Научная статья на тему 'Сравнительный анализ вероятности обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности лазерным рефлектометрическим методом на безопасных для зрения длинах волн'

Сравнительный анализ вероятности обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности лазерным рефлектометрическим методом на безопасных для зрения длинах волн Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
114
28
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЛАЗЕР / НЕФТЯНЫЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ / ДИСТАНЦИОННЫЙ МЕТОД / ОБНАРУЖЕНИЕ

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Белов М.Л., Всякова Ю.И., Кравцов Д.А., Городничев В.А., Готальская О.В.

Проведен сравнительный анализ вероятности обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности лазерным рефлектометрическим методом на наиболее перспективных для дистанционного зондирования безопасных для зрения длинах волн в ультрафиолетовом (0,355 мкм) и ближнем инфракрасном (1,54 мкм) диапазонах спектра. Показано, что для пленок нефти толщиной больше 20 мкм вероятность правильного обнаружения равна 100 % для длины волны зондирования как 0,355 мкм, так и 1,54 мкм. Для тонких пленок нефти с толщиной от 20 мкм до единиц мкм зондирование на длине волны 0,355 мкм имеет несомненное преимущество. Лазерный рефлектометрический метод на длине волны 0,355 мкм может надежно обеспечить обнаружение пленок нефти с толщиной не менее 2 мкм с приемлемыми вероятностью правильного обнаружения (более 0,9) и ложных тревог (менее 0,002) при относительном шуме измерений не более 5%.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Белов М.Л., Всякова Ю.И., Кравцов Д.А., Городничев В.А., Готальская О.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

A Comparative Detection Probability Analysis of the Water Surface Oil-Product Films by Laser Reflection Method for the Eye-Safe Sounding Wavelengths

Among the remote-sensing techniques the most efficient ones to detect oil films on the water surface are laser refection methods based on the record of reflected radiation from the water surface and fluorescent methods based on the record of laser-induced fluorescence radiation of the water surface. Laser equipment, for example, installed on the delivery aircraft, can be used regardless of the time of day in a fairly wide range of optical states of the Earth's atmosphere and detect pollution of the small-size oil-products. Laser reflection metods based on the record of reflected radiation from the water surface allow detection of oil films at high altitude of delivery aircraft (and, respectively, at the wideband spatial scanning on the surface of the water). The paper is concerned with development of the laser reflection method to detect the oilproduct films on the sea surface, which uses eye-safe laser radiation wavelengths. The eyes safety requirement makes it necessary to choose between ultraviolet (0.18 0.38 μm) and near-infrared (over 1.4 μm) spectral ranges. The choice between these two options should be based on the efficient use of ultraviolet (0.18 0.38 μm) and near infrared (over 1.4 μm) ranges for detection of oil films on the water surface. The results of mathematical modeling show that for the oil film thickness more than 20 μm the detection probability is 100% for the sounding wavelength both of 0.355 μm and of 1.54 μm. However, for the thinner films of oil (a thickness of the oil films may be of units of μm or less) the situation is different. In laser sounding at a wavelength of 0.355 μm, the laser reflection method allows reliable detection of the oil film, which have a thickness of 2 μm, at least, with an appropriate probability of the proper detection (more than 0.9) and the false alarm rate (less than 0.002) for the relative noise of measurement being no more than 5%.

Текст научной работы на тему «Сравнительный анализ вероятности обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности лазерным рефлектометрическим методом на безопасных для зрения длинах волн»

Наука и Образование

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 01. С. 77-91.

Б01: 10.7463/0117.0000911

Представлена в редакцию: Исправлена:

© МГТУ им. Н.Э. Баумана

06.12.2016 20.12.2016

УДК 551.501

Сравнительный анализ вероятности обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности лазерным рефлектометрическим методом на безопасных

