RU2499248C1 - Complex of environmental monitoring of water facilities - Google Patents
Complex of environmental monitoring of water facilities Download PDFInfo
- Publication number
- RU2499248C1 RU2499248C1 RU2012110488/28A RU2012110488A RU2499248C1 RU 2499248 C1 RU2499248 C1 RU 2499248C1 RU 2012110488/28 A RU2012110488/28 A RU 2012110488/28A RU 2012110488 A RU2012110488 A RU 2012110488A RU 2499248 C1 RU2499248 C1 RU 2499248C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- radiation
- laser
- lidar
- floating platform
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к автоматическим средствам измерения, а именно к средствам измерения показателей качества водных объектов с применением многоволнового лазерного зондирования и может использоваться в составе систем экологического мониторинга природных сред.The invention relates to automatic measuring instruments, and in particular to measuring instruments of water quality indicators using multi-wavelength laser sensing and can be used as part of environmental monitoring systems for natural environments.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
К настоящему времени для диагностики верхних слоев океана предлагаются лидары, размещаемые на самолетах или кораблях, А.Ф. Бункин, Д.В. Власов, Д.М. Миркамилов «Физические основы лазерного аэрозондирования поверхности земли», Фан, 1987 г. Лидары позволяют достаточно быстро и эффективно исследовать большие площади водной поверхности.To date, lidars placed on airplanes or ships, A.F. Bunkin, D.V. Vlasov, D.M. Mirkamilov “Physical fundamentals of laser aero sounding of the earth’s surface”, Fan, 1987. Lidars allow to quickly and efficiently study large areas of the water surface.
Известны флуоресцентные лидары самолетного и корабельного базирования, разработанные эстонской компанией Laser Diagnostic Instruments AS (LDI) [S.Babichenko. Laser Remote Sensing of the European Marine Environment: LIF technology and Applications. In "Remote Sensing of the European Seas", Vittorio Barale and Martin Gade (Editors), Springer, 2008, 189-204]. В качестве лазерного излучателя в лидаре используется эксимерный лазер, генерирующий только УФ-излучение с длиной волны 308 нм. Использование высокой мощности эксимерного лазера позволяет производить зондирование поверхности воды с дистанции ~500 метров.Airborne and shipborne fluorescence lidars are known, developed by the Estonian company Laser Diagnostic Instruments AS (LDI) [S. Babichenko. Laser Remote Sensing of the European Marine Environment: LIF technology and Applications. In "Remote Sensing of the European Seas", Vittorio Barale and Martin Gade (Editors), Springer, 2008, 189-204]. An excimer laser generating only UV radiation with a wavelength of 308 nm is used as a laser emitter in the lidar. Using a high power excimer laser makes it possible to probe the surface of the water from a distance of ~ 500 meters.
Однако существуют задачи, в которых необходимо осуществлять непрерывный контроль конкретных локальных участков акваторий. К ним относятся, прежде всего, водохранилища питьевого назначения, особенно места водозабора, акватории портов, рекреационных зон, нефтяных терминалов, места промышленных стоков.However, there are tasks in which it is necessary to continuously monitor specific local sections of water areas. These include, above all, drinking-water reservoirs, especially water intake sites, port water areas, recreation areas, oil terminals, and industrial sewage sites.
В известном устройстве, С.А. Буриков, Д.В. Климов, П.Н. Литвинов и др. Квантовая электроника, 31 №8, 2001, для мониторинга прибрежных морских акваторий использован лидар берегового базирования. С помощью лидара регистрируются спектры обратного излучения при возбуждении воды излучением с длинами волн 532, 355 и 256 нанометров (2, 3 и 4 гармоники YAG:Nd лазера. Лидар был смонтирован на берегу моря на высоте 10 метров над уровнем моря, угол зондирования изменялся от 78 до 83 градусов. Для детектирования эхо-сигнала применялся оптический многоканальный анализатор (ОМА). Для фокусировки излучения на щель ОМА использовалась линза диаметром 15 см. При снятии спектров проводилось накопление сигнала в течение одной минуты. В дневное время для улучшения отношения «сигнал-шум» ОМА работал в режиме стробирования.In a known device, S.A. Burikov, D.V. Klimov, P.N. Litvinov et al. Quantum Electronics, 31 No. 8, 2001, used coastal lidar for monitoring coastal waters. Using a lidar, back-radiation spectra are recorded when water is excited by radiation with wavelengths of 532, 355 and 256 nanometers (2, 3, and 4 harmonics of a YAG: Nd laser. The lidar was mounted on the seashore at an altitude of 10 meters above sea level, the sensing angle varied from 78 to 83 degrees. An optical multichannel analyzer (OMA) was used to detect the echo signal. A lens with a diameter of 15 cm was used to focus the radiation on the OMA slit. When recording the spectra, the signal was accumulated for one minute. In the daytime to improve the signal-to-noise ratio OMA worked in the gating mode.
К общему недостатку лидаров берегового базирования относится сложность интерпретации количественных характеристик эхо-сигнала при изменении угла зондирования, появления волн на воде, при изменении естественной освещенности воды в зависимости от времени суток и погоды.A common drawback of coastal lidars is the difficulty in interpreting the quantitative characteristics of the echo signal when the sounding angle changes, waves appear on the water, and when the natural illumination of the water changes depending on the time of day and weather.
