MD1186Y - Metodă de identificare a peliculelor subţiri de produse petroliere conform spectrului lor de fotoluminescenţă la distanţă - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la interferometrie şi poate fi utilizată în sistemele de monitorizare a mediului ambiant pentru depistarea poluării cu produse petroliere a suprafeţelor acvatice.Metoda, conform invenţiei, include iluminarea cu radiaţie optică ce provoacă fotoluminescenţă a obiectului studiat, care se află pe suprafaţa apei, de la o distanţă îndepărtată cu înregistrarea concomitentă a unei serii de imagini a domeniului fotoluminescenţei obiectului cu ajutorul unei camere digitale printr-un sistem de filtre interferenţiale cu bandă îngustă. La prelucrarea digitală a imaginilor semnalul de fotoluminescenţă, provocată de iluminarea cu radiaţia optică, este separat din fondul luminos integral reflectat de la obiect, iar pelicula de produse petroliere se identifică prin confruntarea spectrului de fotoluminescenţă obţinut al obiectului studiat cu spectrul standard de fotoluminescenţă al produselor petroliere.

Description

Invenţia se referă la interferometrie şi poate fi utilizată în sistemele de monitorizare a mediului ambiant pentru depistarea poluării cu produse petroliere a suprafeţelor acvatice.

Este cunoscută o metodă de identificare a produselor petroliere la distanţe îndepărtate, care este bazată pe obţinerea spectrului lor de fotoluminescenţă cu ajutorul monocromatorului. În această metodă pata de produse petroliere este iluminată cu un fascicul laser cu lungimea de undă de 532 nm, în urma căreia se observă fenomenul de fotoluminescenţă. Pentru vizualizarea fotoluminescenţei semnalul reflectat de la obiectul studiat este trecut printr-un polarizor liniar. Raza laser este polarizată liniar, iar pentru unghiul polarizorului liniar β=90°, radiaţia laser este trecută printr-o placă de turmalină. Astfel, după trecerea semnalului reflectat prin polarizor se observă numai fotoluminescenţa produsului petrolier, iar radianţa laser cu lungimea de undă de 532 nm este complet tăiată de către acesta. Apoi, semnalul fotoluminescenţei este trecut printr-un monocromator, fiind măsurată distribuţia spectrală a fotoluminescenţei produsului petrolier testat. Conform spectrului de luminescenţă pot fi diferenţiate produsele petroliere de alte obiecte de pe suprafeţele acvatice [1].

Dezavantajul acestei metode constă în aceea că monocromatorul primeşte atât semnalul de fotoluminescenţă de pe suprafaţa peliculei de produs petrolier reflectat de la iluminarea cu fasciculul laser, cât şi cel reflectat de la soare, care creează un semnal de fond suplimentar. Metoda propusă nu permite separarea semnalului de fond de semnalul de fotoluminescenţă laser. Totodată, în cazul contactului produsului petrolier cu alte substanţe sau obiecte, de exemplu, alge mărunte sau organisme marine, semnalul de fotoluminescenţă al petelor de produse petroliere poate fi distorsionat de o luminescenţă suplimentară a substanţelor organice. De asemenea, această metodă nu permite separarea semnalului de fotoluminescenţă a produselor petroliere din semnalul total, care ajunge la monocromator.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în majorarea preciziei de identificare a peliculelor subţiri de produse petroliere de la distanţe mari.

Metoda de identificare a peliculelor subţiri de produse petroliere conform spectrului lor de fotoluminescenţă la distanţă, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că include iluminarea cu radiaţie optică ce provoacă fotoluminescenţă a obiectului studiat, care se află pe suprafaţa apei, de la o distanţă îndepărtată cu înregistrarea concomitentă a unei serii de imagini a domeniului fotoluminescenţei obiectului cu ajutorul unei camere digitale printr-un sistem de filtre interferenţiale cu bandă îngustă, totodată la prelucrarea digitală a imaginilor semnalul de fotoluminescenţă, provocată de iluminarea cu radiaţia optică, este separat din fondul luminos integral reflectat de la obiect, iar pelicula de produse petroliere se identifică prin confruntarea spectrului de fotoluminescenţă obţinut al obiectului studiat cu spectrul standard de fotoluminescenţă al produselor petroliere.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în majorarea preciziei identificării produselor petroliere de la distanţe mari.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-7, care reprezintă:

- fig. 1, schema sistemului de realizare a metodei de identificare a peliculelor subţiri de produse petroliere conform spectrului lor de fotoluminescenţă la distanţă (a), imaginea domeniului fotoluminescenţei înregistrate prin unul dintre filtrele interferenţiale cu bandă îngustă (b) şi imaginea semnalului de fond reflectat de suprafaţa acvatică, adiacent domeniului fotoluminescenţei obiectului studiat (c);

