Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Сравнительный анализ методов контроля толщины пленок нефтепродуктов на водной поверхности 13
1.1. Методы измерения толщины пленок нефтепродуктов на водной поверхности 13
1.2. Методы измерения толщины пленок нефтепродуктов на водной поверхности, основанные на регистрации экстремумов интенсивности отраженного излучения за период редукции толщины нефтяной пленки 15
1.3. Спектрофотометрический метод измерения толщины пленок нефтепродуктов на водной поверхности 15
1.4. Фотометрические и поляриметрические методы измерения толщины пленок нефтепродуктов на водной поверхности, основанные на использовании эмпирических зависимостей 17
1.5. Метод на основе регистрации флуоресцентного излучения 17
1.6. Метод на основе регистрации излучения комбинационного рассеяния 19
1.7. Выводы 19
ГЛАВА 2. Физические основы дистанционного метода измерения толщины пленок нефтепродуктов, основанного на перестройке длины волны зондирующего излучения
2.1. Характеристики морской поверхности 20
2.2. Оптические характеристики воды и нефти 21
2.3. Коэффициент отражения трехслойной системы «воздух - нефтяная пленка - вода» 23
2.4. Физические основы спектрофотометрического метода измерения толщины пленок нефтепродуктов на водной поверхности 25
2.5. Анализ перестраиваемых лазеров для задачи дистанционного измерения толщины пленок нефтепродуктов 30
2.6. Выводы 40
ГЛАВА 3. Метод контроля толщины тонких пленок нефтепродуктов на морской поверхности 42
3.1. Теоретические основы лазерного дистанционного зондирования морской поверхности с нефтяными загрязнениями 42
3.2. Метод измерения толщины тонких пленок нефтепродуктов на водной поверхности, основанный на перестройке длины волны зондирующего излучения и аппроксимации зависимости мощности отраженного сигнала от длины волны 51
3.3. Комплекс программ для математического моделирования 54
3.4. Математическое моделирование метода измерения тонких пленок нефтепродуктов 59
3.5. Дистанционный способ измерения толщины пленки на поверхности 73
воды
3.6. Выводы 74
ГЛАВА 4. Метод контроля толщины толстых пленок нефтепродуктов на морской поверхности 76
4.1. Особенности измерения толщины толстых пленок нефтепродуктов... 76
4.2. Методы предварительной обработки данных измерений
4.2.1. Алгоритм сглаживания, использующий оператор текущего среднего 79
4.2.2. Алгоритм сглаживания с помощью кубических сплайнов 80 стр.
4.2.3. Алгоритм сглаживания, использующий цифровую фильтрацию со
специальным выбором спектральной характеристики фильтра 87
4.3. Метод измерения толщины толстых пленок нефтепродуктов, основанный на перестройке длины волны зондирующего излучения и анализе положения экстремумов в сглаженной зависимости мощности отраженного сигнала от длины волны 91
4.5. Комплекс программ для математического моделирования 93
4.6. Математическое моделирование методов измерения толщины толстых пленок нефтепродуктов 94
4.7. Выводы 104
Глава 5. Измерительный комплекс для контроля толщины нефтяных пленок на водной поверхности 106
5.1. Описание измерительного комплекса 106
5.2. Блок излучателя 111
5.3. Приемники излучения 114
5.4. Программное обеспечение измерительного комплекса 115
5.5. Методика измерений 118
5.6. Результаты экспериментальных исследований 120
5.7. Энергетический расчет самолетного варианта измерительного комплекса для контроля толщины нефтяных пленок на водной поверхности 123
5.8. Выводы 128
Выводы и заключение 129
Список литературы
- Фотометрические и поляриметрические методы измерения толщины пленок нефтепродуктов на водной поверхности, основанные на использовании эмпирических зависимостей
- Коэффициент отражения трехслойной системы «воздух - нефтяная пленка - вода»
- Метод измерения толщины тонких пленок нефтепродуктов на водной поверхности, основанный на перестройке длины волны зондирующего излучения и аппроксимации зависимости мощности отраженного сигнала от длины волны
- Программное обеспечение измерительного комплекса
Фотометрические и поляриметрические методы измерения толщины пленок нефтепродуктов на водной поверхности, основанные на использовании эмпирических зависимостей
Этот метод не требуют поиска периода редукции, на котором толщина пленки нефти или нефтепродукта изменяется от измеряемой величины до нуля. Спектрофотометрический метод основан на измерении значений спектральных коэффициентов отражения Кк системы «прозрачная пленка на подложке» для ряда длин волн зондирования Х0,Х1...Х-Ы выбранного участка спектра [26]. Измеряя длины волн, соответствующие экстремумам Rx, можно определить толщину пленки. Изменение длины волны можно обеспечить, используя монохроматор для сканирования по длине волны излучения, или перестраиваемый по длине волны лазер. В [27-29] представлены варианты спектрофотометрического метода измерения толщины пленок нефтепродуктов на водной поверхности. Эти варианты подробно описаны в разделе 2.4. Спектрофотометрический метод позволяет проводить измерения толщины пленок с достаточно высокой точностью.
