Комплекс инфракрасной 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. Указанные функциональные возможности достигаются благодаря разделению инфракрасного излучения от водной поверхности по длинам волн и преобразованию их в двухканальном фотоприемном блоке. 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. Получить высокое качество изображения позволяет использование в качестве фотоприемников Спрайт-детекторов, применение которых обеспечивает и ряд других преимуществ комплекса. Для определения местоположения летательного аппарата, на который устанавливается Комплекс инфракрасной дистанционной диагностики, и управления самолето- или вертолетовождением используется GPS (ГЛОНАСС) приемник.
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 близким, принятым за прототип, устройством является, «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-Те, представляющий собой Спрайт-детектор, размещенный в дьюаре с системой охлаждения, основанной на эффекте Джоуля-Томпсона или цикле Стирлинга; предусилители и усилители; блок обработки сигналов изображения; ЭВМ для приема, обработки и визуализации сигнала. /2/ Недостатком данного комплекса
является лишь возможность визуализации обработанного изображения на дисплее компьютера. Детальный анализ пятна (определение его точного местоположения, измерение толщины пленки нефтепродуктов и установление ее фракционного состава) не осуществляется.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, является дистанционное обнаружение загрязнения поверхности воды нефтепродуктами с возможностью произвести оперативный и детальный анализ пятна нефтепродуктов.
Технический результат достигается тем, что перед фотоприемным устройством установлены два интерференционных фильтра различной пропускающей способности, на которые попадает разделенное с помощью системы зеркал инфракрасное излучение, а в качестве фотоприемного устройства используется двухканальный фотоприемный блок, представляющий собой два Спрайт-детектора, размещенных в дьюаре с системой охлаждения, основанной на эффекте Джоуля-Томпсона или цикле Стирлинга, а также тем, что в составе комплекса в качестве основного прибора определения местоположения летательного аппарата используется GPS (ГЛОНАСС) приемник.
Разделение пучка инфракрасного излучения осуществляется с помощью полупрозрачного зеркала; в результате разделения одна часть излучения проходит сквозь него, а другая - отражается от его поверхности. Зеркало, установленное на пути отраженного пучка, направляет его параллельно пучку, прошедшему через полупрозрачное зеркало.
Интерференционные фильтры предназначены для пропускания излучения со строго определенной длиной волны (в данном случае 9,3 и 10,6 мкм). Анализ и сравнение изображений, полученных на данных длинах волн, друг с другом, а также с зарегистрированным изображением теплового излучения незагрязненной поверхности воды позволяет определить толщину и фракционный состав пленки нефтепродуктов с высокой точностью. Обрабатывая оптический сигнал на каждой из рабочих длин волн
(9,3 и 10,6 мкм), получают два ряда возможных значений толщины пленки нефтепродуктов. Из этих рядов выбирают два значения с минимальным отклонением друг от друга. По определенному алгоритму в зависимости от технических характеристик применяемой аппаратуры, находят близкую к ним величину, которая является истинным значением толщины исследуемой пленки.
Для преобразования пучков инфракрасного излучения в электрические сигналы в состав комплекса включен двухканальный фотоприемный блок.
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 тепловизионных 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.
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.
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.
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, полупрозрачное зеркало 5, интерференционный фильтр с пропускающей способностью 9.3 мкм 6, зеркало 7, интерференционный фильтр с пропускающей способностью 10.6 мкм 8, двухканальный фотоприемный блок 9, систему охлаждения 10, предусилитель 11, усилитель 12, блок обработки сигналов 13, ЭВМ 14, GPS (ГЛОНАСС) приемник 15. 16 - тепловое излучение, 17 - наблюдаемая поверхность акватории.
Работает комплекс дистанционной диагностики загрязнения вод нефтепродуктами следующим образом. Тепловое излучение 16 от наблюдаемой поверхности акватории 17 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.
