse radiation is generated, the water surface under study is irradiated with pulsed optical signals within a set of M generated laser beams, where M is odd and M>9, for each formed beam the reflected optical signal is received, optical filtering is performed, the optical signal is converted into an electrical signal, an analog-to-digital conversion is performed, the power reflectance is calculated based on the totality of the reflectances obtained in one probing cycle an image frame is formed, characterized in that a temperature and air humidity sensor is installed at the location where the lidar is installed, the temperature and humidity of the air are measured, the power value of the received optical signals is adjusted, the thickness range and step of changing the thickness of the oil film to be detected are set, and the reference dependence of the reflection coefficient is calculated from the air-oil-water interface in terms of power, depending on the irradiation angle and the thickness of the oil film, perform averaging of the power reflectance values obtained in one probing cycle for laser beams with the same inclination angles relative to the normal, calculate the oil film detection index М _ f(*)=Z[WA)-W] ’ к=^к т~\ где R - эталонная зависимость коэффициента отражения от границы раздела сред воздух-нефтьвода по мощности в зависимости от угла облучения m и толщины пленки нефти dK; R2 - усредненная зависимость коэффициента отражения по мощности для лазерных лучей с одинаковыми углами наклона, полученных за один цикл зондирования; K - число значений толщин пленки, которые используются для выполнения обнаружения; М1 - число используемых углов облучения, выполняют обнаружение пленки нефти при выполнении условия min F<Ao, Δο - порог обнаружения, min F - минимальное значение показателя обнаружения пленки.М _ f(*)=Z[WA)-W] ' к =^ к Т~\ where R is the reference dependence of the reflection coefficient on the air-oil-water interface in terms of power depending on the irradiation angle m and the thickness of the oil film d K ; R 2 - averaged dependence of the reflection coefficient on power for laser beams with the same angles of inclination, obtained during one probing cycle; K is the number of film thicknesses that are used to perform detection; M 1 is the number of irradiation angles used, oil film detection is performed when the condition min F<A o is met, Δ ο is the detection threshold, min F is the minimum value of the film detection index.
EA202393034 2023-04-03 2023-11-27 METHOD FOR DETECTING OIL FILMS ON A WATER SURFACE EA046482B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2023108241 2023-04-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA046482B1 true EA046482B1 (en) 2024-03-20

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6151721B2 (en) Caliper coating measurement on web with continuous non-uniformity using THZ sensor
US8467044B2 (en) Continuous index of refraction compensation method for measurements in a medium
CN103189722B (en) In time-domain spectroscopy for increase certainty of measurement with continuing reference to
US7612341B2 (en) Image of sample using terahertz time domain spectroscopy in reflection mode to identify in a first material like normal breast tissue a second material like cancerous tissue by evaluating the phase change at the interface between the sample and a window like a quartz window, against which the sample is pressed
Garaba et al. Methods in reducing surface reflected glint for shipborne above-water remote sensing
US7333184B2 (en) Ground surface cover type reflectivity variation correction in a differential absorption LIDAR system
US5296711A (en) Technique for the remote detection of sea slicks
KR101879641B1 (en) Turbidity Measuring Method By Using Airbone Bathymetry LIDAR Wave Form Analysis
RU2298169C1 (en) Bi-spectral method for remotely finding oil spills on water surface
CN111006761A (en) Simple optical calibration method for dual-channel spectrum system
KR101296748B1 (en) Spectroscopy and imaging system of high-speed and high-resolution using electromagnetic wave based on optics
EA046482B1 (en) METHOD FOR DETECTING OIL FILMS ON A WATER SURFACE
RU2800809C1 (en) Method for detecting oil films on the water surface
US20150346030A1 (en) Robust Terahertz Spectrometer Configuration Against Scanner Heads Misalignment
Guenther et al. Laser applications for near-shore nautical charting
RU2353954C1 (en) Method for remote definition of medium characteristics of open water reservoir
US9702819B1 (en) Surface vessel wake detection
RU2300077C1 (en) Remote method of measuring thickness of oil product thick films onto water surface
RU2387977C1 (en) Non contact method for detection of oil pollutions on water surface
Costantino et al. Evaluation of reflectance for building materials classification with terrestrial laser scanner radiation
WO2020128593A1 (en) Measure of the degree of crystallinity of a polymer coating on a metal substrate
Maffione et al. In-situ characterization of optical backscattering and attenuation for lidar applications
Tao et al. Precise detection of water surface through the analysis of a single green waveform from bathymetry LiDAR
JP7024524B2 (en) Displacement measuring device and displacement measuring method
JP6973206B2 (en) Displacement measuring device and displacement measuring method