Важными преимуществами этого метода являются: - простота и относительно низкая стоимость измерительной аппаратуры по сравнению с описанными ниже методами на основе регистрации излучения флуоресценции и комбинационного рассеяния; - возможность дистанционного зондирования с больших высот, когда обеспечивается большая пространственная полоса зондирования морской поверхности.
Однако, недостатком спектрофотометрического метода является невозможность измерения толщины тонких пленок, когда число экстремумов в зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны излучения становится меньше двух. Кроме того, для толстых пленок при наличии шума измерения случайные значения измеряемого сигнала приводят к очень большим ошибкам в определении положения экстремумов в измеренной зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны. Фотометрические и поляриметрические методы построены на облучении нефтяной пленки оптическим излучением с выносной стрелы с борта судна, с эстакады на берегу и т.п. и измерении интенсивности (яркости, степени линейной поляризации или других фотометрических или поляриметрических характеристик) отраженного излучения. Толщина нефтяной пленки определяется на основе некоторых эмпирических зависимостей, полученных в результате предварительных, например, контактных измерений и связывающих измеряемые фотометрические или поляриметрические характеристики с толщиной пленки нефти [30 - 32].
Основным недостатком описанных и других подобных (использующих эмпирические зависимости) методов является сильная зависимость используемых эмпирических соотношений от гидрометеорологических условий, сезона, региона в котором проводятся измерения и т.п.
Флуоресцентный метод измерения толщины пленок нефтепродуктов основан на зависимости величины сигнала флуоресценции, индуцированного обычно ультрафиолетовым излучением лазера, от количества молекул флуоресцирующего вещества, зависящего от толщины пленки нефтепродукта [16-18,33-48].
В наиболее простом виде связь толщины нефтяной пленки d на водной поверхности с результатами дистанционных измерений сигнала флуоресценции имеет следующий вид [18]: EWW где: ЕОІ1(А.)- суммарная интенсивность сигнала флуоресценции, принимаемого лидаром от водной поверхности, покрытой пленкой нефтепродукта; Ew(? )- интенсивность сигнала, принимаемого лидаром, от чистой водной поверхности без пленки нефтепродукта; к - суммарный коэффициент ослабления для нефтепродукта; А,- длина волны, на которой приемник лидара регистрирует принимаемый лазерный сигнал.
Таким образом, если известен суммарный коэффициент ослабления для нефтепродукта, то толщину пленки этого нефтепродукта можно оценить из отношения сигнала флуоресценции лидара, принимаемого от участка водной поверхности, который полностью покрыт пленкой нефтепродукта, к сигналу лидара от соседнего участка чистой водной поверхности.
Метод на основе регистрации флуоресцентного излучения хорошо обоснован теоретически. Созданы экспериментальные установки и дистанционные лазерные приборы.
Например, в работе [17] описана экспериментальная лазерная установка для измерения толщины пленок нефтепродуктов флуоресцентным методом. Источником излучения являлся эксимерный ХеС1 лазер с длиной волны 308 нм. Сигнал флуоресценции регистрировался в спектральном диапазоне 320 - 410 нм фотоэлектронным умножителем при спектральной ширине щели монохроматора 2 нм. Диапазон измеренных в экспериментах значений толщин пленок нефтепродуктов составил 3-30 мкм.
В работе [43] описан самолетный сканирующий лидар, в котором обеспечивался многоспектральный прием сигнала. Источником излучения являлся лазер на азоте с длиной волны 337,1 нм. Длительность лазерного импульса - 10 не. Импульсная выходная мощность - 100 кВт. Частота повторения импульсов -до 100 Гц. Фотоприемная 40-канальная система регистрировала сигнал флуоресценции в диапазоне 350 - 800 нм. Спектральное разрешение - 11,25 нм.
Дистанционный лазерный флуоресцентный метод, как и другие лазерные методы, обеспечивает высокую пространственную разрешающую способность. Работа лидара возможна в любое время суток, но при работе в дневное время сложной проблемой является фильтрация рассеянного солнечного излучения.
К недостаткам флуоресцентного метода относится то, что аппаратура для регистрации флуоресцентного излучения сложна и дорога. Кроме того, регистрация флуоресцентного излучения нефтяного загрязнения возможна лишь при небольших высотах полета авиационного носителя - порядка нескольких сотен метров, а большинство натурных измерений проводилось при высотах полета несколько десятков метров.
При соответствующем выборе длины волны лазерного источника часть его излучения, поглощенная в слое нефти, может испытать комбинационное рассеяние. Излучение комбинационного рассеяния в пленке нефти может быть зарегистрировано дистанционно и использовано для измерения толщины пленки нефти, так как величина сигнала комбинационного рассеяния зависит от толщины пленки нефтепродукта [33, 39, 43-45]. Однако, сигнал комбинационного рассеяния очень мал, а измерительная аппаратура сложна и дорога.
Коэффициент отражения трехслойной системы «воздух - нефтяная пленка - вода»
Необходимо также отметить, что описанные методы предназначались для измерения толщины пленок на ровной (плоской) поверхности воды. Использование их для случайно неровной водной поверхности не обсуждалось.
Недостатком является также использование широкополосных источников света, а не лазерных источников с перестраиваемой (плавно или дискретно) длиной волны излучения. Для дистанционных измерений использование лазерного источника является предпочтительным с точки зрения обеспечения необходимой мощности отраженного сигнала при облучении водной поверхности с самолетного носителя.
Так как источник лазерного излучения для дистанционного измерения толщины пленки нефти спектрофотометрическим методом должен быть перестраиваемым по длине волны, то рассмотрим кратко типы перестраиваемых лазеров.
В твердотельных лазерах активные центры создаются ионами примеси в кристаллической решетке (или стекле). Из большого класса твердотельных лазеров рассмотрим только перестраиваемые лазеры, получившие наибольшее применение.
Лазеры на кристаллах сапфира, легированных титаном А12Оз:Ті +. Кристалл сапфира А12Оз, легированный титаном А12Оз:Ті , по своим физико-химическим свойствам близок к рубину [59]. Генерация Ті в А120з может быть получена при лазерной и ламповой накачке. Источником лазерной накачки может служить аргоновый лазер или лазер на алюмоиттриевом гранате YAG : Nd3+, с преобразованием излучения во вторую гармонику. Диапазон перестройки лазера на А120з:Ті 0,67 - 1 мкм [59-61]. Энергия импульсов достигает 500 мДж, при длительности импульсов 10-20 не , что хорошо подходит для задач дистанционного лазерного зондирования. Частрта следования импульсов может достигать нескольких килогерц.
Если применять лазер на А120з: Ті3+в качестве удвоителя частоты, можно осуществлять перестройку во всем диапазоне видимой части спектра.
Перестройка частоты генерируемого излучения осуществляется внутрирезонаторным методом, путем введения в резонатор лазера дисперсионных элементов. Лазеры на александрите ВеА1204: Сг
Наиболее интересным из бериллийсодержащих материалов является александрит. В александрите ионы хрома Сг3+ внедрены в кристаллическую решетку хризоберилла BeAbCV
Для осуществления практически применяемой лазерной генерации обычно используется возбуждение в довольно широкой спектральной полосе с помощью лампы - вспышки. Модуляция добротности позволяет генерировать короткие лазерные импульсы большой мощности, хорошо подходящие для дистанционного лазерного зондирования. Перестройку длины волны можно осуществить, например, с помощью двулучепреломляющих фильтров [18].
Продолжительность люминесценции александрита составляет примерно 200 мкс, что приблизительно равно продолжительности люминесценции алюмоиттриевого граната Y3AI5O12, активированного ионами Nd , практическое применение которого в качестве твердотельного лазера наиболее развито. Поэтому становится возможной лазерная генерация при почти одинаковой по сравнению с лазером на алюмоиттриевом гранате конструкции.
Диапазон перестройки перестраиваемого лазера на александрите 0,7-0,8 мкм[18, 59, 62].
В александрите, по сравнению с лазером на алюмоиттриевом гранате, возможно получение импульсов с большой выходной энергией - до 1 Дж. Длительность импульса 70-100 не, частота повторения 10 Гц [18]. Хотя частота следования импульсов при использовании импульсной ламповой накачки может достигать 200 Гц и более.
Перестраиваемые лазеры на основе кристаллических сред с добавлением ионов активаторов хрома и титана обладают рядом важных достоинств, основными из которых являются: широкий диапазон перестройки, захватывающий всю ближнюю инфракрасную область спектра; возможность смещения области перестройки в видимую и ультрафиолетовую область за счет удвоения и утроения частоты излучения; импульсный режим работы с энергией в импульсе до 100 мДж и более; малая расходимость выходного излучения, позволяющая использовать их в системах лазерного дистанционного зондирования; сплошной спектр люминесценции, дающий возможность производить плавную перестройку длины волны и получать узкую ширину полосы генерации за счет усовершенствования дисперсионной системы резонатора
Метод измерения толщины тонких пленок нефтепродуктов на водной поверхности, основанный на перестройке длины волны зондирующего излучения и аппроксимации зависимости мощности отраженного сигнала от длины волны
Рассмотрим отражение лазерного пучка от случайно неровной водной поверхности. Рассеяние волн оптического диапазона на морской поверхности удовлетворительно описывается в рамках метода Кирхгофа, учитывающего зависимость отражательной способности морской поверхности от степени ее неровности и оптических характеристик границы «воздух-вода».
Будем считать, что длина волны зондирующего излучения лежит в ИК -диапазоне, где поглощение водой велико, так, что основная доля эхо-сигнала создается излучением, зеркально отраженным границей «воздух-вода», а долей излучения, диффузно отраженного толщей воды, можно пренебречь. Учтем, что длина волны излучения мала по сравнению с характерными радиусами кривизны и высотами морской поверхности. Тогда в приближении Кирхгофа поле и(?п) излучения, отраженного от морской поверхности S можно представить в виде [53,108]: Гп, їи, Т - векторы, определяющие положение точки наблюдения (приемника), источника и точки на поверхности S; и0 (г) - поле лазерного источника на поверхности S; G(r, гп ) - поле точечного источника (функция Грина); V (г) - коэффициент отражения по полю; к - волновое число; бс,р - волновые векторы, направленные по нормали к фазовому фронту падающей на поверхность и отраженной волн, соответственно.
Формула (3.1), описывает рассеянное поверхностью поле при непрерывном облучении морской поверхности. При импульсном облучении морской поверхности аналогичная формула имеет вид:
Формулы (3.1), (3.2) определяют поле, падающее на приемный объектив лазерного локатора, при зондировании морской поверхности. Аргумент функции f(t) в формуле (3.2) зависит от запаздывания зондирующего импульса на трассах «источник - текущая точка на неровной поверхности S» «текущая точка на неровной поверхности S - приемник»
Формулы (3.1), (3.2) получены без учета затенений и эффектов многократного рассеяния. Для схемы зондирования вертикально вниз (или для близких к ней схем) этими эффектами на морской поверхности можно пренебречь даже при большой скорости приводного ветра [109,110].
Для приемного объектива в виде положительной линзы распределение поля вблизи фокуса линзы можно найти, воспользовавшись формулой Дебая. В параксиальном приближении формула Дебая имеет вид [111]: ik где: R,, R - вектора в плоскости анализа за линзой и в плоскости апертуры линзы: и .ф), U(R) -распределение поля в плоскости анализа за линзой и в плоскости апертуры линзы; X - длина волны излучения; f, Аф - фокусное расстояние линзы и смещение плоскости наблюдения относительно фокальной плоскости линзы. Здесь интегрирование ведется по участку плоскости, ограниченному диафрагмой линзы. Используя формулу Дебая (3.3) можно записать в виде многократных интегралов выражение для мощности P(t), регистрируемой приемником лазерного локатора при зондировании морской поверхности. Для этого надо умножить поле и(Дф] в плоскости фотодетектора на комплексно сопряженное и (Дф) и проинтегрировать полученное выражение для интенсивности излучения і(Йф)=и(Йф)-и (Дф) по площади фотодетектора. Полученное, таким образом, выражение для принимаемой мощности является чрезвычайно сложным - в него входят функции точечного источника на трассах «источник-поверхность» и «поверхность - приемник» и оно содержит интеграл по неровной лоцируемой поверхности.
Существует эффективный метод, основанный на использовании теоремы взаимности для функции Грина, который позволяет существенно упростить полученное выражение [111,112].
Этот метод основан на использовании теоремы взаимности для функции Грина 0(г:,г])=0(грГ ) и введении понятия «фиктивного» источника с параметрами приемника, угол расходимости и размер передающей апертуры которого равен углу поля зрения приемной оптической системы и размеру приемной апертуры. Такой подход позволяет свести локационную задачу на трассе «источник - поверхность - приемник» к нахождению характеристик поля излучения, создаваемого действительным и «фиктивным» источником на прямых трассах «источник - поверхность» и «фиктивный источник — поверхность». Это существенно упрощает выражение для принимаемой мощности лазерного сигнала отраженного от морской поверхности. После перехода от интегрирования по случайной поверхности S к интегрированию по поверхности S0 - проекции поверхности S на плоскость z = 0, выражение для принимаемой мощности имеет вид [113] (считаем, что источник и приемник совмещены):
Программное обеспечение измерительного комплекса
Лазерные сигналы, регистрируемые приемником лидара, всегда имеют аддитивную и мультипликативную шумовые составляющие, которые являются следствием собственных шумов приемника, фоновой помехи, влияния турбулентности земной атмосферы, случайного характера отражения зондируемой морской поверхности и т.п. Эти шумы приводят к неконтролируемым ошибкам при измерении толщины пленок нефтепродуктов.
Для надежной работы алгоритмов обработки, с помощью которых по данным измерения происходит определение толщины толстых пленок необходимо проводить предварительную обработку принимаемых сигналов -сглаживать флуктуации в измеряемой зависимости нормированной мощности принимаемого лазерного сигнала от длины волны излучения.
Для этого могут быть использованы различные алгоритмы сглаживания: алгоритм сглаживания, использующий оператор текущего среднего [115]; цифровая фильтрация [116]; сглаживание с помощью кубических сплайнов [117, 118].
Эти алгоритмы были реализованы в виде программных модулей как варианты предварительной обработки данных измерений для дистанционного метода контроля толщины толстых пленок нефтепродуктов на водной поверхности, основанного на перестройке длины волны зондирующего излучения.
Текущее усреднение используется в различных областях техники, где возникает необходимость подавления помех, занимающих высокочастотную часть спектра, в частности для повышения точности измерительных приборов. В устройствах дискретного типа исследуемая функция преобразуется в цифровую форму, накапливается в сумматоре и после накопления передаётся в регистр, где несколько младших разрядов, соответствующих выбранному интервалу сглаживания, не учитываются.
Оператор текущего среднего используют при приёме импульсных и непрерывных сигналов с целью подавления шумовых аддитивных помех.
Пусть на диапазоне перестройки длины волны [А.тіпДтах] заданы N+1 длин волн Хк: іЛшіп =К К - Vl К = KJ (4-Ю) и на этих длинах волн определены зашумлённые значения нормированной (на мощность излучаемую источником) мощности отраженного сигнала f . При этом в отсутствие шума зависимость мощности отраженного сигнала от длины волны описывается некоторой непрерывной функцией f (А,).
Функция S(A,)называется кубическим сплайном с узлами А,к, если: - на каждом интервале [XkAk+i] функция S(X) является кубическим многочленом, т.е.: S{X) = 4+hk(X-Xk)+ck{X-Xkf +dk{X-Xkf (4.11) - функция S( ) дважды непрерывно дифференцируема на интервале [х min max J Ставится задача отыскания такого сплайна, который проходит в определённой близости от измеренных значений f и обладает наибольшей гладкостью. Таким образом, если обозначить функционал, характеризующий близость некоторой функции (р(А-) (которая может быть, например, кубическим сплайном S(A-)) к значениям fk, как Fjcpf ], а функционал, определяющий гладкость, как П(ф), то в качестве сглаживающего сплайна можно принять функцию, доставляющую минимум функционалу: Ma=aQ(cp)+F[cpf ], (4.12) где a - неотрицательный параметр, называемый параметром сглаживания. Этот параметр определяет относительный вклад значения Г2(ф) в общую величину Ма.
В качестве функционала (ф) обычно принимается функционал вида: тах і \1 П[Ф]= J ф"(А.) dX (4.13) В роли функционала F/p,f ] могут выступать различные функционалы. Наиболее часто выбирают следующий функционал (такой выбор оправдан, если шум измерения имеет нормальное распределение): р[ф3ґ ]=Ірк_1(4 -ф( ))29 (4.14) к=0 где рк 0 - весовые множители. Чем меньше значения весовых множителей (при фиксированном а), тем ближе к измеренным значениям f проходит сглаживающая функция.
Итак, необходимо определить функцию ср(А,), доставляющую минимум функционалу (при фиксированном а).
Выбор параметра сглаживания а и весовых коэффициентов рк позволяет управлять качеством сглаживания. Весовые множители рк 0 задают (при фиксированном а) степень близости сплайна S(A,) К измеренным значениям fk. Чем меньше величина р тем ближе сплайн S(X) будет проходить к значениям fk. В [117] даны рекомендации по выбору весовых множителей при построении сплайна. Если все измеренные значения равноточные (т.е. шумы измерения имеют одинаковую дисперсию), можно положить: р0 = р! =... = pN_! = pN = const 0 (4.16)
Если некоторым измерениям отдаётся предпочтение (в силу более высокой их точности), то соответствующие этим измерениям значения рк выбираются меньшими по величине по сравнению срк в других узлах Хк. Если дисперсия шума ак измерения задана, то рекомендуется задавать весовые множители соотношением: pk = const -a,k = 0,1,..., N (4.17) Параметр сглаживания a, входящий в функционал (4.15), определяет относительный вклад в (4.15) функционала Q((p), характеризующего степень гладкости сплайна. Параметр сглаживания может быть задан априорно (оператором в интерактивном режиме), либо определен согласно некоторому алгоритму по результатам анализа данных измерений. Полагая а = 0, получаем интерполяционный сплайн, проходящий через точки fk. Однако такой сплайн имеет нефизические пилообразные первую и вторую производные.
При а стремящимся к бесконечности функционал M[(p,f ] будет определяться только величиной Q(cp), и сплайн вырождается в прямую линию. Следовательно, меняя а от нуля до бесконечности, можно получить сплайн, занимающий промежуточное положение между двумя «граничными» сплайнами: интерполяционным сплайном, хорошо приближающим значения fk, но имеющим плохую гладкость, и «очень гладким» сплайном, который может значительно отклоняться от измеренных значений. Выбор величины параметра сглаживания должен отвечать условию сходимости сглаживающего сплайна: если уровень шума измерения равномерно уменьшается, то fk стремится к fk, k = 0,l...N. В пределе, когда шум измерения равен нулю, сглаживающий сплайн должен проходить через точно измеренные значения fk, т.е. стать интерполяционным сплайном. Это свойство сходимости является одним из необходимых условий, позволяющих назвать сглаживающий сплайн регуляризирующим алгоритмом приближения экспериментальных данных.
