В даний час найбільш ефективними методами оперативного дистанційного моніторингу нафтових забруднень на водній поверхні є лазерний флуоресцентний і лазерний спектрофотометрический методи.Однако, для лазерних флуоресцентних методів висота зондування зазвичай не перевищує 100-150 м. Лазерні спектрофотометричні методи дозволяють проводити моніторинг нафтових забруднень при великих висотах польоту літального апарату. Це забезпечує більшу смугу огляду лидара на водній поверхності.Кроме того, важливою перевагою лазерних спектрофотометрических методів в порівнянні з лазерними флуоресцентними методами є відносна простота апаратури (і, отже, її більш низька вартість) .Представляется перспективним використання довжини хвилі 1,54 мкм в ближньому інфрачервоному спектральному діапазоні (оптичний параметричний генератор на Nd: YLF лазері). Ця довжина хвилі є безпечною для зору і може бути використана для проведення моніторингу нафтових забруднень на водній поверхності.Проведено дослідження можливостей лазерного спектрофотометрического методу вимірювання товщини плівок нафтопродуктів на водній поверхні при використанні дискретно перебудовується лазерного джерела в безпечному для зору вузькому спектральному діапазоні близько довжини хвилі випромінювання 1,54 мкм.Лазерний спектрофотометрический метод заснований на згладжуванні сплайном виміряної спектральної з Залежність коефіцієнта відбиття водної поверхні і обчисленні першої і другої похідної коефіцієнта відбиття водної поверхні по довжині хвилі ізлученія.Для оцінки похибки вимірювання товщини тонких плівок нафтопродуктів на водній поверхні проводилося математичне моделювання. Результати математичного моделювання показують, що лазерний спектрофотометрический метод, заснований на використанні перебудовується лазерного джерела в вузькому спектральному діапазоні близько довжини хвилі випромінювання 1,54 мкм, дозволяє при середньоквадратичному значенні шуму 1% проводити вимірювання тонких плівок нафти на водній поверхні з товщиною від ~ 1, 5 мкм до ~ 20 мкм з похибкою не більше 30%.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Городничев В.А., Бєлов М.Л., Кописова Т.І., Михайлівська М.Б.


Monitoring Lidar Method of Thin Oil Film Thickness at Eye-safe Wavelength of Radiation

At the present time most powerful methods for remote sensing of oil pollution on water surface are laser fluorescent and laser spectrophotometric methods.However, remote sensing range for laser fluorescent method is 100 150 m at most.Laser spectrophotometric methods allow to perform of oil pollution monitoring for airborne high altitude. At high-altitude a airborne lidar monitors a large stripe on water surface.Too distinct advantage of laser spectrophotometric methods in comparison with laser fluorescent methods is relative simplicity of equipment (hence lower equipment cost) .It is advanced to usage of wavelength 1,54 ? m in near infrared spectral band (optical parametric oscillator based on Nd: YLF laser). This wavelength is eye-safe wavelength and can be used for monitoring of oil pollution on water surface.Opportunity analysis of laser spectrophotometric measurement method of thin oil film thickness on water surface when using discretely tunable laser in eye-safe narrow spectral band at about 1,54? m is carried out. Laser spectrophotometric method based on spectral dependence spline smoothing of water surface reflection coefficient and calculation of first and second differential coefficient for water surface reflection coefficient.To estimate measurement error of thin oil film on water surface we have run the mathematical simulation. Mathematical simulation results show that laser spectrophotometric method based on using discretely tunable laser in narrow spectral band at about 1,54? M allows to perform measurements of thin oil film for thickness from ~ 1,5? M till ~ 20? M with an accuracy no more 30% at mean square root of noise 1%.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2018
    Журнал
    РАДІОБУДУВАННЯ
    Наукова стаття на тему 'лідарного МЕТОД КОНТРОЛЮ ТОВЩИНИ ТОНКИХ ПЛІВОК НАФТОПРОДУКТІВ НА БЕЗПЕЧНОЇ ДЛЯ ЗОРУ ДОВЖИНІ ХВИЛІ ВИПРОМІНЮВАННЯ'

    Текст наукової роботи на тему «солідарності МЕТОД КОНТРОЛЮ ТОВЩИНИ ТОНКИХ ПЛІВОК НАФТОПРОДУКТІВ НА БЕЗПЕЧНОЇ ДЛЯ ЗОРУ ДОВЖИНІ ХВИЛІ ВИПРОМІНЮВАННЯ»

