Содержание к диссертации
Введение
1. Методы и средства технической диагностики объектов трубопроводного транспорта 32
1.1. Общие вопросы диагностирования 32
1.2. Методы и средства диагностики трубопроводов 34
1.2.1. Методы непрерывного контроля 34
1.2.2. Методы периодического контроля 39
1.3. Оптимизация периода контроля трубопроводов 45
2. Система оптико-физических признаков утечек углеводородов из магистральных трубопроводов 57
2.1. Тепловой контраст надземных трубопроводов 57
2.2. Тепловой контраст подземных трубопроводов 64
2.3. Тепловой контраст утечек нефти, природного и сжиженного газов 66
2.4. Спектрометрические характеристики газовой фракции нефти 69
2.4.1. Характеристики флуоресценции нефти 69
2.4.2. Пространственно-временная динамика газовой фракции нефти при её утечках из трубопровода 77
2.4.3. Характеристики комбинационного рассеяния и дифференциального поглощения лазерного излучения газовой фракцией нефти 89
3. Параметрическая модель воздушной тепловизионной аппаратуры 100
3.1. Задачи и виды воздушной тепловизионной аппаратуры (ВТА) 100
3.2. Основные показатели эффективности и основные О технические параметры ВТА 103
3.3. Дешифрирование тепловизионных изображений 113
3.4. Обнаружение объектов 125
3.5. Разрешение объектов 145
3.6. Различение объектов 160
3.7. Распознавание объектов 163
3.8. Поиск объектов 178
3.9. Влияние атмосферы на эффективность ВТА 183
4. Элементы оптимизации воздушной тепловизионной аппаратуры 197
4.1. Критерии качества аппаратуры 197
4.2. Выбор порога чувствительности и элементарного поля зрения 203
4.3. Выбор угла обзора 214
4.4. Выбор спектрального рабочего диапазона 219
4.5. Выбор градационной характеристики 222
4.6. Выбор отдельных узлов и элементов аппаратуры 228
5. Перспективные направления совершенствования воздушной тепловизионной аппаратуры 245
5.1. Совершенствование оптико-механических и электронных узлов аппаратуры 245
5.2. Использование поляризационного контраста объектов 256
5.2.1. Методика оценки эффективности поляризационного канала ВТА 256
5.2.2. Практическое использование поляризационного канала ВТА 264
5.3. Использование лазерной подсветки объектов 271
5.4. Использование фотоприемников с внутренним интегрированием сигнала 275
5.5. Использование нескольких спектральных диапазонов 283
6. Методика и результаты экспериментальных исследований и
опытного инструментального аэромониторинга продуктопроводов 300
6.1. Условия проведения экспериментов 301
6.2. Моделирование аварийных ситуаций 304
6.3. Используемая аппаратура 306
6.4. Методика анализа тепловизионных изображений 309
6.5. Общие результаты исследований 311
6.6. Энергетические и геометрические параметры тепловых аномалий 328
6.7. Практические следствия опытного инструментального аэромониторинга продуктопроводов 330
7. Разработка и исследование воздушной оптико-электронной аппаратуры контроля трубопроводов 336
7.1. Назначение, оптическая схема и конструкция аппаратуры 336
7.2. Обоснование параметров тепловизионного канала 338
7.3. Обоснование параметров телевизионного канала 341
7.4. Обоснование параметров спектрометрического канала 342
7.4.1. Пороговая чувствительность канала по концентрации газовой фракции нефти 343
7.4.2. Минимальная обнаруживаемая концентрация газовой фракции нефти 346
7.5. Основные тактико-технические параметры аппаратуры 350
Заключение 353
Библиографический список использованной литературы
- Методы и средства диагностики трубопроводов
- Тепловой контраст подземных трубопроводов
- Дешифрирование тепловизионных изображений
- Использование поляризационного контраста объектов
Введение к работе
Современное состояние системы трубопроводного транспорта энергоресурсов России во многом определяется условиями и особенностями ее развития за последние 50 лет.
Трубопроводная сеть России формировалась в основном в 1960-70 г.г. и в настоящее время она интегрирует около 48 тыс. км магистральных нефте-проводов, 143 тыс. км магистральных газопроводов, 15 тыс. км магистральных продуктопроводов, 910 резервуаров (из них 699 стальных), и более 800 нефтеперекачивающих и компрессорных станций. При этом 12% нефтемаги-стралей сейчас имеют возраст до 15 лет, 34% - от 15 до 25 лет, 29% - от 25 до 35 лет, а 25% трубопроводов эксплуатируются свыше 35 лет при проектном сроке эксплуатации 33 года [1]. Трубопроводные системы охватывают 35% территории России, на которой проживает 65% населения страны.
Учитывая, что транспортировка и экспорт нефти являются основой
экономической, а значит, и социальной стабильности нашей страны, вопросы
состояния трубопроводного транспорта являются проблемами с наивысшим
приоритетом. Современные условия работы магистральных трубопроводов
характеризуются возрастающими требованиями к их экологической безопас
ен ности, необходимостью снижения аварийности и повышения эффективности
11
выполняемых мероприятий по надежности. Между тем период интенсивного
строительства трансконтинентальных трубопроводов уже закончился, ресурс
безостановочной эксплуатации большинства из них выработан, и фактически
0 Россия вступила в новый качественный период - период ремонта и реконст-
рукции трубопроводов всех категорий, в том числе магистральных [2], и эта проблема, имеющая общегосударственное значение, должна решаться системно.
Главным в эффективной работе сети магистральных трубопроводов является надежность снабжения углеводородами. Под этим подразумевается "способность обеспечивать в заданных условиях функционирования бесперебойное снабжение потребителей соответствующей продукцией требуемого
качества и недопущение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды
[Зч-4]". В сложившихся условиях, когда в процессе эксплуатации трубопрово
дов особенно ярко стали проявляться негативные последствия, связанные с
дефектами строительно-монтажных работ, заводским браком труб, малым
обновлением линейной части, старением изоляционного покрытия, накопле-
Q нием коррозионных и усталостных повреждений в металле труб, обеспечение
безопасной эксплуатации линейной части магистральных трубопроводов может быть достигнуто только путем совершенствования системы технического обслуживания и ремонта на основе использования современных методов диагностического контроля [3]. При этом главной задачей диагностирования технического состояния действующих трубопроводов является раннее обнаружение возникающих в линейной части неисправностей, оценка возможно-сти и сроков дальнейшей эксплуатации трубопровода при наличии повреждений и выдача рекомендаций по устранению выявленных неисправностей [4].
Таким образом, основой для прогнозирования остаточного ресурса трубопровода [39] и определения безопасных режимов перекачки по нему, например, нефтепродуктов, является поиск, предупреждение и локализация аварийных состояний элементов трубопроводных систем. При этом особо важное значение придается контролю целостности линейной части трубопро-
водов, нарушение которой, как правило, вызывает утечки углеводородов и тем самым приводит к аварийным ситуациям - отказам соответствующих участков трубопроводов.