для зрения длинах волн

1 * _ 1

Белов М.Л. , Всякова Ю.И.1,

Кравцов Д.А.1, Городничев В.А.1,

Готальская О.В.1

:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

belov@bmstu.ru

Проведен сравнительный анализ вероятности обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности лазерным рефлектометрическим методом на наиболее перспективных для дистанционного зондирования безопасных для зрения длинах волн в ультрафиолетовом (0,355 мкм) и ближнем инфракрасном (1,54 мкм) диапазонах спектра. Показано, что для пленок нефти толщиной больше 20 мкм вероятность правильного обнаружения равна 100 % для длины волны зондирования как 0,355 мкм, так и 1,54 мкм. Для тонких пленок нефти с толщиной от 20 мкм до единиц мкм зондирование на длине волны 0,355 мкм имеет несомненное преимущество. Лазерный рефлектометрический метод на длине волны 0,355 мкм может надежно обеспечить обнаружение пленок нефти с толщиной не менее 2 мкм с приемлемыми вероятностью правильного обнаружения (более 0,9) и ложных тревог (менее 0,002) при относительном шуме измерений не более 5%.

Ключевые слова: лазер; нефтяные загрязнения; дистанционный метод; обнаружение

Введение

В настоящее время одной из актуальных экологических проблем является нефтяное загрязнение морских акваторий [1-6].

Методы дистанционного зондирования (с самолетов и ИСЗ) потенциально позволяют оперативно обнаруживать такие загрязнения [7-9].

Среди методов дистанционного зондирования наиболее эффективными (для задачи обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности) являются лазерные методы - рефлектометрические (основанные на регистрации отраженного от водной поверхности излучения) и флуоресцентные (основанные на регистрации лазерно-индуцированного флуоресцентного излучения водной поверхности) [7,9-12]. Лазерная аппаратура (установ-

ленная на авиационном носителе) может использоваться независимо от времени суток в достаточно широком интервале оптических состояний земной атмосферы и обнаруживать загрязнения нефтепродуктами небольшого размера.

Рефлектометрические методы, основанные на регистрации лазерного излучения отраженного от водной поверхности, позволяют проводить обнаружение пленок нефтепродуктов при большой высоте авиационного носителя (и соответственно при широкой полосе пространственного сканирования на водной поверхности).

Данная статья посвящена разработке лазерного рефлектометрического метода обнаружения пленок нефтупродуктов на морской поверхности, использующего безопасные для зрения лазерные длины волн излучения.

1. Постановка задачи

Использование источников лазерного излучения для различных практических приложений (в том числе и для дистанционного лазерного зондирования) всегда связано с опасностью для органов зрения [13].

Однако, с точки зрения опасности для зрения не все равно какую длину волны лазерного излучения использовать. Лазерное излучение в ультрафиолетовом спектральном диапазоне с длинами волн 0,18 - 0,38 мкм и в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне с длинами волн свыше 1,4 мкм воздействует на передние среды глаза и является более безопасным, чем излучение в спектральном диапазоне 0,38 - 1,4 мкм, которое воздействует на сетчатку глаза [13].

Поэтому, требование безопасности для глаз приводит к необходимости выбора между ультрафиолетовым (0,18 - 0,38 мкм) и ближним инфракрасным (свыше 1,4 мкм) спектральным диапазонами. Выбор между этими двумя вариантами должен основываться на анализе эффективности использования ультрафиолетового (0,18 - 0,38 мкм) и ближнего инфракрасного (свыше 1,4 мкм) диапазонов для задачи обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности.

В спектральном диапазоне 0,18 - 0,38 мкм из-за сильного поглощения кислородом и озоном (в коротковолновой части этого диапазона) наиболее перспективной для бортовой аппаратуры является длина волны лазерного зондирования 0,355 мкм (третья гармоника твердотельного ИАГ-лазера с легированием неодимом).

В спектральном диапазоне свыше 1,4 мкм из-за сильного поглощения парами воды и двуокисью углерода наиболее перспективные длины волн лазерного зондирования ограничены окнами прозрачности земной атмосферы 1,5 - 1,8 мкм и 2,1 - 2,4 мкм (лазеры на эрбиевом стекле, оптические параметрические генераторы, лазеры на ИАГ с легированием гольмием).

В оптическом диапазоне и для некоторых лазерных длин волн зондирования исследование контрастов «незагрязненная водная поверхность - пленка нефтепродуктов» ранее проводилось в ряде работ (см., например, [7,10,12,14,15]). Однако, задача сравнительного

анализа вероятности обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности на безопасных для зрения лазерных длинах волн зондирования ранее не ставилась.

