NO850157L

NO850157L - PROCEDURE AND APPARATUS FOR DETERMINING HYDROCARBONES ON A WATER SURFACE.

Info

Publication number: NO850157L
Application number: NO850157A
Authority: NO
Inventors: Anthony R Barringer
Original assignee: Barringer Research Ltd
Priority date: 1984-01-16
Filing date: 1985-01-15
Publication date: 1985-10-23
Also published as: AU3772785A; GB8500951D0; GB2153071A

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en meget følsom fremgangsmåte til påvisning av overflatefilmer av olje på havet og av både store og små utsivinger av gass og olje fra naturlige og andre kilder. Selv om oppfinnelsen primært er rettet mot anvendelse ved olje- og gasseksploatering til havs er den også anvendbar ved påvisning av lekkasje fra marine rørledninger og til påvisning av fiskeoljeflat i forbindelse med fiskeoppdrettsaktiviteter. The present invention relates to a very sensitive method for detecting surface films of oil at sea and of both large and small seeps of gas and oil from natural and other sources. Although the invention is primarily aimed at use in oil and gas exploitation at sea, it can also be used for the detection of leakage from marine pipelines and for the detection of fish oil slicks in connection with fish farming activities.

Når det gjelder anvendelse for olje- og When it comes to application for oil and

gasseksploatering har det vist seg at de fleste olje- og gassfelter oppviser spor av lekkasje av hydrokarboner til overflaten som følge av meget små sprekker i de oppåliggende berg. Erfaring har vist at dette fenomen foreligger over alt og at olje- og gasslekkasje kan være et nyttig supplement til andre metoder for oljeeksploatering, omfattende både geofysiske og geologiske metoder. gas exploitation, it has been shown that most oil and gas fields show traces of leakage of hydrocarbons to the surface as a result of very small cracks in the overlying rocks. Experience has shown that this phenomenon exists everywhere and that oil and gas leakage can be a useful supplement to other methods of oil exploitation, including both geophysical and geological methods.

Det er kjent at særlig gassfelter til havs er forbundet med lekkasje til overflaten. Slik lekkasje er lett å forstå idet lette hydrokarbongasser er særlig bevegelige, og spormengder stiger lett opp gjennom vertikale eller bratte sprekker i jordskorpen. Gassfelter til havs er således forbundet med utsiving av gassbobler som til sine tider er så sterke at de kan danne karakteristiske forstyrrelser i slam på sjøbunnen. Slike forstyrrelser omfatter både koniske forsenkninger og små hauger på sjøbunnen, idet deres form er en funksjon av graden av utsiving og karakteren til sedimentene på sjøbunnen. It is known that offshore gas fields in particular are associated with leakage to the surface. Such leakage is easy to understand as light hydrocarbon gases are particularly mobile, and trace amounts easily rise up through vertical or steep cracks in the earth's crust. Gas fields at sea are thus associated with the seepage of gas bubbles which at times are so strong that they can form characteristic disturbances in mud on the seabed. Such disturbances include both conical depressions and small mounds on the seabed, their shape being a function of the degree of seepage and the character of the sediments on the seabed.

En stor andel av oljefeltene har likeledes vist seg å være forbundet med gasslekkasje idet også disse inneholder hydrokarbongasser, enten som en gasshette oppå oljen eller som gass løst under trykk i den flytende oljefase. Typisk kan ca. 178 liter eller mer gass være løst i hver liter olje inne i oljefeltet og denne gass er tilbøyelig til å unnslippe kontinuerlig i ørsmå mengder i sprekker som ligger oppå slike oljefelter. Dessuten vil den flytende olje selv ha en tilbøyelighet til å migrere oppover både gjennom åpne sprekker som skyldes brudd og gjennom mikrosprekker. Unnslippingen av bobler eller gass i sjøbunnen ledsages derfor ofte av utsiving av væskeformete hydrokarboner. I mange tilfeller vil gass som migrerer oppover bære med seg damp av tyngre oljekomponenter, og det er også en mulighet for at strømmen av bobler kan dannes under overflaten og føre med seg spor av olje i disse bobler og derved transportere olje til overflaten. Hva mekanismen enn er, har gass som unnslipper gjennom sprekker oppå oljefeltene og bobling gjennom vannet oppå feltet tendens til- .å. føre med seg tilstrekkelig mengde tunge hydrokarboner til at det dannes en oljefilm på vannflaten. Slike oljefilmer kan være av betydelig viktighet fra oljeeksploateringssynspunkt, særlig dersom det tilhørende nærvær av gassbobler kan observeres, hvorved det kan fastslås at flakene har sin opprinnelse i naturlig utsiving. Fremgangsmåter til å identifisere både separat og sammen utsivete gassblærer og nærvær av oljefilmer eller -flak er derfor av betydelig viktighet. Men slike naturlige oljeflak A large proportion of the oil fields have also been shown to be associated with gas leakage as these also contain hydrocarbon gases, either as a gas cap on top of the oil or as gas dissolved under pressure in the liquid oil phase. Typically approx. 178 liters or more of gas be dissolved in each liter of oil inside the oil field and this gas is prone to escape continuously in tiny quantities in cracks that lie on top of such oil fields. Moreover, the liquid oil itself will have a tendency to migrate upwards both through open cracks resulting from fractures and through micro-cracks. The escape of bubbles or gas in the seabed is therefore often accompanied by seepage of liquid hydrocarbons. In many cases, gas that migrates upwards will carry with it vapor of heavier oil components, and there is also a possibility that the flow of bubbles can form below the surface and carry with it traces of oil in these bubbles and thereby transport oil to the surface. Whatever the mechanism, gas escaping through cracks on top of the oil fields and bubbling through the water on top of the field tends to- . carry with them a sufficient amount of heavy hydrocarbons to form an oil film on the water surface. Such oil films can be of considerable importance from an oil exploitation point of view, particularly if the associated presence of gas bubbles can be observed, whereby it can be established that the flakes have their origin in natural seepage. Procedures to identify both separately and together leaked gas bubbles and the presence of oil films or flakes are therefore of considerable importance. But such natural oil flakes

-4 -7 -4 -7

kan variere mye i tykkelse, fra 10 til 10 m og sogar mindre. Følsomheten til de anvendte metoder er derved kritisk for å kunne identifisere både store og små utsivinger av olje og gass. can vary widely in thickness, from 10 to 10 m and even less. The sensitivity of the methods used is therefore critical to being able to identify both large and small leakages of oil and gas.

