CC BY
40
Наука й Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сетевое научное издание
1ЭЗМ
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 07. С. 206-221.
Б01: 10.7463/0717.0001264
Представлена в редакцию: 13.06.2017 Исправлена: 27.06.2017
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 535.338.41
Сравнительный анализ длин волн возбуждения флуоресценции 0,266 и 0,355 мкм для лазерного флуоресцентного метода контроля нефтяных загрязнений
Белов М.Л.1'*, Федотов Ю.В.1, 'Ъе^у^ьтыхии
Кравцов Д.А.1, Городничев В.А.1
:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Проведен сравнительный анализ длин волн возбуждения флуоресценции 0,266 и 0,355 мкм для лазерного флуоресцентного метода контроля нефтяных загрязнений. Показано, что с точки зрения безопасности для глаз, характеристик лазерных излучателей и прозрачности земной атмосферы преимущество имеет длина волны возбуждения флуоресценции 0,355 мкм. С точки зрения эффективности возбуждения флуоресценции нефтепродуктов преимущество имеет длина волны возбуждения флуоресценции 0,266 мкм, но это преимущество сильно зависит от вида нефтепродукта. В целом, что для задачи обнаружения нефтяных загрязнений, вызванных утечками нефтепроводов, преимущество можно отдать длине волны возбуждения 0,355 мкм. Однако, при создании системы мониторинга для трубопровода с конкретным видом нефти окончательное решение зависит от эффективности возбуждения флуоресценции на длинах волн 0,266 и 0,355 мкм для этого конкретного вида нефти.
Ключевые слова: лазер; нефтяные загрязнения; дистанционный метод; обнаружение; длина волны возбуждения флуоресценции
Введение
Рост загрязнения природной среды обуславливает необходимость развития методик и аппаратуры оперативного экологического мониторинга.
Особенно актуальным является контроль нефтяных загрязнений, так как нефтепродукты занимают одно их первых мест среди загрязнителей природной среды (см., например, [1,2]).
Российская Федерация является одной из основных нефтедобывающих стран в мире на сегодняшний день и одновременно - лидером по объему потерь нефти. Большее количество нефти в Российской Федерации теряется из-за изношенности нефтепроводов в результате утечек нефти [3,4].
Для быстрой ликвидации экономических и экологических последствий утечек нефти из трубопроводов необходимо оперативное обнаружение утечек.
Существующие системы оперативного обнаружения утечек нефти на трубопроводах (см., например, [4-7]) обладают чувствительностью порядка 0,2 - 1 % расхода трубопровода и утечки меньшей величины не регистрируют.
Для ненаселенной или малонаселенной местности перспективным методом обнаружения утечек нефти из трубопроводов (в том числе и утечек малой интенсивности) является мониторинг нефтяных загрязнений (участков разливов нефти на земной поверхности) вдоль трассы трубопровода при использовании, например, беспилотного летательного аппарата.
Перспективным методом обнаружения утечек нефтепроводов является метод лазерного дистанционного зондирования.
Данная статья посвящена разработке лазерного флуоресцентного метода контроля нефтяных загрязнений.
1. Постановка задачи
Использование в качестве датчиков для обнаружения утечек нефтепроводов аппаратуры лазерного зондирования позволяет проводить дистанционный контроль в любое время суток (лазерные методы не требуют естественного освещения), работать широком диапазоне атмосферных условий и обеспечивать высокую разрешающую способность по координатам (т.е. обнаруживать разливы нефти малых размеров) [8,9].
Среди лазерных методов контроля нефтяных загрязнений наиболее привлекательным является метод, основанный на возбуждении флуоресценции нефти в УФ спектральном диапазоне и регистрации лазерно-индуцированного флуоресцентного излучения [8,9].
Метод, основанный на регистрации лазерно-индуцированного флуоресцентного излучения позволяет не только проводить обнаружение нефтяных загрязнений, но и измерение толщины пленок нефтепродуктов на водной поверхности и классификацию нефтяных загрязнений по трем типам нефтепродуктов: легкие нефтепродукты, тяжелые нефтепродукты, сырая нефть - см., например, [8,9].
В работах [10,11] (на основе экспериментальных данных) был разработан лазерный флуоресцентный метод обнаружения нефтяных загрязнений на земной поверхности, который использует длину волны возбуждения флуоресценции 0,266 мкм (четвертая гармоника ИАГ лазера).