В статье проводится сравнительный анализ вероятности обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности лазерным рефлектометрическим методом на наиболее перспективных для дистанционного зондирования безопасных для зрения длинах волн излучения в ультрафиолетовом (0,355 мкм) и ближнем инфракрасном (1,54 мкм) диапазонах спектра.

2. Контраст «незагрязненная водная поверхность - пленка

нефтепродуктов»

Для лазерного рефлектометрического метода физической основой обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности является наличие контраста между мощностью сигнала, регистрируемой приемником лазерного локатора от незагрязненной водной поверхности и водной поверхности с пленой нефтепродукта. Этот контраст возникает из-за различия в коэффициентах отражения незагрязненной водной поверхности и водной поверхности с пленкой нефтепродукта и из-за сглаживания пленкой нефтепродукта волнения водной поверхности (см., например, [7]).

Контраст К «незагрязненная водная поверхность - пленка нефтепродуктов» в большинстве работ определяется следующей формулой:

£ _ Рог1

Pw где

Pw, Р0ц - мощности сигнала, регистрируемого приемником лазерного локатора от

незагрязненной водной поверхности и от водной поверхности с пленкой нефтепродуктов, соответственно.

Используя выражение для средней мощности, регистрируемой лазерным локатором [7], можно получить формулу для контраста K «незагрязненная водная поверхность -пленка нефтепродуктов» при вертикальном моностатическом зондировании взволнованной морской поверхности:

К = КуКу а (1)

где

Г VI Г (^^72 г^2/16 + 2а? \/2

Тг2 ; КУ'а / 2 2 1 /2 [ 2 2/1^,0 2] ; V2 (У2хУ2у) ^ С /16 + 2а2

2 2

а , У х у - дисперсии высот и наклонов (по некоторым осям х и у) морского волнения;

V 2 - коэффициент отражения Френеля для плоского (без волнения) участка водной поверхности при зондировании в надир (вертикально вниз);

Т - длительность импульса лазерного локатора.

Величины V, у,а с индексом 1 относятся к незагрязненной водной поверхности, а с индексом 2 - к водной поверхности с пленкой нефтепродуктов. При получении выражения (1) полагалось, что пена на водной поверхности не образуется (скорость ветра невелика), и 2 2 ,

а я,,г ^ У х,у ( а 5, аг - половинные углы расходимости излучения лазерного локатора и

его поля зрения).

Одним из сомножителей в формуле (1) является

= (чЪху?'2 т2с2 /16 + 2а,2 ,/2

У,С = (У2хУ2у)1'2 Т2с2 /16 + 2а2 7

Он описывает контраст «незагрязненная водная поверхность - пленка нефтепродуктов», вызванный сглаживанием пленкой нефтепродукта волнения водной поверхности.

V,2

Второй сомножитель в формуле (1) Ку = -2- описывает контраст «незагрязненная

VI2

водная поверхность - пленка нефтепродуктов», вызванный различием в коэффициентах отражения незагрязненной водной поверхности и водной поверхности с пленкой нефтепродукта. Именно этот множитель зависит от длины волны излучения лазерного локатора.

Величина представляет собой коэффициент отражения трехслойной системы

«воздух - пленка нефтепродукта - незагрязненная водная поверхность», а величина -коэффициент отражения двухслойной системы «воздух - незагрязненная водная поверхность». Выражения для и имеют вид (см., например, [16]):

К22 =

(21 + 2 2 Х2 2 - 2 3 > -ia(x)d + (21 - 2 2 )(2 2 + 2 3 )е

(21 + 2 2 Х2 2 + 2 з >" + (21 - 2 2 )(2 2 - 23 )е +ia(x)d

(2)

2 \22 - 23 >

~ (1 - п3 ) 2 + к}

V 2 = <-^-з_ (3)

1 (1 + п3 ) 2 + к32

где 2 ; =— ; а(X) = — т2; т j X

d - толщина пленки нефтепродукта;

nj, кj - показатели преломления и поглощения j -ой среды;

mj = nj + ikj - комплексный показатель преломления j -ой среды (для воздуха

т1 = П1 = 1).

Индексы 1,2,3 относятся к воздуху, нефти и воде.

