RU2440566C1 - Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды - Google Patents
Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды Download PDFInfo
- Publication number
- RU2440566C1 RU2440566C1 RU2010131043/28A RU2010131043A RU2440566C1 RU 2440566 C1 RU2440566 C1 RU 2440566C1 RU 2010131043/28 A RU2010131043/28 A RU 2010131043/28A RU 2010131043 A RU2010131043 A RU 2010131043A RU 2440566 C1 RU2440566 C1 RU 2440566C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- oil
- water surface
- fluorescence
- exc
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
- G01N21/643—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes" non-biological material
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
- G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
- G01N2021/646—Detecting fluorescent inhomogeneities at a position, e.g. for detecting defects
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/94—Investigating contamination, e.g. dust
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает облучение поверхности воды в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны возбуждения λвозб и регистрацию интенсивности флуоресцентного излучения I(λ1) и I(λ2) от исследуемой водной поверхности в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2. Проводят сравнение измеренной относительной флуоресценции с пороговыми значениями. Конкретные значения порогов зависят от конкретной длины волны возбуждения λвозб и определяются из условия максимальной вероятности правильного обнаружения при приемлемом значении вероятности ложных тревог. 1 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного обнаружения разливов нефти и нефтепродуктов на морских, озерных и речных акваториях.
Одними из наиболее перспективных классов датчиков для дистанционного оперативного обнаружения разливов нефти и нефтепродуктов являются лазерные флуорометры, работа которых основана на регистрации флуоресцентного излучения от исследуемой водной поверхности [1].
Известны способы обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды [1-4], заключающиеся в том, что исследуемую водную поверхность облучают на длине волны возбуждения в ультрафиолетовом диапазоне, регистрируют флуоресцентное излучение от исследуемой водной поверхности и о наличии нефтяных загрязнений судят, либо проводя калибровку измеренных сигналов в некоторых спектральных диапазонах по сигналу флуоресценции окружающей чистой воды и потом используя величину калиброванных сигналов для нахождения аномалий в принятом сигнале флуоресценции [1-3], либо по результату корреляции измеренных спектров флуоресцентного излучения со спектрами излучения эталонных образцов [4].
Недостатком этих способов обнаружения нефтяных загрязнений является сложность методики измерения, связанная с необходимостью калибровки измеряемых сигналов по сигналу флуоресценции окружающей воды, или сложность регистрирующей аппаратуры, вызванная необходимостью регистрации спектра флуоресценции в широком спектральном диапазоне для использования корреляционной обработки измеренных спектров флуоресцентного излучения.
Избежать этого недостатка можно тем, что для обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды облучают исследуемую водную поверхность в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны λвозб, регистрируют интенсивность флуоресцентного излучения I(λ1) и I(λ2) от исследуемой водной поверхности в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2, выбранных из условия максимального различия величины
и о наличии нефтяных загрязнений судят по выполнению соотношения:
или
где
- пороговые значения, выбранные в результате предварительных исследований спектров флуоресценции нефтепродуктов (отношения ) и спектра флуоресценции воды (отношения ) для исследуемой акватории.
Вид пороговых соотношений (1) или (2) и конкретные значения порогов зависят от конкретной длины волны возбуждения λвозб и определяются из условия максимальной вероятности правильного обнаружения (вероятности принятия решения о наличии нефтяных загрязнений, когда они действительно присутствуют на исследуемой акватории) при приемлемом значении вероятности ложных тревог (вероятности принятия решения о наличии нефтяных загрязнений, когда их в действительности нет на исследуемой акватории).
Предлагаемый способ использует достоинства способов [1-3] (использование для измерения всего нескольких спектральных диапазонов) и [4] (возможность использования относительных измерений и заранее снятых спектров эталонных образцов), но не имеет их недостатков. Предлагаемый способ позволяет:
- по сравнению с [1-3] упростить методику измерений: убрать этап измерения интенсивности сигналов флуоресценции заведомо чистой (без нефтяных загрязнений) окружающей воды, ведь автоматически (например, с авиационного носителя) это сделать очень сложно (сложно принять решение, что на акватории нет нефтяных загрязнений), значит надо привлекать для измерений береговые службы или суда на исследуемой акватории;
- по сравнению с [4] упростить регистрирующую аппаратуру: вместо регистрации спектра флуоресценции в широком спектральном диапазоне использовать регистрацию спектра флуоресцентного излучения в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2, которые выбираются в результате предварительных исследований.
