RU155916U1 - Лидарный комплекс комбинационного рассеяния для подводного поиска углеводородов - Google Patents

Abstract

Лидарный комплекс комбинационного рассеяния для подводного поиска углеводородов, содержащий источник лазерного излучения на нескольких длинах волн и расположенный в непосредственной близости от него приемный оптический телескоп, на оптической оси которого установлен спектрометр и детектор, отличающийся тем, что в качестве детектора используется стробируемая электронно-оптическая камера, установленная за спектрометром на одной оптической оси с приемным телескопом, приемный оптический телескоп снабжен дифракционным оптическим элементом, нанесенным на его заднюю оптическую поверхность, а между спектрометром и стробируемой электронно-оптической камерой установлен светоделитель.

Description

Полезная модель относится к области исследований и анализа химических веществ и соединений в окружающей среде с помощью лазерно-оптических методов и средств, а именно лидарных систем дистанционного мониторинга и контроля состояния атмосферы и гидросферы, дистанционного поиска, прогнозирования нефтегазовых залежей и геоэкологического мониторинга в морских акваториях. Полезная модель может быть использована для оперативного и высокоточного определения концентрации углеводородов как в атмосфере, так и в гидросфере и благодаря этому позволяет обнаруживать места утечек в трубопроводах, выбросов углеводородов на месторождениях нефти и природного газа, анализировать влияние на окружающую среду объектов переработки нефти и газа.

Известны технологии и устройства изучения газа в морских акваториях для прогнозирования нефтегазовых залежей и геоэкологического мониторинга, основанные на пробоотборе и анализе проб воды на предмет содержания углеводородов (например по патенту на полезную модель РФ №66064), которые не позволяют дистанционно и оперативно проводить многозональное зондирование акваторий и поиск потенциальных углеводородных месторождений.

Известны способы аэрокосмического изучения месторождений полезных ископаемых, в основу которых положено фундаментальное физическое взаимодействие между элементарными частицами и электромагнитным излучением (Готынин B.C., Теоретические предпосылки дистанционного исследования при изучении геологического строения нефтегазовых территорий. В кн. "Дистанционные исследования при нефтепоисковых работах", Мин. нефт. пром. СССР, АН СССР, Сб. научн, трудов, М., 1985; Гридин В.И., Дмитриевский А.Н. Системно-аэрокосмическое изучение нефтегазоносных территорий, М., изд. Наука, 1994). Однако эффективность аэрокосмических технологий остается низкой, поскольку вероятность обнаружения месторождений не превышает 5÷10%, а глубины разведки ограничиваются приповерхностными горизонтами литосферы Земли (Физико-химические основы прямых поисков залежей нефти и газа, ВНИИЯГТ, М.: Наука, 1986).

Основу лазерных спектрально-оптических комплексов для подводных исследований составляет спектрометр, который в зависимости от вида применяемого источника излучения может работать по одной из измерительных схем: абсорбционной, флуоресцентной или рамановской спектроскопии.

Среди систем дистанционного поиска, действующих на основе механизмов возбуждения молекул под действием лазерного излучения, наибольшей селективностью и эффективностью отличаются лидары комбинационного рассеяния, или рамановские лидары (Патент США №6373567, Алимов С.В., Данилов О.Б., Жевлаков А.П., Кащеев C.B., Косачев Д.В., Мак Ан..А, Петров С.Б., Устюгов В.И. - Авиационный рамановский лидар с ультраспектральным разрешением // Оптический журнал 2009. Т. 76. №4. С. 41-51).

Известен рамановский спектрометр (Патент США US7403281 (по заявке US 20050248758 A1)), состоящий из источника света для возбуждения комбинационного рассеяния, детектора для измерения мощности рассеянного излучения, оптической системы для подвода излучения источника света к образцу, фокусирования комбинационного рассеянного света от образца и передачи рассеянного света на детектор, работающий следующим образом: источник света возбуждает комбинационное рассеяние в образце, оптическая система передает рассеянное излучение на детектор, где регистрируется сигнал рассеяния.

Наиболее близким устройством к заявляемой полезной модели по совокупности признаков, принятым в качестве прототипа, является лидарный комплекс комбинационного рассеяния (Патент РФ на полезную модель №106966), состоящий из источника лазерного излучения на нескольких длинах волн, расположенного в непосредственной близости от него приемного оптического телескопа, на оптической оси которого последовательно установлены спектроделительный блок (спектрометр) в виде интерференционных фильтров и дихроичных зеркал и фотоприемный блок (детектор), работающий в аналоговом и счетнофотонном режимах для регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния, выход которого подключен к системе управления, регистрации и обработки информации.