Flere fysiskalske fenomener er viktige som grunnlag for den foreliggende oppfinnelse. Disse omfatter beteendet til lys som reflekteres fra dielektriske flater, såsom vann, ved den såkalte Brewster-vinkel. Ved denne vinkel polariseres alt lys som reflekteres fra flaten horisontalt. Faktisk blir av lyset som reflekteres fra flater ved alle vinkler i området fra pluss til minus 12° fra Brewster-vinkelen minst 80% horisontalt polarisert. Brewster-vinkelen varierer for forskjellige dielektriske materialer og er 37° med horisontalplanet når det gjelder vann. Når det gjelder olje avviker Brewster-vinkelen bare litt fra dette, nemlig til 34°, slik at lys som reflekteres fra vannets overflate ved Brewster-vinkelen blir også polarisert stort sett horisontalt når det reflekteres fra en oljefilm på overflaten. Several physical phenomena are important as a basis for the present invention. These include the behavior of light reflected from dielectric surfaces, such as water, at the so-called Brewster angle. At this angle, all light reflected from the surface is polarized horizontally. In fact, of the light reflected from surfaces at all angles in the range from plus to minus 12° from the Brewster angle, at least 80% is horizontally polarized. The Brewster angle varies for different dielectric materials and is 37° with the horizontal plane in the case of water. In the case of oil, the Brewster angle deviates only slightly from this, namely to 34°, so that light reflected from the surface of the water at the Brewster angle is also polarized mostly horizontally when it is reflected from an oil film on the surface.

En viktig optisk forskjell mellom egenskapene til råolje og vann er brytningsindeksen. Råoljes brytningsindekser i den blå ende av det synlige spektrum ligger typisk i området 1,42 - 1,60, mens vannets brytningsindeks er 1,36. Det faktum at oljens brytningsindeks er større enn vannets øker overflaterefleksjonen fra et oljelag i de ultrafiolette, synlige og infrarøde spektralområder. An important optical difference between the properties of crude oil and water is the refractive index. Crude oil's refractive indices at the blue end of the visible spectrum are typically in the range 1.42 - 1.60, while water's refractive index is 1.36. The fact that the oil's refractive index is greater than that of water increases the surface reflection from an oil layer in the ultraviolet, visible and infrared spectral ranges.

En annen viktig optisk forskjell mellom vann og råolje er at for råolje er overføringen av lys i det ultrafiolette og den blå ende av det optiske spektrum mye mindre enn overføringen av disse bølgelengder gjennom vann. Som en følge av dette er variasjonen av oljens brytingsindeks med bølgelengden betydelig større enn variasjonen av vannets brytningsindeks i samme bølgelengdeområde. Av denne årsak kan en liten bit av et oljeflak på vann når den iakttas på skrå oppfattes forholdsvis lysere eller klarere enn det omgivende vann i de ultrafiolette og blå deler av spekteret sammenlignet med spekterets røde ende. Another important optical difference between water and crude oil is that for crude oil the transmission of light in the ultraviolet and blue end of the optical spectrum is much less than the transmission of these wavelengths through water. As a result of this, the variation of the oil's refractive index with wavelength is significantly greater than the variation of the water's refractive index in the same wavelength range. For this reason, a small piece of an oil slick on water when viewed from an angle can be perceived as relatively brighter or clearer than the surrounding water in the ultraviolet and blue parts of the spectrum compared to the red end of the spectrum.

Noen oljer kan være nokså transparente i det synlige spektrum, selv om de er strekt absorberende i det kortere ultrafiolette, mens andre oljer er mørke for øyet og nokså absorberende i det synlige spektrum og i det ultrafiolette spektrum. Av den grunn varierer forskjell i utseendet mellom oljefilmer på vannets overflate avhengig av den type råolje som er involvert, ved sammenligning av de blå og røde reaksjoner. Some oils can be quite transparent in the visible spectrum, although they are strongly absorbent in the shorter ultraviolet, while other oils are dark to the eye and quite absorbent in the visible spectrum and in the ultraviolet spectrum. For that reason, the difference in appearance between oil films on the water's surface varies depending on the type of crude oil involved, when comparing the blue and red reactions.

En ytterligere viktig parameter ved betraktning av oljefilmers fysikalske karakteristika er den dempende effekt på grenseflaten mellom oljefilmer og bølger i vann. Særlig viktig er de såkalte kapillarbølger som dannes på overflaten av vannmasser som følge av at vinden som passerer opp over vannets overflate trekker med seg grensesjikt. Slike vinder forårsaker små bølger hvis amplityde dempes betydelig også av nokså tynne oljefilmer. Dette påvirker de strukturmønstre som sees på overflaten av det naturlige vann og som er særlig fremtredende ved betraktning under en skrå vinkel. A further important parameter when considering the physical characteristics of oil films is the damping effect on the interface between oil films and waves in water. Particularly important are the so-called capillary waves that form on the surface of bodies of water as a result of the wind passing over the surface of the water pulling the boundary layer along with it. Such winds cause small waves, the amplitude of which is significantly dampened also by relatively thin oil films. This affects the structural patterns seen on the surface of the natural water and which are particularly prominent when viewed from an oblique angle.