- fig. 2, imaginea 1 ml de ulei de motor depus pe suprafaţa acvatică (a) şi imaginea petei de ulei de motor, întinse timp de 25 min (b);

- fig. 3, o imagine a petei de ulei de motor iluminată cu fondul luminos integral şi un set discret de imagini ale petei şi spectrului ei de fotoluminescenţă efectuate cu ajutorul sistemului de filtre interferenţiale cu diferite lungimi de undă;

- fig. 4, dependenţa spectrală a transparenţei optice a filtrelor interferenţiale cu bandă îngustă;

- fig. 5, dependenţa spectrală a transmisiei unui filtru cu maximul transmisiei la lungimea de undă de 546 nm normală la 1;

- fig. 6, dependenţa strălucirii imaginilor înregistrate de intensitatea radiaţiei incidente pentru setul de filtre utilizate;

- fig. 7, dependenţa spectrală a intensităţii fotoluminescenţei peliculei de pe suprafaţa acvatică obţinută cu ajutorul camerei digitale (linia întreruptă) şi dependenţa obţinută cu ajutorul monocromatorului (linia neîntreruptă).

Metoda de identificare a peliculelor subţiri de produse petroliere conform spectrului lor de fotoluminescenţă la distanţă (vezi fig. 1a) constă în aceea că obiectul studiat 1 odată cu iluminarea de fond 2, ce imită iluminarea solară, este iluminat cu lumină laser 3, care provoacă fotoluminescenţa peliculei de produse petroliere. Totodată, semnalele de lumină reflectate de obiectul studiat 1 şi spectrului său de fotoluminescenţă 4 parcurg distanţa L până la obiectivul sistemului telescopic 5, apoi sunt trecute prin sistemul de filtre interferenţiale 6 cu bandă îngustă şi înregistrate pe matricea camerei digitale 7. Imaginea domeniului fotoluminescenţei înregistrate prin unul dintre filtrele interferenţiale 6 cu bandă îngustă se transferă pe calculator, unde este determinată intensitatea fotoluminescenţei în unităţi convenţionale în sistemul RGB (fig. 1b). Intensitatea radiaţiei de fond este determinată de semnalul reflectat de suprafaţa stratului adiacent domeniului fotoluminescenţei obiectului studiat 1 (fig. 1с). Este posibilă selectarea oricărei porţiuni sau regiuni a radiaţiei fotoluminescenţei de fond, în locurile de pe suprafaţa acvatică în care semnalul nu este distorsionat de prezenta unor alte corpuri.

Exemplu

Pe suprafaţa apei a fost depus 1 ml ulei de motor (fig. 2a). În decurs de 25 min pata de petrol s-a întins pe suprafaţa apei până la un diametru de aproximativ 12 cm (fig. 2b). Grosimea calculată a petei de ulei este de circa 120 µm. Pelicula subţire de ulei de motor este iluminată cu radiaţie laser 3 (fig. 1) cu lungimea de undă de 447 nm, care provoacă luminescenţa uleiului de motor (fig. 2b).

La identificarea petelor de produse petroliere pe suprafeţele deschise ale apelor în condiţii reale iluminarea obiectului studiat 1 poate constitui de la 1000 lx la răsăritul soarelui până la 100000 lx la amiază la transparenţa maximă a atmosferei. Lumina integrală reflectată de la suprafaţa uleiului de motor poate influenţa precizia măsurărilor spectrelor de fotoluminescenţă.