В настоящее время для объектов трубопроводного транспорта энергоресурсов существует большое число разнообразных методов, приборов, моделей и программно-технических средств диагностики, позволяющих определить их текущее состояние и сделать прогноз остаточного ресурса. При этом используемые средства и методы диагностики должны не конфликтовать, а взаимно дополнять друг друга и позволять тем самым производить комплексную оценку технического состояния трубопровода и его элементов
[5]-
Целенаправленная работа предприятий нефтепроводного транспорта России по повышению надежности магистральных трубопроводов позволила снизить в 90-х годах аварийность до среднего уровня 0,28 отказов в год на тыс. км. (Для сравнения: в США 0,6-0,8 І/год тыс. км, в Западной Европе 0,8 1/год тыс. км, в странах СНГ 0,33 1/год тыс. км). Тем не менее, все более ужесточающиеся требования к безопасности и надежности нефтемагистралей возводят задачу по контролю за техническим состоянием объектов трубопроводного транспорта в ранг первоочередных [7]. В связи с этим исключительное значение приобретает разработка и внедрение в практику новых, нетрадиционных средств и методов диагностики данных объектов, в частности патрульных, которые использовали бы их дополнительные демаскирующие признаки (параметры физических полей). Одним из таких средств является воздушная оптико-электронная аппаратура - тепловизионная и спектрометрическая.
Научная и практическая значимость разработки техники и технологии исследований пространственного распределения температур, а также спектрального состава излучения подстилающей поверхности с воздушных носителей определяется тем фактом, что тепловое поле этой поверхности в различных диапазонах спектра характеризует наличие, количество, категорию и
энергетическое состояние находящихся на ней искусственных или естественных объектов, и данное обстоятельство успешно используется для решения целого ряда военных и народнохозяйственных задач: ИК разведки [9-11], многочисленных и разнообразных проблем исследования и геологической разведки природных ресурсов [12], контроля состояния инженерных сооружений [14-16], земной поверхности, водной среды и атмосферы [17] и т.д. Одним из наиболее эффективных технических средств решения подобных задач является воздушная тепловизионная аппаратура (ВТА), осуществляющая беспропускный просмотр подстилающей поверхности по трассе полета носителя - самолета или вертолета - и регистрацию и (или) визуализацию получаемого при этом тепловизионного изображения.
Возможность дистанционного контроля магистральных продуктопро-водов сжиженных газов (ШФЛУ) посредством ВТА объясняется тем, что при выбросе продукта вокруг места нарушения целостности трубопровода вследствие перехода продукта в газовую фазу появляется некоторая температурная аномалия достаточно правильной формы, легко обнаруживаемая на тепловом изображении, полученном из верхней полусферы. При этом, в отличие от традиционных методов контроля, основанных, например, на измерении давления в трубопроводах, контроль их посредством ВТА гораздо более точен и оперативен и позволяет, кроме того, зрительно оценить масштабы аварии [14, 23, 24, 43]. На эффекте Джоуля-Томсона основан и столь же эффективный контроль целостности магистральных газопроводов.
Обнаружение с помощью ВТА утечек из нефтепроводов, проявившихся на поверхности земли, оказалось возможным благодаря различию температур и коэффициентов излучения нефтяных загрязнений и окружающего фона (грунт, вода), обусловливающему формирование и соответствующего теплового контраста. При этом, в соответствии с философией воздушного наблюдения - достоверно точно и в срок - эффективность ВТА может быть значительно повышена путем комплексирования ее с активным спектрометрическим каналом, осуществляющим синхронную лазерную подсветку газовой
фракции нефтепродукта, появляющейся на поверхности земли вскоре после возникновения утечки из заглубленного трубопровода, и регистрацию возникающего при этом в ультрафиолетовой, видимой и ИК областях спектра селективного вторичного излучения или поглощения [25, 43].
Выполненные под научным руководством автора работы по исследованию и внедрению оптико-электронных методов и средств в практику решения проблемы ранней диагностики утечек из действующих продуктопроводов ШФЛУ оказались настолько успешными, что решением Первого международного конгресса "Новые высокие технологии для нефтяной и газовой промышленности и энергетики будущего" (г. Тюмень, июнь 1996 г.) развитие оптических технологий обнаружения течей и дистанционной диагностики состояния трубопроводов включено в перечень важнейших перспективных задач для нефтегазовой индустрии страны [8].
Указанные обстоятельства и предопределяют большую практическую важность методов анализа и синтеза активно-пассивной ВТА, предназначенной, в частности, для контроля нефтепродуктопроводов.
Разработку любой тепловизионной аппаратуры, в том числе ВТА, целесообразно расчленить на два этапа: сначала исходя из требований пользователя к эффективности аппаратуры определить необходимые значения ее обобщенных (основных) технических параметров, число которых, как правило, невелико, - среди них ключевую роль играют порог чувствительности и эффективное значение элементарного поля зрения, - а затем найти все остальные конструктивные параметры и характеристики отдельных узлов и элементов аппаратуры, обеспечивающие требуемые значения этих основных технических параметров. Последние во многих случаях могут являться и аттестационными (приемо-сдаточными) параметрами разработанной ВТА.
Во всех существующих руководствах по разработке тепловизионной аппаратуры, например [18-21], не исключая и лучшее из них - монографию Дж. Ллойда [18], внимание авторов сконцентрировано главным образом на анализе элементов и узлов прибора, определяющих его основные техниче-
ские параметры, и значительно слабее освещены вопросы оптимального син
теза этого прибора, в том числе важнейший из них, который можно сформу
лировать следующим образом: в рамках заданных ограничений на вес и габа-
0 риты ВТА требуется отыскать, во-первых, наиболее подходящий для реше-
ния той или иной конкретной задачи принцип построения ВТА и соответствующую ему номенклатуру ее компонентов, и, во-вторых, рациональное сочетание значений основных технических параметров ВТА, максимизирующее некоторый показатель ее качества. Всестороннему анализу и решению этой фундаментальной проблемы проектирования ВТА, предназначенной, в частности, для контроля линейной части трубопроводного транспорта энергоресурсов, и посвящена настоящая работа.
В соответствии с изложенным целью диссертации является разработка
с единых идеологических и методологических позиций научных основ, при
кладных методов анализа и оптимального синтеза и исследование путей по
вышения эффективности ВТА, предназначенной, в частности, для оператив
ной диагностики объектов трубопроводного транспорта энергоресурсов в ин-
_ тересах обеспечения их надежности и безопасности эксплуатации.
Для достижения этой цели автор считает необходимым решить следующие основные задачи:
1. Провести сравнительный анализ существующих и перспективных
средств и методов технической диагностики линейной части объектов тру
бопроводного транспорта и разработать инженерную методику рационально
го выбора периода их контроля.
2. Выявить и установить систему оптико-физических признаков утечек
углеводородов из магистральных трубопроводов, позволяющую оптическими (дистанционными) методами контролировать герметичность этих трубопроводов.
3. Разработать адекватную параметрическую модель ВТА - совокуп
ность зависимостей, связывающих вектор основных показателей эффектив-
^ ности с вектором основных технических параметров ВТА.
4. Сформировать критерии качества и алгоритмы оптимального выбора
основных технических параметров отдельных компонентов ВТА.
5. Обосновать целесообразность создания и проанализировать особен-
Q ности функционирования ВТА, основанной на новых физических принципах
и обладающей качественно новыми возможностями (использование поляризационного теплового контраста и лазерной подсветки объектов,. спрайт-приемников излучения и многоспектральной ВТА), применительно к задачам диагностики объектов трубопроводного транспорта и контроля окружающей среды.
6. Разработать методику, провести исследования и выполнить анализ
результатов экспериментальных исследований и опытного инструментально-
го аэромониторинга на предмет эффективности ВТА при контроле целостности продуктопроводов сжиженных газов.
7. Разработать и исследовать многоспектральную активно-пассивную
оптико-электронную аппаратуру для контроля герметичности трубопроводов,
реализующую систему оптико-физических признаков утечек углеводородов
~ из магистральных трубопроводов. Провести её летные испытания.