    ?РАДІОБУДУВАННЯ

    Науково-практичний журнал литок: // www. гас! iovega.su

    Посилання на цю статтю: // РАДІОБУДУВАННЯ. 2018. № 03. С. 17-29

    Б01: 10.24108 / ^ е ^ .0318.0000140

    Представлена ​​в редакцію: 30.04.2018

    © НП «НЕІКОН»

    УДК 551.501

    Лідарного метод контролю товщини тонких плівок нафтопродуктів на безпечній для

    зору довжині хвилі випромінювання

    1 + 1 * Городничев В.А. , Бєлов М.Л. ' ,

    Кописова Т.І.1, Михайлівська М.Б.1

    1МГТУ ім. Н.е. Баумана, Москва, Росія

    Ь л

    Проведено дослідження можливостей лазерного спектрофотометрического методу вимірювання товщини тонких плівок нафтопродуктів на водній поверхні при використанні дискретно перебудовується лазерного джерела в безпечному для зору вузькому спектральному діапазоні близько 1,54 мкм. Лазерний спектрофотометрический метод заснований на згладжуванні сплайном спектральної залежності коефіцієнта відбиття водної поверхні і обчисленні першої і другої похідної коефіцієнта відображення. Результати математичного моделювання показують, що метод дозволяє при середньоквадратичному значенні шуму 1% проводити вимірювання тонких плівок нафти з товщиною від ~ 1,5 мкм до ~ 20 мкм з похибкою не більше 30%.

    Ключові слова: лазерний метод, коефіцієнти відображення, товщина плівок нафти

    Вступ

    В даний час найбільш ефективними методами оперативного дистанційного моніторингу нафтових забруднень на водній поверхні є лазерні флуоресцентний і спектрофотометрический методи (див., Наприклад [1-8]).

    Лідарного метод на основі лазерно-індукованої флуоресценції є ефективним методом дистанційного контролю нафтових забруднень на водній поверхні. Однак, для флуоресцентних лидаров висота зондування зазвичай не перевищує 100-150 м. Невелика висота зондування призводить до невеликої смузі огляду на водній поверхні і як наслідок до великого часу вимірювання.

    Лазерні спектрофотометричні методи дозволяють проводити моніторинг при великих висотах польоту літального апарату, що забезпечує велику смугу огляду на водній поверхні. Крім того, важливою перевагою лазерного спектрофотомет-рического методу є відносна простота апаратури (і, отже, її більш низька вартість).

    Найбільш важливими параметрами нафтового забруднення є його площа і товщина нафтової плями на водній поверхні.

    Відразу після розливу товщина нафтової плівки може складати кілька сантиметрів. Через деякий час товщина плівки зменшується. Мінімальну середню товщину нафтового сліки, при досягненні якої пляма нафтового забруднення перестає існувати як єдине ціле, оцінюють (в залежності від сорту нафти) в межах від декількох мікрометрів до 100 мкм (див., Наприклад, [9]).

    Оптичні спектрофотометричні методи дозволяють вирішити задачу вимірювання товщини плівок для тришарової системи «повітря - плівка - підкладка». Однак, «класичний» спектрофотометрический метод передбачає проведення багатоспектральних вимірювань (див., Наприклад [8,10,11]) - або освітлення поверхні з плівкою в широкому спектральному діапазоні і формування спектральної залежності коефіцієнта відбиття спектроаналізатором в приймальному тракті, або використання джерела з перебудовується в широкому спектральному діапазоні довжиною хвилі випромінювання. Наприклад, в роботі [10] описаний метод, який використовує дискретно перебудовується по довжині хвилі

    С02-лазер, який має близько 70 ліній генерації в діапазоні 9,2-10,8 мкм.

    В [12] запропоновано метод спектрофотометрії вимірювання товщини тонких плівок на підкладці, що використовує плавно або дискретно перебудовується по довжині хвилі у вузькому спектральному діапазоні джерело випромінювання. Спосіб заснований на визначенні першої і другої похідної (по довжині хвилі) коефіцієнта відображення тришарової системи «повітря - плівка - підкладка».