Известен автоматический пост индикации загрязнения водных объектов RU 2154848, МКИ G01V 11/00, 21.04.1999, который содержит снабженный якорем погружной модуль с размещенными в нем датчиками контроля гидрологических и физико-химических параметров качества воды водных объектов, соединительный кабель, устройство внешней связи и источник питания. Пост обеспечивает круглогодичный и всепогодный контроль качества воды.Known automatic post indicating pollution of water bodies RU 2154848, MKI G01V 11/00, 04/21/1999, which contains an immersed module equipped with an anchor with sensors for monitoring the hydrological and physico-chemical parameters of water quality of water objects, a connecting cable, an external communication device and source of power. The post provides year-round and all-weather water quality control.
Недостатки данной системы, обусловленные отсутствием лидара, состоят в том, что она не «видит» пленки нефтяных или масляных разливов, а при большом разливе быстро замазучивается, кроме этого быстро обрастает органическими отложениями.The disadvantages of this system, due to the lack of lidar, are that it does not “see” the film of oil or oil spills, and with a large spill it is quickly smeared, and besides, it quickly overgrows with organic deposits.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является непрерывный контроль качества водных сред объектов хозяйственного значения и оперативное с высокой надежностью дистанционное распознавание и идентификация различных загрязнений в местах установки комплекса: на водоемах, водозаборах, очистных станциях, внутренних водных путях, портах и нефтяных терминалах; оперативное предоставление информации о превышении допустимых норм загрязнений для принятия управленческих решений, определения нарушителей экологических норм и правил, экспертного обоснования предъявляемых к ним исков, и т.п.The task to be solved by the claimed invention is directed is continuous quality control of water environments of economic objects and quick and highly reliable remote recognition and identification of various contaminants in the installation sites of the complex: in water bodies, intakes, treatment plants, inland waterways, ports and oil terminals ; prompt provision of information on exceeding permissible pollution standards for making managerial decisions, identifying violators of environmental norms and rules, expert substantiation of claims against them, etc.
Данная задача решается за счет того, что комплекс экологического мониторинга водных объектов характеризуется тем, что он содержит многоволновой лидар, включающий в себя зондирующий водную поверхность компактный многоволновой импульсно-периодический лазерный излучатель, генерирующий излучение, по меньшей мере, в ближнем ИК-и УФ-диапазонах, систему регистрации обратного излучения (ОИ), в которую, по меньшей мере, входят приемные каналы регистрации ОИ на длинах волн лазерного УФ-излучения, комбинационного рассеяния (КР) воды, на длинах волн в спектральных диапазонах флуоресценции органических веществ, и на длине волны лазерного ИК-излучения, а также программируемый контроллер с системами сбора, обработки и, предпочтительно беспроводной, передачи данных в режиме реального времени на удаленные интерфейсы, при этом многоволновой лидар размещен в водонепроницаемом контейнере, который, предпочтительно снабжен окном, прозрачным для лазерного УФ-и ИК-излучения, и установлен на компактной плавающей платформе в виде катамарана на металлических понтонах, скрепленных рамой, на которой контейнер закреплен посредством шарнирной опоры, например, карданова подвеса, устраняющей влияние ветрового волнения на положение контейнера с размещенным в нем многоволновым лидаром, с возможностью крепления плавающей платформы ко дну с помощью якорей, причем контейнер и плавающая платформа выполнены сводящими к минимуму фоновую засветку приемных каналов и зоны зондирования, а погруженная в воду часть плавающей платформы выполнена проницаемой для водных течений, кроме этого комплекс содержит автономный погружной модуль с размещенными в нем датчиками контроля гидрологических и физико-химических параметров качества воды, с возможностью крепления погружного модуля ко дну, в состав комплекса также входит удаленная единая для лидара и погружного модуля автоматизированная система сбора и обработки данных о состоянии поверхностных вод.This problem is solved due to the fact that the complex of environmental monitoring of water bodies is characterized by the fact that it contains a multi-wave lidar, which includes a compact multi-wave pulse-periodic laser emitter probing the water surface, generating radiation at least in the near infrared and UV ranges, a registration system for reverse radiation (OI), which at least includes receiving channels for recording OI at wavelengths of laser UV radiation, Raman scattering (Raman) of water, at wavelengths in the spectral ranges of fluorescence of organic substances, and at a wavelength of laser infrared radiation, as well as a programmable controller with systems for collecting, processing and, preferably, wireless, transmitting real-time data to remote interfaces, while the multi-wavelength lidar is placed in a waterproof container, which , preferably equipped with a window transparent for laser UV and IR radiation, and mounted on a compact floating platform in the form of a catamaran on metal pontoons fastened by a frame on which The container is fixed by means of a hinge support, for example, a cardan suspension, which eliminates the influence of wind waves on the position of the container with the multi-wave lidar placed in it, with the possibility of fastening the floating platform to the bottom using anchors, the container and the floating platform minimizing the background illumination of the receiving channels and sounding zones, and the part of the floating platform immersed in water is made permeable to water currents, in addition, the complex contains an autonomous immersion module with dimensions The sensors for monitoring the hydrological and physico-chemical parameters of water quality, with the possibility of fastening the submersible module to the bottom, are also part of the complex, which includes a remote integrated system for collecting and processing data on the status of surface waters for the lidar and the submersible module.