Известный лидарный комплекс, принятый за прототип, работает аналогично спектрометру по патенту США US 7403281 (описание работы которого приведено выше), в котором для подавления сигналов упругого рассеяния при регистрации сигналов комбинационного рассеяния установлены неселективные спектроделители и интерференционные полосовые заградительные фильтры.

Для того, чтобы одновременно регистрировать все сигналы на одном приемном телескопе в спектроделительный блок в виде интерференционных фильтров и дихроичных зеркал и фотоприемный блок, работающий в аналоговом и счетнофотонном режимах для регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния, введены неселективные спектроделители, разделяющие неравномерно световой поток аналоговых и счетнофотонных сигналов упругого рассеяния, а также интерференционные полосовые заградительные фильтры для подавления сигналов упругого рассеяния при регистрации сигналов комбинационного рассеяния. При этом неселективные спектроделители разделяют неравномерно световой поток таким образом, что фотоприемники для аналогового и счетнофотонного режимов работают в линейном диапазоне чувствительности, а дихроичные зеркала спектроделительного блока отражают коротковолновое излучение и пропускают длинноволновую часть спектра.

Недостатки прототипа состоят в следующем:

- приемный канал лидарного комплекса при дистанционном зондировании окружающей среды и регистрации сигналов комбинационного рассеяния не обеспечивает оптимального соотношения сигнал/шум, т.к. установленные в нем неселективные спектроделители и интерференционные полосовые заградительные фильтры характеризуются, с одной стороны, невысоким пропусканием света и, с другой стороны, не подавляют полностью фоновые засветки детектора на побочных длинах волн оптического диапазона спектра;

- лидарный комплекс при дистанционном зондировании окружающей среды не обеспечивает регистрацию сигналов комбинационного рассеяния для широкого диапазона обнаруживаемых веществ (углеводородов и их соединений) и возможность их идентификации по имеющейся базе данных, т.к. неселективные спектроделители и интерференционные полосовые заградительные фильтры, установленные в приемном канале, пропускают сигналы лишь для фиксированных длин волн, заранее заданных для определенных веществ,

- лидарный комплекс комбинационного рассеяния не эффективен при подводном дистанционном поиске углеводородных газов, поскольку в нем упругое рассеяние от близлежащих слоев воды оказывает подавляющее влияние на детектирование сигналов комбинационного рассеяния от углеводородов, находящихся на значительном удалении от комплекса в толще морской среды;

- приемный канал лидарного комплекса комбинационного рассеяния не позволяет получать изображений исследуемого пространства с искомыми полезными ископаемыми.

Среди недостатков прототипа наиболее принципиальным является малая дистанция действия в толще морской воды в виду того, что в нем для детектирования сигналов комбинационного рассеяния не предусмотрено подавление влияния упругого (рэлеевского) рассеяния от слоев воды, находящихся в непосредственной близости от аппаратуры, вносящего основной вклад в сигнал, регистрируемый спектрометром.

Целями заявляемой полезной модели являются повышение точности, надежности и эффективности измерения сигналов комбинационного рассеяния углеводородов лидарным комплексом комбинационного рассеяния при дистанционном поиске и обнаружении углеводородных газов в толще морской среды, а также повышение соотношения сигнал/шум измеренных сигналов и обеспечение визуализации исследуемой зоны подводной среды.

Указанные цели достигаются тем, что в предлагаемом лидарном комплексе комбинационного рассеяния, содержащем источник лазерного излучения на нескольких длинах волн и расположенный в непосредственной близости от него приемный оптический телескоп, на оптической оси которого установлен спектрометр и детектор, в качестве детектора сигналов комбинационного рассеяния использована стробируемая электронно-оптическая камера, установленная за спектрометром на одной оптической оси с приемным телескопом, также лидарный комплекс дополнен дифракционным оптическим элементом, нанесенным на заднюю оптическую поверхность приемного телескопа, и светоделителем, установленным между спектрометром и стробируемой электронно-оптической камерой.