2

В идеальном случае отсутствия шумов измерения всегда больше величины V2

(см. рисунок 1, где приведены зависимости величин и от толщины пленки d для

2 2

длины волны зондирования 1,54 мкм; 1 - V , 2 - V2 ). В этом идеальном случае пленку

нефтепродукта всегда со 100 % вероятностью можно обнаружить при выполнении усло--2

вия К

V

V

2

V

2

> 1.

Рис.1. Коэффициенты отражения У\ и ¥2 в идеальном случае отсутствия шумов измерения

2 2

Рис.2. Коэффициенты отражения VI и V2 в условиях реальных шумов измерения

В условиях реальных шумов измерения (см. рисунок 2, где приведены эти же зависимости при относительном среднеквадратическом значении шума измерения 5 %) вероятность обнаружения будет сложным образом зависеть от длины волны излучения, толщины пленки и шумов измерения.

3. Результаты математического моделирования вероятности правильного обнаружения пленки нефтепродуктов и вероятности

ложных тревог

Математическое моделирование вероятности правильного обнаружения Рпо (вероятности обнаружения нефтяного загрязнения, когда оно действительно есть) и вероятности ложных тревог Рлт (вероятности обнаружения нефтяного зогрязнения, когда в действительности его нет) в условиях шумов измерения проводилось на безопасных для зрения длинах волн зондирования в ультрафиолетовом (0,355 мкм) и ближнем инфракрасном (1,54 мкм) диапазонах спектра.

Значения показателей преломления и поглощения воды и нефтепродукта на длинах волн 0,355 мкм и 1,54 мкм были взяты из работы [17] (средние характеристики морской воды и нефти). Считалось, что шум измерения имеет нормальное распрелеление с нулевым сренним значением. Относительное среднеквадратическое значение шумов а задавалось в диапазоне 1-10%.

При математическом моделировании значение толщин пленок нефти на морской поверхности задавалось в диапазоне 0,1-100 мкм (более толстые пленки эффективно обнаруживаются, например, радиотепловыми методами).

Решение о наличии пленки нефтепродукта принималось при выполнении условия K¥ > К, где пороговое значение порогового контраста К^ выбиралось посредине

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

между 1 и минимальным значением контраста (минимальным значением К ) в отсутствие шумов для заданного минимального значения толщины пленок (которые должны быть обнаружены по данным дистанционного зондирования).

На рисунках 3 - 8 проведены результаты математического моделирования вероятностей правильного обнаружения РПо и вероятности ложных тревог Рлт для относительного среднеквадратического значения шума измерения а =5 % (по 1000 реализаций шума измерения) на безопасных для зрения длинах волн зондирования в ультрафиолетовом спектральном диапазоне - 0,355 мкм (рисунки 3 - 5) и в инфракрасном спектральном диапазоне - 1,54 мкм (рисунки 6 - 8).

Приведенные рисунки показывают, что для пленок нефти толщиной больше 20 мкм вероятность правильного обнаружения равна 100 % для длины волны зондирования как 0,355 мкм, так и 1,54 мкм.

Рис.3. Зависимость вероятности правильного обнаружения от толщины пленки нефти для Х=0,355 мкм в

диапазоне толщин 0 - 15 мкм.

Рис.4. Зависимость вероятности правильного обнаружения от толщины пленки нефти для Х=0,355 мкм в

диапазоне толщин 0 - 100 мкм.

Рис.5. Зависимость вероятности ложных тревог от толщины пленки нефти для Х=0,355 мкм в диапазоне

толщин 0 - 15 мкм.

Рис.6. Зависимость вероятности правильного обнаружения от толщины пленки нефти для Х=1,54 мкм в

диапазоне толщин 0 - 20 мкм.

Рис.7. Зависимость вероятности правильного обнаружения от толщины пленки нефти для Х=1,54 мкм в

диапазоне толщин 0 - 100 мкм.

Рис.8. Зависимость вероятности ложных тревог от толщины пленки нефти для Х=1,54 мкм в диапазоне

толщин 0 - 20 мкм.