Система регистрации ОИ может быть выполнена многоканальной, каждый приемный канал которой представляет собой спектро-яркомер, включающий в себя приемный телескоп, определяющий угол зрения приемного канала, интерференционный светофильтр с корректирующими цветными светофильтрами, определяющими спектральный диапазон приема ОИ, и фотоприемник на базе ФЭУ, подключенный к контроллеру, причем датчики предпочтительно размещены вокруг оси лазерного излучателя, который, предпочтительно представляет собой компактный импульсно- периодический Nd:YAG лазер, генерирующий зондирующие импульсы излучения на длине волны одной из гармоник высшего порядка: 266 или 354 или 532 нм и на длине волны 1064 нм основной гармоники.The registration system of the optical radiation detector can be multichannel, each receiving channel of which is a spectro-bright meter, including a receiving telescope that determines the viewing angle of the receiving channel, an interference filter with corrective color filters that determine the spectral range of reception of the optical radiation, and a photodetector based on a photomultiplier connected to the controller, and the sensors are preferably placed around the axis of the laser emitter, which preferably is a compact pulse-periodically Nd: YAG laser generating radiation sounding pulses at a wavelength of one of the higher order harmonics: 266 or 354 or 532 nm and at a wavelength of 1064 nm fundamental.
Система регистрации обратного излучения может быть расположена на расстоянии от водной поверхности, предпочтительно не превышающем 1,5 метра.The feedback detection system may be located at a distance from the water surface, preferably not exceeding 1.5 meters.
Плавающая платформа и погружной модуль могут быть связаны с удаленным источником энергопитания при помощи двух стандартных кабелей-тросов, внутри которых расположены герметизированные провода, по меньшей мере, для электропитания лидара и погружного модуля.The floating platform and the immersion module can be connected to a remote power source using two standard cable cables, inside of which are sealed wires, at least to power the lidar and the immersion module.
Комплекс экологического мониторинга предпочтительно выполнен в антивандальном исполнении.The environmental monitoring complex is preferably made in an anti-vandal design.
В варианте исполнения комплекс экологического мониторинга может быть оснащен мини энергоустановкой, предпочтительно солнечно-аккумуляторной и/или ветровой.In an embodiment, the environmental monitoring complex can be equipped with a mini power plant, preferably a solar-battery and / or wind.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, при использовании предлагаемого устройства, является надежный непрерывный контроль качества вод контактными и дистанционными средствами регистрации гидрологических и физико-химических параметров качества воды, обнаружение и распознавание различных типов загрязнений водной среды в районе размещения комплекса мониторинга, в том числе и за счет следующих технических эффектов:The technical result provided by the given set of features, when using the proposed device, is reliable continuous monitoring of water quality by contact and remote means of recording hydrological and physico-chemical parameters of water quality, detection and recognition of various types of water pollution in the area where the monitoring complex is located, including and due to the following technical effects:
- надежное круглогодичное количественное измерение широкого набора гидрологических и физико-химических параметров качества воды датчиками погружного модуля комплекса;- reliable year-round quantitative measurement of a wide range of hydrological and physico-chemical parameters of water quality by sensors of the submersible module of the complex;
- дистанционное определение «невидимых» погружными датчиками разливов нефтепродуктов и масел многоволновым лидаром;- remote sensing of oil spills and oils “invisible” by immersion sensors with a multi-wave lidar;
- отсутствие у лидарной части комплекса недостатков, связанных с замазучиванием при большом разливе нефтепродуктов или обрастанием биоорганическими отложениями;- the absence in the lidar part of the complex of deficiencies associated with slurry during a large oil spill or fouling with bioorganic deposits;
- широкий диапазон измерения лидаром таких параметров, как мутность или прозрачность воды, содержание растворенных органических веществ, в частности растворенных и эмульгированных нефтепродуктов, содержание хлорофилла водорослей и фитопланктона, отсутствие принципиальных ограничений на верхнюю границу измерения лидаром указанных параметров, надежность измерений за счет дублирования лидарных измерений частью системы датчиков погружного модуля;- a wide range of lidar measurements of such parameters as turbidity or transparency of water, the content of dissolved organic substances, in particular dissolved and emulsified petroleum products, the chlorophyll content of algae and phytoplankton, the absence of fundamental restrictions on the upper boundary of lidar measurements of these parameters, the reliability of measurements due to duplication of lidar measurements part of the sensor system of the submersible module;
- при малой мощности излучателя обеспечивается предельная чувствительность лидара к изменяющимся характеристикам водной среды, поскольку лазерный излучатель и система регистрации ОИ расположены предельно близко к зондируемой водной поверхности;- at low emitter power, the lidar is extremely sensitive to the changing characteristics of the aquatic environment, since the laser emitter and the registration system for the optical radiation are located extremely close to the probed water surface;
- высокое соотношение сигнала к шуму, поскольку лидар размещен в контейнере на плавающей платформе, сводящими к минимуму фоновую засветку зоны зондирования и приемных каналов системы регистрации ОИ;- a high signal to noise ratio, since the lidar is placed in a container on a floating platform, minimizing the background illumination of the sensing zone and receiving channels of the OI registration system;
- надежное распознавание сигнала отражения ПК излучения от нефтяной пленки и сигналов флуоресценции органических веществ от УФ-излучения за счет одновременного облучения водной поверхности ИК-и УФ-излучением лазера,- reliable recognition of the reflection signal of PC radiation from the oil film and the fluorescence signals of organic substances from UV radiation due to the simultaneous irradiation of the water surface with IR and UV laser radiation,
- минимизация разброса результатов измерений из-за изменения угла между осью лазерного излучателя и плоскостью водной поверхности благодаря тому, что контейнер, содержащий лазерный излучатель, закреплен посредством шарнирной опоры, устраняющей влияние качки на положение контейнера.- minimizing the scatter of the measurement results due to a change in the angle between the axis of the laser emitter and the plane of the water surface due to the fact that the container containing the laser emitter is fixed by a hinge support that eliminates the influence of pitching on the position of the container.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Чертежи в заявке представлены в виде, достаточном для понимания принципов изобретения, и не ограничивают объем настоящего изобретения.The drawings in the application are presented in a form sufficient to understand the principles of the invention, and do not limit the scope of the present invention.