Однако, остается неясным вопрос о наиболее эффективной длине волны возбуждения для лазерного флуоресцентного метода обнаружения нефтяных загрязнений на земной поверхности (например, с точки зрения энергетики лазерного излучения для возбуждения флуоресценции нефтепродуктов лучше использовать не четвертую гармонику ИАГ лазера с длиной волны 0,266 мкм, а третью гармонику ИАГ лазера с длиной волны 0,355 мкм).
Ниже проводится сравнительный анализ использования для лазерного флуоресцентного метода контроля нефтяных загрязнений длин волн возбуждения флуоресценции
0,266 и 0,355 мкм с точки зрения распространения в земной атмосфере, безопасности для глаз, энергии излучения лазеров и эффективности возбуждения флуоресценции нефтепродуктов.
2. Молекулярное рассеяние в атмосфере
Явление молекулярного (рэлеевского) рассеяния достаточно хорошо изучено. Зависимость величины показателя молекулярного рассеяния &то[ от длины волны излучения имеет вид (см., например, [12]):
"П ^п4
ошо!<Я) = ото1(Х = 0,55 рт)
X
где: Ото1(Х = 0,55 рт) - величина показателя молекулярного рассеяния на длине волны X = 0,55 мкм.
В формуле для &то[ длина волны излучения X задается в микрометрах. Высотный ход показателя молекулярного рассеяния Ото[ на длинах волн 0,266 и
0,355 мкм для американской модели чистой стандартной атмосферы [13] показан на рисунке 1. Здесь кривая 1 - 0,266 мкм, кривая 2 - 0,355 мкм.
Рисунок показывает довольно большое значение показателя молекулярного рассеяния в приземном слое земной атмосферы (для высоты равной 0) для длины волны излучения 0,266 мкм.
Рис.1 Высотный ход показателя молекулярного рассеяния
3. Аэрозольное рассеяние в атмосфере
Вторым основным фактором, определяющим ослабления лазерного излучения в земной атмосфере в УФ диапазоне, является рассеяние излучения на частицах, которые всегда присутствуют в атмосфере.
Показатель аэрозольного ослабления атмосферы в сильно зависит от периода года (зимний, летний и весенне-осенний) и состояния атмосферы (которое только частично описывается метеорологической дальностью видимости).
Общепринятых формул для оценки высотной и спектральной зависимости показателя аэрозольного ослабления в в УФ области спектра на сегодняшний день нет.
Высотный ход показателя аэрозольного ослабления атмосферы в на длинах волн 0,266 и 0,355 мкм нескольких моделей земной атмосферы показан на рисунке 2. Здесь кривая 1,2 - американская модель чистой стандартной атмосферы [13] для 0,266 мкм и 0,355 мкм, соответственно; 3,4 - среднециклическая модель глобального аэрозоля [14] для 0,266 мкм и 0,355 мкм, соответственно; 5,6 - фоновая модель глобального аэрозоля [14] для 0,266 мкм и 0,355 мкм, соответственно.
Рис.2 Высотный ход показателя аэрозольного ослабления атмосферы
Рисунок 2 показывает, что (в отличие от молекулярного рассеяния) показатель аэрозольного ослабления очень слабо от длины волны излучения.
4. Поглощение озоном в атмосфере
Основной вклад в молекулярное поглощение в УФ диапазоне вносят озон и кислород. Однако, для рассматриваемых нами длин волн излучения 0,266 и 0,355 мкм именно озон является основной причиной ослабления лазерного излучения за счет молекулярного поглощения.
Высотный ход показателя молекулярного поглощения Кто1 на длинах волн 0,266 и 0,355 мкм для американской модели чистой стандартной атмосферы [13] показан на рисунке 3. Здесь кривая 1 - 0,266 мкм, кривая 2 - 0,355 мкм.
показатель поглощения
озоном, км 0,81
0,6 0,4 0,2 0
0
Рис.3 Высотный ход показателя молекулярного поглощения
Рисунок 3 показывает сильное поглощение озоном (показатель поглощение озона на длине волны 0,266 мкм в приземном слое почти в 3 раза больше показателя молекулярного рассеяния и наибольшего из показателей аэрозольного рассеяния).
5. Суммарное влияние атмосферы
Таблица 1 [13] показывает суммарное влияние атмосферы (обусловленное молекулярным рассеянием и поглощением и аэрозольным ослаблением) на распространение излучение с длинами волн 0,266 и 0,355 мкм.