    Нижче досліджуються можливості спектрофотометрического методу [12] для вимірювання товщини тонких плівок нафтопродуктів на водній поверхні при використанні дискретно перебудовується лазерного джерела в спектральному діапазоні безпечному для зору.

    1. Постановка завдання

    Вважаємо, що лазер опромінює вертикально вниз (наприклад, при моніторингу з авіаційного носія) водну поверхню. Вважаємо, що лазерний пучок вузький, а довжина хвилі зондування лежить в ближньому або середньому інфрачервоному спектральному діапазоні (так, що приймається лазерний сигнал створюється випромінюванням, дзеркально відбитим водною поверхнею).

    Тоді потужність прийнятого лазерного сигналу Рп пропорційна коефіцієнту відображення водної поверхні (чистої або забрудненої нафтопродуктами). Якщо приймальний об'єктив перехоплює весь лазерний пучок, відбитий від водної поверхні, то потужність Рп можна записати у вигляді:

    Рп = Рок ^ (Л О, (1)

    де: Р 0 - потужність лазерного джерела;

    Язі / (Л) - коефіцієнт відображення водної поверхні;

    Л - довжина хвилі зондування.

    Коефіцієнт відображення Язі / (Л, е) (тришарової системи «повітря - плівка нафтового забруднення - вода») складним чином залежить від товщини плівки і довжини хвилі зондування (див., Наприклад, [5,13]). Ця залежність є основою всіх (як пасивних, так і активних) спектрофотометрических методів вимірювання товщини плівок нафтопродуктів на водній поверхні (див., Наприклад, [5,8,10,11]).

    При опроміненні плоскою (для області відблиску) водної поверхні вертикально вниз коефіцієнт відображення Язі / (Л, е) має вигляд (див., Наприклад, [5,13,14]):

    Язі / (Л е) =

    Г.2 + Г22зТ2 (Л) + 2г12г2зГ (Л) СР8 [21 (Л, е)] 1 + г ^ Т2 (Л) + 2Г12Г2зТ (Л) СС8 [2 ^ (Л, е)]

    (2)

    де:

    Т (Л) = ехр (- ^); до, е) = ^;

    Л

    Л

    г23 =

    ( "2 -" з) 2 + (? 2 -кз) 2. г _ -2; г12 -|

    1

    (1 - "2) 2 + к2 ,

    (1 + "2) 2 + к2 '

    ( "2 +" з) 2 + (? 2 + кз) '

    п2, к2 і щ, к'- показники заломлення і поглинання нафтового забруднення і чистої води (нижні індекси 1,2,3 відносяться до повітря, нафтопродукти і воді, відповідно; для повітря "= 1, а до = 0); г2, г223 - коефіцієнти відображення (енергетичні) на кордоні двошарових середовищ «повітря - нафта» і «нафта - вода» при опроміненні вертикально вниз; Т (Л) - коефіцієнт пропускання плівки нафтового забруднення.

    Врахуємо, що тонких плівок Т (Л) «1, а показники заломлення і поглинання" 2 з і к2, з слабо залежать від Л. Тоді, з формули (2) після ряду перетворень отримаємо вираз для визначення товщини плівки е з даних вимірювань:

    В "ге / (Л, е) + - В'ге / (Л е)

    ВГЕ / (Ле)

    Л2

    4жт

    - е,

    (3)

    де:

    Язі / (Л, е) (1 + г122г22з) -г122 -

    2г12г2з (1 - Язі / (Л, е))

    "2" 2

    ВГЕ / (Л е) -

    (4)

    В'ге / (Л, е), в; е / (Л, е) - перша і друга похідна (по довжині хвилі) коефіцієнта відображення тришарової системи «повітря-плівка нафтопродукту-вода».

    Формула (3) показує, що товщину плівки нафтового забруднення на водній поверхні можна визначити за результатами вимірювання спектральної залежності коефіцієнта відбиття Язі ^ (Я, <) (За даними вимірів потужності випромінювання, відбитого

    від досліджуваної водної поверхні), його першої кге ^ (Я, <) І другий Я "еу (Я, <) похідних.

    Це може бути реалізовано, використовуючи один перебудовується по довжині хвилі у вузькому діапазоні лазер або блок лазерних випромінювачів.

    2. Вибір безпечного для очей спектрального діапазону перебудови

    Використання лазерних джерел випромінювання для моніторингу забруднень і параметрів природного середовища завжди пов'язане з небезпекою для зору. Однак, з точки зору небезпеки для очей не байдуже яку довжину хвилі використовує лазерна система моніторингу.