На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.In the drawings, matching device elements have the same item numbers.
На фиг.1. схематично показан комплекс экологического мониторинга водных объектов.In figure 1. schematically shows a set of environmental monitoring of water bodies.
На фиг.2а показана схема компоновки системы регистрации ОИ в варианте ее реализации в виде многоканального спектро-яркомера (вид сверху) и на фиг.2b - устройство отдельного приемного канала - спектро-яркомера.On figa shows a layout of the registration system of the OI in a variant of its implementation in the form of a multi-channel spectro-bright meter (top view) and Fig.2b - device of a separate receiving channel - spectro-bright meter.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯMODES FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Комплекс экологического мониторинга водных объектов содержит водонепроницаемый контейнер 1 с размещенным в нем многоволновым лидаром, погружной модуль 2 с датчиками 3 контроля гидрологических и физико-химических параметров качества воды, металлические понтоны 4 компактной плавающей платформы типа катамаран, скрепленных рамой 5, на которой контейнер 1 закреплен посредством шарнирной опоры 6, например, карданова подвеса, устраняющей влияние ветрового волнения на положение контейнера 1 с размещенным в нем многоволновым лидаром, с возможностью крепления плавающей платформы ко дну с помощью якорей, причем погруженная в воду часть плавающей платформы выполнена проницаемой для водных течений. Комплекс также содержит кабель-тросы 7, 7' для энергоснабжения лидара и погружного модуля. Многоволновой лидар включает в себя компактный многоволновой импульсно-периодический лазерный излучатель 8, генерирующий излучение, по меньшей мере, в ближнем ИК-и УФ-диапазонах, зондирующий водную поверхность лучом 9, через окно 10 контейнера 1, прозрачное для лазерного луча 9 и обратного излучения 11, и систему регистрации 12 ОИ. В ее состав, по меньшей мере, входят приемные каналы регистрации ОИ на длинах волн лазерного УФ-излучения, комбинационного рассеяния (КР) воды, на длинах волн в спектральных диапазонах флуоресценции органических веществ, и на длине волны лазерного ИК-излучения. Система регистрации 12 ОИ состоит из многоканального либо гиперспектрального оптического детектора УФ-и видимого диапазонов 12' и одноканального детектора 12'' для регистрации излучения на длине волны лазерного ИК-излучения. Многоволновой лидар также содержит программируемый контроллер 13 с системами сбора, обработки и, предпочтительно беспроводной передачи данных в режиме реального времени на удаленные интерфейсы. В состав комплекса также входит удаленная единая для лидара и погружного модуля автоматизированная система сбора и обработки данных о состоянии поверхностных вод 14. Контейнер 1 и плавающая платформа выполнены сводящими к минимуму фоновую засветку зоны зондирования и приемных каналов системы регистрации 12 ОИ. Для этого плавающая платформа предпочтительно имеет палубу с отверстием для лазерного луча 9 и ОИ 11, а контейнер 1, за исключением окна 10, выполнен светонепроницаемым. У комплекса в антивандальном исполнении, фиг.1, конструкция предпочтительно выполнена из металла, имеются антивандальные элементы, а в контейнере 1 размещен датчик и/или система сигнализации несанкционированного доступа.The complex of environmental monitoring of water bodies contains a waterproof container 1 with a multiwave lidar placed in it, a submersible module 2 with sensors 3 for monitoring the hydrological and physicochemical parameters of water quality, metal pontoons 4 of a compact floating platform of the catamaran type, fastened by a frame 5, on which the container 1 is fixed by means of an articulated support 6, for example, a gimbal suspension, eliminating the influence of wind waves on the position of the container 1 with a multiwave lidar placed in it, with possibly Tew fastening floating platform to the bottom by means of anchors, wherein the submerged portion of the floating platform made permeable for water currents. The complex also contains cable cables 7, 7 'for power supply of the lidar and the immersion module. The multiwave lidar includes a compact multiwave repetitively pulsed laser emitter 8, generating radiation at least in the near infrared and ultraviolet ranges, probing the water surface with the
В варианте реализации устройства система регистрации 12 ОИ выполнена многоканальной (фиг.2a), каждый приемный канал которой представляет собой яркомер 12' (фиг.2b), включающий в себя приемный телескоп 16, определяющий угол зрения приемного канала и состоящий из объектива с полевой диафрагмой и окуляра, и фотоприемник 17 на базе ФЭУ, подключенный к контроллеру 13. При этом каждый яркомер 12' системы регистрации 12 ОИ снабжен интерференционным светофильтром в комплекте с корректирующими цветными светофильтрами 18, определяющими спектральный диапазон приема ОИ. Поперечный размер яркомера, определяемый диаметром объектива, не превышает 50 мм. Яркомеры 12', отличающиеся набором светофильтров предпочтительно размещены вокруг луча 9 лазерного излучателя 8, который, предпочтительно представляет собой компактный импульсно-периодический Nd:YAG лазер, генерирующий зондирующие импульсы излучения на длине волны одной из гармоник высшего порядка: 266 или 354 или 532 нм и на длине волны 1064 нм основной гармоники.In an embodiment of the device, the
Комплекс экологического мониторинга водных объектов функционирует следующим образом. До начала работы комплекс, содержащий многоволновой лидар, размещенный в водонепроницаемом контейнере 1, и погружной модуль 2 с датчиками 3 контроля гидрологических и физико-химических параметров качества воды, установленных на компактной плавающей платформе в виде катамарана на металлических понтонах 4, скрепленных рамой 5, на которой контейнер 1 закреплен посредством шарнирной опоры 6, например, карданова подвеса, перемещают в район проведения мониторинга. В варианте функционирования комплекса в стационарном режиме плавающую платформу и погружной модуль крепят ко дну якорями. Комплекс начинает непрерывную работу при подаче через кабель-тросы 7, 7' электропитания от берегового источника энергоснабжения на блоки питания элементов комплекса.The complex of environmental monitoring of water bodies operates as follows. Prior to operation, a complex containing a multi-wave lidar placed in a waterproof container 1 and a submersible module 2 with sensors 3 for monitoring the hydrological and physico-chemical parameters of water quality mounted on a compact floating platform in the form of a catamaran on metal pontoons 4 fastened by frame 5 to which container 1 is secured by a hinged support 6, for example, a gimbal, is moved to the monitoring area. In the variant of the complex functioning in stationary mode, the floating platform and the submersible module are anchored to the bottom. The complex begins continuous operation when power is supplied via cable cables 7, 7 'from the shore source of power supply to the power supply units of the complex.