Таблица 1. Суммарное влияние атмосферы на распространение излучение с длинами волн 0,266 и 0,355 мкм
Оптический параметр Длина волны, мкм
0,266 0,355
Суммарный показатель ослабления в приземном слое, км 1 1,27 0,307
Прозрачность атмосферы от земной поверхности до высоты 125 м 0,858 0,962
Прозрачность атмосферы от земной поверхности до высоты 250 м 0,735 0,926
Прозрачность атмосферы от земной поверхности до высоты 1000 м 0,319 0,789
Прозрачность атмосферы от земной поверхности до высоты 5000 м 0,015 0,569
Таблица 1 показывает, что хотя земная атмосфера на длине волны 0,355 мкм является существенно более прозрачной, чем на длине волны 0,266 мкм, однако на небольших высотах ~ 100 м (характерных для полета авиационного носителя с флуоресцентным датчиком) прозрачность атмосферы на длине волны 0,355 мкм всего примерно на 10% больше, чем на длине волны 0,266 мкм.
Однако, этот вывод относится к прозрачной аэрозольной атмосфере. Представляется, что в оптический плотной (замутненной атмосфере) возможны ситуации, когда даже при небольших высотах ~ 100 м прозрачность атмосферы на длине волны 0,355 мкм будет существенно больше, чем на длине волны 0,266 мкм.
Для примера на рисунке 4 [15] приведена спектральная зависимость показателя аэрозольного ослабления для замутненной атмосферы. Здесь: 1 - данные эксперимента при дальности видимости 1,2 км; 2 и 3 - расчет по теоретической модели для замутненной атмосферы (дальность видимости 5 км - кривая 2) и чистой атмосферы (дальность видимости 23 км - кривая 3).
10
1
0.1 0.01
0.1 1 10 100 Рис.4 Спектральная зависимость показателя ослабления для замутненной атмосферы
Из рисунка видно как сильно возрастает показатель ослабления с уменьшением дальности видимости в атмосфере и длины волны излучения.
Отметим, что если лазерная система работает не по флуоресцентному излучению, а по излучению отраженному от земной поверхности, то высота полета носителя может быть большой и преимущество длины волны 0,355 мкм становится явным и для прозрачной атмосферы (см. Таблицу 1).
6. Безопасность для зрения
Функционирование лазерных систем различного назначения (в том числе и лазерных систем дистанционного зондирования) всегда связано с опасностью для органов зрения человека [16]. Однако, не все равно на какой длине волны излучения лазерная система работает.
показатель, ослабления, До, км
длина
1_г I I I 1 щ|_I_I I I м п! ВОЛНЫ, МКМ
Лазерное излучение в видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах (0,38 -1,4 мкм) может вызвать повреждение сетчатки, в тоже время лазерное излучение в УФ диапазоне с длинами волн 0,18 - 0,38 мкм и в ближнем ИК диапазоне с длинами волн свыше 1,4 мкм воздействует на передние среды глаза и является более безопасным [16].
Для лазерных флуоресцентных методов обнаружения нефтяных загрязнений спектральный диапазон свыше 1,4 мкм (в качестве длин волн возбуждения флуоресценции) не подходит и единственным вариантом (при требовании безопасности для зрения) является спектральный диапазон менее 0,38 мкм.
При частотах повторения и длительности импульсов лазерного излучения, характерных для систем дистанционного зондирования (частоты повторения импульсов - сотни герц, длительности импульсов излучения - единицы и десятки наносекунд), максимальная безопасная для глаз энергия импульса лазерного излучения на длине волны 0,355 мкм или заметно больше, чем на длине волны 0,266 мкм, или такая же, как на длине волны 0,266 мкм (в зависимости от конкретных значений длительности и частоты повторения импульсов) - см., например, [16,17].
Рисунок 5 [17] иллюстрирует безопасность для глаз при использовании длин волн 0,266 мкм и 0,355 мкм.