Научная новизна. Поставленные задачи исследований потребовали привлечения для их решения самых разных методов - как расчетно-аналитических, так и экспериментальных. Анонсируя прикладной характер этих исследований, автор старался представить их результаты в виде несложных рецептурных формул или графических зависимостей, что, обеспечивая
необходимую обозримость, облегчает их практическое использование. Комплексный, унифицированный подход к решаемым проблемам и их критический анализ позволили получить следующие новые научные результаты.
1. Выполнено сравнение по различным показателям качества существующих и перспективных методов обнаружения утечек действующих трубопроводов. Разработана инженерная методика рационального выбора периода
^ контроля нефтепродуктопроводов, отражающая реальный процесс развития
аварийных ситуаций, на основе которой сформирован наиболее общий критерий оптимального выбора метода и аппаратуры контроля.
Установлена система оптико-физических признаков утечек углеводородов из магистральных трубопроводов и определена их пространственно-временная динамика в зависимости от диаметра свища и давления в трубопроводе (интенсивности утечки).
Определена система основных показателей эффективности и основных технических параметров ВТА. Показано, что между различными основными техническими параметрами, характеризующими чувствительность и разрешающую способность ВТА, существуют предельно простые соотношения.
Усовершенствована параметрическая модель ВТА при решении задач обнаружения, разрешения и распознавания объектов. Получены уточненные (по сравнению с известными) выражения для ее основных рабочих характеристик - температурно-частотной и пространственно-частотной. Проанализированы сенсорные характеристики зрительного анализатора при наблюдении тепловизионных изображений (в том числе с учетом поиска объектов). Выявлено влияние на эффективность ВТА излучения, прозрачности и турбулентности атмосферы.
Предложены критерии качества (эффективности) ВТА, служащей для наблюдения, поиска и контроля объектов земной поверхности. Сформулированы алгоритмы оптимизации важнейших технических параметров ВТА - порога чувствительности и эффективного значения элементарного поля зрения. Изложены рекомендации по рациональному выбору других основных параметров и характеристик - угла обзора, спектрального рабочего диапазона, градационной характеристики.
6. Представлен анализ сравнительной эффективности ВТА со строч
ной и строчно-кадровой разверткой (ИК системы переднего обзора - ИК-
СПО). Рассмотрены особенности оптимального выбора таких технических
параметров ИКСПО, как угол отклонения ее оси от надира, частота кадров.
Разработана методика расчета эффективности ВТА, реализующей поляризационный тепловой контраст объектов. Предложено использовать фотоприемное устройство, чувствительное к величине и азимуту поляризации излучения. Исследованы поляризационные характеристики ряда материалов, покрытий и оптической схемы активно-пассивной многоспектральной аппаратуры. Проанализирована возможность обнаружения по поляризационному контрасту в тепловом диапазоне спектра нефтяных загрязнений акваторий и некоторых типовых объектов при отсутствии радиационного контраста.
Оценена эффективность использования в ВТА, в частности при обнаружении плоских объектов, синхронной подсветки объектов сканирующим лазерным лучом и определены соотношения для выбора основных параметров подсветки. Развиты применительно к задаче обнаружения газовой фракции нефти, появляющейся над местом утечки, активные (лазерные) методы дистанционного зондирования - методы комбинационного рассеяния и дифференциального поглощения и предложены соответствующие способы их технической реализации.
Проанализированы особенности функционирования и оптимизации основных технических параметров ВТА, использующей спрайт-приемник излучения, и самого такого приемника. Оценена эффективность ВТА, реализующей переналожение изображений.
Исследована сравнительная эффективность спектральных каналов оптико-электронной аппаратуры, работающей одновременно в диапазонах спектра 0,7-1,1; 3-5 и 8-14 мкм, при наблюдении типовых наземных объектов. Рассмотрена целесообразность синтезирования изображений, полученных в различных спектральных диапазонах. Найден алгоритм распознавания по спектру поглощения в тепловом диапазоне вида атмосферных загрязнений.
Предложен ряд способов и устройств обнаружения утечек углеводородов из магистральных трубопроводов, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, основанных на оптико-физических признаках (явлениях), сопровождающих утечки.
Посредством обширных экспериментальных исследований и многолетнего опытного инструментального аэромониторинга продуктопровода сжиженных газов доказана высокая эффективность и достаточность теплови-зионного канала при контроле продуктопровода с периодичностью два раза в месяц для условий эксплуатации Западной Сибири.
Экспериментально подтверждены существование и реализуемость системы оптико-физических признаков утечек углеводородов из магистральных трубопроводов, позволяющей использовать оптические технологии для дистанционного контроля трубопроводов.
На основе описанных в диссертации методов оптимального синтеза под научным руководством автора модернизированы, разработаны и испытаны уникальные образцы воздушной тепловизионной аппаратуры "Ландыш", "Полупудовик", "Термез-М", "Аста", "Валдай-В", "Спектр-2" и многоспектральные активно-пассивные комплексы "Радуга", "Свищ", предназначенные для контроля объектов трубопроводного транспорта.
Практическая значимость и внедрение.
Практическая значимость диссертации является прямым следствием
прикладного характера решаемых в ней задач и выполненных исследований.
Полученные в работе результаты по анализу и оптимальному синтезу ВТА,
доведенные, как правило, до уровня несложных инженерных формул, а в ти
повых случаях и до числа, и предложенные способы и средства повышения
ее эффективности могут быть использованы для рационального проектирова
ния и применения уже разработанных ВТА, предназначенных для обнаруже
ния утечек углеводородов, а также решения целого ряда других задач поиска
и контроля объектов местности. Эти результаты использованы на ряде пред
приятий и организаций страны, а именно: в ФГУП "НПО ТИПО", ОАО
"Сибнефтепровод", ОАО "КНПП "Вертолеты-Ми", ГНЦ ЛИИ им.
М.М.Громова, ОАО "МВЗ им. М.Л.Миля, 15 ЦНИИ МО РФ, 22 ЦНИИ МО
РФ, НИИ "Кулон", ГУЛ "ИПТЭР".
Достоверность и публикации. Достоверность полученных результатов обеспечена многолетним опытом работы автора по теме диссертации, их всесторонним критическим и сопоставительным анализом, реализованным на основе единого методически отработанного подхода, и экспериментальной верификацией в лабораторных и натурных условиях. Эти результаты отражены в трех монографиях, 10 статьях и защищены 11 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения. Личный вклад автора в большинстве случаев выражался в научной постановке соответствующих задач, определении путей их решения, оценке, интерпретации и обобщении полученных результатов.
Защищаемые положения.
Малая стоимость, высокая производительность и чувствительность оптико-электронного метода контроля, реализуемого посредством ВТА, дополненной активным спектрометрическим каналом, обеспечивают его безусловное преимущество по критерию минимума полных средних ожидаемых затрат перед другими методами периодического контроля магистральных нефтепродуктопроводов. При этом оптимальный период контроля зависит от "возраста" трубопровода, давления в нём и порога чувствительности используемой оптико-электронной аппаратуры.
Тепловой контраст нефтяных загрязнений, формирующихся на поверхности грунта или водоема в результате аварии нефтепровода, определяется в основном условиями теплообмена с окружающей средой и обычно находится в пределах -2-Г+7 К; тепловой контраст поверхностных температурных аномалий, образующихся при утечке из продуктопровода ШФЛУ, как правило, отрицателен и составляет, в зависимости от конструктивных и метеорологических факторов, -1-7--7 К. Контроль продуктопроводов посредством ВТА, имеющей порог чувствительности ~0,1 К, обеспечивает своевременное обнаружение этих утечек в любое время года и при любом их местоположении.
