СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПРИБРЕЖНЫХ ВОД И БЕРЕГОВОЙ ПОЛОСЫ НЕФТЬЮ ИЛИ НЕФТЕПРОДУКТАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD OF DETECTING CONTAMINANTS OF COASTAL WATERS AND A COASTAL STRIP WITH OIL OR OIL PRODUCTS USING AN UNMANNED AERIAL VEHICLE

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к сфере контроля разливов нефти или нефтепродуктов в прибрежных районах морей, заливов, бухт и территорий портов.
Известны, например, способы [MervFingas, Carl Е. Brown «А Review of Oil Spill Remote» / Carl E. Brown // j. SENSORS 12. 2017.] дистанционного мониторинга разливов нефти и нефтепродуктов (НП), основанные на применении активных и пассивных волновых методов всего диапазона длин волн электромагнитного излучения от ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области, до сверхвысоких частот радиоизлучения. Их недостатком является то, что наблюдения морской поверхности в видимой области спектра могут давать ложную тревогу, поскольку информационный признак - подавление капиллярных волн, - присущ и природным явлениям. Идентификация разливов НП в инфракрасной области спектра данными известными способами также может быть недостоверной при определенных физико - химических свойствах нефтяных пятен, или при наличии схожих по проявлениям признаков, связанных с естественными процессами биологической природы.
Известен также способ обнаружения загрязнений прибрежных вод с использованием флуоресцентных лидаров самолетного и судового базирования, разработанный эстонской компанией Laser Diagnostic Instruments AS (LDI) [MervFingas, Carl E. Brown «A Review of Oil Spill Remote» / Carl E. Brown // j. SENSORS 12. 2017.], позволяющий оперативно обнаруживать нефтяные загрязнения больших акваторий. В качестве носителей измерительных комплексов в данном способе широко применяют самолеты [N. Robbe «Remote sensing of marine oil spills from airbone platforms using multi-sensors systems» / N. Robbe& T. Hengstermann // WATER POLLUTION VIII Modelling, Monitoring and management WITpress] типа Do228-212LM (Германия).
Недостатком данного известного способа является низкая его экономичность и большая стоимость оборудования при мониторинге загрязнений нефтью и НП морских прибрежных районов, удаленных от берега на сравнительно небольшом расстоянии в нескольких десятков километров (т.е. акваторий портов, бухт, пляжей).
Известен, например, способ обнаружения разливов нефти или НП на поверхности водоема (патент РФ, 2622721 МПК Е02В 15/00, G01N 21/35, G01N 33/18 (2006.01)), принятый в качестве прототипа, содержащий беспилотный летательный аппарат (БПЛА), с установленным на нем тепловизором (инфракрасным радиометром), приемо-передающим устройством и видеокамерой видимого диапазона длин волн, с целью мониторинга загрязнений поверхности водоемов.
Этот известный способ обнаружения разливов нефти или НП на поверхности водоема используют следующим образом. БПЛА располагают в зависшем состоянии над предполагаемой зоной разлива. Тепловизором осуществляют съемку данной предполагаемой зоны разлива в виде ряда цифровых изображений, которые через приемо-передающее устройство, установленное на БПЛА, передаются по радиоканалу в режиме реального времени в пункт дистанционного наблюдения, расположенный на берегу.
Данный способ позволяет минимизировать интервал времени от момента обнаружения разлива нефти до момента ее сбора, повысить точность определения географических координат ее разливов, а также снизить трудозатраты на поиск данных координат.
Недостатком данного известного способа обнаружения разливов нефти или НП на поверхности водоема является слабая его техническая оснащенность, не позволяющая решать часть задач мониторинга загрязнения нефтью или НП. Например, данный способ не позволяет обнаруживать нефть на берегу и в виде водно-нефтяной эмульсии, а также не дает надежных результатов при ветровом волнении и толщине пленки нефти более 10 микрометров. Кроме того, используемые в данном изобретении методы видео - и тепловой съемки имеют высокий процент ложных тревог, из-за физических особенностей НП.
С помощью данного способа невозможно идентифицировать тип нефти или НП, что необходимо для установления виновника разлива и что также является его недостатком.
Техническая задача, на решение которой направленно заявляемое изобретение, состоит в устранении указанных недостатков, а именно: повышение информативности и надежности, получаемых способом данных, а также расширения его круга задач, связанных с мониторингом загрязнения нефтью или НП поверхности водоема.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе обнаружения разливов нефти или НП на поверхности прибрежных вод и береговой полосы, включающем преобразование инфракрасного (ИК)-излучения элементов ландшафта в электрические сигналы, обработку сигналов, их регистрацию на фотопленку или магнитный носитель, а также тепловизор, установленный на беспилотном летательном аппарате, который располагают в зависшем состоянии над зоной разлива; при этом тепловизором осуществляют съемку в виде ряда цифровых изображений, которые через приемопередающее устройство беспилотного летательного аппарата передают в режиме реального времени в пункт круглосуточного дистанционного наблюдения, где оцениваются параметры разлива нефти или НП, его площадь, скорость, направления распространения с использованием программно - математической обработки; и, на основании данной информации, создают прогноз на краткосрочный или долгосрочный период времени, с построением прогнозных карт распространения разливов нефти или НП, которые в виде телеметрической информации передаются на экипажные или безэкипажные катера, которые осуществляют развертывание в районе обнаруженных загрязнений боновых заграждений и осуществляют последующий сбор нефти или НП, отличающийся тем, что в заявляемом способе на беспилотном летательном аппарате для расширения функциональных возможностей способа, повышения достоверности получаемых видео и тепловой съемкой данных, обеспечения возможности обнаружения нефти или НП в прибойной зоне и на береговой полосе, а также ее идентификации, дополнительно устанавливают флуориметр, при этом возбуждение флуоресценции производят в ультрафиолетовой области оптического излучения. А при оценке толщины нефтяной пленки до 100 мкм анализ сигнала флуоресценции от поверхности воды производят при нормальном угле падения возбуждаемого лазером DTL-382QT излучения на ее поверхность.
Благодаря тому, что анализ сигнала флуоресценции от поверхности воды производится при нормальном угле падения возбуждаемого лазером DTL-382QT излучения на ее поверхность, обеспечиваются более точные измерения за счет увеличения коэффициента приема флуоресцирующего сигнала. При этом дополнительным преимуществом заявляемого изобретения является то, что число требуемых измерений снижается, и, соответственно, сокращается время облетов беспилотного летательного аппарата над предполагаемой зоной разлива, и, тем самым, увеличивается его быстродействие.
За счет того, что в предложенном способе обнаружения загрязнений прибрежных вод и береговой полосы дополнительно используют флуориметр, обеспечивается снижение процента ложных тревог, получение более надежных результатов при ветровом волнении и толщине пленки более 10 мкм.
Благодаря тому, что используется флуориметр, возбуждаемый в ультрафиолетовой области оптического излучения, обеспечивается уменьшение влияния солнечного света на результат измерений, так как атмосфера земли пропускает не более 1% ультрафиолетовых (УФ) лучей.
Кроме того, с помощью данного флуориметра имеется возможность проводить идентификацию нефти, определять класс ее принадлежности (тяжелая, легкая, НП и их тип), оценивать толщину нефтяной пленки до 100 мкм, обнаруживать загрязненные нефтью водоросли, определять ее наличие в прибрежной воде в виде водно-нефтяной эмульсии и на береговой полосе. Таким образом, флуориметр повышает достоверность получаемых с помощью видео и инфракрасной съемки данных за счет устранения ложных тревог, присущих известным способам.
Способ обнаружения загрязнений прибрежных вод и береговой полосы нефтью или НП с использованием БПЛА, иллюстрируется: фиг. 1 - Блок-схема измерительного комплекса на примере компоновки с БПЛА.
Заявляемый способ обнаружения загрязнений прибрежных вод и береговой полосы нефтью или НП с использованием БПЛА (фиг. 1) содержит ок-токоптер Foxtech D130 Х8 (1) (БПЛА) с жестко установленной на нем посредством обычных винтовых соединений (не показано) установочной рамой (не показано), на которой устанавливают посредством крепежных винтов: лазер DTL-382QT (2) с длиной волны 266 нм; спектрометр Maya 2000 Pro (3); блок коммутации HR4-BREAKOUT (4); коллиматор 84-UV-25 (5); светофильтр SEMROCK Ff01-272/LP-25 (6); отдельно скомпонованный герметичный пластмассовый корпус (не показан) со встроенными светофильтрами (7) с фотодиодом UPD-500-UD (8), узкополосным светофильтром SEMROCK LL01-266-12.5 и нейтральным светофильтром (9), конструктивно изготовленными единым блоком внутри него. Кроме того, на октокоптере Foxtech D130 Х8 (1) (БПЛА) жестко закреплена с помощью специальных переходных клипс (не показано) трехосевая гиростабилизированная платформа (не показано), на которой установлен бортовой одноплатный микрокомпьютер Raspberry PI (10), малогабаритная цифровая видеокамера высокого разрешения (11) и инфракрасный радиометр (12) а так же приемо-передающее устройство (13). При этом корпуса всех перечисленных выше устройств отвечают международному стандарту IP68, что позволяет производить работу при 100% влажности окружающей среды.
Способ обнаружения загрязнений прибрежных вод и береговой полосы нефтью или НП с использованием БПЛА осуществляют следующим образом. Проводят патрулирование акватории при помощи октокоптера (1), оснащенным комплексом оборудования ((2)-(9)), называемом флуориметром, в автоматическом режиме, либо под управлением оператора. В процессе патрулирования осуществляют видеосъемку цифровой видеокамерой высокого разрешения (11) и инфракрасную (ИК)-съемку инфракрасным радиометром (12) для предварительного обнаружения нефтесодержащего пятна на поверхности воды или береговой полосы с последующей передачей по приемопередающему устройству (13) полученных данных в расположенный на берегу пункт экологического контроля (не показано). Высоту полета октокоптера (1) определяют в соответствии с требуемым масштабом пространственного разрешения и разрешающей способностью камер видео - и ИК-диапазонов ((11)-(12)). Разлив нефти или НП обнаруживают по информативным признакам - изменению структуры волнения и отражательной способности поверхности воды в видимом диапазоне, или наличии градиента температуры поверхности воды в ИК-диапазоне. Обработку изображений проводят бортовым микрокомпьютером (10), либо в пункте экологического контроля (не показан). Для подтверждения результатов производимой видео и ИК-съемки, а также получения данных для идентификации нефти или НП, а также оценки толщины ее пленки, высоту октокоптера (1) снижают до необходимой, для обеспечения надежной работы устройств флуориметра ((2)-(9)). Идентификацию нефти или НП проводят путем сопоставления получаемых с помощью флуориметра ((2)-(9)) спектров флуоресценции с эталонными спектрами различных типов нефти или НП из базы данных, которая хранится в бортовом микрокомпьютере (10) либо в пункте экологического контроля (не показан). Источник загрязнения, его площадь, направление и скорость дрейфа определяют облетами октокоптера (1), используя при этом стандартную навигационную систему GPS/GLONASS, для дальнейшего составления карты контура загрязнения и определения параметров его динамики.
Видеоконтроль в процессе патрулирования акватории осуществляют малогабаритной цифровой видеокамерой высокого разрешения (11), штатно входящей в комплект оборудования октокоптера (1), ИК-съемку проводят инфракрасным радиометром (12), в свою очередь малогабаритная цифровая видеокамера высокого разрешения (11) обладает объективом (не показан), позволяющим увеличивать масштабирование и настраивать фокус, получаемого с данной штатной видеокамеры (11) изображения. Вес такой видеокамеры (11) вместе с двухосевой гиростабилизированной платформой (не показана), которая поддерживает ее в автоматическом режиме в нужном положении, может быть до 0.3 килограммов, что практически не влияет на эксплуатационные свойства октокоптера (1).
Для повышения точности идентификации нефтяных пленок на поверхности прибрежных вод одновременно используют инфракрасный радиометр (12) и канал регистрации лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) морской поверхности. Канал ЛИФ может быть реализован следующим образом: лазер DTL-382QT (2) генерирует излучение на длине волны 266 нм., направленное на предполагаемую область разлива нефти или НП. При наличии следов углеводородов в объеме пленки и в верхнем слое морской воды происходит формирование индуцированного сигнала флуоресценции, регистрируемого с помощью спектрометра Maya 2000 Pro (3). Для повышения качества приема от флуоресцирующего вещества сигнала данным спектрометром (3) применяют коллиматор 84-UV-25 (5), который позволяет принять сигнал с необходимой области предполагаемого нефтяного загрязнения. Подавление исходного излучения от лазера DTL-382QT (2) на длине волны 266 нм. в приемнике спектрометра Maya 2000 pro (3), выделение сигнала комбинационного рассеяния морской воды и сигнала флуоресценции нефти или НП в ближнем ультрафиолетовом и видимом диапазонах осуществляют с помощью светофильтра SEMROCK Ff01-272/LP-25 (6). Путем сличения полученных от нефтепродуктов либо чистой воды спектров со спектрами, хранящимися в базе данных бортового микрокомпьютера (10), осуществляют идентификацию нефти или НП. Определение толщины нефтяных пленок проводят по относительному уровню комбинационного рассеяния чистой воды и воды с нефтяной пленкой, до толщины около 10 мкм. Для больших толщин (до 100 мкм), информативным параметром является мощность сигнала флуоресценции. Поэтому при измерении флуоресценции с малого расстояния в проекции апертуры лазерного луча на поверхности воды укладываются доли периода волнения, при этом сигнал флуоресценции подвержен большим флуктуациям, что влечет также большую дисперсию в оценке энергии сигнала, что ведет к недостаточной точности измерения. Поэтому оценку толщины нефтяной пленки проводят на основе анализа сигнала флуоресценции от поверхности воды при нормальном угле падения возбуждаемого лазером DTL-382QT (2) излучения на ее поверхность. Для уменьшения влияния волнения поверхности воды на результат осреднения сигнала флуоресценции и уменьшения его динамического диапазона, выборки сигнала флуоресценции синхронизируют с помощью бортового микрокомпьютера (10) с моментом квазиортогонального падения возбуждающего излучения от лазера DTL-382QT (2) на поверхность воды. При этом квазиортогональное положение определяют по зеркальной компоненте сигнала лазера DTL-382QT (2), отраженного от поверхности воды. Для этой цели в флуориметре ((2)-(9)) предусмотрен канал синхронизации, стробирующий спектрометр Maya 2000 Pro (3) импульсом, сформированным в блоке коммутации HR4-BREAKOUT (4), при появлении сигнала на фотодиоде UPD-500-UD (8). Для выделения на фотодиоде (8) исходного лазерного сигнала на длине волны 266 нм используют узкополосный светофильтр SEMROCK LL01-266-12.5 (9). Во избежание повреждения фотодиода (8) мощным сигналом лазера (2) применен нейтральный светофильтр (9). Управление параметрами лазера (2), спектрометра (3), блока коммутации (4), видеокамеры (11) и инфракрасного радиометра (12) осуществляют с помощью одноплатного микрокомпьютера Raspberry PI (10).
Таким образом, заявляемый способ обнаружения разливов нефти или НП на поверхности прибрежных вод и береговой полосы по сравнению с прототипом позволяет решать более широкий круг задач, имеет минимальный коэффициент ложных тревог, и обеспечивает получение надежных результатов измерения при ветровом волнении и толщине пленки более 10 мкм, благодаря применению ЛИФ с длиной волны возбуждения в ультрафиолетовой области оптического излучения.