Использование в лидарном комплексе в качестве детектора стробируемой электронно-оптической камеры позволяет выделить сигнал рассеяния только из исследуемой области водной среды, освещаемой коротким лазерным импульсом, за счет временной селекции принимаемого сигнала рассеяния, этим обеспечивается подавление рэлеевского рассеяния водной среды, находящейся в непосредственной близости от аппаратуры и соответственно обеспечение повышенного соотношения сигнал/шум.

Оснащение приемного оптического телескопа дифракционным оптическим элементом позволяет оптимальным образом сфокусировать рассеянное излучение на входной щели спектрометра и увеличить таким образом интенсивность излучения, поступающего на вход электронно-оптической камеры.

Введение в схему светоделителя позволяет получить одновременно с изображением спектра, изображение исследуемого участка водной среды, путем его передачи непосредственно на вход стробируемой электронно-оптической камеры.

Сущность полезной модели поясняется рисунком (Фиг. 1), на котором представлена структурная схема предлагаемого лидарного комплекса комбинационного рассеяния для подводного поиска углеводородов.

На Фиг. 1 обозначены функциональные компоненты предлагаемого лидарного комплекса и исходящее и входящее излучения:

1 - источник лазерного излучения,

2 - приемный телескоп,

3 - светоделительные пластины (светоделитель),

4 - спектрометр,

5 - поворотные зеркала,

6 - стробируемая электронно-оптическая камера.

7 - оптическая система телескопа 2,

8 - дифракционный оптический элемент,

а - исходящее лазерное излучение (стрелка влево),

б - входящее обратно рассеянное излучение (стрелка вправо).

Принцип действия лидарного комплекса комбинационного рассеяния для подводного поиска описан ниже.

Зондирование исследуемой морской среды осуществляют лазерным лучом (а) источника лазерного излучения 1 в направлении, соосном с оптической осью приемного телескопа 2. Обратно рассеянное излучение (б), приходящее в приемный телескоп 2, может содержать как полезные сигналы комбинационного рассеяния, так и фоновые сигналы упругого рассеяния. Для фокусировки и полной концентрации обратно рассеянного излучения на вход спектрометра 4 приемный телескоп 2 содержит дифракционный оптический элемент 8, нанесенный на заднюю оптическую поверхность приемного телескопа. В спектрометре 4 селектируют длины волн, соответствующие углеводородным соединениям. Стробируемая электронно-оптическая камера (ЭОК) 6 служит для регистрации сигналов лишь в течение интервала времени, соответствующего приходу сигнала только от удаленного объекта. Вне этого интервала вход ЭОК на прием «закрыт». Такими средствами подавляют влияние сигналов упругого рассеяния воды от близлежащих слоев воды на регистрацию полезных сигналов комбинационного рассеяния углеводородов с больших морских глубин.

Для визуализации исследуемого подводного пространства при поиске углеводородных залежей в лидарном комплексе между спектрометром и ЭОК установлен светоделитель 3, посредством которого излучение и изображение контура нефтегазовой залежи с выхода приемного телескопа транслируется на вход ЭОК.

Принцип работы ЭОК основан на импульсном управлении (стробировании), синхронном считывании полученного импульсного изображения с экрана ЭОК камерой ПЗС (прибор с зарядовой связью) и записи оцифрованного кадра в память компьютера. Временные и энергетические параметры ЭОК устанавливают дистанционно с компьютера. Установкой параметров ЭОК, процессом записи и ввода данных об изображении в память компьютера управляют с помощью программно-аппаратного комплекса.

Заявляемый лидарный комплекс комбинационного рассеяния пригоден для подводных поисков месторождений нефти и газа и отличается точностью определения границ и контуров углеводородных залежей. По величине предела обнаружения частиц тяжелых углеводородных газов (10÷20 млрд^-1) метод лазерного зондирования и дистанционной спектральной диагностики на два порядка превосходит все известные аналоги.

Claims (1)

1. Лидарный комплекс комбинационного рассеяния для подводного поиска углеводородов, содержащий источник лазерного излучения на нескольких длинах волн и расположенный в непосредственной близости от него приемный оптический телескоп, на оптической оси которого установлен спектрометр и детектор, отличающийся тем, что в качестве детектора используется стробируемая электронно-оптическая камера, установленная за спектрометром на одной оптической оси с приемным телескопом, приемный оптический телескоп снабжен дифракционным оптическим элементом, нанесенным на его заднюю оптическую поверхность, а между спектрометром и стробируемой электронно-оптической камерой установлен светоделитель.

   

Images