Оперативность и достоверность контроля герметичности действующих нефтепроводов посредством ВТА повышается, если в качестве дополнительного демаскирующего признака утечки использовать сопутствующую ей газовую фракцию нефти, которая может появиться на поверхности сухого грунта уже через несколько минут после начала утечки, достигая максимальной локальной концентрации через 1-2 часа.
Радиационный контраст на фоне земной поверхности надземных и подземных трубопроводов, утечек природного (метана) и сжиженного газа (ШФЛУ), динамика пространственно-временного распределения концентрации трассового газового облачка в месте утечки нефти, интенсивность утечки, параметры комбинационного рассеяния и дифференциального поглощения газовой фракцией нефти когерентного оптического излучения в совокупности представляют систему оптико-физических признаков утечек углеводородов из трубопроводов.
Основные показатели эффективности ВТА, характеризующие ее возможности по вскрытию в данных условиях данного объекта, следует четко дифференцировать от основных технических параметров ВТА, зависящих только от самой аппаратуры. Между этими параметрами, характеризующими чувствительность и разрешающую способность ВТА, имеют место достаточно жесткие, функциональные соотношения, что на практике позволяет использовать, в зависимости от ситуации и наличия необходимой контрольной аппаратуры, их различные сочетания.
Учет реальных (а не идеализированных) интегрирующих свойств зрительного анализатора при наблюдении тепловизионных изображений и использование более совершенных, чем традиционные, методов анализа обеспечивает создание уточненной параметрической модели ВТА, в достаточной степени отражающей ее возможности по обнаружению, разрешению, различению и распознаванию наземных объектов, причем эта модель содержит в себе в явном виде лишь два обобщенных технических параметра ВТА -ее порог чувствительности АТ0 и эффективное значение элементарного поля
зрения 8, обусловливая, таким образом, особую важность их рационального выбора.
Оптимальные значения АТ0 и 5, экстремизирующие тот или иной критерий качества ВТА, существенно зависят, в частности, от решаемой задачи и особенностей задания требований к эффективности этой ВТА. В типовом случае обнаружения (на неоднородном фоне) или распознавания (по форме) одиночных объектов оптимальная величина АТ0 определяется только средним тепловым контрастом объекта и прозрачностью атмосферы на трассе, а 5 - критическим угловым размером объекта, степенью тепловой неоднородности фона и требуемой вероятностью обнаружения или распознавания этого объекта.
Вариант построения ВТА линейного сканирования обеспечивает при прочих равных условиях меньшее значение порога чувствительности, чем строчно-кадровый, практически при любых условиях. Для ВТА, функционирующей совместно с оператором в реальном масштабе времени, оптимальный угол отклонения от надира ее оси зависит от целого ряда факторов и может оказаться ненулевым.
9. Включение в состав ВТА при наблюдении объектов дополнительно
го поляризационного канала может существенно повысить ее эффективность,
особенно в случаях, когда их тепловой контраст близок к нулю, или когда
плоские объекты наблюдаются под настильными углами визирования. Пред
ложенный вариант конструкции фотоприемного устройства обеспечивает
восприятие не только степени, но и азимута поляризации теплового излуче
ния фрагментов объектов, что, в принципе, может быть использовано для ре
конструкции их объемной конфигурации.
10. Экспериментально подтвержденная высокая эффективность воз
душной оптико-электронной аппаратуры обнаружения утечек углеводородов,
спроектированной на основе предложенной автором системы оптико-
физических признаков этих утечек. Предложенные автором способы и техни
ческие решения соответствующих методов обнаружения утечек, основанных
на системе признаков утечек углеводородов, использованы для оптимизации активного спектрометрического канала ВТА.
11. Применение в ВТА спрайт-приемников излучения обусловливает
0 существование оптимальных значений ее порога чувствительности и элемен
тарного поля зрения, которые заметно отличаются от таковых для аппарату
ры с традиционными фотоприемниками. Высокая критичность спрайт-
приемника к скорости сканирования (в его плоскости) нередко требует ис
пользования преднамеренного переналожения тепловизионных изображений,
получаемых в смежных сканах ВТА, что может привести, например, при зна
чительных эволюциях носителя, к ухудшению ее разрешения на местности.
12. Использование ВТА спектральных рабочих диапазонов 0,7-1,1; 3-5
и 8-14 мкм гарантирует сохранение ее высокой эффективности при наблюдении объектов в любое время суток. Раздельное восприятие излучения одновременно в нескольких поддиапазонах спектрального интервала 8-14 мкм оказывается полезным при распознавании по спектру поглощения некоторых видов атмосферных загрязнений.
Ф 13. Синтезирование путем алгебраического сложения разноканальных
тепловизионных изображений является безусловно полезным лишь в том случае, когда результирующее значение разрешения на местности, определяемое, в частности, отношением сигнал/шум в каналах, при этом уменьшится; в противном случае такое интегрирование может не дать полезного эффекта.
14. Предложенные автором способы и средства совершенствования
конструктивного исполнения и расширения функциональных возможностей
ВТА линейного сканирования существенно повышают ее эффективность при
решении различных задач наблюдения и контроля.
15. Разработанные под научным руководством автора образцы ВТА
линейного сканирования имеют основные технические параметры и облада
ют функциональными возможностями, не уступающими таковым лучших за-
Ф рубежных аналогов. Их практическое использование обеспечивает эффектов-
ное решение всех основных задач наблюдения, поиска и контроля наземных объектов, в том числе и контроля трубопроводов.
0 Содержание диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. В каждой из глав приведены состояния вопроса и основные полученные результаты.
Первая глава посвящена краткому описанию и сравнению существующих и перспективных методов и средств технической диагностики объектов трубопроводного транспорта, важнейшей задачей которого является поиск сквозных повреждений линейной части трубопроводов, вызывающих утечки перекачиваемого нефтепродукта.
На основе критического анализа современных литературных данных в главе приведены основные технические и экономические показатели - порог чувствительности, точность и время определения места утечки, производительность, стоимость - современных параметрических методов непрерывного
~ контроля магистральных трубопроводов, основанных на регистрации измене-
ния давления, расхода и (или) объема транспортируемого нефтепродукта, и патрульных методов их периодического контроля - ультразвукового, акустического, радиоактивного, а также разработанного и внедренного автором в практику оптико-электронного - тепловизионного и спектрометрического, который при реализации посредством ВТА по комплексу основных показателей - эффективности, производительности, чувствительности, стоимости - пре-восходит все другие известные методы контроля. Далее в главе описана разработанная автором инженерная методика рационального выбора периода контроля трубопроводов патрульными методами, более точно и полно, чем известные, отражающая реальный процесс развития аварийных ситуаций и, вместе с тем, допускающая ее достаточно простое практическое применение; на ее основе найдены зависимости оптимального периода контроля от поро-
^ га чувствительности ВТА и давления в трубопроводе. Использование в дан-
ной методике достаточно общего критерия оптимальности - полных средних
ожидаемых затрат при контроле - позволяет рассматривать ее и как базу для
сравнения и адекватного выбора метода и аппаратуры контроля трубопрово-
0 дов. Выполненное на основе методики сопоставление оптико-электронного и
внутритрубного методов, а также двух патрульных (вертолетных) методов -оптико-электронного и обычного визуального свидетельствуют о безусловной предпочтительности первого.
Во второй главе диссертации рассматриваются пространственно-временные закономерности формирования оптико-физических признаков трубопроводов и утечек углеводородов из этих трубопроводов.