Входящий в состав многоволнового лидара импульсно-периодический лазерный излучатель 8, генерирующий излучение, по меньшей мере, в ближнем ИК-и УФ-диапазонах, периодически производит оптическое зондирование поверхности воды достаточно мощными импульсами лазерного излучения на двух длинах волн спектра: ближнего ИК-и, предпочтительно УФ-диапазонов. Зондирование производится направленным по вертикали вниз лучом 9 многоволнового лазерного излучателя через прозрачное для лазерного УФ-и ИК-излучения окно 10 контейнера 1. Для внутренних водоемов лазерное УФ-излучение проходит в толщу воды обычно на несколько сантиметров, а ИК-излучение - не более чем на несколько миллиметров. Вошедшее в воду лазерное УФ-излучение вызывает обратное излучение (ОИ) 11 во-первых, на длине волны лазерного УФ-излучения - обратное рассеяние, во-вторых, в стоксовой, более длинноволновой, области спектра. Спектр ОИ в стоксовой области определяется флуоресценцией растворенных, взвешенных органических примесей, пленок в зондируемой толще воды и на поверхности, и комбинационным рассеянием (КР). Спектр КР воды представляет узкую линию, жестко смещенную в стоксову область от длины волны зондирования на 3440 обр.см. Флуоресцентное излучение проявляется в спектральном диапазоне от длины волны зондирующего лазерного УФ-излучения до 700 нм. Зондирующее ИК-излучение вызывает сигнал обратного излучения на длине волны лазерного ИК-излучения, величина которого сильно зависит от наличия на воде пленок нефтепродуктов и масел из-за различия коэффициентов отражения света для нефтепродуктов и воды. Входящая в состав лидара система регистрации 12 ОИ в составе с контроллером - 13 и системами сбора, обработки и передачи данных регистрирует аналоговые сигналы приемных каналов системы регистрации 12, проводит их первичную обработку, отцифровывая данные спектрального сигнала ОИ воды, и в режиме реального времени с помощью системы передачи данных, например в виде модема с антенной, передает их на интерфейс удаленной от плавающей платформы автоматизированной системы 14 сбора и обработки данных о состоянии поверхностных вод, включающей приемный модем, высокоинтеллектуальный контроллером и/или персональный компьютер (ПК). Данные спектра лазерно-индуцированного ОИ воды запоминаются и анализируются с помощью системы 14 сбора и обработки данных. Детализация измеряемого спектрального сигнала определяется количеством приемных каналов системы регистрации 12 ОИ. По меньшей мере, ОИ регистрируется на длинах волн лазерного УФ-излучения, комбинационного рассеяния (КР) воды, на длинах волн в спектральных диапазонах флуоресценции органических веществ, и на длине волны лазерного ИК-излучения. В зависимости от типа системы регистрации 12 ОИ, количество приемных каналов может быть от минимум четырех до нескольких сотен Систему регистрации излучения с большим, в несколько сотен количеством спектральных каналов, обычно называют гиперспектральной. Такая система регистрации ОИ применяется в варианте флуоресцентных лидаров судового и авиационного базирования и может быть использована в предложенном устройстве, как составная часть системы регистрации ОИ. Следует отметить, что одна гиперспектральная система регистрации ОИ может регистрировать излучение УФ и видимого диапазона, а для измерения сигнала ОИ на длине волны лазерного ИК излучения необходим отдельный приемный канал. Поэтому система регистрации 12 ОИ состоит из многоканального или гиперспектрального оптического детектора - УФ и видимого диапазонов 12' и одноканального детектора 12'' излучения на длине волны лазерного ИК излучения. С помощью системы сбора и обработки данных 14 производится нормировка спектра ОИ реперным сигналом, в качестве которого может быть использован сигнал КР воды, зависящий только от прозрачности воды на длине волны УФ-излучения лазера и энергии лазера. Полученный при однократном зондировании нормированный спектр ОИ воды не зависит от дистанции, волнения, угла зондирования и флуктуации мощности лазера. В соответствии с разработанной методикой по измеренным данным рассчитывается концентрация в воде органических веществ, в частности нефтепродуктов, и определяется наличие или отсутствие пленки масел и нефтепродуктов на поверхности воды. Выполнение контейнера, в котором содержится лидарное оборудование водонепроницаемым обеспечивает работоспособность плавучего комплекса мониторинга водных объектов, в частности, за счет использования окна 10, которое с одной стороны- прозрачно для лазерного и обратного излучения, с другой - герметично отделяет внутреннее пространство контейнера с лидаром от проникновения влаги с водной поверхности. Закрепление контейнера 1 на раме 5 плавающей платформы посредством шарнирнирной опоры 6 типа карданова подвеса обеспечивает вертикальное зондирования при небольшой качке катамарана, минимизируя влияние ветровых волнений на условия