Dersom man betrakter anvendelse av optisk polariserende filtre for studium av vann eller andre dielektriske flater finner man at dersom den dielektriske flate betraktes på skrått gjennom et plant polariserende filter med dets polariserende akse vertikalt vil en høy andel av refleksjonen fra overflaten av vannet eller den dielektriske væske bli eliminert. Dette skyldes at nær Brewster-vinkelen polariseres lyset stort sett 100% ved refleksjon. Men lys som trenger gjennom overflaten vil bli spredd av de dielektriske molekyler under overflaten eller av turbiditet eller lysspredende gjenstander som er nærværende. Slikt spredd lys vil være stort sett upolarisert, ca. 50% av dette lys vil av den grunn passere gjennom den polariserende filter. Overflaterefleksjoner elimineres derved i høy grad ved betraktning gjennom et vertikalt polarisert filter, og det blir mulig å se gjennom overflaten og identifisere spredende gjenstander under overflaten med betydelig klarhet. If one considers the use of optical polarizing filters for the study of water or other dielectric surfaces, one finds that if the dielectric surface is viewed obliquely through a plane polarizing filter with its polarizing axis vertical, a high proportion of the reflection from the surface of the water or the dielectric liquid be eliminated. This is because near the Brewster angle the light is mostly 100% polarized by reflection. But light that penetrates the surface will be scattered by the dielectric molecules below the surface or by turbidity or light-scattering objects that are present. Such scattered light will be largely unpolarized, approx. 50% of this light will therefore pass through the polarizing filter. Surface reflections are thereby eliminated to a high degree when viewing through a vertically polarized filter, and it becomes possible to see through the surface and identify scattering objects below the surface with considerable clarity.

Dersom overflaten av vannet eller et annet dielektrikum på den annen side betraktes gjennom et polariserende filter som har dets polariseringsplan orientert horisontalt vil stort sett alt lyset som reflekteres ved Brewster-vinkelen fra vannet eller den dielektriske flate passere gjennom filteret, og ca. 50% av lyset som sprees fra under overflaten vil passere gjennom. Dette betyr at der er en omtrent en dobling i forhold til refleksjoner fra overflaten. Men det skal påpekes at der visselig ikke er en fullstendig eliminering av lys som sprees av molekyler, gjenstander eller turbilitet under overflaten. Det foreligger således ikke en omvendt situasjon hvor et vertikalt polariserende filter ved anvendelse ved Brewster-vinkelen er i stand til å se et rent bilde avledet av lys som sprees av gjenstander under overflaten, uten "forurensing" fra overflaterefleksjoner, mens derimot et horisontalt polariserende filter ser et rent bilde reflekteres fra overflaten uten bidrag fra spredning under overflaten. En slik omvendt situasjon ville dersom den kunne oppnås gjøre en i stand til å oppnå eksepsjonelt høy følsomhet for overflateeffekter og ville av den grunn være nyttig for identifisering av nærværet av oljefilmer på vannets overflate. If, on the other hand, the surface of the water or another dielectric is viewed through a polarizing filter that has its plane of polarization oriented horizontally, almost all of the light reflected at the Brewster angle from the water or the dielectric surface will pass through the filter, and approx. 50% of the light that is scattered from below the surface will pass through. This means that there is approximately a doubling compared to reflections from the surface. But it should be pointed out that there is certainly not a complete elimination of light scattered by molecules, objects or turbulence below the surface. Thus, there is not an inverse situation where a vertically polarizing filter when applied at the Brewster angle is able to see a clean image derived from light scattered by objects below the surface, without "contamination" from surface reflections, whereas a horizontally polarizing filter sees a pure image reflected from the surface with no contribution from scattering below the surface. Such a reversed situation would, if it could be achieved, enable one to achieve exceptionally high sensitivity to surface effects and would therefore be useful for identifying the presence of oil films on the water's surface.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse oppnås målet med å være meget følsom for overflateeffekter ved at det anvendes to bilder frembrakt stort sett ved Brewster-vinkelen, det ene gjennom et vertikalt polariserende filter og det andre gjennom et horisontalt polariserende filter. Deretter anvendes det en elektronisk anordning for å oppnå forskjellen mellom disse to bilder, slik at det ene bilde, som er avledet utelukkende fra lys som spres fra under overflaten subtraheres fra det andre bilde som inneholder både overflatekomponenter og komponenter under overflaten. Denne fremgangsmåte gjør det når den gjennomføres på riktig måte mulig stort sett å eliminere lys som blir spredd under overflaten, i det resterende bilde hvorved det etterlates utelukkende overflaterefleksjoner. According to the present invention, the goal of being very sensitive to surface effects is achieved by using two images produced mostly at the Brewster angle, one through a vertical polarizing filter and the other through a horizontal polarizing filter. An electronic device is then used to obtain the difference between these two images, so that one image, which is derived exclusively from light that is scattered from below the surface, is subtracted from the other image which contains both surface components and components below the surface. This method, when carried out correctly, makes it possible to largely eliminate light that is scattered below the surface, leaving only surface reflections in the remaining image.

I en forholdsvis enkel utførelsesform av oppfinnelsen betraktes vannets overflate ved Brewster-vinkelen gjennom to like fargefjernsynskameraer som er anbrakt ved siden av hverandre. I disse benyttes det fasttilstands, todimensjonale oppstillinger av fotosensorer som er tilpasset hverandre, typisk av fotodiodetypen. Like linser anvendes i de to fjernsynskameraer, og fotosensoroppstillingene avsøkes i fjernsynsraster som er forbundet med en enkeltrastergenerator som derved frembringer synkrone bilder som er tilpasset i tid og rom. In a relatively simple embodiment of the invention, the surface of the water is viewed at the Brewster angle through two identical color television cameras which are placed next to each other. In these, solid-state, two-dimensional arrays of photosensors are used which are adapted to each other, typically of the photodiode type. Identical lenses are used in the two television cameras, and the photosensor arrays are scanned in television grids that are connected to a single grid generator which thereby produces synchronous images that are adapted in time and space.