На чертеже схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.
Устройство содержит источник ультрафиолетового излучения 1, облучающий водную поверхность на длине волны возбуждения λвозб; фотоприемник 2, регистрирующий флуоресцентное излучение от водной поверхности в двух узких спектральных диапазонах (с центрами на длинах волн λ1, λ2); блок обработки 3, который по данным измерений определяет величину и проводит проверку выполнения соотношений (1) или (2).
Устройство работает следующим образом.
Источник ультрафиолетового излучения 1 (например, лазер с длиной волны возбуждения 266, или 308, или 337 нм - на эти длины волн приходится наибольшее количество известных по общедоступной научно-технической литературе измеренных спектров флуоресценции воды и нефтепродуктов) облучает исследуемую водную поверхность 4 на длине волны возбуждения λвозб (например, источник излучения 1 может находиться на авиационном носителе). Облучение водной поверхности осуществляют вертикально вниз. Фотоприемник 2 регистрирует от исследуемой водной поверхности интенсивность флуоресцентного излучения I(λ1), I(λ2) в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2. Сигналы с фотоприемника 2 поступают в блок обработки 3, в который заранее введены пороговые значения (вид пороговых соотношений (1) или (2), и конкретные значения порогов или и заранее определены для используемой волны возбуждения λвозб и исследуемой акватории). В блоке обработки по данным измерений определяют величину , проводят проверку выполнения порогового соотношения и определяют наличие или отсутствие нефтяных загрязнений. При облете исследуемой акватории результатом работы блока 3 является массив данных о наличии нефтяных загрязнений (карта нефтяных зазрязнений).
В настоящее время имеются достаточно многочисленные общедоступные экспериментальные данные по спектрам флуоресценции различных нефтепродуктов и чистой воды для разных акваторий (и для разных лазерных длин волн возбуждения) (см., например, [1, 5-7]).
Для обнаружения конкретного вида нефтепродукта на фоне конкретного типа вод естественным требованием к выбору длин волн λ1 и λ2 является максимизация «расстояния» R(λ1, λ2) (в пространстве значений отношения интенсивности сигналов флуоресценции на длинах волн λ1 и λ2) между значением (отношения интенсивности сигналов флуоресценции для этого нефтепродукта) и значением (отношения интенсивности сигнала флуоресценции для воды). В качестве «расстояния» R(λ1, λ2) можно использовать, например, следующее выражение:
где
- значения отношения интенсивности сигналов флуоресценции на длинах волн λ1, λ2 соответственно для нефтепродукта и воды.
Для задачи обнаружения любого нефтепродукта на конкретной акватории естественным требованием к выбору длин волн λ1 и λ2 является максимизация минимального (по всем видам нефтепродуктов для конкретной акватории) из «расстояний»
в пространстве значений отношения интенсивности сигналов флуоресценции. Таким образом, в общем случае задача выбора λ1 и λ2 сводится к перебору по длинам волн и поиску максимума функции F(λi, λj) двух переменных:
где - значения отношения интенсивности сигналов флуоресценции на длинах волн λi и λj соответственно для m-го вида нефтепродукта и конкретной k-й акватории.
Исследование эффективности предлагаемого метода обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности проводилось методом математического моделирования. Для моделирования использовались длины волн возбуждения 337 нм и 266 нм. Относительное среднеквадратическое значение шума регистрирующей аппаратуры задавалось в диапазоне 2-12%. В качестве исходных данных были использованы общедоступные экспериментально измеренные спектры флуоресценции различных нефтепродуктов и чистой воды для разных акваторий (см., например, 1, 5-7).
Для длины волны возбуждения 337 нм математическое моделирование дает следующие значения λ1 и λ2: λ1=537,5 нм, λ2=395,0 нм. Пороговый алгоритм обнаружения нефтяных загрязнений для длины волны возбуждения 337 нм имеет простой вид:
где
Для другой длины волны возбуждения - 266 нм выбор λ1 и λ2 математическое моделирование дает: λ1=348,5 нм, λ2=317 нм. Пороговый алгоритм обнаружения нефтяных загрязнений для длины волны возбуждения 266 нм имеет более сложный вид:
где
В Таблицах 1 и 2 приведены результаты математического моделирования обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности предлагаемым способом. Моделирование проводилось для длин волн возбуждения 337 нм и 266 нм и разной величины относительного среднеквадратического значения шума регистрирующей аппаратуры. В таблицах приведены вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений и вероятности ложных тревог.