лидарных измерений. Контейнер, за исключением окна, и плавающая платформа выполнены из светонепроницаемых материалов конструктивно сводящими к минимуму фоновую засветку приемных каналов системы регистрации 12 ОИ и зоны зондирования. Для этого плавающая платформа предпочтительно имеет затеняющую зону зондирования небольшую светонепроницаемую палубу с отверстием для зондирующего луча 9, которая также может использоваться для обслуживания комплекса. Это обеспечивает режим зондирования без фоновых засветок, что существенно увеличивает отношение сигнал/шум, повышает точность измерений и позволяет уменьшить габариты системы регистрации 12 ОИ. Выполнение погруженной в воду части плавающей платформы проницаемой для водных течений, в частности, за счет ее выполнения в виде параллельных течению понтонов 4 катамарана обеспечивает обновление воды в зоне зондирования и, в случае нефтяных разливов, беспрепятственный доступ в зону зондирования пленок нефтепродуктов.The pulsed-periodic laser emitter 8, which is part of the multi-wavelength lidar, which generates radiation at least in the near IR and UV ranges, periodically produces optical sensing of the water surface with sufficiently powerful laser radiation pulses at two wavelengths of the spectrum: near infrared, preferably UV ranges. The sounding is carried out by a vertical
Одновременно установленными на погружном модуле 2 датчиками 3 производится регистрация гидрологических и физико-химических параметров качества воды, в число которых входят, по меньшей мере, мутность, содержание нефтепродуктов в растворенном и эмульгированном состоянии, и содержание хлорофилла водорослей. Другими измеряемыми параметрами предпочтительно являются: содержание растворенного кислорода, азота аммонийного, нитратов, нитритов, Рн, Eh, глубина, скорость течения, температура, удельная электрическая проводимость, радиоактивность. Электропитание погружного модуля осуществляется посредством кабель-троса 7' от берегового источника энергоснабжения. С помощью контроллера 13', снабженного функцией оповещения о превышении допустимых уровней загрязнений, сигналы датчиков 3 оцифровываются и после первичной обработки, предпочтительно по беспроводной системы связи передаются на единую систему сбора и обработки данных 14 комплекса Система сбора и обработки данных 14 постоянно регистрирует и запоминает данные о характеристиках вод, а также сигнализирует о превышении допустимых уровней загрязнений в местах установки комплекса: на водоемах, водозаборах, очистных станциях, внутренних водных путях, портах и нефтяных терминалах, предоставляя информацию для принятия управленческих решений в соответствии с экологической обстановкой, обоснования исков к нарушителям экологических норм и правил, и т.п.At the same time, sensors 3 installed on the submersible module 2 are used to record the hydrological and physicochemical parameters of water quality, which include at least turbidity, oil content in the dissolved and emulsified state, and algae chlorophyll content. Other measured parameters are preferably: the content of dissolved oxygen, ammonium nitrogen, nitrates, nitrites, pH, Eh, depth, flow rate, temperature, electrical conductivity, radioactivity. The submersible module is powered by a cable cable 7 'from the shore power source. Using the controller 13 ', equipped with a warning function when excess levels of pollution are exceeded, the signals of the sensors 3 are digitized and after the initial processing, preferably they are transmitted via a wireless communication system to a single data collection and processing system 14 of the complex. The data collection and processing system 14 constantly records and stores data water characteristics, and also signals the excess of permissible pollution levels in the installation sites of the complex: in water bodies, water intakes, treatment plants, inland water ports, oil terminals, providing information for making managerial decisions in accordance with the environmental situation, substantiation of claims against violators of environmental norms and rules, etc.
В ледовый период функционирует только погружной модуль комплекса, заглубленный под уровень льда, а плавающий модуль комплекса до наступления безледного периода в данной точке мониторинга не функционирует.During the ice period, only the submersible module of the complex, buried under the ice level, functions, and the floating module of the complex does not function at this monitoring point until the iceless period.
В режиме проведения площадных измерений на водохранилищах погружной модуль 2 закрепляется на понтонах 4, и комплекс транспортируется за судном на плавающей платформе.In the mode of conducting areal measurements at reservoirs, the submersible module 2 is fixed on the pontoons 4, and the complex is transported behind the vessel on a floating platform.