Det ene av fjernsynskamerane betrakter vannet gjennom et polariserende filter med vertikal akse, og det andre kamera betrakter vannet gjennom et polariserende filter som har en horisontal akse. Subtraktive kretser benyttes, slik at den felles komponent i begge bilder, nemlig lyset som blir spredd under overflaten elimineres, slik at bare overflatebildet blir igjen. Dette resterende bilde kan registreres med standard fargevideoregistreringsteknikk, og det kan vises på en fargevideomonitor. One of the television cameras views the water through a polarizing filter with a vertical axis, and the other camera views the water through a polarizing filter that has a horizontal axis. Subtractive circuits are used, so that the common component in both images, namely the light that is scattered below the surface, is eliminated, so that only the surface image remains. This residual image can be recorded using standard color video recording techniques and displayed on a color video monitor.

En viktig fordel med å anvende et trefargesystem er at forandringer i overflatestruktur og refleksjonsfaktor forårsaket av andre effekter enn de som har tilknytning til oljefilmer er tilbøyelig til å oppføre seg forskjellig i hver av fargene sammelignet med effektene som er forbundet med oljefilmene. Som eksempel synes et oljefilmflak betydelig klarere i den blå ende av spekteret enn den gjør i den røde ende av spekteret, mens dette ikke nødvendigvis er tilfellet med effekter som er knyttet til kjølvann fra skip hvor forskjellige fysikalske fenomener vil forårsake oppriving av vannets overflate. Dessuten vil de mønstre som er knyttet tilODPStiqende bobler være hvite på farqefiernsvnsmonitoren, mens flytende oljeflak har en annen farge på monitoren. Farge medvirker således til å skjelne bobler sammenlignet med anvendelse av et monokromatisk display med en bølgelengde. An important advantage of using a three-colour system is that changes in surface structure and reflectance caused by effects other than those associated with oil films tend to behave differently in each of the colors compared to the effects associated with the oil films. As an example, an oil film flake appears significantly clearer at the blue end of the spectrum than it does at the red end of the spectrum, while this is not necessarily the case with effects linked to wakes from ships where various physical phenomena will cause the surface of the water to be disturbed. Also, the patterns associated with ODP-sticking bubbles will be white on the farkefiensvn monitor, while floating oil flakes have a different color on the monitor. Color thus helps to distinguish bubbles compared to using a monochromatic display with one wavelength.

Oppfinnelsen er ovenfor blitt beskrevet i forbindelse med trefarget fjernsynsavbildning. Men følsomheten kan økes ytterligere ved å anvende ultrafiolette fotodioder i i de todimensjonale oppstillinger. I dette tilfelle kan fjernsynsmonitorer, istedetfor å anvende de tre primærfarger rød, grønn og blå, operere i et annet område av bølgelengder, såsom rød, blå og ultrafiolett. Dersom det anvendes langt ultrafiolett området 360-400mn, er det mulig å anvende mer eller mindre konvensjonell optikk. Dersom imidlertid det kortere ultrafiolette som forekommer i solspekteret anvendes, mellom 300 og 400mn, er det nødvendig å anvende spesielle linser fremstilt av kvarts. The invention has been described above in connection with three-colour television imaging. But the sensitivity can be further increased by using ultraviolet photodiodes in the two-dimensional arrays. In this case, television monitors, instead of using the three primary colors red, green and blue, can operate in another range of wavelengths, such as red, blue and ultraviolet. If the far ultraviolet range 360-400mn is used, it is possible to use more or less conventional optics. If, however, the shorter ultraviolet that occurs in the solar spectrum is used, between 300 and 400mn, it is necessary to use special lenses made of quartz.

Den forskjellige reaksjon mellom det korte ultrafiolette og den røde ende av det synlige spektrum er meget betydelig, og skjelningen i reaksjon mellom den korte ultrafiolette og den røde ende av det synlige spektrum er meget vesentlig, og distinksjonen for oljeflak i forhold til naturlige flak som skyldes andre kilder er høy. Men problemene med optisk spredning som følge av atmosfærisk dis økes vesentlig i det ultrafiolette spektrum, og de egnete værbetingelser for utøvelse av oppfinnelsen blir noe begrenset, særlig dersom man stoler mest på det korte ultrafiolette. The different reaction between the short ultraviolet and the red end of the visible spectrum is very significant, and the difference in reaction between the short ultraviolet and the red end of the visible spectrum is very significant, and the distinction between oil flakes and natural flakes due to other sources is high. But the problems with optical scattering as a result of atmospheric haze are significantly increased in the ultraviolet spectrum, and the suitable weather conditions for practicing the invention become somewhat limited, especially if one relies mostly on the short ultraviolet.

Oppfinnelsen kan frembringe meget høy følsomhet for submikron oljefilmer som følge av elimineringen av forstyrrelser forbundet med optisk spredning under overflaten, en spredning som i klart havvann kan forekomme helt ned til dyp på 11 meter. Fordelene som kan oppnås med oppfinnelsen når det gjelder følsomhet er derfor meget vesentlige ved anvendelse for hydrokarboneksploatering. Dessuten er den forholdsvis gode rommelige oppløsning hos videokameraer som kan anvendes et viktig trekk i systemet ved at den muliggjør klar identifisering og muliggjør således samlet interpretering av bobleutsiving og oljefilmdata. The invention can produce very high sensitivity to submicron oil films as a result of the elimination of disturbances associated with optical scattering below the surface, a scattering which in clear sea water can occur down to a depth of 11 meters. The advantages that can be achieved with the invention in terms of sensitivity are therefore very significant when used for hydrocarbon exploitation. In addition, the relatively good spatial resolution of video cameras that can be used is an important feature of the system in that it enables clear identification and thus enables a combined interpretation of bubble seepage and oil film data.