    Випромінювання лазерів в ультрафіолетовому спектральному діапазоні з довжиною хвилі 0,18 - 0,38 мкм і в ближньому інфрачервоному спектральному діапазоні з довжиною хвилі понад 1,4 мкм впливає на передні середовища очі і є більш безпечним, ніж випромінювання в видимому і ближньому інфрачервоному діапазоні 0 , 38 - 1,4 мкм, що проходить через передні середовища очі і впливає на сітківку (див., наприклад, [15]).

    Малюнок 1 [16] ілюструє безпеку випромінювання для очей в спектральному інтервалі від ультрафіолетового до середнього інфрачервоного діапазону.

    На малюнку 1 наведена спектральна залежність максимальної безпечної для очей енергії лазерного імпульсу при діаметрі лазерного пучка 50 мм, тривалості імпульсу 6 нс і частоті повторення лазерних імпульсів 100 Гц (при тривалості і частотах повторення імпульсів випромінювання, характерних для систем лазерного дистанційного зондування).

    довжини хвилі випромінювання

    максимальна безпечна длягла-т енергія, Дж

    10

    10

    |I

    10

    довжина №ЛНЬЕ. МКМ

    ю-

    0,1

    10

    Рис.1. Спектральна залежність максимальної безпечної для очей енергії лазерного імпульсу

    З малюнка видно, що з точки зору безпеки зору в системах лазерного дистанційного зондування краще використовувати джерела лазерного випромінювання в спектральному діапазоні 1,4 - 2,5 мкм.

    Такі лазерні джерела з енергією в імпульсі від одиниць мДж до 10 мДж (відповідні для дистанційного лазерного зондування) в даний час цілком доступні. Наприклад, одним з найбільш підходящих варіантів може бути оптичний параметричний генератор на Nd: YLF лазері (на фториді ітрію-літію з легуванням неодимом) [17]. Ці джерела випромінювання перестаіваться в спектральному діапазоні 1,5 - 2 мкм мають енергію в імпульсі ~ 4 мДж, тривалість імпульсу 6 - 10 нс і частоти повторення імпульсів 100 - 1000 Гц.

    3. Математичне моделювання роботи лідарного методу контролю товщини тонких плівок нафтопродуктів у вузькому спектральному діапазоні близько 1,54 мкм довжини хвилі випромінювання

    Для дослідження можливостей спектрофотометрического методу вимірювання товщини тонких плівок нафти при використанні дискретно перебудовується лазерного джерела в вузькому спектральному діапазоні близько 1,54 мкм проводилося математичне моделювання.

    Для математичного моделювання роботи описаного лідарного методу використовувалися оптичні характеристики (показники заломлення і поглинання) «типовою» нафти і чистої морської води [18]. Середньоквадратичне значення шуму вимірювання задавалося в діапазоні від 0 до 3%.

    При моделюванні похідні, що входять у вираз (3), обчислювалися, використовуючи «виміряні» значення коефіцієнта відображення Ягеу (Л, d) на п'яти довжинах хвиль (Л ^

    = 1,54-2 АЛ мкм, Л 2 = 1,54- АЛ мкм, Л3 = 1,54 мкм, Л 4 = 1,54+ АЛ мкм, Л5 = 1,54 + 2 АЛ

    мкм, АЛ задавалося від 0,0001 до 0,01 мкм.

    На малюнку 2 показана спектральна залежність коефіцієнта відбиття Язі ^

    системи «повітря - плівка нафти - вода» від довжини хвилі зондування в спектральному діапазоні 1,52 - 1,56 мкм для товщини плівки е = 10 мкм.

    1,52 1,53 1,54 1,55 1,5 (5

    Мал. 2. Спектральна залежність коефіцієнта відбиття системи «повітря - плівка нафти - вода»

    З малюнка 2 видно, що коефіцієнт відображення тришарової системи «повітря -плівка нафти - вода» дуже сильно змінюється навіть в невеликому спектральному інтервалі 1,52 - 1,56 мкм.

    4. Результати математичного моделювання роботи лідарного методу контролю товщини тонких плівок нафтопродуктів у вузькому спектральному діапазоні близько довжини хвилі 1,54 мкм

    Результати моделювання показують, що метод, заснований на визначенні визначенні першої і другої похідної коефіцієнта відображення, дозволяє визначати на водній поверхні товщини тонких плівок нафтопродуктів.