В главе развита инженерная методика оценки эффективной разности 0
радиационных температур наземных объектов, в частности трубопроводов, и
окружающего фона, учитывающая, помимо прочего, местоположение и усло
вия наблюдения объектов - угол их визирования, наличие и степень облачно
сти, а также методика расчета поверхностного контраста заглубленных тру
бопроводов, которая необходима для оценки возможности их контроля по-
Ф средством ВТА. На основе анализа оптических и теплофизических свойств
нефти приведены сведения о типовых значениях теплового контраста нефтяных загрязнений окружающей среды - поверхности грунта и акваторий, а также поверхностных температурных аномалий, возникающих при утечках из заглубленных продуктопроводов. Приведены методика и результаты выполненных под руководством автора теоретических и экспериментальных исследований пространственно-временных процессов выделения, накопления и рассеяния в атмосфере нефтяного газа, образующегося при утечках нефти и появляющегося на поверхности грунта вскоре после аварии подземного трубопровода; представлены данные концентраций основных компонентов газовой фракции нефти от температуры, пространственные и временные характеристики локальной и интегральной концентраций нефтяного газа над местом утечки, оценено влияние на эту концентрацию типа грунта, скорости и направления ветра, температуры и вертикального градиента температур воз-
духа, интенсивности самой утечки. По результатам совместных с ИФП СО
РАН экспериментальных исследований компонентов газовой фракции нефти
и их смесей с воздухом приведены данные по оптико-физическим парам ет-
рам: сечения комбинационного рассеяния и сдвиги частот при возбуждении
на длинах волн 0,266 мкм; 0,532 мкм, приведённые сечения поглощения отдельных компонентов на длинах волн 3,3-3,6 мкм; 9,0-11,0 мкм, дан спектральный ход приведённого коэффициента поглощения смеси газовой фракции нефти. Выявленные теоретические и экспериментальные данные представляют собой систему признаков утечек углеводородов на основе которой сделан практически важный вывод о целесообразности дополнения ВТА активным спектрометрическим каналом, регистрирующим наличие данного 0
нефтяного газа, что резко снижает время от начала утечки до её обнаружения.
Третья глава диссертации посвящена разработке основного инстру
мента анализа и оценки возможностей ВТА по вскрытию (наблюдению) на
земных объектов - параметрической модели ВТА, представляющей собой
ф комплекс зависимостей, связывающих систему основных показателей эффек-
тивности, таких, как вероятности обнаружения, разрешения, различения и распознавания объектов, с системой ее основных технических параметров, зависящих, в отличие от показателей, только от самой аппаратуры и характеризующих, в частности, ее температурную чувствительность и угловую разрешающую способность. К ним можно отнести порог чувствительности, предел температурного разрешения, угловой элемент разрешения, предел угло-вого разрешения, угловой интервал разрешения и ряд других; между этими параметрами, как установлено в работе, существуют достаточно жесткие и чрезвычайно простые соотношения, что облегчает их выбор и практическое использование.
Создание параметрической модели ВТА выполнено на основе совре
менных представлений о сенсорных характеристиках зрительного анализато-
^ ра при наблюдении тепловизионных изображений, тщательного анализа ре-
зультатов их визуального дешифрирования и более совершенных, чем известные, методов расчета, использованных, в частности, для получения уточненных выражений для пространственно-частотной и температурно-частотной характеристик ВТА. Подчеркнуто, что эта модель включает в себя в явной форме лишь два основных технических параметра ВТА, характеризующих ее чувствительность и разрешающую способность соответственно, -например, порог чувствительности аТ0 и эффективное значение элементарного поля зрения ВТА 5; роль других ее технических параметров в значительной степени опосредована.
В разделе также приведены результаты оценки влияния на эффективность ВТА излучения окружающей среды, функции передачи модуляции атмосферы и ее основных метеосиноптических параметров - метеорологической дальности видимости и влажности воздуха, определяющих коэффициент пропускания на трассе. Проанализированы вопросы поиска объектов на теп-ловизионном изображении.
В четвертой главе работы рассмотрены методы и результаты оптимального синтеза ВТА - оптимального выбора ее основных технических параметров, которые, в свою очередь, определяют значения конструктивных параметров отдельных узлов и элементов аппаратуры.
Предложены критерии качества (эффективности) ВТА, предназначенной для наблюдения, поиска или контроля объектов земной поверхности. Показано, что во многих случаях эти критерии сводятся к оценке вероятности обнаружения или распознавания объектов, которая, в свою очередь, однозначно и монотонно связана с угловым разрешением ВТА (или же разрешением на местности); эта последняя величина, следовательно, имеет статус важнейшего показателя эффективности ВТА.
Особое внимание в разделе уделено алгоритмам рационального выбора двух обобщенных технических параметров - порога чувствительности и эффективного значения элементарного поля зрения ВТА, полностью определяющих (со стороны аппаратуры) ее возможности по вскрытию объектов,
причем этот выбор существенно зависит и от особенностей задания требований к эффективности ВТА. Сформулированы также рекомендации по оптимизации в различных условиях других ее основных технических параметров и характеристик - угла обзора, спектрального рабочего диапазона, градационной характеристики. Предложен критерий рационального выбора компонентов ВТА при ее декомпозиции, основанный на минимизации величины разрешения аппаратуры на местности. Все описанные в разделе методики оптимизации предусматривают существование определенных ограничений на массо-габаритные показатели ВТА.
Предметом пятой главы диссертации является обоснование целесообразности разработки и анализ особенностей функционирования ВТА, основанной на новых физических принципах и (или) обладающей качественно новыми возможностями, - использующей поляризационный тепловой контраст объектов, их лазерную подсветку, спрайт-приемники излучения, совокупность нескольких спектральных каналов, - что является мощным резервом повышения ее эффективности при решении самых различных задач.
В главе приведены результаты совместных с ИФМ УрНЦ РАН теоретических и экспериментальных исследований поляризационных характеристик теплового излучения некоторых конструкционных материалов и покрытий, разработана методика расчета вероятности обнаружения объектов посредством ВТА, визуализирующей их тепловой поляризационный контраст, предложены варианты конструкций фотоприемных устройств, чувствительных не только к степени, но и к азимуту поляризации излучения элементов объектов, что, в принципе, дает возможность реставрации их объемного портрета. Проведен сравнительный анализ эффективности обычного и поляризационного теплового канала ВТА при обнаружении из верхней полусферы типовых объектов транспортной техники, а также плоских малоразмерных объектов, выполненный с использованием полученных под руководством автора характеристик демаскирующих признаков этих объектов в различных ситуациях, обсуждены проблемы обнаружения по поляризационному контрасту в диапазо-
не спектра 8-14 мкм нефтяных пятен на поверхности морей и других водоемов.
Далее в разделе изложены основы расчета эффективности ВТА, обеспечивающей синхронную подсветку объектов сканирующим лучом СОг лазера, что позволяет использовать для пассивного и активного каналов ВТА общий оптический тракт, и оценена ее эффективность при обнаружении типовых объектов.
Проанализированы особенности и результаты оптимизации порога чувствительности, элементарного поля зрения ВТА, использующей приемник излучения с внутренним интегрированием сигнала (спрайт-приемник), могущий обеспечить чрезвычайно высокую температурную чувствительность сканирующей ВТА, а также рассмотрены вопросы рационального выбора основных технических параметров самого такого приемника. Поскольку спрайт-приемник может нормально функционировать в весьма узком интервале скоростей сканирования и использование его в ВТА нередко возможно лишь с переналожением соответствующих изображений, получаемых в смежных сканах, в работе исследовано влияние эволюции носителя ВТА на снижение ее разрешающей способности, возникающее вследствие этого переналожения.
Одним из основных направлений совершенствования ВТА является использование одновременно нескольких спектральных рабочих диапазонов, обычно отвечающих окнам прозрачности атмосферы 0,7-1,2; 3-5 и 8-14 мкм; это гарантирует в любое время суток, во-первых, работоспособность ВТА, и, во-вторых, сохранение в достаточной степени ее эффективности, например, при наблюдении замаскированных объектов. В связи с этим в главе выполнены анализ и сравнение эффективности указанных спектральных каналов ВТА при наблюдении в различное время суток типовых объектов транспортной техники и обсуждены проблемы целесообразности синтезирования изображений, получаемых в данных каналах, предложена методика оценки результирующего разрешения ВТА на местности, проанализирована проблема рас-
зо познавания по спектру поглощения в диапазоне 8-14 мкм, регистрируемому посредством многоспектральной ВТА, типа атмосферных загрязнений, являющихся, в частности, побочным продуктом нефтехимических производств.
Проведено сравнительное исследование эффективности ВТА, использующей строчное и строчно-кадровое сканирование. Установлено, что строчный вариант ВТА практически всегда обеспечивает (при прочих равных условиях) меньшее значение порога чувствительности, чем ИКСПО, которая, впрочем, незаменима, если скорость носителя изменяется в очень широких пределах. Рассмотрена и решена задача оптимизации частоты кадров ИКСПО.
В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований эффективности использования ВТА для оперативного контроля и диагностики состояния продуктопроводов. Принципиальная возможность такого контроля связана с тем, что при нарушении их герметичности вокруг места выхода продукта быстро формируется характерная температурная аномалия с отрицательным температурным контрастом, которая может быть выявлена посредством ВТА. В связи с этим на ряде участков продуктопровода в Западной Сибири и на Урало-Сибирском в различное время года и суток были смоделированы утечки продукта в атмосферу, грунт, растительность, воду и под снежный покров, которые и были объектом поиска и обнаружения на соответствующих тепловизионных изображениях.
В разделе детально описана методика исследований и приведены многочисленные тепловые снимки характерных температурных аномалий, возникающих при различной их локализации, демонстрирующие высокую эффективность применения для их обнаружения ВТА, устанавливаемой на вертолете. В результате соответствующей обработки экспериментальных данных получены и представлены статистические характеристики геометрических и энергетических параметров тепловых аномалий, сформулированы рекомендации по дальнейшему повышению эффективности и практическому использованию ВТА для контроля нефтепродуктопроводов.
В заключительной, седьмой главе работы приведено краткое описание оптической схемы, конструкции, структурной схемы и ТТХ оптико-электронной четырехканальной аппаратуры "Свищ", разработанной под научным руководством автора и решающей задачу дистанционного раннего обнаружения утечек углеводородов из магистральных трубопроводов на основе системы признаков утечек углеводородов, разработанной во второй главе. Обоснованы, с учётом рекомендаций в главах 4 и 5, параметры тепловизион-ного и телевизионного каналов. Проведена оценка пороговой чувствительности спектрометрического канала по газовой фракции нефти (на уровне внутрисистемных шумов) и минимально обнаруживаемой концентрации газовой фракции с учётом мешающих факторов сквозного тракта: аппаратура - атмосфера - газовое облачко нефти - подстилающая поверхность.
В приложении приведены протокол лётных испытаний аппаратуры "Свищ" (с методикой и результатами испытаний), Решение о порядке внедрения результатов работ по созданию вертолётной лазерно-тепловизионной аппаратуры "Свищ" и акты использования результатов диссертационной работы
Таким образом, настоящая диссертация, как и вышедшие ранее монографии [14, 22, 43], представляет собой попытку обобщения, систематизации и перспективной проработки вопросов прикладной теории анализа, синтеза и повышения эффективности аэросъемки активно-пассивной оптико-электронной аппаратурой предназначенной, в первую очередь, для решения задачи контроля трубопроводов энергоресурсов. При этом большинство полученных в работе научных и методических результатов не привязано к каким-либо конкретным схемам построения этой аппаратуры и значениям ее основных технических параметров, что позволяет надеяться на сохранение их актуальности на всех этапах научно-технического прогресса в данной области. В то же время доведение этих результатов до уровня простых инженерных формул, пригодных для непосредственного использования разработчиками ВТА, а также описание множества конкретных оригинальных технических устройств и способов решения тех или иных проблем, связанных с контролем и диагностикой трубопроводов, обусловливает отчетливую прикладную ориентацию настоящей работы.
Разум показывает не только внешний вид, красоту и доброту каждого предмета, но и снабдевает его действительным оного употреблением.
Козьма Прутков. «Мысли и афоризмы»
Методы и средства диагностики трубопроводов
Большинство методов непрерывного контроля магистральных трубопроводов предназначено для быстрого обнаружения больших утечек (свыше 2-3 кг/с), изменяющих параметры гидродинамического режима перекачки.
Эти методы основаны на использовании высокоточных датчиков и компьютерных систем обработки полученной информации. Контроль за состоянием трубопровода данными методами, как правило, осуществляется непрерывно, в течение всего периода его эксплуатации. Соответствующие системы параметрической диагностики обычно не требуют никаких дополнительных измерений и используют характерный для любого трубопровода набор датчиков: давления, расхода, мощности [29]. Частота расположения датчиков вдоль трассы трубопровода также обычная; достаточно измерений на узлах линейных задвижек и на насосных станциях. Для передачи информации не требуется никаких специальных каналов связи, т.к. требования по частоте опроса и объему передаваемой информации не выходят за рамки обычных для систем контроля и управления нефтепроводами. Это определяет сравнительно невысокую стоимость подобных систем и возможность их широкого практического использования. Впервые в России такая система внедрена в 1996 г. в ОАО "Сибнефтепровод" [30].
Системы параметрического контроля используют следующие признаки (критерии) утечки.
Изменение давления. Для квазистационарного режима перекачки характерен сравнительно медленно изменяющийся профиль распределения давления в трубопроводе. При возникновении утечки происходят локальные отклонения Ар давления от установившегося профиля, которые распространяются вдоль трубопровода по законам акустики. Таким образом, становится возможным построить алгоритм, который, с одной стороны, способен выделить такие локальные изменения давления, а с другой не реагирует на выход из строя или неверные показания одного датчика или же на плавные изменения режима вследствие, например, вариаций свойств перекачиваемого нефтепродукта.
В качестве разновидности данного метода или дополнения к нему для обнаружения утечки может использоваться и соответствующее изменение градиента профиля давления (вдоль трубопровода) Л(ф/дх). Местоположение излома профиля давления указывает также на координаты утечки.
Системы оповещения о возникновении утечки, основанные на измерениях отклонения давления, обычно срабатывают при изменениях давления на 1% (Др = 0,3-0,5 атм.), что отвечает порогу чувствительности по утечке q0 = 30-50 кг/с [30]. При этом время запаздывания в подаче аварийных сигналов (время обнаружения утечки), необходимое для исключения появления ложных тревог, составляет to = 5-10 мин. [30,31], а точность локализации места утечки А10 обычно определяется расстоянием между соседними датчиками (обычно между задвижками).
Отметим, что появляющаяся при возникновении утечки отрицательная ударная волна давления может использоваться как еще один дополнительный признак этой утечки. Порог чувствительности соответствующего метода составляет q0 = 25 кг/с, время обнаружения утечки to « 1 мин., точность определения ее местоположения Д0 = ±3000 м [4].
