Анализ эффективных диапазонов регистрации флуоресцентного излучения для обнаружения разливов легких нефтепродуктов

Аннотация

На основе экспериментально измеренных спектров флуоресценции легких нефтепродуктов, водных объектов и растительности проведено математическое моделирование в целях анализа эффективных спектральных диапазонов регистрации флуоресцентного излучения для обнаружения разлива легких нефтепродуктов для волны возбуждения флуоресценции длиной 355 нм. Выявлено, что вероятности правильного обнаружения и ложных тревог для задачи обнаружения разливов легких нефтепродуктов зависят от типа нефтепродукта. Наибольшие вероятности правильного обнаружения (более 0,999) и небольшие вероятности ложных тревог (менее 0,012) можно обеспечить для легких нефтепродуктов с максимумами интенсивности флуоресцентного излучения на длинах волн ~ 390, 415 нм (при использовании двух спектральных каналов ~ 390, 550 нм и ~ 415, 475 нм). Для легких нефтепродуктов с максимумами интенсивности флуоресцентного излучения на длине волны ~ 430 нм наиболее эффективным является использование трех спектральных каналов с центральными длинами волн ~ 430, 475, 675 нм. Для таких нефтепродуктов результаты получаются несколько хуже, но все равно флуоресцентный мониторинг обеспечивает большие вероятности правильного обнаружения и небольшие вероятности ложных тревог. Для легких нефтепродуктов с максимумом интенсивности флуоресцентного излучения на длине волны ~ 470 нм наиболее эффективным является использование двух спектральных каналов с центральными длинами волн ~ 535, 695 нм. Для спектров нефтепродуктов, характерных для большого промежутка времени после разлива, результаты получаются хуже: большие вероятности правильного обнаружения и ложных тревог

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Белов М.Л., Федотов Ю.В., Нгуен Минь Бач и др. Анализ эффективных диапазонов регистрации флуоресцентного излучения для обнаружения разливов легких нефтепродуктов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2024, № 2 (147), с. 4--21. EDN: HFSEFK

Литература

[1] Черногаева Г.М., ред. Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2022 год. М., Росгидромет, 2023.

[2] Huettel M. Oil pollution of beaches. Curr. Opin. Chem. Eng., 2022, vol. 36, art. 100803. DOI: https://doi.org/10.1016/j.coche.2022.100803

[3] Roche B.H.R., King M.D. Quantifying the effects of background concentrations of crude oil pollution on sea ice albedo. The Cryosphere, 2022, vol. 16, no. 10, pp. 3949--3970. DOI: https://doi.org/10.5194/tc-16-3949-2022

[4] Komene G.L., Remi C.O. Oil pollution crisis and relationship marketing approach of oil firms in Niger delta. BJMMS, 2022, vol. 5, no. 1, pp. 39--78. DOI: http://dx.doi.org/10.52589/BJMMS-2HWKHPGW

[5] Ismailova N.M., Nadjafova S.I. Experience in assessing environmental risks of main oil pipelines in Azerbaijan through the prism of soil biogeoresistance to crude oil pollution. Moscow Univ. Soil Sc. Bull., 2022, vol. 77, no. 3, pp. 196--202. DOI: https://doi.org/10.3103/S014768742203005X

[6] Zhang J., Hoffman A., Kane A., et al. Development of pipeline leak detection technologies. 10th Int. Pipeline Conf., 2014, paper no. IPC2014-33619. DOI: https://doi.org/10.1115/IPC2014-33619

[7] Федотов Ю.В., Белов М.Л., Кравцов Д.А. и др. Лазерный флуоресцентный метод обнаружения утечек нефтепроводов на длине волны излучения 355 нм. Оптический журнал, 2019, т. 86, № 2, c. 23--28. DOI: http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-02-23-28

[8] Fedotov Yu.V., Belov M.L., Kravtsov D.A., et al. Selecting laser fluorosensor detection band to monitor oil pipeline leaks. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2021, vol. 1155, art. 012074. DOI: http://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/1155/1/012074

[9] Федотов Ю.В., Белов М.Л., Кравцов Д.А. и др. Экспериментальные исследования динамики спектров лазерно-индуцированной флуоресценции нефтяных загрязнений. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2019, № 1 (82), с. 66--76. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2019-1-66-76

[10] Белов М.Л., Белов А.М., Городничев В.А. Лазерный моноимпульсный флуоресцентный метод мониторинга нефтяных загрязнений. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2018, № 6 (123), с. 62--74. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/0236-3933-2018-6-62-74

[11] Fan Z., Schroder O., Krahl J. Analysis of diesel fuels/biodiesel blends and identification of biodiesel using Time--Resolved--Laser-induced Fluorescence Spectroscopy (TRLFS). Appl. Agric. Forestry Res., 2015, vol. 65, no. 1, pp. 1--14. DOI: http://dx.doi.org/10.3220/LBF1433315502000

[12] Pashayev A., Tagiyev B., Allahverdiyev K., et al. LIDAR for remote sensing of contaminations on water and earth surfaces taking place during oil-gas production. Proc. SPIE, 2015, vol. 9810. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2225219