    На малюнку 3 показаний результат відновлення товщини плівки нафти з даних

    вимірювань при Х ^ = 1,52 мкм, Х2 = 1,53 мкм, Х3 = 1,54 мкм, Х4 = 1,55 мкм, Х5 = 1,56 мкм (при АХ = 0,01 мкм) в ідеальному випадку відсутності шуму вимірювання.

    с1н, МКМ

    ^ _! _! _ Й, мкм

    0 5 10 15 20

    Рис.3. Результат відновлення товщини плівки нафти в разі відсутності шуму вимірювання

    На малюнку суцільна червона лінія показує відновлене значення товщини плівки ен. Суцільна чорна лінія на малюнку показує дійсне значення товщини, а пунктирні чорні лінії - 30% відміну знайденого значення товщини плівки е н від дійсного значення товщини d .

    З малюнка видно, що навіть за відсутності шумів вимірювань виникають помилки, пов'язані з похибками обчислення першої і другої похідних з дискретного (з п'яти значень) набору коефіцієнта відображення. В умовах реальних шумів вимірювання алгоритм відновлення товщини плівки нафти з даних вимірювань стає нестійким і приводить до дуже великих помилок визначення е навіть при невеликому шумі вимірювання.

    На малюнках 4 і 5 показані випадкові реалізації - результати відновлення товщини плівки нафти з даних вимірювань при середньоквадратичному значенні шуму 0,1% (рисунок 4) і 1% (рисунок 5). Решта умов ті ж, що і для малюнка 3.

    З малюнка 4 видно, що навіть при невеликому шумі 0,1% визначити товщину плівки не завжди вдається. Основною причиною є великі помилки обчислення першої і другої похідної через вплив шуму вимірювання (завдання обчислення похідних функцій за даними вимірів в умовах шуму відноситься до некоректних математичних завдань).

    Рис.4. Результат відновлення товщини плівки нафти при середньоквадратичному значенні шуму

    вимірювання 0,1%

    Рис.5. Результат відновлення товщини плівки нафти при середньоквадратичному значенні шуму

    виміру 1%

    Для зменшення впливу шумів на результати визначення обчислення першої і другої похідної і вимірювання е використовувалися спеціальна процедура обробки -сглажіваніе сплайном виміряної спектральної залежності коефіцієнта відбиття перед процедурою отримання першої і другої похідної.

    На малюнку 6 показано залежність знайденого значення товщини плівки від

    дійсного значення товщини е в разі шуму вимірювання зі среднеквадратическим значенням 1% після використання попередньої обробки - згладжування сплайном спектральної залежності даних вимірювань. Червоні лінії на малюнку - це середнє значення (суцільна червона лінія) і середньоквадратичне відхилення від середнього значення (пунктирна червона лінія) по 10000 реалізацій шуму вимірювання. Решта умов ті ж, що і для малюнків 3 - 5.

    а

    20 15 10 5

    0

    II, мкм

    1 + 1 1 /

    /

    /

    /

    / у

    / /

    х /

    -

    /

    /

    -

    1 + 1

    мкм

    10

    15

    20

    Рис.6. Результат відновлення товщини плівки нафти при середньоквадратичному значенні шуму вимірювання 1% після згладжування сплайном спектральної залежності даних вимірювань

    З малюнка 6 видно, метод, заснований на співвідношенні (3) і згладжування сплайном спектральної залежності даних вимірювань дозволяє з похибкою ~ 30% і менше визначати товщину плівки від ~ 1,5 мкм до ~ 20 мкм.

    Таким чином, результати математичного моделювання показують, що метод, заснований на згладжуванні сплайном спектральної залежності коефіцієнта відбиття водної поверхні і обчисленні першої і другої похідної коефіцієнта відображення, дозволяє при середньоквадратичному значенні шуму 1% проводити вимірювання тонких плівок нафти з товщиною від ~ 1,5 мкм до ~ 20 мкм з похибкою не більше 30%.