0,1 0,5 1
Рис.5 Спектральная зависимость максимальной безопасной для глаз энергии лазерного импульса
На рисунке 5 приведена спектральная зависимость максимальной безопасной для глаз энергии лазерного импульса при длительности импульса 6 нс, частоте повторения 100 Гц и диаметре лазерного пучка 50 мм. Рисунок 5 показывает, что при длительностях и частотах повторения импульсов излучения, характерных для систем лазерного мониторинга, с точки зрения безопасности зрения лучше использовать длину волны 0,355 мкм (для нее максимальная безопасная для глаз энергия лазерного импульса на длине волны
0,355 мкм почти в два раза больше максимальной безопасной для глаз энергии лазерного импульса на длине волны 0,266 мкм).
7. Энергия излучения лазеров
В связи с большим разнообразием прикладных задач характеристики используемых лазерных излучателей (используемых для конкретных задач) могут сильно отличаться. Однако, для большинства задач дистанционного зондирования лазерные излучатели должны иметь энергию в импульсе порядка единиц и десятков мДж, длительность импульсов - от единиц до первых десятков нс, частоту повторения - от десятков Гц до единиц кГц.
В таблице 2 приведены примеры излучателей на основе ИАГ лазера, имеющих третью (0,355 мкм) и четвертую (0,266 мкм) гармоники основной частоты излучения.
Таблица 2. Характеристики излучателей на основе ИАГ лазера
Модель лазера Максимальная частота повторения, Гц Длительность импульсов, нс Энергия в импульсе, мДж
0,266 мкм 0,355 мкм
Nano L 90-100 [18] 100 7-9 10 15
NL220 [19] 1000 6-8 1 3
NL220-30-1K [19] 1000 28 2 7
LS-2149 [20] 100 12-15 3 6
Таблица 2 показывает, что из-за разницы в эффективности преобразования основной длины волны ИАГ лазера 1,06 мкм в третью и четвертую гармоники энергия излучения в импульсе на длине волны 0,355 мкм может от 1,5 до 3 и более раз превышать энергию излучения в лазерном импульсе на длине волны 0,266 мкм (соответственно, при одинаковой эффективности возбуждения флуоресценции нефтепродуктов регистрируемый лазерным флуориметром сигнал больше от 1,5 до 3 раз для длины волны возбуждения 0,355 мкм).
8. Эффективность возбуждения флуоресценции нефтепродуктов
Эффективность возбуждения лазерно-индуцированной флуоресценции нефтепродуктов исследовалось в ряде работ (см., например, [21-25]) для длин волн возбуждения 0,24 - 0,6 мкм и длин волн флуоресценции 0,26 - 0,78 мкм. Диапазон исследуемых длин волн возбуждения, как правило, включал в себя длины волн 0,266 и 0,355 мкм и результаты этих работ можно использовать для сравнительной оценки эффективности возбуждения флуоресценции на длинах волн 0,266 и 0,355 мкм.
Анализ экспериментальных данных показывает, что эффективность возбуждения ла-зерно-индуцированной флуоресценции нефтепродуктов на длине волны возбуждения 0,266 мкм всегда больше, чем на длине волны возбуждения 0,355 мкм. При этом, количе-
ственное отличие эффективности возбуждения флуоресценции может быть (в зависимости от вида нефтепродукта) как на десятки процентов, так и в разы.
На рисунках 7 и 8 [24] для примера показаны результаты экспериментального измерения формы и интенсивности спектра флуоресценции различных нефтепродуктов (матрицы возбуждение-излучение).
300 1
240 260 280 300 320 340 240 260 280 300 320 340
Рис. 7 Матрица возбуждение-излучение для нефтей: A - Scotian Light, B - Federated, C - Brent Blend,
D - Gallfaks
На рисунке 7 приведена матрица возбуждение-излучение для разных типов нефтей: A - Scotian Light (малосернистая нефть, Канада), B - Federated (малосернистая нефть, Канада), C - Brent Blend (легкая малосернистая нефть, Великобритания, Норвегия), D -Gallfaks (легкая малосернистая нефть, Норвегия), а на рисунке 8 - для A - Terra Nova (малосернистая нефть, Канада), B - Hibernia (легкая малосернистая нефть, Канада), C - Maya
(тяжелая высокосернистая нефть, Мексика), D - IFO 300 (Intermediate Fuel Oil 300 - тяжелое высокосернистое нефтяное топливо).
Рис. 8 Матрица возбуждение-излучение для нефтей A - Terra Nova, B - Hibernia, C - Maya, D - IFO 300.
Матрица возбуждение-излучение для каждой нефти представлена в виде рисунка, у которого по оси абсцисс отложена длина волны возбуждения (в нанометрах), по оси ординат - длина волны эмиссии (в нанометрах), интенсивность излучения флюоресценции дана в относительных единицах и отображается соответствующим цветом, шкала которого приведена на рисунке.