Pentru a imita cât mai real condiţiile, pelicula subţire de ulei de motor a fost iluminată cu lumină de fond cu iluminarea de 75000 lx. În fig. 3 (cadrul întâi) este prezentată imaginea suprafeţei peliculei de petrol cu grosimea de aproximativ 120 µm iluminată cu lumina de fond de 75000 lx şi cu un fascicul laser cu λ=447 nm (P=60 mW), înregistrată de o instalaţie optică de la distanţa de 15 m. Ulterior, imaginea obiectului studiat 1 şi spectrului de fotoluminescenţă sunt înregistrate de matricea camerei digitale 7 ca fişiere RAW la schimbarea succesivă a filtrelor interferenţiale 6 cu bandă îngustă (fig. 6). Dependenţa spectrală a transparenţei optice a filtrelor interferenţiale 6 cu banda îngustă normală la 1 este prezentată în fig. 4. Fiecare filtru 6 este transparent într-un diapazon spectral îngust în apropierea următoarelor lungimi de undă: 458 nm, 470 nm, 482 nm, 498 nm, 516 nm, 529 nm, 546 nm, 562 nm, 578 nm, 600 nm, 614 nm, 634 nm, 648 nm, 660 nm, 674 nm, 690 nm. În calitate de exemplu în fig. 5 este prezentată dependenţa spectrală a transmisiei filtrului interferenţial 6 cu banda îngustă cu maximumul transmisiei la lungimea de undă de 546 nm normală la 1. Ca rezultat, a fost obţinut un set discret de imagini ale obiectului 1 şi spectrului său de fotoluminescenţă. În calitate de exemplu în fig. 3 sunt prezentate imaginile spectrelor de fotoluminescenţă a peliculei subţiri de ulei de motor obţinute de la distanţa de 15 m. Procesarea computerizată a fişierelor RAW permite de a determina strălucirea imaginii în unităţi arbitrare (de la 0 până la 255) separat pentru fiecare din canalele sistemului RGB. Pentru imaginile obţinute cu ajutorul filtrelor 458...498 nm strălucirea este determinată după indicaţiile Blue channel, filtrelor 516...562 nm - după indicaţiile Green channel şi filtrelor 578...690 nm - după indicaţiile Red channel. Pentru a construi dependenţa spectrală a fotoluminescenţei peliculei de petrol este necesară efectuarea gradării sistemului telescopic 5 - filtrelor interferenţiale 6 - matricei camerei digitale 7. Necesitatea gradării este stipulată de caracteristica spectrală neliniară a sensibilităţii spectrale a camerelor digitale 7. În calitate de exemplu în fig. 6 este prezentată dependenţa strălucirii imaginii înregistrate (în unităţi arbitrare ale sistemului RGB de la 0 până la 255) de intensitatea radiaţiei incidente pentru unele din filtrele interferenţiale 6 utilizate. Apoi, se măsoară strălucirea domeniului de fotoluminescenţă şi a semnalului de fond în unităţi arbitrare ale sistemului RGB pentru fiecare din imaginile din fig. 3. Strălucirea semnalului fotoluminescenţei este măsurat în centrul domeniului iluminat de radiaţia laser. Strălucirea semnalului de fond este măsurată în afara domeniului de fotoluminescenţă. Valorile obţinute ale strălucirilor imaginilor sunt transferate cu ajutorul curbelor de gradare (fig. 6) în intensitatea semnalelor de fotoluminescenţă. Diferenţa dintre semnalul de fond şi semnalul de la domeniul iluminat cu radiaţie laser permite de a determina intensitatea semnalului fotoluminescenţei. Conform rezultatelor obţinute este construită dependenţa spectrală a intensităţii fotoluminescenţei peliculei de ulei de motor de pe suprafaţa apei (fig. 7, linia întreruptă), obţinută de la distanţa de 15 m. În fig. 7 este, de asemenea, prezentat spectrul fotoluminescenţei uleiului de motor, obţinut în condiţii staţionare cu ajutorul monocromatorului (linia neîntreruptă). Diferenţa între caracteristicile spectrale sunt stipulate de câţiva factori: de setul discret de filtre interferenţiale şi de precizia mai joasă a matricei camerei digitale în comparaţie cu fotomultiplicatorul monocromatorului. Însă curba caracteristică a fotoluminescenţei uleiului de motor, obţinută de la distanţa de 15 m, este comparabilă destul de bine cu cea în condiţii staţionare, ceea ce permite identificarea peliculelor subţiri de ulei de motor pe suprafaţa apei de la distanţe mari.

1. Chirita A., Kukhtarev N., Kukhtareva T., Gallegos S. Remote sensing and characterization of oil on water using coherent fringe projection and holographic in-line interferometry. Optical Engineering, 2013, 52(3), p. 035601-035605

Claims (1)

1. Metodă de identificare a peliculelor subţiri de produse petroliere conform spectrului lor de fotoluminescenţă la distanţă, care include iluminarea cu radiaţie optică ce provoacă fotoluminescenţă a obiectului studiat, care se află pe suprafaţa apei, de la o distanţă îndepărtată cu înregistrarea concomitentă a unei serii de imagini a domeniului fotoluminescenţei obiectului cu ajutorul unei camere digitale printr-un sistem de filtre interferenţiale cu bandă îngustă, totodată la prelucrarea digitală a imaginilor semnalul de fotoluminescenţă, provocată de iluminarea cu radiaţia optică, este separat din fondul luminos integral reflectat de la obiect, iar pelicula de produse petroliere se identifică prin confruntarea spectrului de fotoluminescenţă obţinut al obiectului studiat cu spectrul standard de fotoluminescenţă al produselor petroliere.