    висновок

    Проведено дослідження можливостей лазерного спектрофотометрического методу вимірювання товщини тонких плівок нафтопродуктів на водній поверхні при використанні дискретно перебудовується лазерного джерела в безпечному для зору вузькому

    спектральному діапазоні близько 1,54 мкм. Результати математичного моделювання показують, що лазерний метод, заснований на згладжуванні сплайном спектральної залежності коефіцієнта відбиття водної поверхні і обчисленні першої і другої похідної коефіцієнта відображення, дозволяє при середньоквадратичному значенні шуму 1% проводити вимірювання тонких плівок нафти з товщиною від ~ 1,5 мкм до ~ 20 мкм з похибкою не більше 30% .

    Список літератури

    1. Pashayev A., Tagiyev B., Allahverdiyev K., Musayev A., Sadikhov I. LIDAR for remote sensing of contaminations on water and earth surface taking place during oil-gas production // Proc. of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2015. Vol. 9810. Pp. 981018-1 - 981018-7. DOI: 10.1117 / 12.2225219

    2. Palombi L., Lognoli D., Raimondi V. Fluorescence LIDAR remote sensing of oils: merging spectral and time-decay measurements // Proc. of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2013. Vol. 8887. Pp. 88870F-1 - 88870F-8. DOI: 10.1117 / 12.2030204

    3. Brown C.E. Laser fluorosensors // Oil spill science and technology: prevention, response and clean up / Ed. by M. Fingas. Burlington: Elsevier, 2011. Ch. 7. Pp. 171-184.

    4. Vasilescu J., Marmureanu L., Carstea E., Cristescu C.P. Oil spills detection from fluorescence lidar measurements // U.P.B. Scientific Bull. Ser. A: Applied Mathematics and Physics. 2010. Vol. 72. No. 2. Pp. 149-154.

    5. Козинцев В.І., Бєлов М.Л., Городничев В.А., Смирнова О.А., Федотов Ю.В. Лазерний метод вимірювання товщини плівок нафти на схвильованої морської поверхні, заснований на визначенні різниці набігу фаз в плівці для довжин хвиль зондування // Оптика атмосфери і океану. 2007. Т. 20. № 10. С. 932-935.

    6. Стрільців Б.В., Бєлов М.Л., Тухватулліна С.А., Городничев В.А. Лазерний метод виявлення нафтових забруднень на схвильованої морської поверхні, який використовує кутовий сканування // Наука і освіта. МГТУ ім. Н.е. Баумана. Електрон. журн. 2012. № 7. С. 187-198. DOI: 10.7463 / 0712.0413496

    7. Measures R.M. Laser remote sensing: Fundamentals and applications. Malabar: Krieger Publ. Co., 1992. 510 p.

    8. Березін С.В. Розробка дистанційного лазерного вимірювача товщини нафтових плівок на схвильованої морської поверхні: дис. ... канд. техн. наук. М., 2006. 115 с.

    9. Матішов Г.Г., Нікітін Б.А., Сочнев О.Я. Екологічна безпека та моніторинг при освоєнні родовищ вуглеводнів на арктичному шельфі. М .: газо прес, 2001. 231 с.

    10. Бєлов М.Л., Березін С.В., Городничев В.А., Козинцев В.І. Метод контролю товщини тонких плівок нафтопродуктів на водній поверхні, заснований на використанні лазера з перебудовується довжиною хвилі випромінювання // Оптика атмосфери і океану. 2002. Т. 15. № 2. С. 203-205.

    11. Комраков Б.М., Шапочкин Б.А. Вимірювання параметрів оптичних покриттів. М .: Машинобудування, 1986. 132 з.

    12. Бєлов М.Л., Городничев В.А., Козинцев В.І., Федотов Ю.В. Спосіб вимірювання товщини тонких плівок на підкладці: пат. 2395788 Російська Федерація. 2010. Бюл. № 21. 8 з.

    13. Оптико-електронні системи екологічного моніторингу природного середовища: навч. посібник / В.І. Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Бєлов та ін. М .: Изд-во МГТУ ім. Н.е. Баумана, 2002. 527 с.

    14. Борн М., Вольф Е. Основи оптики: пров. з англ. 2-е изд. М .: Наука, 1973. 719 с. [Born M., Wolf E. Principles of optics. 2nd ed. N.Y .: McMillan Publ., 1964. 808 p.].

    15. ГОСТ 31581-2012. Лазерна безпека. Загальні вимоги безпеки при розробці та експлуатації лазерних виробів. Введ. 2015-01-01. М .: Стандартинформ, 2013. 18 с.