Из рисунков видно, что эффективность возбуждения лазерно-индуцированной флуоресценции нефтепродуктов на длине волны возбуждения 0,266 мкм всегда больше, чем на длине волны возбуждения 0,355 мкм.
Однако, количественное отличие эффективности возбуждения флуоресценции на длине волны возбуждения 0,266 мкм от эффективности возбуждения флуоресценции на
длине волны возбуждения 0,355 мкм сильно зависит от вида нефтепродукта. Для большинства образцов малосернистой нефти из работы [24] (как видно из рисунков 7,8) это преимущество не особенно велико (десятки процентов).
Таким образом, сравнительный анализ длин волн возбуждения флуоресценции 0,266 и 0,355 мкм для лазерного флуоресцентного метода контроля нефтяных загрязнений показывает, что различные физические факторы по разному влияют на оценку преимущества одной или другой длины волны возбуждения.
С точки зрения безопасности для глаз и характеристик лазерных излучателей несомненное преимущество имеет длина волны возбуждения флуоресценции 0,355 мкм.
С точки зрения распространения лазерного излучения в земной атмосфере при небольших высотах полета авиационного носителя с флуоресцентным датчиком длина волны возбуждения флуоресценции 0,355 мкм имеет лишь небольшое преимущество.
С точки зрения эффективности возбуждения флуоресценции нефтепродуктов преимущество имеет длина волны возбуждения флуоресценции 0,266 мкм. Однако, это преимущество сильно зависит от вида нефтепродукта и, например, для малосернистой нефти не особенно велико.
В целом, что для задачи обнаружения нефтяных загрязнений, вызванных утечками нефтепроводов, преимущество надо отдать длине волны возбуждения 0,355 мкм. Однако, при создании системы мониторинга для трубопровода с конкретным видом нефти окончательное решение зависит от эффективности возбуждения флуоресценции на длинах волн 0,266 и 0,355 мкм для этого конкретного вида нефти.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ, проект № 13.7377.2017/БЧ.
Заключение
Проведен сравнительный анализ длин волн возбуждения флуоресценции 0,266 и 0,355 мкм для лазерного флуоресцентного метода контроля нефтяных загрязнений. Показано, что с точки зрения безопасности для глаз, характеристик лазерных излучателей и прозрачности земной атмосферы преимущество имеет длина волны возбуждения флуоресценции 0,355 мкм. С точки зрения эффективности возбуждения флуоресценции нефтепродуктов преимущество имеет длина волны возбуждения флуоресценции 0,266 мкм, но это преимущество сильно зависит от вида нефтепродукта. В целом, что для задачи обнаружения нефтяных загрязнений, вызванных утечками нефтепроводов, преимущество можно отдать длине волны возбуждения 0,355 мкм. Однако, при создании системы мониторинга для трубопровода с конкретным видом нефти окончательное решение зависит от эффективности возбуждения флуоресценции на длинах волн 0,266 и 0,355 мкм для этого конкретного вида нефти.
Список литературы
1. Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2015 год. М.: Росгидромет, 2016. 223 с.
2. Другов Ю.С., Родин А.А. Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов. 2-е изд. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. 270 с. 3.
3. Масштабные прорывы: топ-5 крупнейших разливов нефти на нефтепроводах Режим доступа: http://neftianka.ru/masshtabnye-proryvy-top-5-krupnejshix-razlivov-nefti-na-nefteprovodax/ (дата обращения 09.03.2017).
4. Система обнаружения утечек. Режим доступа: http://www.energoavtomatika.ru/index.php/ru/menu-sou (дата обращения 09.03.2017).
5. Система обнаружения утечек СОУ-ИСА ООО «Инсист Автоматика». Режим доступа: http://www.industrialsystems.ru/articles/sistema-obnaruzheniya-utechek-sou-isa-ooo-insist-avtomatika/ (дата обращения 09.03.2017).
6. Методы определения утечек и незаконных врезок в нефтепроводы. Режим доступа: https://1cert.ru/stati/metody-opredeleniya-utechek-i-nezakonnykh-vrezok-v-nefteprovody (дата обращения 09.03.2017).