Изменение расхода. В данном случае в качестве критерия возникновения утечки используется резкое отклонение от номинального расхода перекачиваемого нефтепродукта, которое регистрируется, например, высокоточными ультразвуковыми расходомерами. Эти расходомеры определяют скорость потока жидкости по ее влиянию на время прохождения ультразвуковых импульсов, подаваемых через стенку трубы поочередно по направлению потока и против него [32]. Они монтируются снаружи на стенке трубы, не мешая перекачке нефтепродукта. Точность расходомера после саморегулировки на конкретные условия достигает 1% от измеряемого расхода [32, 33], что отвечает порогу чувствительности метода q0 25-40 кг/с; время обнаружения утечки to = 5-10 мин., точность ее локализации определяется расстоянием между датчиками [4, 31].
Тепловой контраст подземных трубопроводов
Возможность обнаружения и, отчасти, контроля целостности заглубленного в землю трубопровода определяется тем обстоятельством, что при протекании по нему продукта с температурой Тп, отличной от таковой для грунта на той же глубине, на поверхности земли образуется соответствующее температурное поле, регистрируемое на тепловизионном изображении.
Найдем соответствующую зависимость, описывающую распределение по координате Y поверхностного температурного контраста трубопровода (рис.6) [43].
А-из - теплопроводность слоя изоляции, Вт/(м-К), толщиной (d - dr)/2. Используя метод "дополнительного слоя" [54] толщиной hi = XJa-z (ctz -суммарный коэффициент теплоотдачи с поверхности земли, Вт/(м2-К)) и подставляя в (2.13) z = XJOLZ, заменив h на h + hi, получаем, что приращение температуры поверхности земли AT(Y) над трубопроводом, вызванное протеканием по нему нефтепродукта, определится формулой:
Среднее значение разности радиационных температур полученного температурного поля и фона в данном случае согласно (2.4) и с учетом того факта, что зрительный анализатор оператора ведет себя подобно оптимальному линейному фильтру, равно [14]: ATR = jVAT2(y)dy Vdo У/ О Заменяя для простоты вычисления логарифм в (2.15) его разложением в ряд, получаем после интегрирования: ATR« -fi _; ВМ= ШЇГ, (2.16) где RM рассчитывается no (2.14) с учетом "дополнительного слоя".
Необходимые для расчета по (2.16) значения Х,м и Хт приведены в [55]. Значение а2 в (2.16) может быть принято равным [56]: as = 5,8 + 4,lVB; где VB - скорость ветра, м/с.
Полученные выше результаты дают возможность определить в каждом конкретном случае возможность обнаружения посредством ВТА поверхностного и заглубленного трубопроводов и, следовательно, оценить целесообразность их контроля, в частности, в ночных условиях, когда видимые ориентиры могут отсутствовать, однако наступают благоприятные условия для несанкционированных "врезок".
Тепловой контраст утечек нефти, природного и сжиженного газов Поскольку температура нефти в трубопроводе обычно близка к темпе ратуре окружающего грунта, то можно полагать, что поверхностная темпера 0. тура массы нефти, вытекшей из трубопровода и появившейся на поверхности грунта или близлежащего водоема, вполне определяется условиями ее теплообмена с окружающей средой - в частности, наличием ветра и солнечного облучения, влияющего на интенсивность испарения, а также теплофизиче-скими и геометрическими параметрами самой нефтяной массы. Как установлено в [58], соответствующая разность температур AT нефтяной пленки, расположенной на поверхности водоема, и чистой воды, составляет, в зависимости от обстоятельств, в дневное время суток AT = O-f-5 К (тонкие пленки с толщиной h 0,1 мм) и AT = З-Ї-8 К (толстые пленки с толщиной h 1 мм). Этот положительный температурный контраст определяется в основном большим (по сравнению с водой) нагревом данной пленки от Солнца меньшим ее испарением. Тогда, учитывая, что для обычно используемого спектрального рабочего диапазона ВТА ДА, = 8-14 мкм коэффициент излучения нефти [57] є = 0,96, а фона (воды) Бф = 0,98, то, согласно (2.4), разность радиационных температур тонкой пленки нефти и чистой воды может составить ATR = -l-j-5 К, а для толстой пленки ATR = 2-ь8 К, причем от угла визирования у (отсчитываемого от надира) эти величины практически не зависят (при у 40) [60].
Отметим, что в диапазоне спектра АХ = 3-5 мкм разность Дє = є - Єф для нефтяной пленки на воде практически такая же, как и в ДА- = 8-14 мкм [57], но на значение ATR здесь оказывает влияние и отраженное солнечное излучение.
Дешифрирование тепловизионных изображений
Мокрые объекты, напротив, выглядят темнее, "теплее" сухих, ибо водяная пленка имеет близкий к 1 коэффициент излучения; п тепловое изображение отображает динамику тепловых процессов, которые являются более инерционными, чем световые процессы, ре гистрируемые на фотоснимках. В связи с этим тепловые снимки од ного и того же объекта, сделанные в разное время суток, могут иметь Ф различную величину и даже знак контраста. Например, на снимках реки, полученных днем, вода кажется холоднее, чем суша, а на сним ках той же реки, сделанных ночью, вода выглядит теплее берега. На тепловом изображении, в частности, может быть зарегистрирована "тень" уже взлетевшего самолета, которая возникла за счет меньшего нагрева Солнцем участка аэродрома, расположенного под самолетом О, при его стоянке; п слабый дождь может подчеркнуть тепловые контрасты объектов, т.к. различные участки местности по-разному впитывают воду, что придает им различные значения є, однако сильный дождь, напротив, сглаживает тепловую картину, т.к. при этом выравниваются как тем пературные различия объектов, так и вариации є; п воздействие ветра на тепловое изображение заключаегся в том, что температурные различия наветренных участков объектов выравни ваются, а подветренные их сохраняют; вследствие этого изображения объектов имеют характерные тепловые тени. Иначе говоря, ветер иг рает примерно такую же роль в формировании теней теплового изо 10 бражения, какую играет Солнце в образовании теней фотоизображе ния. Главной задачей при дешифрировании изображений является анализ происходящих динамических изменений, поиск, обнаружение и классифика ция объектов, определение динамики изменения состояния объектов и пара метров их движения. Огромный объем информации (в силу двумерности изо бражения), малое время, отведенное на анализ и принятие решения (на борту носителя), наличие различного рода геометрических, яркостных искажений и шумов, быстро меняющийся масштаб и угол визирования на анализируемый фрагмент приводят во многих случаях, как отмечено, например, В.С.Киричу ком и Ю.Е.Нестерихиным, к необходимости создания автоматических или автоматизированных систем (как стационарных, так и бортовых), позволяю сь щих решать в реальном масштабе времени поставленные задачи. В простых ситуациях такие системы должны осуществлять весь цикл обработки изобра жений, а в сложных - рутинную обработку, оставляя на оператора лишь бре мя принятия решений.
При автоматическом распознавании изображений объектов, указывает А.В.Шевяков, обычно используются три метода. В первом из них, основан Ф ном на теории статистических решений и формуле Байеса, решение форми руется на основе величины апостериорной вероятности. При этом основу критериальных функций составляет вычисление взаимной корреляционной функции предъявляемого изображения и эталонного. Второй, алгебраический, подход базируется на последовательном вычислении некоторой меры сходства - взвешенной взаимной корреляционной функции двух изображений - предъявляемого и эталонного. При этом, если используемая весовая функция совпадает с квадратом функции передачи модуляции (ФПМ) зрительного анализатора, то решение, принимаемое на основе данной меры сходства изображений, вполне отвечает решению задачи распознавания и человеком-оператором, моделируя тем самым его действия [ПО]. Для практической реализации данных методов распознавания объектов местности используются как голографические и оптико-электронные устройства [111-115], так и цифровые [118-122], - последним по ряду причин (точность, гибкость, абсолютная воспроизводимость) отдается определенное предпочтение.
