Комплекс дистанционной диагностики загрязнений вод нефтепродуктами

Полезная модель 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. Полезная модель позволяет дистанционно, при отсутствии непосредственного воздействия средства измерения на окружающую среду, путем регистрации различия тепловых свойств поверхности чистой воды и воды, загрязненной нефтепродуктами, определить контуры загрязнения, толщину и состав пленки, время, прошедшее с начала разлива нефтепродуктов. Измерение температурных и спектральных характеристик производят в диапазоне длин волн 8-14 мкм (дальняя инфракрасная область), в котором излучение поверхности акватории максимально. Требуемый диапазон достигается использованием детекторов теплового излучения, выполненных на основе фотоприемников из тройного соединения Hg-Cd-Te. В зависимости от конкретной задачи, решаемой в процессе обнаружения и диагностики нефтяного загрязнения, можно ограничиться визуализацией обработанного изображения на дисплее компьютера (в том числе и в искусственных цветах). Получить высокое качество изображения позволяет использование в качестве фотоприемников Спрайт-детекторов, применение которых обеспечивает и ряд других преимуществ комплекса.

Предлагаемая полезная модель 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 близкими по устройству к предлагаемой полезной модели являются тепловизионные приборы, содержащие комплект входной оптики переменного увеличения, включающий афокальный объектив, за которым установлен блок переключающихся линз для обеспечения большего увеличения (с одновременным уменьшением угла зрения); инфракрасный объектив, представляющий собой набор линз, выполненных из материала с большим коэффициентом пропускания инфракрасного излучения в области 8-14 мкм: германия, кремния или оптической керамики; сканирующее устройство, реализующее вертикальное сканирование и сканирование горизонтальное; фотоприемник, выполненный из тройного соединения Hg-Cd-Te; предусилители и усилители; блок обработки сигналов изображения. /2/ Принятым за прототип устройством является авиационный тепловизор «Вулкан», содержащий два тепловизионных канала, действующих в спектральной области 3.2-5.2 и 8-14 мкм, и используемый для измерения температурных и спектральных характеристик объектов окружающей среды. Недостатком данного тепловизора является относительно малая температурная чувствительность (0.25 К), в результате чего он не может быть в требуемой мере использован для инфракрасной диагностики нефтяных загрязнений водной поверхности. Другим недостатком этого устройства является способ регистрации изображения. Регистрация изображения осуществляется на фотопленку, что значительно увеличивает продолжительность процедуры анализа пятна нефтепродуктов. /2/

Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является дистанционное обнаружение загрязнения поверхности воды нефтепродуктами с возможностью произвести оперативный анализ пятна нефтепродуктов.

Технический результат достигается тем, что фотоприемник представляет собой Спрайт-детектор, размещенный в дьюаре с системой охлаждения, основанной на эффекте Джоуля-Томпсона или цикле Стирлинга, а также тем, что к блоку обработки сигнала подключена ЭВМ для приема, обработки и визуализации сигнала.

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.

При построении комплекса необходимо использование детекторов теплового излучения, выполненных на основе фотоприемников из тройного соединения Hg-Cd-Te (теллурида кадмия и ртути, сокращенно - КРТ).

Для данных приемников требуемый диапазон 8-14 мкм (дальняя инфракрасная область), в котором излучение поверхности акватории максимально, реализуется при температуре 77 К, что обеспечивается современной техникой охлаждения.

В целях достижения указанной рабочей температуры возможно применение двух способов охлаждения: Джоуля-Томсона, основанного на эффекте охлаждения, вызванном резким изменением давления газа в вакууме, и способа, базирующегося на использовании компрессионных холодильных агрегатов на термодинамическом цикле Стирлинга.

Первый способ нашел распространение в мобильных тенловизионных приборах с ограниченными ресурсами работы источников питания - например, переносных или устанавливаемых на легких судах и летательных аппаратах. Холодильные агрегаты на термодинамическом цикле Стирлинга применяются на транспортных средствах, имеющих бортовое питание.

Данный комплекс построен на основе тепловизионных приборов III поколения, использующих в качестве фотоприемников так называемые Спрайт-детекторы (SPRITE-Signal Processing in the Element; другое название - TED-детекторы). Спрайт-детекторы представляют по своей конструкции полоску из КРТ, смонтированную на сапфировой подложке. Для этих приемников характерно то, что задержка и суммирование принимаемых сигналов происходят внутри самого детектора, что исключает необходимость электронных схем, существующих в линейных системах приборов предшествующих поколений, а также значительно сокращает число соединительных проводов. Сокращение числа соединительных

проводов приводит к существенному уменьшению паразитных теплопритоков, что позволяет сократить габаритные размеры и массу систем охлаждения и снизить мощность двигателей в холодильных машинах. Кроме того, Спрайт-детекторы позволяют получать высокое качество изображения. Так, широко применяющиеся в тепловизионной аппаратуре в настоящее время детекторы обеспечивают качество, которое соответствует традиционным матричным или линейным фотоприемникам на КРТ, состоящим из 100 элементов. Важным фактором является и то, что применение Спрайт-детекторов чрезвычайно упрощает технологию производства тепловизионных приборов.

При построении тепловизионной аппаратуры комплекса в качестве основы избран параллельно-последовательный способ сканирования, обеспечивающий существенное улучшение соотношения сигнал - шум, а также развертку изображения в поле зрения прибора в одну плоскость, причем пропуски в воспроизведении тепловой картины при ее развертке сканером отсутствуют.

Разрешающая способность по температуре при этом достигает 0,1 К, что вполне достаточно для решения задач рассматриваемого комплекса обнаружения и диагностики загрязнения поверхности воды нефтепродуктами, так как температурный контраст между поверхностями чистой и загрязненной воды в солнечный день составляет 1-2 К, ночью- 0.5-1 К.