7. Система обнаружения утечек из нефтепровода. Режим доступа: http://neftegaz.ru/science/view/333-Sistema-obnaruzheniya-utechek-iz-nefteprovoda (дата обращения 09.03.2017).
8. Козинцев В.И., Орлов В.М., Белов М.Л., Городничев В.А., Стрелков Б.В. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 527 с.
9. Measures R.M. Laser remote sensing: Fundamentals and applications. Malabar: Krieger Publ. Co., 1992. 510 р.
10. Матросова О.А. Методы контроля нефтяных загрязнений земной поверхности, основанные на явлении лазерно-индуцированной флуоресценции: дис. ... канд. техн. наук. М., 2013. 178 с.
11. Белов М.Л., Штейнгарт А.Д., Матросова О.А., Городничев В.А. Лазерный флуоресцентный метод мониторинга утечек из нефтепроводов, использующий нейросетевой алгоритм // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 1. Pp. 55-69. DOI: 10.7463/0114.0676410
12. Козинцев В.И., Белов М.Л., Городничев В.А., Стрелков Б.В. Расчет яркости фона и ослабления лазерного излучения в ультрафиолетовой области спектра. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 64 с.
13. Handbook of geophysics and space environments / Ed. by S.L. Valley. N.Y.: McGraw-Hill Publ. Co., 1965. 682 p.
14. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 255 с.
15. Chen C.C. Attenuation of electromagnetic radiation by haze, fog, clouds and rain. Режим доступа: http://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/reports/2006/R1694.pdf (дата обращения 09.03.2017).
16. ГОСТ 31581-2012. Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий. Введ. 2015-01-01. М.: Стандартинформ, 2013. 19 с.
17. Mayor S.D., Spuler S.M., Morley B.M. Scattering eye-safe depolarization lidar at 1.54 microns and potential usefulness in bioaerosol plume detection // Proc. of Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2005. Vol. 5887. Pp. 137-148.
DOI: 10.1117/12.620361
18. Litron lasers. Режим доступа: http://www.litronlasers.com/ (дата обращения 07.02.2017).
19. Ekspla. Режим доступа: http://www.ekspla.com/products (дата обращения 07.02.2017).
20. Lotis TII. Режим доступа: http://www.lotis-tii.com (дата обращения 07.02.2017).
21. Falla Sotelo F., Araujo Pantoja P., Lopez-Gejo J., Le Roux G.A.C., Quina F. H., Nascimento C.A.O. Application of fluorescence spectroscopy for spectral discrimination of crude oil samples // Brazilian J. of Petroleum and Gas. 2008. Vol. 2. No. 2. Pp. 63-71.
DOI: 10.5419/bjpg.v2i2.41
22. Naseer Mahdi Hadi, Ayad Z.Mohammed, Fareed F.Rasheed, Shahad Imad Younis. Determination of absorption and fluorescence spectrum of Iraqi crude oil // American J. of Physics and Applications. 2016. Vol. 4. Iss. 3. Pp. 78-83. DOI: 10.11648/j.ajpa.20160403.12
23. Baszanowska E., Otremba Z., Toczek H., Rohde P. Fluorescence spectra of oil after it contacts with aquatic environment // J. of KONES Powertrain and Transport. 2013. Vol. 20. No. 3. Pp. 29- 34.
24. Bugden J.B.C., Yeung C.W., Kepkay P.E., Lee K. Application of ultraviolet fluorometry and excitation-emission matrix spectroscopy (EEMS) to fingerprint oil and chemically dispersed oil in seawater // Marine Pollution Bulletin. 2008. Vol. 56. Iss. 4. Pp. 677-685.
DOI: 10.1016/j .marpolbul .2007.12.022
25. Rostampour V., Lynch M.J. Quantitative techniques to discriminate petroleum oils using LED-induced fluorescence // Water pollution VIII: Modelling, monitoring and management. Southampton: WIT Press, 2006. Pp. 255-262. DOI: 10.2495/WP000060261
Science ¿Education
of the Bauman MSTU
El
tft
tronic journa
iSSH 1994-0408
/
Science and Education of the Bauman MSTU, 2017, no. 07, pp. 206-221.