Однако, для более тонких пленок нефти (а пленки нефти могут быть толщиной единицы мкм и менее [9,18]) ситуация совсем другая - при лазерном зондировании на длине волны 0,355 мкм лазерный рефлектометрический метод может надежно обеспечить обнаружение пленок нефти с толщиной не менее 2 мкм с приемлемыми вероятностью правильного обнаружения (более 0,9) и ложных тревог (менее 0,002) при относительном шуме измерений не более 5%. В тоже время при лазерном зондировании на длине волны 1,54 мкм вероятность правильного обнаружения пленок нефти с толщиной 2 мкм может принимать любые значения в интервале 0.. .1 (в зависимости от случайной толщины пленки в точке зондирования).

Заключение

Таким образом, в статье проведен сравнительный анализ вероятности обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности лазерным рефлектометрическим методом на наиболее перспективных для дистанционного зондирования безопасных для зрения длинах волн в ультрафиолетовом (0,355 мкм) и ближнем инфракрасном (1,54 мкм) диапазонах спектра. Показано, что для пленок нефти толщиной больше 20 мкм вероятность правильного обнаружения равна 100 % для длины волны зондирования как 0,355 мкм, так и 1,54 мкм. Для тонких пленок нефти с толщиной от 20 мкм до единиц мкм зондирование на длине волны 0,355 мкм имеет несомненное преимущество. Лазерный рефлектометри-ческий метод на длине волны 0,355 мкм может надежно обеспечить обнаружение пленок нефти с толщиной не менее 2 мкм с приемлемыми вероятностью правильного обнаружения (более 0,9) и ложных тревог (менее 0,002) при относительном шуме измерений не более 5%. В тоже время при лазерном зондировании на длине волны 1,54 мкм вероятность правильного обнаружения пленок нефти с толщиной ~ 2 мкм может принимать любые значения в интервале 0.1 (в зависимости от случайной толщины пленки в точке зондирования).

Список литературы

1. Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2015 год. М.: Росгидромет, 2016. 223 с.

2. Немировская И.А. Нефть в океане: (загрязнение и природные потоки). М.: Научный мир, 2013. 428 с.

3. Патин С.А. Нефть и экология континентального шельфа. М.: ВНИРО, 2001. 247 с.

4. Моторнов К.Н. Загрязнение вод Мирового океана. М. 2006 14 с._ Режим доступа: http://geoman.ucoz.ru/load/0-0-0-42-20 (дата обращения 26.10.2016).

5. Загрязнение морей и океанов. Режим доступа: http://www.o8ode.ru/article/planetwa/zagraznenie_morei_i_okeanov.htm (дата обращения 26.10.2016).

6. Нефть и экология. Режим доступа: http://www.rusnauka.com/17_PNR_2008/Ecologia/34369.doc.htm (дата обращения 26.10.2016).

7. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды: учеб. пособие / В.И. Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Белов, В.А. Городничев, Б.В. Стрелков. М.: Изд-во МГТУ, 2002. 528 с.

8. Оптико-электронные спутниковые системы мониторинга природной среды: учеб. пособие / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.Я. Колючкин, С.Б. Одиноков. М.: Из-во МГТУ, 2014. 76 с.

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

10. Стрелков Б.В., Белов М.Л., Тухватуллина С.А., Городничев В.А. Лазерный метод обнаружения нефтяных загрязнений на взволнованной морской поверхности, использующий угловое сканирование // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 7. DOI: 10.7463/0712.0413496

11. Федотов Ю.В., Матросова О.А., Белов М.Л., Городничев В.А. 77-30569/326277 Иерархический метод классификации нефтяных загрязнений на земной поверхности, основанный на регистрации флуоресцентного излучения в четырех узких спектральных диапазонах // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 2. С. 23. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/256187.html (дата обращения 26.12.2016).

12. Березин С.В. Разработка дистанционного лазерного измерителя толщины нефтяных пленок на взволнованной морской поверхности: дис. ...канд. техн. наук. М., 2006. 115 с.

13. ГОСТ 31581-2012. Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий. Введ. 2015-01-01. М.: Стандартинформ, 2013. 19 с.

14. Козинцев В.И., Городничев В.А., Белов М.Л., Смирнова О.А., Березин С.В., Хрустале-ва А.М. Лазерный метод дистанционного контроля толщины пленки нефтепродуктов на взволнованной морской поверхности // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2005. Т. 3. № 4-5. С. 54-59.