    16. Corbett J., Woods M. UV laser radiation: skin hazards and skin protection controls // Intern. laser safety conf .: ILSC 2013 (Orlando, FLA, USA, March 18-21, 2013): Proc. Laser Institute of America (LIA), 2013. Article 303. 8 p. Режим доступу: http://www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/slac-pub-15357.pdf (дата звернення 15.12.2018).

    17. Оптичні параметричні генератори (О111), з високою енергією імпульсу / OPO SERIES. Режим доступу: http://www.nanointek.ru/assets/files/OPO.pdf (дата звернення 02.12.2015).

    18. Гуревич І.Я., Шифрін К.С. Відображення видимого і інфрачервоного випромінювання нафтовими плівками на море // Оптичні методи вивчення океанів і внутрішніх водойм. Новосиб .: Наука, 1979. С. 166-176.

    Radio Engineering

    Radio Engineering, 2018, no. 03, pp. 17-29. DOI: 10.24108 / rdeng.0318.0000140 Received: 30.04.2018

    © NP "NEICON"

    Monitoring Lidar Method of Thin Oil Film Thickness at Eye-safe Wavelength of Radiation

    V.A. Gorodnichev1, M.L. Belov1 '*' T.I. Kopisova1, M.B. Mikhailovskaya1

    b eloviSbmstu ju

    : Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

    Keywords: laser method, reflection coefficient, oil film thickness

    At the present time most powerful methods for remote sensing of oil pollution on water surface are laser fluorescent and laser spectrophotometry methods.

    However, remote sensing range for laser fluorescent method is 100 - 150 m at most.

    Laser spectrophotometric methods allow to perform of oil pollution monitoring for airborne high altitude. At high-altitude a airborne lidar monitors a large stripe on water surface.

    Too distinct advantage of laser spectrophotometry methods in comparison with laser fluorescent methods is relative simplicity of equipment (hence lower equipment cost).

    It is advanced to usage of wavelength 1,54 p, m in near infrared spectral band (optical parametric oscillator based on Nd: YLF laser). This wavelength is eye-safe wavelength and can be used for monitoring of oil pollution on water surface.

    Opportunity analysis of laser spectrophotometric measurement method of thin oil film thickness on water surface when using discretely tunable laser in eye-safe narrow spectral band at about 1,54 p, m is carried out. Laser spectrophotometric method based on spectral dependence spline smoothing of water surface reflection coefficient and calculation of first and second differential coefficient for water surface reflection coefficient.

    To estimate measurement error of thin oil film on water surface we have run the mathematical simulation. Mathematical simulation results show that laser spectrophotometric method based on using discretely tunable laser in narrow spectral band at about 1,54 p, m allows to perform measurements of thin oil film for thickness from ~ 1,5 p, m till ~ 20 p, m with an accuracy no more 30% at mean square root of noise 1%.

    References

    1. Pashayev A., Tagiyev B., Allahverdiyev K., Musayev A., Sadikhov I. LIDAR for remote sensing of contaminations on water and earth surface taking place during oil-gas production. Proc.

    of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), 2015-го, vol. 9810, pp. 981018-1 - 981018-7. DOI: 10.1117 / 12.2225219

    2. Palombi L., Lognoli D., Raimondi V. Fluorescence LIDAR remote sensing of oils: merging spectral and time-decay measurements. Proc. of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), 2013, vol. 8887, pp. 88870F-1 - 88870F-8. DOI: 10.1117 / 12.2030204

    3. Brown C.E. Laser fluorosensors. Oil spill science and technology: prevention, response and clean up / Ed. by M. Fingas. Burlington: Elsevier, 2011. Ch. 7. Pp. 171-184.

    4. Vasilescu J., Marmureanu L., Carstea E., Cristescu C.P. Oil spills detection from fluorescence lidar measurements. U.P.B. Scientific Bull. Ser. A: Applied Mathematics and Physics, 2010 vol. 72, no. 2, pp. 149-154.

    5. Kozintsev V.I., Belov M.L., Gorodnichev V.A., Smirnova O.A., Fedotov Yu.V. Determination of phase incursion difference in a film for sounding wavelengths as a base for a laser method of measurements of oil film thickness on a rough sea surface. Atmospheric and Oceanic Optics, 2007, vol. 20, no. 10, pp. 850-853.

