КОМПЛЕКС ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
COMPLEX OF ENVIRONMENTAL MONITORING OF WATER FACILITIES

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
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.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
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.
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.
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.
Система регистрации обратного излучения может быть расположена на расстоянии от водной поверхности, предпочтительно не превышающем 1,5 метра.
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.
Комплекс экологического мониторинга предпочтительно выполнен в антивандальном исполнении.
В варианте исполнения комплекс экологического мониторинга может быть оснащен мини энергоустановкой, предпочтительно солнечно-аккумуляторной и/или ветровой.
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:
- надежное круглогодичное количественное измерение широкого набора гидрологических и физико-химических параметров качества воды датчиками погружного модуля комплекса;
- дистанционное определение «невидимых» погружными датчиками разливов нефтепродуктов и масел многоволновым лидаром;
- отсутствие у лидарной части комплекса недостатков, связанных с замазучиванием при большом разливе нефтепродуктов или обрастанием биоорганическими отложениями;
- 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;
- 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;
- 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;
- 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,
- 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.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Чертежи в заявке представлены в виде, достаточном для понимания принципов изобретения, и не ограничивают объем настоящего изобретения.
На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.
На фиг.1. схематично показан комплекс экологического мониторинга водных объектов.
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.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
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.
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.
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.
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.
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.
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.
В режиме проведения площадных измерений на водохранилищах погружной модуль 2 закрепляется на понтонах 4, и комплекс транспортируется за судном на плавающей платформе.
max
max
max
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 λ=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 λ=354 нм или на длине волны 4 гармоники λ=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.
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.
Оснащение комплекса мини энергоустановкой, предпочтительно солнечно-аккумуляторной и/или ветровой, обусловливает возможность его автономного использования на больших, десятки километров, удаленностях от берега.
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.