КОМПЛЕКС ЛАЗЕРНОЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Предлагаемое изобретение относится к области обнаружения и диагностики загрязнения поверхности воды нефтепродуктами и может найти применение как для определения источника выбросов нефтепродуктов, так и для анализа пятна нефтепродуктов на поверхности акватории с целью рационального планирования природоохранных водоочистных мероприятий.
Известен «Измеритель толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности», содержащий радиометрический канал, включающий антенну и высокочастотный радиометрический приемник. /1/ Недостатком данного устройства является ограниченность функциональных возможностей: на основе измеренных параметров осуществляется только определение толщины слоя нефти. Более детальный анализ пятна нефтепродуктов на поверхности акватории не предусмотрен.
Наиболее близким, принятым за прототип, устройством является лидар ЛСА 2С для контроля степени загрязнения природной среды, содержащий приемно-передающую систему, состоящую из лазерного блока, сконструированного на основе Nd: YAG лазера, формирующего короткие импульсы оптического излучения на основной частоте 1064 нм, приемника обратного рассеянного излучения, детектора обратного рассеянного излучения - двухканального фотоприемного блока, представляющего собой лавинный фотодиод с термохолодильником и фотоумножитель; системы питания и охлаждения, в которую входят блок питания и система охлаждения лазера, источник питания и система охлаждения фотоприемников; системы регистрации и обработки сигналов, состоящей из двухканальной платы АЦП и персонального компьютера для выполнения измерений и обработки данных. Лидар ЛСА предназначен для оперативного дистанционного анализа характеристик атмосферного аэрозоля. Оперативный контроль поверхности
акватории на предмет наличия загрязнения нефтепродуктами с помощью лидара ЛСА не предусмотрен.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является дистанционное обнаружение загрязнения поверхности воды нефтепродуктами с возможностью произвести оперативный и детальный анализ пятна нефтепродуктов.
2
2
2
2
2
2
2
2
Технический результат достигается тем, что в качестве излучателя используется СO-лазер, генерирующий излучение в дальней инфракрасной области спектра. СO-лазеры относятся к классу молекулярных газовых лазеров, излучающих на колебательных переходах молекул СO в диапазоне электромагнитных волн 9,2-10,8 мкм. В основном, эти лазеры используют рабочую смесь СO-N-He в различных пропорциях с добавлением Хе. Развитый спектр колебательно-вращательных переходов молекулы СO предоставляет широкие возможности дискретной и непрерывной перестройки частоты (длины волны) излучения, что делает применение таких лазеров еще более эффективным для решения рассматриваемых задач. Кроме того, СO-лазеры обеспечивают высокие значения таких важных пространственных характеристик излучения, как направленность и однородность. Большое значение имеет и тот факт, что к настоящему времени технология производства промышленных образцов СO-лазеров может обеспечивать их длительную устойчивую эксплуатацию: для некоторых образцов она составляет до 10000 часов.
2
При использовании СO-лазера, генерирующего излучение на длине волны 10,6 мкм, контраст в отражательной способности воды, покрытой пленкой нефтепродуктов, и чистой водой составляет 4,7-4,9. При этом, соленость воды, изменение температуры ее поверхности в диапазоне 10-50°С, наличие пены, волнение не влияют существенно на отражательную способность пленки нефти и нефтепродуктов.
2
Кроме того, диапазон излучения СO-лазеров совпадает с окном прозрачности атмосферы в дальней инфракрасной области спектра: участком
2
8-12 мкм. Так, на трассе длиной 2000 м при температуре воздуха +15°С и влажности 40% для излучения с длинами волн, соответствующих диапазону излучения СO-лазеров, пропускание превышает 70%.
Необходимо учитывать и то, что исходя из семейства изотерм, вычисленных по формуле Планка, для температур 270-300 К (температура поверхности акваторий) максимум излучения также будет лежать в диапазоне длин электромагнитных волн 8-14 мкм.
2
Представляется рациональным применение в качестве излучателя отпаянного СO-лазера мощностью 3-5 Вт, работающего в импульсном режиме.
2
СO-лазеров, удовлетворяющих этим требованиям, достаточно много, как у зарубежных (например. Coherent, Lambda Physic, Hamamatsu, Optech и пр.), так и у отечественных производителей. Для целей экологического мониторинга, например, может быть использован лазер ЛГН-901, выпускаемый ОАО «Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов «Плазма». Он имеет следующие характеристики:
- мощность излучения - не менее 5 Вт;
- длина волны - 10,59 мкм;
- относительная нестабильность мощности в течение 30 мин, после 1 часа прогрева - 2%;
-9
- относительная нестабильность частоты в течение 0,1 с - не более 5×10.