Таблица 1 | ||||||
Вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений и вероятность ложных тревог для длины волны возбуждения 337 нм | ||||||
Относительное среднеквадратическое значение шума измерения, % | ||||||
3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
Вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений | ||||||
Дизельное топливо | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 0,9996 | 0,9984 | 0,9954 |
Керосин | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 0,9996 | 0,9976 | 0,9914 |
Нефть | 1,0000 | 1,0000 | 0,9998 | 0,9992 | 0,9951 | 0.9878 |
Солярное масло | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 0,9994 | 0,9974 | 0,9945 |
Вероятности ложных тревог | ||||||
Вода речная | 0,0000 | 0,0005 | 0,0001 | 0,0004 | 0,0028 | 0,0068 |
Таблица 2 | ||||||
Вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений и вероятность ложных тревог для длины волны возбуждения 266 нм | ||||||
Вещество | Относительное среднеквадратическое значение шума измерения, % | |||||
2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | |
Вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений | ||||||
Топливо | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,000 |
Нефть Шаимская | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 0,9986 | 0,9946 |
Нефть Ливийская | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 |
Мазут | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 0,9999 |
Вероятности ложных тревог | ||||||
Вода | 0,0000 | 0,0000 | 0,0000 | 0,0000 | 0,0007 | 0,0025 |
Из Таблиц 1, 2 видно, что предлагаемый способ позволяет обнаруживать нефтяные загрязнения на водной поверхности с вероятностью правильного обнаружения, близкой к единице при очень небольшой вероятности ложных тревог, даже при больших значениях шума измерения.
Таким образом, предлагаемый способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды, основанный на регистрации флуоресцентного излучения в двух узких спектральных диапазонах, позволяет достаточно надежно обнаруживать нефтяные загрязнения на водной поверхности.
Источники информации
1. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. - М.: Мир. 1987, - 550 с.
2. Patent US 7227139. System and method for optical detection of petroleum and other products in an environment. Date of Patent Jun. 5, 2007. Int. Cl. G01N 21/64.
3. Заявка РСТ WO 93/25891. Oil spill detection system. International Publication Date 23.12.1993. International Patent Classification G01N 21/64.
4. Патент RU 2233438. Способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения. Дата действия патента 26.08.2003. МПК G01N 21/64.
5. Таер Абд Дейдан, Пацаева С.В., Фадеев В.В., Южаков В.И. Спектральные особенности флуоресценции нефтепродуктов в пленках и в объеме воды. // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т.7. №4. С.455-463.
6. Дистанционный контроль верхнего слоя океана. / В.М.Орлов, И.В.Самохвалов, М.Л.Белов и др. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1991, 149 с.
7. Глушков С.М., Фадеев В.В., Филиппова Е.М., Чубаров В.В. Проблемы лазерной флуориметрии органических примесей в природных водах. // Оптика атмосферы и океана. - 1994. - Т.7, №4. - С.464-473.