[13] Palombi L., Lognoli D., Raimondi V. Fluorescence LIDAR remote sensing of oils: merging spectral and time-decay measurements. Proc. SPIE, 2013, vol. 8887. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2030204

[14] Utkin A.B., Lavrova A., Vilar R. Evaluation of oil spills by laser induced fluorescence spectra. Proc. SPIE, 2011, vol. 7994. DOI: https://doi.org/10.1117/12.880750

[15] Saitoh N., Takeuchi S. Fluorescence imaging of petroleum accelerants by time-resolved spectroscopy with a pulsed Nd:YAG laser. Forensic Sc. Int., 2006, vol. 163, no. 1-2, pp. 38--50. DOI: https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2005.10.025

[16] Karpicz R., Dementjev A., Kuprionis Z., et al. Laser fluorosensor for oil spot detection. Lith. J. Phys., 2005, vol. 45, no. 3, pp. 213--218. DOI: http://dx.doi.org/10.3952/lithjphys.45309

[17] Hegazi E., Hamdan A., Mastromarino J. Remote fingerprinting of crude oil using time-resolved fluorescence spectra. Arab. J. Sc. Eng., 2005, vol. 30, no. 1B, pp. 3--12.

[18] Malecha M., Bessant C., Saini S. Identification of oil contaminants on polymer coated beverage cans using fluorescence spectroscopy. Appl. Spectrosc., 2003, vol. 57, no. 8, pp. 1042--1048. DOI: https://doi.org/10.1366/000370203322259020

[19] Pastor J.V., Lopez J.J., Julia J.E., et al. Planar laser-induced fluorescence fuel concentration measurements in isothermal diesel sprays. Opt. Express, 2002, vol. 10, no. 7, pp. 309--323. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.10.000309

[20] Patsayeva S., Yuzhakov V., Varlamov V., et al. Laser spectroscopy of mineral oils on the water surface. EARSeL eProceedings, 2000, no. 1, pp. 106--114.

[21] Белов М.Л., Нгуен Минь Бач. Выбор диапазонов регистрации лазерно-индуцированного флуоресцентного излучения для задачи обнаружения разливов дизельного топлива. Контенант, 2022, т. 4, № 2, c. 53--67.

[22] Fedotov Yu.V., Belov M.L., Kravtsov D.A., et al. Experimental studies of efficient sensing fluorescence radiation bands to detect oil and petroleum product spills. J. Phys.: Conf. Ser., 2019, vol. 1399, art. 055037. DOI: http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/1399/5/055037

[23] Yang J., Gong W., Shi S., et al. Excitation wavelength analysis of laser-induced fluorescence LiDAR for identifying plant species. IEEE Geosc. Remote Sens. Lett., 2016, vol. 13, no. 7, pp. 977--981. DOI: https://doi.org/10.1109/LGRS.2016.2557484

[24] Meyer S., Cartelat A., Moya I., et al. UV-induced blue-green and far-red fluorescence along wheat leaves: a potential signature of leaf ageing. J. Exp. Bot., 2003, vol. 54, no. 383, pp. 757--769. DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/erg063

[25] Snels M., Guarini R., Dell Ag1io M. First results obtained with a LIDAR fluorescence sensor system. Proc. SPIE, 2000, vol. 4070, pp. 100--107. DOI: https://doi.org/10.1117/12.378144

[26] Yang J., Gong W., Shi S., et al. Analyzing the performance of fluorescence parameters in the monitoring of leaf nitrogen content of paddy rice. Sc. Rep., 2016, vol. 6, art. 28787. DOI: https://doi.org/10.1038/srep28787

[27] Maurya R., Gopal R. Laser-induced fluorescence ratios of Cajanus cajan L. under the stress of cadmium and its correlation with pigment content and pigment ratios. Appl. Spectrosc., 2008, vol. 62, no. 4, pp. 433--438. DOI: https://doi.org/10.1366/000370208784046687

[28] Lichtenthaler H.K., Lang M., Sowinska M., et al. Detection of vegetation stress via a new high resolution fluorescence imaging system. J. Plant Physiol., 1996, vol. 148, no. 5, pp. 599--612. DOI: https://doi.org/10.1016/S0176-1617(96)80081-2

[29] Maurya R., Gopal R. Study of laser-induced fluorescence signatures from leaves of wheat seedlings growing under cadmium stress. Gen. Appl. Plant Physiology, 2005, vol. 31, no. 3-4, pp. 181--196.

[30] Mishra K.B., Gopal R. Detection of nickel-induced stress using laser-induced fluorescence signatures from leaves of wheat seedlings. Int. J. Remote Sens., 2008, vol. 29, no. 1, pp. 157--173. DOI: https://doi.org/10.1080/01431160701280975

[31] Luedeker W., Guenther K.P., Dahn H.G. Detection and mapping of oil contaminated soils by remote sensing of laser induced fluorescence. Proc. SPIE, 1995, vol. 2504, pp. 426--435. DOI: https://doi.org/10.1117/12.224129

[32] Ciuciu G.J., Secrieru D., Pavelescu G., et al. Investigation of seawater pollution on the Black Sea Romanian coast. Proc. SPIE, 2006, vol. 6522. DOI: https://doi.org/10.1117/12.723173