Необходимо отметить и такие положительные черты этой модели, как долговременная и кратковременная стабильность частоты излучения, высокая воспроизводимость длины волны, возможность работы в условиях жестких механо-климатических воздействий. В ЛГН-901 предусмотрена возможность плавной прецизионной подстройки частоты излучения и ее последующей стабилизации к экстремумам исследуемых сигналов. Другим положительным свойством является предельно низкий уровень амплитудных флуктуации (шумов), что имеет крайне важное значение для его применения
в системах дистанционного обнаружения и диагностики нефтяных загрязнений на поверхности акваторий.
Другим ответственным компонентом комплекса является приемник инфракрасного излучения, функционирующий в диапазоне длин волн 8-12 мкм. Для указанного спектрального диапазона применяются детекторы, выполненные на основе тройного соединения Hg-Cd-Te-теллуриде кадмия и ртути (сокращенно КРТ) и охлаждаемые до температуры 77 К. Данная температура обеспечивается, например, микрохолодильниками с разомкнутой цепью на эффекте адиабатического расширения газов (эффект Джоуля-Томсона) или компрессионными холодильными агрегатами, работающими по замкнутому термодинамическому циклу Стирлинга, которые имеют наилучшие показатели по надежности, массогабаритам и энергопотреблению.
При построении комплекса лазерной дистанционной диагностики загрязнений поверхностных вод нефтепродуктами в качестве фотоприемника рационально использование матричного приемника, в котором каждый элемент выполнен в виде ячейки ROIC (Readout Integrated Circuit). Обычно ROIC представляет собой CMOS(Complcmentary Metal Oxide Semiconductor)-структуру, содержащую не менее трех транзисторных элементов для считывания сигнала от одного пикселя, которая обеспечивает необходимое постоянное смещающее напряжение на детекторных элементах, преобразование выходных сигналов и их мультиплексирование для последующей обработки. Данные дегекторы способны практически мгновенно накапливать информацию о времени прихода и интенсивности отраженного сигнала, и, следовательно, организовывать последовательное считывание этой информации с периодом порядка 1 не. Каждое такое считывание соответствует двумерному сечению сцены, а их совокупность представляет собой полноценное трехмерное изображение сцены.
Оперативный анализ пятна нефтепродуктов осуществляется в процессе обработки преобразованного в цифровую форму сигнала на ЭВМ, входящей
в состав комплекса. Кроме того, ЭВМ позволяет произвести визуализацию изображения в реальном времени. Также за счет использования вычислительных систем возможно повысить уровень автоматизации процесса диагностики.
Ориентация в системе координат осуществляется за счет введения в состав комплекса инерционной системы. GPS (ГЛОНАСС) приемник, входящий в состав комплекса в качестве основного прибора определения местоположения летательного аппарата, на который устанавливается комплекс инфракрасной дистанционной диагностики, и управления самолето- или вертолетовождением, позволяет определить точное местоположение обнаруженного пятна нефтепродуктов. Кроме того, результатом использования GPS (ГЛОНАСС) приемника является улучшение фактических линий полета, сокращение затрат летного времени при заходах на съемочные маршруты, уменьшение объемов обработки на этапе коррекции геометрических искажений отснятого материала.
Изобретение поясняется чертежом.
На фигуре 1 представлена структура комплекса лазерной диагностики загрязнений поверхностных вод нефтепродуктами.
Лазер содержит приемно-передающий блок 1, включающий излучатель 2, оптический элемент развертки 3, оптическую систему излучателя 4, оптическую систему приемника обратного рассеянного излучения 5; детектор обратного рассеянного излучения 6; блок питания и охлаждения 7, состоящий из блока питания и охлаждения детектора 8 и блока питания и охлаждения излучателя 9; блок регистрации и обработки сигналов 10, включающий предусилитель 11, усилитель 12; блок обработки сигналов 13; ЭВМ 14; систему глобального позиционирования GPS (ГЛОНАСС) 15; инерционную систему 16. 17 - сканируемая поверхность.