15. Федотов Ю.В., Матросова О.А., Белов М.Л., Городничев В.А. Метод классификации нефтяных загрязнений на земной поверхности, основанный на регистрации флуоресцентного излучения в пяти узких спектральных диапазонах // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 3. С. 191-206.

DOI: 10.7463/0313.0539554

16. Козинцев В.И., Белов М.Л., Городничев В.А., Смирнова О.А., Федотов Ю.В. Лазерный метод измерения толщины пленок нефти на взволнованной морской поверхности,

основанный на определении разности набега фаз в пленке для длин волн зондирования // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 10. С. 932-935.

17. Гардашов Р.Г., Гуревич И.Я., Шифрин К.С. Отражение излучения от взволнованной морской поверхности, покрытой нефтяной пленкой // Оптика океана и атмосферы. Баку: Элм, 1983. С. 33-44.

18. Матишов Г.Г., Никитин Б.А., Сочнев О.Я. Экологическая безопасность и мониторинг при освоении месторождений углеводородов на арктическом шельфе. М.: ГазОил Пресс, 2001. 231 с.

Science ¿Education

of the Baumail MSTU

Science and Education of the Bauman MSTU, 2017, no. 01, pp. 77-91.

DOI: 10.7463/0117.0000911

Received: 06.12.2016

Revised: 20.12.2016

© Bauman Moscow State Technical Unversity

A Comparative Detection Probability Analysis of the Water Surface Oil-Product Films by Laser Reflection Method for the Eye-Safe Sounding

Wavelengths

1 * 1 M.L Belov1, , Yu.I. Vsyakova1,

D.A. Kravtsov1, V.A. Gorodnichev1,

O.A. Gotalyskaya1

beloviSbmstuju

:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: laser; oil pollution; remote sensing method; detection

Among the remote-sensing techniques the most efficient ones to detect oil films on the water surface are laser refection methods based on the record of reflected radiation from the water surface and fluorescent methods based on the record of laser-induced fluorescence radiation of the water surface. Laser equipment, for example, installed on the delivery aircraft, can be used regardless of the time of day in a fairly wide range of optical states of the Earth's atmosphere and detect pollution of the small-size oil-products.

Laser reflection metods based on the record of reflected radiation from the water surface allow detection of oil films at high altitude of delivery aircraft (and, respectively, at the wideband spatial scanning on the surface of the water).

The paper is concerned with development of the laser reflection method to detect the oil-product films on the sea surface, which uses eye-safe laser radiation wavelengths.

The eyes safety requirement makes it necessary to choose between ultraviolet (0.18 - 0.38 p,m) and near-infrared (over 1.4 p,m) spectral ranges. The choice between these two options should be based on the efficient use of ultraviolet (0.18 - 0.38 p,m) and near infrared (over 1.4 p,m) ranges for detection of oil films on the water surface.

The results of mathematical modeling show that for the oil film thickness more than 20 p,m the detection probability is 100% for the sounding wavelength both of 0.355 p,m and of 1.54 p,m .

However, for the thinner films of oil (a thickness of the oil films may be of units of p,m or less) the situation is different. In laser sounding at a wavelength of 0.355 p,m, the laser reflection method allows reliable detection of the oil film, which have a thickness of 2 p,m, at least, with an appropriate probability of the proper detection (more than 0.9) and the false alarm rate (less than 0.002) for the relative noise of measurement being no more than 5%.

At the same time, in laser sounding at a wavelength of 1.54 p,m a probability of the proper detection of the oil films with a thickness of 2 p,m can have any value within the range 0 ... 1 (depending on the random thickness of the film in sounding point).

References

1. Obzor sostoianiia i zagriazneniia okruzhayuschej sredy v Rossijskoj Federatsii za 2015 god [Review of the status and pollution of environment in Russian Federation in 2015]. Moscow: Rosgidromet Publ., 2016. 223 p. (in Russian).

2. Nemirovskaia I.A. Neft' v okeane (zagriaznenie i prirodnye potoki) [Oil in the ocean: pollution and natural streams]. Moscow: Nauchnyj Mir Publ., 2013. 428 p. (in Russian).