DOI: 10.7463/0717.0001264
Received: 13.06.2017
Revised: 27.06.2017
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Comparative Analysis of 0.266 and 0.355 pm Fluorescence Excitation Wavelengths for Laser Fluores-Cence Monitoring of Oil Pollution Detection
M.L. Belov V.A-Gorodnichev1
, Y.V. Fedotov1, D.A. Kravtsov1,
belov@bm.5tu.ju
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: laser; oil pollution; remote sensing method; detection; wavelength of fluorescence
excitation
The on-line detection of pipeline spillage is really essential for the fast oil spill response to the ecological and economical consequences. However existing on-line pipelines spillage detection systems have a sensibility of 0.2 - 1 % of pipe flow and do not detect the smaller-sized spillages.
For unpeopled or sparsely populated regions an advanced technique for detection of pipeline spillages (including low-intensity ones) is to monitor oil pollution (petroleum spills on the earth surface) along the pipeline using, for example, an air drone.
The laser remote sensing method is an effective method to detect the pipelines spillage.
The paper is dedicated to development of laser fluorescence detection method of oil pollution. The remote sensing laser method to monitor oil pollution is based on the fluorescence excitation of oil in UV spectral band and on the data record of the earth surface laser-induced fluorescence radiation.
For laser fluorescence method of monitoring oil pollution the paper presents a comparative analysis of 0.266 and 0.355 |im wavelengths of the fluorescence excitation in terms of earth atmosphere propagation, eye-safety, laser characteristics, and petroleum fluorescence excitation efficiency.
It is shown that in terms of eye-safety, laser characteristics, and propagation in the earth atmosphere a 0.355 |im laser wavelength of the fluorescence excitation has a sure advantage.
In the context of petroleum fluorescence excitation efficiency a 0.266 |im laser wavelength of the fluorescence excitation has the advantage, but this advantage depends heavily on the petroleum base. For low-sulfur (sweet) oil for instance, it is not that big.
At large, in solving the task of oil pollution detection because of the oil pipeline spillages the 0.355 |im wavelength of fluorescence excitation ought to be preferable. However, when creating a monitoring system for the pipeline with a specific petroleum base the irreversible deci-
sion depends on the fluorescence excitation efficiency at 0.266 and 0.355 |im wavelengths of fluorescence excitation for a specific petroleum base.
References
1. Obzor sostoianiia i zagriazneniia okruzhayushchej sredy v Rossijskoj Federatsii za 2015 god [Overview of the state and environment pollution in Russian Federation over 2015 year]. Moscow: Rosgidromet Publ., 2016. 223 p. (in Russian).
2. Drugov Yu.S., Rodin A.A. Ekologicheskie analizy pri razlivakh nefti i nefteproduktov [Ecological assays during petroleum and petroleum products spills]. 2nd ed. Moscow: BINOM. Laboratoriia znanij Publ., 2007. 270 p. (in Russian).
3. Masshtabnye proryvy: top-5 krupnejshikh razlivov nefti na nefteprovodax [Large-scale losses: top-5 largest petroleum spills on pipeline]. Available at: http://neftianka.ru/masshtabnye-proryvy-top-5-krupnejshix-razlivov-nefti-na-nefteprovodax, accessed 09.03.2017 (in Russian).
4. Sistema obnaruzheniia utechek [Leak detection system]. Available at: http://www.energoavtomatika.ru/index.php/ru/menu-sou, accessed 09.03.2017 (in Russian).
5. Sistema obnaruzheniia utechek SOU-ISA OOO "Insist Avtomatika" [Leak detection system SOU-ISA OOO "Insist Avtomatika"]. Available at:
http://www.industrialsystems.ru/articles/sistema-obnaruzheniya-utechek-sou-isa-ooo-insist-avtomatika, accessed 09.03.2017 (in Russian).
6. Metody opredeleniia utechek i nezakonnykh vrezok v nefteprovody [Pipeline leakage and illegal sales tie-in detection methods]. Available at: https://1cert.ru/stati/metody-opredeleniya-utechek-i-nezakonnykh-vrezok-v-nefteprovody, accessed 09.03.2017 (in Russian).
7. Sistema obnaruzheniia utechek iz nefteprovoda [Pipeline leakage detection system]. Available at: http://neftegaz.ru/science/view/333-Sistema-obnaruzheniya-utechek-iz-nefteprovoda, accessed 09.03.2017 (in Russian).
8. Kozintsev V.I., Orlov V.M., Belov M.L., Gorodnichev V.A., Strelkov B.V. Optiko-electronnye sistemy ekologicheskogo monitoringa prirodnoj sredy [Optoelectronic systems of environment ecologic monitoring]: a textbook. Moscow: Bauman MSTU Publ., 2002. 527 p. (in Russian).