I en mer avansert utførelsesform av oppfinnelsen er det mulig å betrakte vannets overflate ved Brewster-vinkelen gjennom et par av enkelt-fotosensorer som avbilder en smal stripe eller linje på sjøflaten istedenfor et rektangulært område. Forskjellen mellom de smale striper betraktet gjennom de ortogenale polariseringsanordninger kan oppnås på nøyaktig samme måte som beskrevet for løsningen med vanlige fjernsynskameraer, og det kan dannes et bilde ved trykking på hardkopiutgangssignalene fra linjeoppstillingene eller deres differanseutgangssignaler på en kontinuerlig strimmel av film eller papir hvis bevegelse er proposisjonal med hastigheten av foroverbevegelse av plattformen. Rullestabilisering av plattformen som bærer sensorene må foretas. En slik plattform er typisk et fly. Sterk forvrenging av bildet som blir dannet langs strimmelen elimineres derved. En viktig fordel ved denne linjeavbildningsutførelsesform er at de optiske betingelser når det gjelder atmosfærisk spredning avstemmes omtrentlig langs et horisontalt linjebilde ved Brewster-vinkelen både på den vertikale og den horisontale polariseringsanordning. Ved fremstilling av et differensiallinjebilde kan det således oppnås stort sett eliminering av dis-spredningseffekter. Når et rektangulært bilde betraktes istedenfor et enkeltlinjebilde varierer på den annen side betingelsene for spredning på grunn av dis på en vertikal vinkelmåte langs retningen for flygingen forskjellig gjennom hver polariseringsanordning. Dersom f.eks. øvrige parti av det bilde som betraktes gjennom hver polariseringsanordning befinner seg ved en fallvinkel på 25° i forhold til horisontalplanet og det nedre parti av hvert bilde som betraktes gjennom hver polariseringsanordning befinner seg ved en fallvinkel på 50° i forhold til horisontalplanet vil det være forskjeller mellom de to polariseringsanordninger når det gjelder atmosfærisk spredning betraktet ved fallvinkelen 25° sammenlignet med spredningen som betraktes gjennom de to polariseringsanordninger ved 50°' fallvinkel. Når det således avledes forskjellsbilder eller forholdsbilder fra det rektangulære bilde vil der være graderinger fra toppen til bunnen av bildet, som er en funksjon av denne forskjellige spredningseffekt. Årsaken til dette er at der er en partiell polarisering av lys som sprees av atmosfæren og graden av polarisering, og vinkelen for denne polarisering er knyttet til innfallsvinkelen for solstrålingen. Forskjellige betraktningsvinkler vil således gi forskjellige grader av transmisjon gjennom ortogonalt plasserte In a more advanced embodiment of the invention, it is possible to view the surface of the water at the Brewster angle through a pair of single photosensors that image a narrow strip or line on the sea surface instead of a rectangular area. The difference between the narrow strips viewed through the orthogenal polarizers can be obtained in exactly the same way as described for the solution with ordinary television cameras, and an image can be formed by printing the hard copy outputs from the line arrays or their difference outputs on a continuous strip of film or paper whose motion is propositional with the rate of forward motion of the platform. Roll stabilization of the platform carrying the sensors must be carried out. Such a platform is typically an aircraft. Strong distortion of the image that is formed along the strip is thereby eliminated. An important advantage of this line imaging embodiment is that the optical conditions in terms of atmospheric scattering are approximately matched along a horizontal line image at the Brewster angle on both the vertical and horizontal polarizers. When producing a differential line image, the elimination of scattering effects can thus be largely achieved. When a rectangular image is viewed instead of a single line image, on the other hand, the conditions for scattering due to haze in a vertical angular fashion along the direction of flight vary differently through each polarizing device. If e.g. other part of the image viewed through each polarizing device is at an angle of incidence of 25° in relation to the horizontal plane and the lower part of each image viewed through each polarizing device is at an angle of incidence of 50° in relation to the horizontal plane, there will be differences between the two polarizing devices in terms of atmospheric scattering considered at the angle of incidence of 25° compared to the scattering considered through the two polarizing devices at the angle of incidence of 50°'. When difference images or ratio images are thus derived from the rectangular image, there will be gradations from the top to the bottom of the image, which is a function of this different scattering effect. The reason for this is that there is a partial polarization of light that is scattered by the atmosphere and the degree of polarization, and the angle for this polarization is linked to the angle of incidence of the solar radiation. Different viewing angles will thus give different degrees of transmission through orthogonally placed

polariseringsanordninger. Denne vinkeleffekt kan også sees polarizing devices. This angle effect can also be seen