3. Patin S.A. Neft' i ekologiia kontinental'nogo shel'fa [Oil and ecology of continental shelf]. Moscow: VNIRO Publ., 2001. 247 p. (in Russian).

4. Motornov K.N. Zagriaznenie vod Mirovogo okeana [The pollution of the waters of the World ocean]. Available at: http://geoman.ucoz.ru/load/0-0-0-42-20 , accessed 26.10.2016 (in Russian).

5. Zagriaznenie morej i okeanov [Pollution of the seas and oceans]. Available at: http://www.o8ode.ru/article/planetwa/zagraznenie morei i okeanov.htm , accessed 26.10.2016 (in Russian).

6. Neft' i ekologiia [Oil and ecology]. Available at:

http://www.rusnauka.com/17 PNR 2008/Ecologia/34369.doc.htm , accessed 26.10.2016 (in Russian).

7. Optiko-elektronnye sistemy ekologicheskogo monitoringa prirodnoj sredy [Opto-electronic systems of ecological monitoring of natural environment] / V.A. Kozintsev a.o. Moscow: MSTU Publ., 2002. 528 p. (in Russian).

8. Optiko-elektronnye sputnikovye sistemy monitoringaprirodnoj sredy [Opto-electronic satellite system of monitoring of natural environment] / M.L. Belov a.o. Moscow: MSTU Publ., 2014. 76 p. (in Russian).

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

10. Strelkov B.V., Belov M.L., Tuhvatullina S.A., Gorodnichev V.A. Laser method of detection of oil pollution on rough sea surface using angle scanning. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2012, no. 7, p. 14. DOI: 10.7463/0712.0413496 (in Russian)

11. Fedotov Yu.V., Matrosova O.A., Belov M.L., Gorodnichev V.A. 77-30569/326277 Hierarchical method of classification of oil pollution at earth's surface based on detection of fluorescence radiation within four narrow spectral bands. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2012, no. 2, p. 23. Available at: http://technomag.edu.ru/doc/256187.html , accessed 26.12.2016.

12. Berezin S.V. Razrabotka distantsionnogo lazernogo izmeritelia tolschiny neftianykh plenok na vzvolnovannoj morskoj poverkhnosti [Development of a remote laser tester of the thickness of oil films on rough sea surface. Cand. diss.]. Moscow, 2006. 115 p. (in Russian).

13. GOST 31581-2012. Lazernaia bezopasnot'. Obschie trebovaniia pri razrabotke i ekspluatatsii lazernykh izdelij. [Laser safety. General safety requirements in the design and operation of laser products]. Moscow: Standartinform Publ., 2013. 19 p. (in Russian).

14. Kozintsev V.I., Gorodnichev V.A., Belov M.L., Smirnova O.A., Berezin S.V., Khrustaleva A.M. Laser method for distant control of petroleum film thickness on rough sea surface. Informatsionno-izmeritel'nye i upravliayuschie sistemy [Information-measuring and Control Systems], 2005, vol. 3, no. 4-5, pp. 54-59 (in Russian).

15. Fedotov Yu.V., Matrosova O.A., Belov M.L., Gorodnichev V.A. Method of classification of oil slicks on the earth surface, based on detection of fluorescent radiation in five narrow spectral ranges. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2013, no. 3, pp. 191 - 206. DOI: 10.7463/0313.0539554 (in Russian)

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

17. Gardashov R.G., Gurevich I.Ia., Shifrin K.S. Otrazhenie izlucheniia ot vzvolnovannoj morskoj poverkhnosti, pokrytoj neftianoj plenkoj [Radiation reflection from a rough sea surface covered with oil film]. Optika okeana i atmosfery [Optics of ocean and atmosphere]. Baku: Elm Publ., 1983. Pp. 33-44 (in Russian).

18. Matishow G.G., Nikitin B.A., Sochnev O. Ia. Ekologicheskaia bezopasnost' i monitoring pri osvoenii mestorozhdenij uglevodorodov na arkticheskom shelfe [Environmental safety and monitoring during the development of hydrocarbon deposits on the Arctic shelf]. Moscow: GasOil Press Publ., 2001. 231 p. (in Russian).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.