Claims (1)
- Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды, заключающийся в том, что поверхность воды облучают в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны λвозб, регистрируют интенсивность флуоресцентного излучения I(λ1) и I(λ2) от исследуемой водной поверхности в двух узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2, выбранных из условия максимального различия величины для всех типов нефтепродуктов от величины для исследуемой акватории, а о наличии нефтяных загрязнений судят по выполнению соотношений:
или
где , и - пороговые значения, выбранные в результате предварительных исследований спектров флуоресценции нефтепродуктов - отношения и спектра флуоресценции воды - отношения для исследуемой акватории, причем вид пороговых соотношений, (1) или (2), и конкретные пороговые значения зависят от длины волны возбуждения λвозб и определяются из условия максимальной вероятности правильного обнаружения при приемлемом малом значении вероятности ложных тревог.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010131043/28A RU2440566C1 (ru) | 2010-07-27 | 2010-07-27 | Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды |
PCT/RU2011/000401 WO2012015332A1 (ru) | 2010-07-27 | 2011-06-08 | Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010131043/28A RU2440566C1 (ru) | 2010-07-27 | 2010-07-27 | Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2440566C1 true RU2440566C1 (ru) | 2012-01-20 |
Family
ID=45530336
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010131043/28A RU2440566C1 (ru) | 2010-07-27 | 2010-07-27 | Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2440566C1 (ru) |
WO (1) | WO2012015332A1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2529886C1 (ru) * | 2013-05-22 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) | Способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности |
CN111754139A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-10-09 | 泰州市金海运船用设备有限责任公司 | 海洋油污警报信号接收联网呼叫系统 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9863887B2 (en) | 2012-11-15 | 2018-01-09 | Nemor Technologies Ou | Unit and method for optical non-contact oil detection |
CN105223177B (zh) * | 2015-10-19 | 2018-03-30 | 青岛市光电工程技术研究院 | 一种距离自适应海洋溢油监测设备及方法 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB8800583D0 (en) * | 1988-01-12 | 1988-03-23 | British Petroleum Co Plc | Remote sensing system |
US7009550B2 (en) * | 2003-06-20 | 2006-03-07 | Peter Moeller-Jensen | Method and apparatus for monitoring and measuring oil spills |
RU2233438C1 (ru) * | 2003-08-26 | 2004-07-27 | Брюховецкий Александр Павлович | Способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения |
US7227139B2 (en) * | 2003-11-04 | 2007-06-05 | The Regents Of The University Of California | System and method for optical detection of petroleum and other products in an environment |
-
2010
- 2010-07-27 RU RU2010131043/28A patent/RU2440566C1/ru not_active IP Right Cessation
-
2011
- 2011-06-08 WO PCT/RU2011/000401 patent/WO2012015332A1/ru active Application Filing
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2529886C1 (ru) * | 2013-05-22 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) | Способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности |
CN111754139A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-10-09 | 泰州市金海运船用设备有限责任公司 | 海洋油污警报信号接收联网呼叫系统 |
CN111754139B (zh) * | 2020-07-22 | 2024-02-27 | 泰州市金海运船用设备有限责任公司 | 海洋油污警报信号接收联网呼叫系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2012015332A1 (ru) | 2012-02-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Konde et al. | Exploring the potential of photoluminescence spectroscopy in combination with Nile Red staining for microplastic detection | |
Sikirzhytskaya et al. | Forensic identification of blood in the presence of contaminations using Raman microspectroscopy coupled with advanced statistics: effect of sand, dust, and soil | |
RU2440566C1 (ru) | Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды | |
Drozdowska et al. | Spectral properties of natural and oil polluted Baltic seawater—results of measurements and modelling | |
NZ542230A (en) | System for spore detection | |
Sommer et al. | Identifying microplastic litter with Laser Induced Breakdown Spectroscopy: A first approach | |
RU2616716C2 (ru) | Способ оценки уровня загрязнения акваторий по гиперспектральным данным аэрокосмического зондирования | |
Liu et al. | In-situ detection method for microplastics in water by polarized light scattering | |
Mandemaker et al. | Spectro‐Microscopic Techniques for Studying Nanoplastics in the Environment and in Organisms | |
CN106932373A (zh) | 海水总有机碳光学原位传感器 | |
Grzegorczyk et al. | Towards a novel class of photoacoustics-based water contamination sensors | |
Mahmoud et al. | Instant identification of hydrocarbon spill types using laser-induced fluorescence and associated hyperspectral imaging | |
RU2498275C2 (ru) | Дистанционный способ классификации нефтяных загрязнений на поверхности воды | |
Chen et al. | Coastal and inland water monitoring using a portable hyperspectral laser fluorometer | |
RU2233438C1 (ru) | Способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения | |
Cheng et al. | Coumarin 6 staining method to detect microplastics | |
RU2695276C1 (ru) | Способ дистанционного обнаружения утечек нефтепроводов на земной поверхности | |
Vasilescu et al. | Analysis of seawater pollution using neural networks and channels relationship algorithms | |
CN208334198U (zh) | 海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器 | |
Peng et al. | Development of laser fluorometer system for CDOM measurements | |
RU2387977C1 (ru) | Неконтактный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды | |
RU100269U1 (ru) | Устройство дистанционного обнаружения и индентификации объектов органического и биологического происхождения | |
RU2539784C2 (ru) | Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на земной поверхности | |
Wang et al. | Chlorophyll fluorescence extraction from water-leaving radiance of algae-containing water through polarization | |
Fadeev et al. | Raman scattering and fluorescence spectra of water from the sea surface microlayer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180728 |