9. Measures R.M. Laser remote sensing: Fundamentals and applications. Malabar: Krieger Publ. Co., 1992. 510 p.
10. Matrosova O.A. Metody kontrolia neftianykh zagriaznenij zemnojpoverkhnosti osnovannye na iavlenii lazerno-indutsirovannoj fluorestsensii [Monitoring methods of earth surface oil pollutions based on laser-induced fluorescence. Cand. diss.]. Moscow, 2013. 178 p. (in Russian).
11. Belov M.L., Shteingart A.D., Matrosova O.A., Gorodnichev V.A. Neural network mechanism laser method of petrol pipes leaks detection. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [ Science and Education of the Bauman MSTU], 2014, no 1. pp. 55-69. DOI: 10.7463/0114.0676410 (in Russian)
12. Kozintsev V.I., V.M., Belov M.L., Gorodnichev V.A., Strelkov B.V. Raschet iarkosti fona i oslableniia lazernogo izlucheniia v ultrafioletovoj oblasti spectra [Estimation of background brightness and attenuation of laser radiation in UV spectral range]. Moscow: Bauman MSTU Publ., 2011. 64 p. (in Russian).
13. Handbook of geophysics and space environments / Ed. by S.B. Valley. N.Y.: MGraw-Hill Publ. Co., 1965. 682 p.
14. Zuev V.E., Krekov G.M. Opticheskie modeli atmosfery [Optical models of atmosphere]. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ., 1986. 255 p. (in Russian).
15. Chen C.C. Attenuation of electromagnetic radiation by haze, fog, clouds and rain. Available at: http://www.rand.ors/content/dam/rand/pubs/reports/2006/R1694.pdf, accessed 09.03.2017.
16. GOST 31581-2012 . Lazernaia bezopasnost'. Obshchie trebovaniia pri razrabotke i ekspluatatsii lazernykh izdelij [All-Union State Standard 31581-2012. Laser safety. General safety requirements during development and operation of laser devices. All-Union State Standard 31581-2012]. Moscow: Standartinform Publ., 2013 (in Russian).
17. Mayor S.D., Spuler S.M., Morley B.M. Scattering eye-safe depolarization lidar at 1.54 microns and potential usefulness in bioaerosol plume detection. Proc. of Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2005. Vol. 5887. Pp. 137-148.
DOI: 10.1117/12.620361
18. Litron lasers. Available at: http://www.litronlasers.com/, accessed 09.03.2017.
19. Ekspla. Available at: http://www.ekspla.com/products, accessed 09.03.2017.
20. Lotis TII. Available at: http://www.lotis-tii.com, accessed 09.03.2017.
21. Falla Sotelo F., Araujo Pantoja P., Lopez-Gejo J., Le Roux G.A.C., Quina F. H., Nascimento C.A.O. Application of fluorescence spectroscopy for spectral discrimination of crude oil samples. Brazilian J. of Petroleum and Gas, 2008, vol. 2, no. 2, pp. 63-71. DOI: 10.5419/bjpg.v2i2.41
22. Naseer Mahdi Hadi, Ayad Z.Mohammed, Fareed F.Rasheed, Shahad ImadYounis. Determination of absorption and fluorescence spectrum of Iraqi crude oil. American J. of Physics and Applications, 2016, vol. 4, no. 3, pp. 78-83. DOI: 10.11648/j.ajpa.20160403.12
23. Baszanowska E., Otremba Z., Toczek H., Rohde P. Fluorescence spectra of oil after it contacts with aquatic environment. J. of KONES Powertrain and Transport, 2013, vol. 20, no. 3, pp. 29- 34.
24. Bugden J.B.C., Yeung C.W., Kepkay P.E., Lee K. Application of ultraviolet fluorometry and excitation-emission matrix spectroscopy (EEMS) to fingerprint oil and chemically dispersed oil in seawater. Marine Pollution Bulletin, 2008, vol. 56, iss. 4, pp. 677-685. DQI:10.1016/i.marpolbul.2007.12.022
25. Rostampour V., Lynch M. J. Quantitative techniques to discriminate petroleum oils using LED-induced fluorescence. Water pollution VIII: Modelling, monitoring and management. Southampton: WIT Press, 2006. Pp. 255-262. DOI: 10.2495/WP060261