В варианте выполнения комплекса зондирование производится излучением компактного импульсно-периодического Nd:YAG лазера, генерирующего импульсы излучения на длине волны одной из гармоник высшего порядка: 266 или 354 или 532 нм и на длине волны 1064 нм основной гармоники. Это позволяет использовать в качестве многоволнового импульсно-периодического лазерного излучателя доступный и надежный малогабаритный серийно производимый твердотельный лазер. При выполнения системы регистрации 12 ОИ в виде многоканального спектро-яркомера (фиг.2) регистрация спектра ОИ осуществляется оптимально малым количеством приемных каналов, компактно расположенных вокруг оси лазера (фиг.2a). Регистрация спектра лазерно-индуцированного обратного излучения осуществляется системой регистрации 12 ОИ с 8-9-ю приемными каналами на следующих длинах волн. 1-й канал - основная гармоника лазера λmax=1.06 мкм используется для обнаружения антропогенных пленок по изменению коэффициента отражения поверхности, при наличии пленок. 2-й канал измеряет сигнал обратного рассеяния УФ-излучения на длине волны 3 гармоники λmax=354 нм или на длине волны 4 гармоники λmax=266 нм. Используется для измерения мутности/концентрации взвеси, может примеряться как нормирующий канал, при отсутствии ярко выраженного сигнала КР. Выбор основной зондирующей длины волны, который определяет спектр флуоресценции, зависит от типа вод и спектров антропогенных загрязнений, характерных для изучаемого региона. 3-й канал измеряет сигнал КР на длине волны зависящей от выбранной основной длины волны зондирования (354 нм, 266 нм, 530 нм). 4, 5, 6, 7, 8-й каналы служат для измерения интенсивности флуоресценции в заранее выбранных интервалах спектра, включая полосу пигментов фитопланктона. На основании имеющегося опыта, спектры лазерно-индуцированной флуоресценции «чистых» внутренних вод мало отличаются по форме и интенсивности. Поэтому для их анализа и обнаружения антропогенных загрязнений достаточно указанного количества приемных каналов: 4-х-5ти. Следует отметить, что для яркомера, измеряющего отраженный сигнал на длине волны самой мощной гармоники 1,06 мкм диаметр приемного объектива может быть меньше остальных, способствуя компактности спектро-яркомера.In an embodiment of the complex, sounding is performed by radiation from a compact repetitively pulsed Nd: YAG laser that generates radiation pulses at a wavelength of one of the highest order harmonics: 266 or 354 or 532 nm and at a wavelength of 1064 nm of the fundamental harmonic. This makes it possible to use an affordable and reliable small-sized commercially available solid-state laser as a multiwave repetitively pulsed laser emitter. When the
Расположение системы регистрации ОИ на расстоянии от водной поверхности, предпочтительно не превышающем 1,5 метра, обеспечивает малые габариты лидара и при малой мощности излучателя высокую чувствительность лидара к изменению характеристик водной среды, поскольку лазерный излучатель и система регистрации ОИ расположены предельно близко к зондируемой водной поверхности.The location of the registration system OI at a distance from the water surface, preferably not exceeding 1.5 meters, provides small dimensions of the lidar and at low emitter power, the lidar is highly sensitive to changes in the characteristics of the aqueous medium, since the laser emitter and the registration system OI are located extremely close to the probed water surface .
Оснащение комплекса мини энергоустановкой, предпочтительно солнечно-аккумуляторной и/или ветровой, обусловливает возможность его автономного использования на больших, десятки километров, удаленностях от берега.Equipping the complex with a mini power plant, preferably solar-battery and / or wind, makes it possible to use it autonomously at large, tens of kilometers, distances from the coast.
Таким образом, выполнение комплекса экологического мониторинга водных объектов в заявленном виде позволяет автоматически получать и обрабатывать широкий набор данных о качестве поверхностных вод по физическим, химическим, физико-химическим и гидрологическим показателям качестве вод для последующей оценки и прогноза изменения их состояния, с высокой надежностью распознавать и идентифицировать, в том числе неконтактными методами, различные загрязнения и оповещать персонал контролируемых водных объектов для принятия ими оперативных решений.Thus, the implementation of the complex of environmental monitoring of water bodies in the declared form allows you to automatically receive and process a wide range of data on the quality of surface waters by physical, chemical, physicochemical and hydrological indicators of water quality for subsequent assessment and forecast of changes in their status, with high reliability to recognize and identify, including non-contact methods, various contaminants and notify personnel of controlled water bodies for their acceptance of operational decisions.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012110488/28A RU2499248C1 (en) | 2012-03-20 | 2012-03-20 | Complex of environmental monitoring of water facilities |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012110488/28A RU2499248C1 (en) | 2012-03-20 | 2012-03-20 | Complex of environmental monitoring of water facilities |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012110488A RU2012110488A (en) | 2013-09-27 |
RU2499248C1 true RU2499248C1 (en) | 2013-11-20 |
Family
ID=49253590
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012110488/28A RU2499248C1 (en) | 2012-03-20 | 2012-03-20 | Complex of environmental monitoring of water facilities |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2499248C1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2605779C1 (en) * | 2015-08-26 | 2016-12-27 | Ольга Петровна Авандеева | System for early detection of leakage of underwater pipeline |
RU2605684C1 (en) * | 2015-12-30 | 2016-12-27 | Ольга Петровна Авандеева | System and method for detecting leak of underwater pipeline |
RU2650798C1 (en) * | 2017-02-02 | 2018-04-17 | Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "Лазурит" | Safety system in open water area |