horisontalt tvers over et enkelt linjebilde, særlig dersom det anvendes vidvinkellinser, men den er langt mindre fremtredende enn den effekt som sees fra toppen til bunnen av et rektangulært bilde hvor hovedforandringer i retning og optisk banelengde opptrer. Muligheten til å oppnå avstemming mellom de to bilder som sees gjennom de vertikale og horisontale polariseringsanordninger gir begrensningen for maksimal følsomhet som kan oppnås ved påvisning av oljefilmer. Idet det kan oppnås betydelige bedre avpasning av atmosfæriske spredningsbetingelser med en eneste, smal betraktningsvinkel på 37° under horisontalplanet oppnås mye høyere følsomhet ved oljefilmpåvisning og anvendelse av et linjeavbildningssystem som etterhvert bygger opp dets todimensjonale bilde når flyet flyr over, sammenlignet med et todimensjonalt horizontally across a single line image, especially if wide-angle lenses are used, but it is far less prominent than the effect seen from top to bottom of a rectangular image where the main changes in direction and optical path length occur. The ability to achieve alignment between the two images seen through the vertical and horizontal polarizing devices provides the limit to the maximum sensitivity that can be achieved in the detection of oil films. Since significantly better matching of atmospheric scattering conditions can be achieved with a single, narrow viewing angle of 37° below the horizontal plane, much higher sensitivity is achieved by oil film detection and the use of a line imaging system that gradually builds up its two-dimensional image as the aircraft flies over, compared to a two-dimensional

avbildningssystem som utføres opp med et opptak.imaging system that is performed with a recording.

Ifølge en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen er det mulig å anvende to identiske filmkameraer som betrakter havets overflate ved Brewster-vinkelen gjennom horisontalt og vertikalt polariserte filtre. Fotografier kan tas på film i periodiske intervaller, såsom et sekund, hvoretter differensialbilder frembringes ved fotoelektrisk differensangivelse av filmbildene og deretter dannelse av et differensialbilde ved hjelp av en regnemaskin. Denne teknikk er nøyaktig analog med anvendelsen av to fjernsynskameraer, men det anvendes mellomliggende filmlagring, etterfulgt av et separat behandlingstrinn for fremkalling av det nødvendige differensialbilde. Den fotografiske metode kan også benyttes sammen med kontinuerlige strimmelfilmkameraer av den type som vanligvis anvendes ved geografisk utmålingsarbeid fra luften. Disse kameraer anvender en kontinuerlig bevegelig 35 mm film med en spalte foran filmen. Filmens passering reguleres til hastigheten for bildet, som i sin tur er en funksjon av flyhøyden og flyets hastighet. Når filmens bevegelse er regulert skikkelig er bildet som dannes et kontinuerlig strimmelbilde av bakken under flyet. Eksponering styres enten av spaltens bredde eller av åpningen i kameraets irisblender. To slike kameraer kan plasseres ved siden av hverandre og peke mot havets overflate ved Brewster-vinkelen, og de to kontinuerlige strimmelbilder som derved dannes kan tallfestes fotoelektrisk og differensialbildet dannes. Som tidligere kan denne løsning gi bedre kvalitet enn enkeltrammeløsningen på grunn av den større jevnhet i atmosfærespredningsbetingelsene når det tas et bilde ved bare en spesifikk vinkel. Man skal imidlertid huske på at filmavbildning er dårligere enn direkte elektrisk tallfesting av bildene som dannes ved hjelp av linser som følge av at filmens dynamiske område er nokså begrenset og dessuten at filmregistreringsteknikken er tilbøyelig til å være ulineær. According to a further embodiment of the invention, it is possible to use two identical film cameras which view the surface of the sea at the Brewster angle through horizontally and vertically polarized filters. Photographs can be taken on film at periodic intervals, such as one second, after which differential images are produced by photoelectric difference indication of the film images and then formation of a differential image by means of a calculator. This technique is exactly analogous to the use of two television cameras, but intermediate film storage is used, followed by a separate processing step for developing the required differential image. The photographic method can also be used in conjunction with continuous strip film cameras of the type that are usually used in geographical surveying work from the air. These cameras use a continuously moving 35 mm film with a slit in front of the film. The film's passage is regulated to the speed of the image, which in turn is a function of the aircraft's altitude and the aircraft's speed. When the film's movement is regulated properly, the image that is formed is a continuous strip image of the ground below the aircraft. Exposure is controlled either by the width of the slit or by the opening in the camera's iris diaphragm. Two such cameras can be placed next to each other and point towards the surface of the sea at the Brewster angle, and the two continuous strip images that are thereby formed can be numbered photoelectrically and the differential image formed. As before, this solution can provide better quality than the single frame solution due to the greater uniformity of the atmospheric scattering conditions when an image is taken at only one specific angle. However, it must be borne in mind that film imaging is inferior to direct electrical digitization of the images formed by means of lenses as a result of the fact that the film's dynamic range is quite limited and also that the film recording technique tends to be non-linear.

Oppfinnelsen vil kunne forstås bedre ved hjelp av en detaljert beskrivelse av apparatet. Havets overflate betraktes ved hjelp av et kamera ved Brewster-vinkelen, som vist i fig. 1. Vinkelen 1 er for vanns vedkommende 37° og for oljes vedkommende 34°. The invention will be better understood with the help of a detailed description of the apparatus. The surface of the ocean is viewed using a camera at the Brewster angle, as shown in fig. 1. Angle 1 is 37° for water and 34° for oil.