Структура комплекса представлена на фигуре 1.

Комплекс дистанционной диагностики загрязнения вод нефтепродуктами содержит комплект входной оптики переменного увеличения 1, инфракрасный объектив 2, сканирующее устройство, реализующее вертикальное сканирование 3 и горизонтальное сканирование 4, фотоприемник 5, систему охлаждения 6, предусилитель 7, усилитель 8, блок обработки сигналов 9, ЭВМ 10, 11 - тепловое излучение, 12 - наблюдаемая поверхность акватории.

Работает комплекс дистанционной диагностики загрязнения вод нефтепродуктами следующим образом. Тепловое изучение 11 от наблюдаемой поверхности акватории 12 поступает в комплект входной оптики переменного увеличения 1, представляющий собой афокальный объектив, за которым установлен блок переключающихся линз для обеспечения большего увеличения (с одновременным уменьшением угла зрения). Затем поток излучения попадает в инфракрасный объектив 2, представляющий собой набор линз, выполненных из материала с большим коэффициентом пропускания инфракрасного излучения в области 8-14 мкм: германия, кремния или оптической керамики. Основные параметры инфракрасного объектива (фокусное расстояние и относительное отверстие) определяются исходя из

расстояния от комплекса диагностики до поверхности исследуемой акватории и требуемого угла обзора.

Следующий элемент комплекса - сканирующее устройство, которое, в данном случае, состоит из колеблющегося зеркала, реализующего вертикальное сканирование 3, и зубчатого ротора, обеспечивающего сканирование горизонтальное 4.

Последним этапом на пути инфракрасного излучения является фотоприемник 5, представляющий собой Спрайт-детектор, размещенный в дьюаре с соответствующей системой охлаждения 6, основанной на эффекте Джоуля-Томсона или цикле Стирлинга.

Фотоприемник осуществляет перевод инфракрасного излучения в электрические сигналы.

Сигналы от фотоприемника поступают на предусилители 7 и усилители 8, а затем - на блок обработки сигналов изображения 9, работающий синхронно со сканирующим устройством. Этот блок преобразует электрический сигнал в цифровую форму. Далее обработанный сигнал в цифровой форме поступает на вход ЭВМ 10.

С помощью ЭВМ, введенной в состав комплекса, стало возможным осуществлять контроль и управлять работой основных его элементов (комплекта входной оптики переменного увеличения, сканирующего устройства, системы охлаждения, блока обработки сигнала).

В зависимости от конкретной задачи, решаемой в процессе обнаружения и диагностики нефтяного загрязнения, можно ограничиться визуализацией обработанного изображения на дисплее компьютера (в том числе и в искусственных цветах), либо произвести анализ пятна нефтепродуктов на поверхности акватории (определить контуры загрязнения, толщину и состав пленки, время, прошедшее с начала разлива нефтепродуктов и пр.).

Таким образом, разработка и внедрение комплексов инфракрасного обнаружения и диагностики, построенных на основе описанных технических решений, позволит в режиме реального времени эффективно производить дистанционный мониторинг контролируемых вод; создавать на их основе перспективные системы обнаружения очагов загрязнения и очистки природных и сточных вод от нефтепродуктов; повысить оперативность и качество принимаемых решений при проведении природоохранных мероприятий.

Источники информации:

1. Заявка №2001120413, МПК ⁷ G 01 N 21/00 2003 г. Бюл. 18 /аналог/.

2. Орлов В.А., Петров В.И., Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. - М.: Воениздат, 1989, с.128, 140, 237.

3. Богомолов В.А., Сидоров К.И., Усольцев И.Ф. Приемные устройства инфракрасных систем. - М.: Радио и связь, 1987.

4. Жуков А.Г., Горюнов А.Н., Кальфа А.А. Тепловизионные приборы и их применение. - М.: Радио и связь, 1983.

5. ИК объективы для тепловизионных приборов III поколения / [http://expo.cps-rt.ru/enterprize/new_catalogue/page/582. htm 18.10.2004].

6. Книщенко В.П. Ближняя инфракрасная спектроскопия. - М.: «Крон-пресс», 1997.

7. Лидарные методы обнаружения нефтяных загрязнений акваторий / Режим доступа: [http://ecoline.kiev.ua/articles/lidar/lidmru.html 18.10.2004].

8. Очистка воды от органических загрязнителей / Режим доступа: [http://him. 1 september.ru /2004/23/24. htm 18.10.2004].

9. Российские экотехнологии в Интернет: Очистка воды / Режим доступа: [http://ecotechru.chat.ru/offer/22. htm 24.04.2003].

Комплекс дистанционной диагностики загрязнения вод нефтепродуктами, содержащий комплект входной оптики переменного увеличения, включающий афокальный объектив, за которым установлен блок переключающихся линз для обеспечения большего увеличения (с одновременным уменьшением угла зрения); инфракрасный объектив, представляющий собой набор линз, выполненных из материала с большим коэффициентом пропускания инфракрасного излучения в области 8-14 мкм: германия, кремния или оптической керамики; сканирующее устройство, реализующее вертикальное сканирование и сканирование горизонтальное; фотоприемник, выполненный из тройного соединения Hg-Cd-Te; предусилители и усилители; блок обработки сигналов изображения, отличающийся тем, что фотоприемник представляет собой Спрайт-детектор, размещенный в дьюаре с системой охлаждения, основанной на эффекте Джоуля-Томпсона или цикле Стерлинга, а также тем, что к блоку обработки сигнала подключена ЭВМ для приема, обработки и визуализации сигнала.