Далее поток инфракрасного излучения падает на полупрозрачное зеркало 5, с помощью которого происходит разделение его на две части. Одна часть излучения, проходящая сквозь полупрозрачное зеркало, попадает на интерференционный фильтр 6, который пропускает излучение только с длиной волны 9,3 мкм. Часть излучения, отраженная полупрозрачным зеркалом, вторично отражается зеркалом 7 и попадает на интерференционный фильтр 8, пропускающий излучение только с длиной волны 10,6 мкм.
Последним этапом на пути инфракрасного излучения является двухканальный фотоприемный блок 9, представляющий собой два Спрайт-детектора, размещенных в дьюаре с соответствующей системой охлаждения 10, основанной на эффекте Джоуля-Томсона или цикле Стирлинга.
Двухканальный фотоприемный блок осуществляет перевод инфракрасного излучения в электрические сигналы.
Сигналы от двухканальный фотоприемного блока поступают на предусилители 11 и усилители 12, а затем - на блок обработки сигналов изображения 13, работающий синхронно со сканирующим устройством. Этот блок преобразует электрический сигнал в цифровую форму. Далее обработанный сигнал в цифровой форме поступает на вход ЭВМ 14.
С помощью ЭВМ возможно осуществлять контроль и управлять работой основных элементов комплекса (комплекта входной оптики переменного увеличения, сканирующего устройства, системы охлаждения, блока обработки сигнала), а также определить контуры загрязнения, толщину и состав пленки, время, прошедшее с начала разлива нефтепродуктов и пр.
К ЭВМ подключен GPS (ГЛОНАСС) приемник 15, который позволяет определить точное положение пятна нефтепродуктов на поверхности акватории.
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, МПК7 G 01 N 21/00 2003 г. Бюл. 18 /аналог/.
2. Известия Курского Государственного Технического Университета №1(14), Курск, 2005 г. - с.50-52.
3. Орлов В.А., Петров В.И., Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. - М.: Воениздат, 1989, с.128, 140, 237.
4. Богомолов В.А., Сидоров К.И., Усольцев И.Ф. Приемные устройства инфракрасных систем. - М.: Радио и связь, 1987.
5. Жуков А.Г., Горюнов А.Н., Кальфа А.А. Тепловизионные приборы и их применение. - М.: Радио и связь, 1983.
6. ИК объективы для тепловизионных приборов III поколения / [http://expo.cps-rt.ru/enterprize/new_catalogue/page/582.htm 18.10.2004].
7. Книщенко В.П. Ближняя инфракрасная спектроскопия. - М.: «Крон-пресс», 1997.
8. Лидарные методы обнаружения нефтяных загрязнений акваторий / Режим доступа: [http://ecoline.kiev.ua/articles/lidar/lidmru.html 18.10.2004].
9. Очистка воды от органических загрязнителей / Режим доступа: [http://him.lseptember.ru/2004/23/24.htm 18.10.2004].
10. Российские экотехнологии в Интернет: Очистка воды / Режим доступа: [http://ecotechru.chat.ru/offer/22.htm 24.04.2003].
Комплекс инфракрасной 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; фотоприемное устройство, выполненное из тройного соединения Hg-Cd-Te, размещенное в дьюаре с системой охлаждения, основанной на эффекте Джоуля-Томпсона или цикле Стирлинга; предусилители и усилители; блок обработки сигналов изображения; ЭВМ, отличающийся тем, что перед фотоприемным устройством установлена система зеркал, состоящая из полупрозрачного зеркала и зеркала, для разделения пучка инфракрасного излучения на две части, два интерференционных фильтра различной пропускающей способности, а фотоприемное устройство представляет собой двухканальный фотоприемный блок, выполненный в виде двух Спрайт-детекторов, размещенных в одном дьюаре, а также тем, что к ЭВМ подключен GPS (ГЛОНАСС) приемник для определения точного положения пятна нефтепродуктов на поверхности акватории.