I kameraet anvendes det foran dets linse et polariserende filter 2. Når det polariserende filters orientering er horisontal, er der en økning av ove.rf lateref leks j onen i forhold til lys under overflaten som penetrerer vannets overflate og sendes tilbake fra under overflaten ved spredning nedenfra. Dette skyldes at ved Brewster-vinkelen er lys som reflekteres fra overflaten 100% polarisert, mens lys som sprees under overflaten er stort sett upolarisert. Når vannets overflate betraktes gjennom et vertikalt polariserende filter er der en stort sett total avvisning ved Brewster-vinkelen av overflaterefleksjonen, og bildet som sees er dannet fullstendig av optisk spredning under overflaten. Fig. 2 viser et perspektivriss av oppfinnelsen, hvor to fjernsynskameraer, 3 og 4, med samme utforming, med like linser og avpasset til todimensjonale fotosensorer 5, 6 anvendes til å fremstille avpassete bilder av vannoverflaten. Fig. 3 viser i blokkdiagramform det elektroniske diagram av apparatet ifølge oppfinnelsen, hvor fjernsynskameraet 7 og 8 opereres ved hjelp av en enkelt rastergenerator 9, som sikrer fullstendig synkroniserte bilder, og videoutgangs-signalene fra kameraene 7 og 8 er forbundet med en differensialforsterker 10, som frembringer et differensialutgangs-signal hvor den felles komponent hos de to bilder, nemlig bildene fra lysspredningen under overflaten, elimineres, hvorved det blir tilbake et restbilde dannet bare av lyset som reflekteres fra vannets overflate. In the camera, a polarizing filter 2 is used in front of its lens. When the orientation of the polarizing filter is horizontal, there is an increase in the surface reflection in relation to light below the surface which penetrates the surface of the water and is sent back from below the surface by scattering from below. This is because at the Brewster angle, light reflected from the surface is 100% polarized, while light scattered below the surface is largely unpolarized. When the surface of the water is viewed through a vertically polarizing filter there is a largely total rejection at the Brewster angle of the surface reflection, and the image seen is formed entirely by optical scattering below the surface. Fig. 2 shows a perspective view of the invention, where two television cameras, 3 and 4, with the same design, with identical lenses and adapted to two-dimensional photosensors 5, 6 are used to produce adapted images of the water surface. Fig. 3 shows in block diagram form the electronic diagram of the apparatus according to the invention, where the television cameras 7 and 8 are operated by means of a single raster generator 9, which ensures completely synchronized images, and the video output signals from the cameras 7 and 8 are connected with a differential amplifier 10, which produces a differential output signal where the common component of the two images, namely the images from the light scattering below the surface, is eliminated, leaving behind a residual image formed only by the light reflected from the water's surface.

Utgangssignalet fra denne differensialforsterker 10, som bærer bildet, er forbundet med en billedforsterkende anordning 11 som forsterker de høyfrekvente romkomponenter i bildet for å oppnå kantskjerping rundt flatforekomster på havets overflate samt rundt kantene av små flekker som skyldes blæredannelse. Billedforsterkeren 11 er forbundet med en videomonitor 12 og med en videoopptaker 13, slik at havets overflate kan betraktes fra en egnet mobil plattform, såsom et helikopter eller et fly i reell tid på en monitor, og bildet kan også registreres for mer detaljert analyse senere. The output signal from this differential amplifier 10, which carries the image, is connected to an image amplifying device 11 which amplifies the high-frequency spatial components in the image to achieve edge sharpening around flat occurrences on the surface of the sea as well as around the edges of small spots caused by blistering. The image intensifier 11 is connected to a video monitor 12 and to a video recorder 13, so that the surface of the sea can be viewed from a suitable mobile platform, such as a helicopter or an airplane in real time on a monitor, and the image can also be recorded for more detailed analysis later.

For enkelhets skyld viser figurene elektroniske blokker som er forbundet med en eneste optisk kanal. Ved anvendelse av trefargefjernsyn, hvor det anvendes uavhengig sensorer for hver farge vil det være nødvendig å anvende tre slike kretser, en krets for den blå, en annen krets for den grønne og en tredje krets for den røde del av spekteret. For simplicity, the figures show electronic blocks connected by a single optical channel. When using three-colour television, where independent sensors are used for each colour, it will be necessary to use three such circuits, one circuit for the blue, another circuit for the green and a third circuit for the red part of the spectrum.

I den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen benyttes det en differensialsubtraksjonsteknikk for å eliminere fra det endelige bilde virkningene av oppadbølgende lys som er dannet av molekyl-partikkelspredning under vannflaten og for å gi et bilde som utelukkende er knyttet til lys som reflekteres fra overflaten. Der er imidlertid alternative løsninger som gir enklere metoder til aksentuering av overflateeffekter ved anvendelse av en modifisert distinksjonsteknikk for separering av overflateeffekter fra oppadbølgende lys. En fremgangsmåte er å ta utgangssignalene fra den ene av fargekanalene, såsom den blå kanal, å presentere det vertikalt polariserte kamera for den blå elektronkanon med en fargevideomonitor og det tilsvarende utgangssignal fra det horisontalt polariserte kamera for den røde elektronkanon i fargevideomonitoren. I denne situasjon vil alle komponenter i de to bilder som er like gi et identisk, blandet fargeutgangssignal på monitorskjermen, mens i områder hvor de to bilder avviker fra hverandre som følge av nærvær av overflaterefleksjoner vil det blandete fargeutgangssignal være forskjellig. Med andre ord danner overflaterefleksjoner forskjellige farger på skjermen sammenlignet med det vanlige spredningsbilde fra under overflaten. In the preferred embodiment of the invention, a differential subtraction technique is used to eliminate from the final image the effects of upward-wavering light that is formed by molecule-particle scattering below the water surface and to provide an image that is exclusively related to light reflected from the surface. There are, however, alternative solutions that provide simpler methods for accentuating surface effects by using a modified distinction technique for separating surface effects from upward-wavering light. One method is to take the output signals from one of the color channels, such as the blue channel, to present the vertically polarized camera for the blue electron gun with a color video monitor and the corresponding output signal from the horizontally polarized camera for the red electron gun in the color video monitor. In this situation, all components of the two images that are the same will give an identical, mixed color output signal on the monitor screen, while in areas where the two images differ from each other due to the presence of surface reflections, the mixed color output signal will be different. In other words, surface reflections form different colors on the screen compared to the normal scattering image from below the surface.