CN108535437A (en) * | 2018-04-20 | 2018-09-14 | 福州安辛达环保科技有限公司 | A kind of environmental monitoring installation |
RU195000U1 (en) * | 2019-07-30 | 2020-01-13 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | OFFLINE METER OF HYDROLOGICAL AND HYDROCHEMICAL CHARACTERISTICS OF WATER OBJECTS GSA-1 |
RU2778289C1 (en) * | 2021-08-12 | 2022-08-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Device for searching for the source of discharge of pollutants during monitoring of water bodies |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110220542A (en) * | 2018-03-02 | 2019-09-10 | 光力科技股份有限公司 | A kind of wireless network sensor and ground through communication system with fixing piece |
CN113740302B (en) * | 2020-05-28 | 2024-06-18 | 中国石油化工股份有限公司 | Oil spill monitoring device and monitoring method |
CN113465661B (en) * | 2021-05-25 | 2023-04-14 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | Full-automatic remote reservoir water regime monitoring and early warning device and use method thereof |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2154848C1 (en) * | 1999-04-21 | 2000-08-20 | Государственное унитарное предприятие Научно-производственное предприятие "Полет" | Automatic station of identification of pollution of water objects |
RU66539U1 (en) * | 2006-05-16 | 2007-09-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный технический университет" | COMPLEX OF LASER REMOTE DIAGNOSTICS OF SURFACE WATER POLLUTIONS BY OIL PRODUCTS |
-
2012
- 2012-03-20 RU RU2012110488/28A patent/RU2499248C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2154848C1 (en) * | 1999-04-21 | 2000-08-20 | Государственное унитарное предприятие Научно-производственное предприятие "Полет" | Automatic station of identification of pollution of water objects |
RU66539U1 (en) * | 2006-05-16 | 2007-09-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный технический университет" | COMPLEX OF LASER REMOTE DIAGNOSTICS OF SURFACE WATER POLLUTIONS BY OIL PRODUCTS |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Баренбойм Г.М. и др. Некоторые научно-технологические проблемы проектирования, создания и функционирования систем мониторинга водных объектов / Вода: химия и экология, 2008, №2, с.6. * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2605779C1 (en) * | 2015-08-26 | 2016-12-27 | Ольга Петровна Авандеева | System for early detection of leakage of underwater pipeline |
RU2605684C1 (en) * | 2015-12-30 | 2016-12-27 | Ольга Петровна Авандеева | System and method for detecting leak of underwater pipeline |
RU2650798C1 (en) * | 2017-02-02 | 2018-04-17 | Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "Лазурит" | Safety system in open water area |
CN108535437A (en) * | 2018-04-20 | 2018-09-14 | 福州安辛达环保科技有限公司 | A kind of environmental monitoring installation |
CN108535437B (en) * | 2018-04-20 | 2019-04-19 | 南京国环科技股份有限公司 | A kind of environmental monitoring installation |
RU195000U1 (en) * | 2019-07-30 | 2020-01-13 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | OFFLINE METER OF HYDROLOGICAL AND HYDROCHEMICAL CHARACTERISTICS OF WATER OBJECTS GSA-1 |
RU2778289C1 (en) * | 2021-08-12 | 2022-08-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Device for searching for the source of discharge of pollutants during monitoring of water bodies |
RU2817043C1 (en) * | 2022-11-23 | 2024-04-09 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Method and device for measuring distribution of spectral solar illumination in photic layer of water bodies |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012110488A (en) | 2013-09-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2499248C1 (en) | Complex of environmental monitoring of water facilities | |
Cullen et al. | Optical detection and assessment of algal blooms | |
Clark et al. | Validation of atmospheric correction over the oceans | |
US7728291B2 (en) | Detection of heavy oil using fluorescence polarization | |
US5461236A (en) | Oil spill detection system | |
US7690247B1 (en) | Autonomous biobuoy for detecting a characteristic of a marine biosphere and method of assembling the biobuoy | |
EP3074752B1 (en) | Device for remote oil detection | |
Díaz-Herrera et al. | In situ salinity measurements in seawater with a fibre-optic probe | |
Mueller | Overview of measurement and data analysis protocols | |
RU2522821C1 (en) | Pollution monitoring and detection system for offshore oil and gas fields | |
Hou et al. | Oil-spill detection sensor using ultraviolet-induced fluorescence for routine surveillance in coastal environments | |
US9772288B1 (en) | Autonomous biobuoy systems and methods | |
RU2521246C1 (en) | Submersible complex of environmental monitoring of water bodies | |
Corredor | Coastal Ocean Observing | |
RU2720050C1 (en) | Method of detecting contaminants of coastal waters and a coastal strip with oil or oil products using an unmanned aerial vehicle | |
Maltese et al. | Coastal zone water quality: Calibration of a water-turbidity equation for MODIS data | |
Cunningham et al. | Brewster-angle measurements of sea-surface reflectance using a high resolution spectroradiometer | |
CN110208246A (en) | A kind of portable laser Raman fluorometer system and water environment pollution monitoring device for water environment pollution monitoring | |
Krause et al. | Development of a shipboard lidar: technical layout and first results | |
Harsdorf et al. | Design of an ROV-based lidar for seafloor monitoring | |
Rüssmeier et al. | A novel method of measuring upwelling radiance in the hydrographic sub-hull | |
Mowlem et al. | Oceanographic and aquatic: Applications of optic sensing technologies | |
Reuter et al. | Hydrographic laser fluorosensing: Status and perspectives | |
Pinkerton et al. | Retrieval of near-surface bio-optical properties of the Arabian Sea from remotely sensed ocean colour data | |
RU177930U1 (en) | AUTONOMOUS FLUORIMETRIC COMPLEX FOR DETERMINING THE CONTENT OF PHYTOPLANKTON CHLOROPHYLL AND GENERAL WEIGHTED SUBSTANCE IN AQUEOUS ENVIRONMENT |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180321 |