2
Работает комплекс лазерной дистанционной диагностики загрязнений поверхностных вод нефтепродуктами следующим образом. Излучатель, представляющий собой СO лазер, генерирует в импульсном режиме
когерентное излучение в инфракрасной области спектра. Лазерный луч попадает на оптический элемент развертки 3, в качестве которого используется качающееся зеркало, обеспечивающее развертку в направлении, перпендикулярном направлению движения носителя, затем проходит через оптическую систему излучателя 4, в которую могут входить F-Θ (F-Theta) сканирующие линзы из ZhSe или Ge, вспомогательные зеркала, защитная оптика. Зондирующий импульс, столкнувшись со сканируемой поверхностью 17, переотражается. Так как характер переотражения является диффузным, часть энергии импульса возвращается в сторону локатора, где отраженный поток попадает в оптическую систему приемника излучения 5 - объектив с соответствующей оптикой. При этом в ряде случаев, когда для работы комплекса требуется излучение в узком диапазоне волн, может использоваться интерференционный фильтр.
Затем сигнал попадает в детектор обратного рассеянного излучения 6, представляющего собой матрицу ROIC. Так как работа детектора для данного диапазона длин волн требует криогенных температур, то он помещается в дьюар с соответствующей системой охлаждения 8, основанной на термодинамическом цикле Стирлинга.
Сигналы от детектора поступают на предусилитель 11 и усилитель 12, а затем - на блок обработки сигналов изображения 13, работающий синхронно с излучателем. Этот блок преобразует электрический сигнал в цифровую форму. Далее обработанный сигнал в цифровой форме поступает на вход ЭВМ 14, где с помощью соответствующего программного обеспечения преобразуется в форму, необходимую для анализа полученного изображения (например, синтезированную с использованием искусственных цветов карту сканируемой поверхности).
С помощью ЭВМ можно осуществлять контроль и управлять работой основных элементов комплекса (излучателя, качающегося зеркала, системы охлаждения, блока обработки сигнала), а так же определить контуры
загрязнения, толщину и состав пленки, время, прошедшее с начала разлива нефтепродуктов и пр.
С целью точного определения координат летательного аппарата, а так же положения нефтяного пятна (его границ) возможно подключение к ЭВМ GPS (ГЛОНАСС) приемника 15 и инерциальной системы 16.
Разработка и внедрение комплексов инфракрасного обнаружения и диагностики загрязнений поверхности акваторий нефтью и нефтепродуктами с использованием С02-лазеров, позволит в режиме реального времени эффективно производить дистанционный мониторинг контролируемых вод; создавать на их основе перспективные системы обнаружения очагов загрязнения, а также системы очистки природных и сточных вод от нефтепродуктов; повысить оперативность и качество принимаемых решений при проведении природоохранных мероприятий.
Источники информации:
7
1. Заявка №2001120413, МПК C 01 N 21/00 2003 г. Бюл. 18 /аналог/.
2. Лидар ЛСА 2С для контроля степени загрязнения природной среды // Режим доступа: [http://eridan.mega.ru/Documents/lsa2c_descr_ru.pdf 22.10.2005].
3. Известия Курского Государственного Технического Университета №1 (14), Курск, 2005 г. - с.50-52.
4. Известия Курского Государственного Технического Университета №1 (16), Курск, 2006 г. - с.33-36.
5. Орлов В.А., Петров В.И., Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. - М.: Воениздат, 1989, с.128, 140, 237.
6. Богомолов В.А., Сидоров К.И., Усольцев И.Ф. Приемные устройства инфракрасных систем. - М.: Радио и связь, 1987.
7. Жуков А.Г., Горюнов А.Н., Кальфа А.А. Тепловизионные приборы и их применение. - М.: Радио и связь, 1983.
8. ИК объективы для тепловизионных приборов III поколения / [http://expo.cps-rt.ru/enterprize/new_catalogue/pagc/582.htm 18.10.2004].
9. Книщенко В.П. Ближняя инфракрасная спектроскопия.- М.: «Крон-пресса, 1997.
10. Лидарные методы обнаружения нефтяных загрязнений акваторий / Режим доступа: [http://ecoline.kiev.ua/artieles/lidar/ lidmru.html 18.10.2004].
11. Очистка воды от органических загрязнителей / Режим доступа: [http://him. I scptember.ru/2004/23/24.htm 18.10.2004].
12. Российские экотехнологии в Интернет: Очистка воды / Режим доступа: [http://ecotechru.chat.ru/offer/22.htm 24.04.2003].