Selv om dette er en enkel løsning er den langt mindre omfattende enn anvendelse av trefargedifferansialmetoden som identifiserer overflatereflektret lys samtidig i tre deler av spekteret, noe som hjelper ved interpretering. Although this is a simple solution, it is far less comprehensive than the application of the three-colour differential method, which identifies surface-reflected light simultaneously in three parts of the spectrum, which helps with interpretation.

En ytterligere alternativ utførelsesform er å generere en spenning som er proporsjonal med forholdet mellom utgangssignalene fra hver fargekanal i hver av fargefjernsyns-kameraene. Det dannes således en spenning ved hjelp av en egnet krets, som er et forhold mellom det blå utgangssignal hos det vertikalt polariserte kamera og det blå utgangssignal hos det horisontalt polariserte kamera, en annen som er forholdet mellom de grønne utgangssignaler hos de to kameraer samt en tredje som er de røde utgangssignaler hos de to kameraer. Hver av disse forholdsspenninger er koplet til den tilhørende fargeelektronkanon i fargevideomonitoren, slik at det presenteres et trefarget bilde hvor intensitetene for hver farge representerer forholdene mellom de to kameraer for hver farge. Denne løsning vil ha mindre kontrast enn differensial-løsningen, men likevel når den stort sett samme formål på en annen måte. A further alternative embodiment is to generate a voltage proportional to the ratio of the output signals from each color channel in each of the color television cameras. A voltage is thus formed by means of a suitable circuit, which is a ratio between the blue output signal of the vertically polarized camera and the blue output signal of the horizontally polarized camera, another which is the ratio between the green output signals of the two cameras and a third which are the red output signals of the two cameras. Each of these ratio voltages is connected to the associated color electron gun in the color video monitor, so that a three-color image is presented where the intensities for each color represent the ratios between the two cameras for each color. This solution will have less contrast than the differential solution, but still achieves largely the same purpose in a different way.

I bruk blir systemet flydd eller på annen måte beveget over et systematisk gitter av parallelle linjer, hvor det kan opereres i forholdsvis store høyder, såsom ca. 1500 meter for innledende dekronisering eller ved lave høyder, såsom ca. 300 meter for mer detaljerte oversikter. Ved å anvende en akseptabel vinkel for linsene i størrelsesorden 45° oppnås det en svøpevinkel på 1,375 ganger flyhøyden, og faktisk kan linsens akseptable vinkel velges slik at fjernsynskameraenes svøpevinkel for dekning gir en fullstendig dekning av den underliggende vannflate ved den flyhøyde og det overflygnings-intervall som velges. Når det gjelder flyging under skyete forhold kan tilfredstillende drift oppnås uavhengig av flygeretningen. Men det er spesielle betraktninger dersom himmelen er skyfri idet solrefleksjoner vil opptre på vannets overflate, noe som kan forårsake uheldige solglimt i bildene dersom det ikke velges riktige flygeretninger. En av de mest egnete flygeretninger er når kameraet peker 180° bort fra solen, idet vannflaten derved er jevnt belyst og solglimt stort sett elimineres. In use, the system is flown or otherwise moved over a systematic grid of parallel lines, where it can be operated at relatively high heights, such as approx. 1500 meters for initial dechronization or at low altitudes, such as approx. 300 meters for more detailed overviews. By using an acceptable angle for the lenses of the order of 45°, a sweeping angle of 1.375 times the flight altitude is achieved, and in fact the acceptable angle of the lens can be chosen so that the television camera's sweeping angle of coverage provides complete coverage of the underlying water surface at that flight height and overflight interval which is selected. When it comes to flying in cloudy conditions, satisfactory operation can be achieved regardless of the direction of flight. But there are special considerations if the sky is cloudless, as solar reflections will appear on the surface of the water, which can cause unfortunate sun flashes in the images if the correct flight directions are not chosen. One of the most suitable flight directions is when the camera points 180° away from the sun, as the water surface is thereby evenly lit and sun glare is largely eliminated.

En annen viktig betraktningsfaktor når det gjelder værforhold er vindhastighetene. Når vindens hastighet overskrider ca. 12 knop vil det begynne å danne seg skumtopper på vannets overflate, og disse foråsaker støy og gjør det vanskelig å iaktta bobler som skyldes gassutsiving. Som en generell regel er det av den grunn ønskelig å utføre oppfinnelsen bare ved vindhastigheter på under 12 knop. Another important factor to consider when it comes to weather conditions are wind speeds. When the wind speed exceeds approx. At 12 knots, peaks of foam will begin to form on the surface of the water, and these cause noise and make it difficult to observe bubbles caused by gas escape. As a general rule, it is therefore desirable to carry out the invention only at wind speeds of less than 12 knots.

Claims

1. Procedure for examining the surface of bodies of water to detect the presence of hydrocarbons, characterized by (i) receiving electromagnetic radiation from the body of water at an angle substantially equal to the Brewster angle of the water and/or the Brewster angle of the hydrocarbons; (ii) passing a first portion of the received radiation through a polarizing filter with its polarizing axis vertical, to eliminate surface reflections, (iii) passing a second portion of the received radiation through a polarizing filter with its polarizing axis horizontal, for partial elimination of subsurface radiation; as well (iv) combining the first and second filtered portions of the received radiation to increase the portion of radiation reflected from the surface, and examining an image formed by said portion of the radiation to detect the presence of hydrocarbon(s) on the surface of the water surface.

2. Method in accordance with claim 1, characterized in that the radiation is received at an angle in the range 25° -46° in relation to the horizontal plane.

3. Apparatus for detecting the presence of hydrocarbons on the surface of a body of water, characterized by first and second receivers, first and second polarizing filters, where the first polarizing filter is connected to the first receiver with its axis horizontal and the second polarizing filter is connected with the second receiver with its axis vertical, as well as a differential-combining unit for combining the output signals from the two receivers to form an enhanced image of reflections from the surface of the water body.