Третий метод автоматического распознавания основан на том, что по ряду теорий [123, 124] в психическом пространстве опознавательных признаков человека изображения объектов различаются по таким признакам, как разбросанность, изломанность, вытянутость, округлость, компактность и др. Эти признаки могут быть выражены через параметры изображения, инвариантные к изменениям размера изображения объекта, его ориентации и положения. В данном качестве, например, используются отношения сторон объекта, квадрата периметра к его площади и многие другие им подобные относительные величины [123, 125, 126]. Отбор классификационных признаков объектов при этом может быть осуществлен на основе, например, методик [127].
Перспективы автоматического распознавания изображений объектов изложены в работах [106, 107, 126-132, 134]. Отметим, в частности, что в самое последнее время наметился подход к проблеме автоматического дешифрирования изображений путем моделирования соответствующих нейронных биоструктур [104,108].
Несмотря на уже достигнутые успехи в области автоматической обработки изображений, в сложных ситуациях распознавания объектов на неоднородном фоне, особенно замаскированных, когда решающее значение при 0 обретает контекст изображения, знание свойств объектов, возможных сцен и ситуаций, автоматическое распознавание объектов оказывается неэффектив ным. Поэтому большинство экспертов считает, что только человек-оператор, подготовленный во всех отношениях, творчески анализирующий и сумми рующий одновременно большое количество факторов, способен обеспечить наиболее достоверное дешифрирование изображений, и адекватная замена его автоматическими классификаторами может произойти еще не скоро. В связи с этим наибольшее значение в ближайшей перспективе приобретают методы и средства автоматизированного дешифрирования изображений, начальные этапы которого выполняются автоматически, а заключительный доступен только человеку-дешифровщику. Автоматизированное дешифрирование включает в себя следующие основные стадии.
Использование поляризационного контраста объектов
Оценим сравнительную эффективность обычного и поляризационного теплового канала ВТА при обнаружении, например, таких характерных объ ектов, как транспортная техника.
Степень поляризации Р объектов обычно определяется по формуле (5.13). Однако иногда, при использовании в качестве анализатора тепловизи-онного прибора, под величинами МІ В (5.13) понимаются соответствующие разности энергетической светимости объекта и фона. Можно показать, что между полученной таким образом степенью поляризации Р и ее истинным значением Р имеет место соотношение Р QP ; Q = (дм/ат)А TR/M. При Т = 295 К имеем Q = 0,016ATR. Очевидно, величина Р\ в отличие от Р, зависит от разности радиационных температур объекта и фона.
Выполненные экспериментальные исследования степени поляризации типовых объектов транспортной техники позволяют заключить, что среднее значение Р для фрагментов объекта, имеющего ATR = 3 К И покрытого штатной эмалью защитного цвета, соответствующих элементу разложения q = 0,5-г1 м, составляет примерно 0,2. Тогда, предполагая, что визуализация поляризационного контраста объектов в ВТА осуществляется посредством описанного выше фотоприемника, по изложенной ранее методике можно рассчитать для ряда значений высоты носителя Н зависимости Р0бН = f(AT0) вероятности обнаружения в надире объекта с размерами 7 х 3 м от порога чувствительности ВТА АТ0 (рис. 35). На том же рисунке для сравнения приведены и соответствующие зависимости Робн = f(ATR/ATo) вероятности обнаружения того же объекта на неоднородном фоне посредством обычной ВТА от отношения ATR/AT0, рассчитанные по методике п. 3.7. В обоих случаях предполагалось, что значение та отвечало типовой модели атмосферы для умеренных широт осенне-весеннего сезона при МДВ 15 км.
Анализ полученных результатов показывает следующее: - при отношении ширины объекта к элементу разложения a/q = 5-6 и отношении ATR/ATO 5 вероятность Робн 1, однако если при этом порог чувствительности АТ0 0,7 К, то вероятность обнаружения объекта по поляризационному контрасту (при Н 0,5 км) Робн 0,5; - при a/q = 2-3 или ATR/AT0 2 вероятность Р0бН 0,7-0,9 для любых значений Н, в то время как при достаточно малом АТ0 вероятность Робн « 1 независимо от теплового контраста объекта; - с увеличением высоты Н и порога чувствительности АТ0 при фиксированном отношении a/q вероятность Робн снижается в большей Степени, ЧЄМ верОЯТНОСТЬ Робн 266
Можно полагать, что от угла визирования у вероятность обнаружения объекта по поляризационному контрасту существенно не зависит, т.к. некоторое возрастание с увеличением у степени поляризации объекта Р практически компенсируется снижением коэффициента пропускания тв и увеличением элемента разложения q.
При q « а излучение объекта по существу деполяризовано (Р « 0), и тогда Робн 0.
Таким образом, использование в ВТА поляризационного канала может существенно повысить ее эффективность. Более достоверным при этом оказывается и дешифрирование изображений в реальном масштабе времени -(при поиске объектов) - за счет того, что поляризационные помехи от фона практически отсутствуют, и в (3.61) можно принять N0 = 1 (вместо N0 = 2).
Необходимо однако, отметить, что наличие на поверхности объекта слоя пыли или грязи значительно снижает эффективность поляризационного канала ВТА, поскольку степень поляризации объекта при этом уменьшается.
Полученые результаты, очевидно, применимы и для наблюдения посредством поляризационного канала ВТА, например нефтяных резервуаров, крыши которых также можно считать плоскими поверхностями.
Оценим далее возможность использования ВТА для обнаружения нефтяных загрязнений акваторий по их поляризационному контрасту, возникших в результате утечек из нефтепроводов [380].
Оперативное выявление степени загрязнения поверхности морей и других водоемов нефтяной пленкой стало в последние годы чрезвычайно актуальной проблемой, для решения которой широко используются дистанционные, радиометрические методы, основанные главным образом на регистрации различия спектральных коэффициентов отражения чистой и загрязненной поверхностей воды в видимой и ИК областях спектра [57]. Применение для этой цели ВТА позволило бы совместить зрительную оценку масштабов загрязнения с возможностью получения её в том числе в темное время суток и в неблагоприятных погодных условиях.
268
Установлено (см. п. 2.3), что разность радиационных температур ATR нефтяной пленки и чистой воды определяется целым рядом факторов и для типового спектрального рабочего диапазона ВТ А Ак — 8-14 мкм составляет величину от -2 до +7 К. Следовательно, при определенных условиях, когда ATR « О, ВТА, отображающая эту величину, становится по существу неработоспособной. Один из продуктивных методов сохранения высокой эффективности ВТА независимо от величины ATR заключается в использовании синхронной подсветки зондируемой поверхности сканирующим лучом лазера (в особенности на длине волны СОг лазера, для которой разность коэффициентов отражения нефтяной пленки и воды максимальна [57]), что, однако, влечет за собой резкое увеличение веса и габаритов комплекса бортовой аппаратуры и поэтому может оказаться неприемлемым. Кроме того, дальность действия активного канала ВТА сравнительно невелика и обычно не превышает нескольких сотен метров. В связи с изложенным оценим целесообразность реализации в ВТА другого, гораздо более устойчивого признака загрязнения акваторий - изменения степени поляризации Р0 собственного излучения водной поверхности, являющегося следствием разного значения Р0 для нефтяной пленки и чистой воды, что имеет место при углах визирования поверхности у 0.