    6. Strelkov B.V., Belov M.L., Tukhvatullina S.A., Gorodnichev V.A. Laser method of detection of oil pollution on rough sea surface using angle scanning. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU] 2012, no. 7, pp. 187-198.

    DOI: 10.7463 / 0712.0413496 (in Russian)

    7. Measures R.M. Laser remote sensing: Fundamentals and applications. Malabar: Krieger Publ. Co., 1992. 510 p.

    8. Berezin S.V. Razrabotka distantsionnogo lazernogo izmeritelia tolshchiny neftianykhplenok na vzvolnovannoj morskoj poverkhnosti [Development of remote laser sensor oil for film thickness on rough sea surface. Cand. diss.]. Moscow, 2006. 115 p. (In Russian).

    9. Matishov G.G., Nikitin B.A., Sochnev O.Ya. Ekologicheskaia bezopasnost 'i monitoring pri osvoenii mestorozhdenij uglevodorodov na arkticheskom shelfe [Ecological safety and monitoring during opening of fossil fuels deposits on arctic shelf]. Moscow: GazOil press, 2001. 231 p. (In Russian).

    10. Belov M.L., Berezin S.V., Gorodnichev V.A., Kozintsev V.I. Method of measuring the thickness of thin oil films on water surface using tunable lasers. Atmospheric and Oceanic Optics, 2002 vol. 15, no. 2, pp. 179-181.

    11. Komrakov B.M., Shapochkin B.A. Izmerenie parametrov opticheskikh pokpytij [Parameter measurement of optical coating]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1986. 132 p. (In Russian).

    12. Belov M.L., Gorodnichev V.A., Kozintsev V.I., Fedotov Yu.V. Sposob izmereniia tolshiny tonkikh plenok na podlozhke [Measurement procedure of thin film on base thickness]. Patent RF, no. 2395788. 2010 (in Russian).

    13. Optiko-electronnye sistemy ekologicheskogo monitoringa prirodnoj sredy [Optoelectronic systems of environment ecologic monitoring]: a textbook / V.I. Kozintsev, V.M. Orlov, M.L. Belov a.o. Moscow: Bauman MSTU Publ., 2002. 527 p. (In Russian).

    14. Born M., Wolf E. Principles of optics. 2nd ed. N.Y .: McMillan Publ., 1964. 808 p. (Russ. Ed .: Born M., Wolf E. Osnovy optiki. 2nd ed. Moscow: Nauka Publ., 1973. 719 p.).

    15. GOST 31581-2012. Lazernaia bezopasnost '. Obchshie trebovaniiapri razrabotke i ekspluatatsii lazernykh izdelij. Vveden 2015-01-01 [GOST 31581-2012. Laser safety. General safety requirements for development and operation of laser products. Enter 2015-01-01]. Moscow: Standartinform Publ., 2013. 18 p. (In Russian).

    16. Corbett J., Woods M. UV laser radiation: skin hazards and skin protection controls. Intern. laser safety conf .: ILSC 2013 (Orlando, FLA, USA, March 18-21, 2013): Proc. Laser Institute of America (LIA), 2013. Article 303. 8 p. Available at: http: // www .slac.stanford.edu / cgi-

    wrap / getdoc / slac-pub-15357.pdf, accessed 15.12.2018.

    17. Opticheskieparametricheskie generatory (OPG) s vysokoj energiej impul'sa [Optical parametric oscillators with high pulse energy] / OPO SERIES. Available at: http://www.nanointek.ru/assets/files/OPO.pdf, accessed 02.12.2015 (in Russian).

    18. Gurevich I.Ya., Shifrin K.S. Otrazhenie vidimogo i IK-izlucheniia neftianymi plenkami na more [Visible and IR radiation reflection by oil film on sea]. Opticheskie metody izucheniia okeanov i vnutrennikh vodoemov [Optical techniques of oceans and inland water reservoirs examination]. Novosibirsk: Nauka Publ., 1979. Pp.166-176 (in Russian).


    Ключові слова: ЛАЗЕРНИЙ МЕТОД / КОЕФІЦІЄНТИ ВІДДЗЕРКАЛЕННЯ / ТОВЩИНА ПЛІВОК НАФТИ / LASER METHOD / REFLECTION COEFFICIENT / OIL FILM THICKNESS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити