Ликвидация разлива нефти на воде требуют особых методик обнаружения на основе визуализации. В диапазоне волн видимого света океанская вода часто бывает мутной и кажется темной, если смотреть сверху вниз. Под большим углом океанская вода отражает солнце, горизонт или небо и может казаться очень яркой. Из-за этой сильно меняющейся яркости поверхности любую тонкую пленку жидкости, плавающую на поверхности, трудно увидеть невооруженным глазом или с помощью цифровой видеокамеры. Разливы сырой нефти или дизельного топлива обычно поднимаются на поверхность и плавают там некоторое время из-за своей низкой плотности.
И несмотря на то, что разливы могут образовывать четко очерченные пленки, в первую очередь в спокойных водах, между нефтяной пленкой и поверхностью воды обычно нет четкого визуального контраста, по крайней мере, для невооруженного глаза. В особенности при низких углах падения, как вода, так и нефтяная пленка выглядят темными. Обнаружение разливов нефти становится еще более трудным при наличии волн на воде. Волнение поверхности воды попеременно кажется то темным, то светлым в зависимости от того, как оно отражает небо или солнце над ним, что еще больше маскирует малоконтрастные участки нефтяной пленки.
Но визуализация с помощью видеокамеры — это лишь один из методов локализации аварии. Альтернативные диапазоны волн электромагнитного спектра позволяют повысить контрастность нефтехимических продуктов на фоне воды при различных состояниях моря и условиях освещения. Недавние исследования, проведенные инженерами FLIR, показали, что существует как минимум три фундаментальные причины, по которым длинноволновая инфракрасная съемка является мощным инструментом для обнаружения разливов нефти и нефтепродуктов в полевых условиях.
Нестабильность степени освещенности в видимом диапазоне
Системы обнаружения нефтяных разливов в идеале должны непрерывно работать в любое время суток, независимо от погоды и времени суток. Однако естественная освещенность поверхности океана в видимом диапазоне очень изменчива. Уровень видимого света может отличаться в 100 миллионов раз между ярким солнечным днем и пасмурной ночью без луны или искусственных источников света. Однако инфракрасная часть спектра, в особенности длинноволновый ИК-диапазон, очень однородна, а уровень освещенности меняется не более чем в два раза. Термограммы в инфракрасном диапазоне всегда освещены за счет ИК-излучения самой снимаемой сцены, не требуют освещения в ночное время и имеют внешний вид, который очень несущественно меняется в разные периоды дня и ночи.
После аварии нефтяного танкера и разлива нефти в Персидском заливе в 2010 году камеры FLIR позволили бригадам по ликвидации последствий аварии работать круглосуточно и даже собирать нефть в полной темноте.
Неравномерность, вызванная отражением в спектре видимого света
Поверхности естественных водоемов часто являются очень неоднородными отражателями в видимом диапазоне, особенно при наличии волн, поверхностного волнения или ветра. Волны на поверхности могут похожи на чередующиеся выпуклые и вогнутые зеркала, быстро изменяя видимую яркость поверхности воды и легко скрывая такие особенности поверхности, как плавающая нефть. Солнечные лучи также могут стать большой проблемой для камер видимого света - такие камеры “слепнут” от солнечного света, отражающегося от поверхности воды, особенно на восходе или закате, если камера повернута в сторону солнца.
ИК-камеры не чувствительны к солнечным лучам по сравнению с камерами видимого света. Пик солнечного излучения приходится на видимую часть электромагнитного спектра с длиной волны около 500 нм, поэтому при попытке увидеть нефть на поверхности воды возникает множество помех. Солнечное излучение в длинноволновом ИК-диапазоне рассеянно отражается от поверхности воды на порядки слабее и едва заметно при нормальном освещении. Даже в пасмурный день, когда освещенность равномерна, степень изменчивости яркости поверхности воды в видимом диапазоне может быстро меняться из-за переменной отражательной способности поверхности воды. Поскольку большая часть инфракрасного излучения, которое можно увидеть с помощью длинноволновой ИК-камеры, испускается самой поверхностью воды, а не отражается, поверхность выглядит гораздо более однородной. Эта однородная яркость, зафиксированная в тепловых ИК диапазонах волн, создает основу для практического обнаружения нефтяных разливов с помощью визуализации.
Формирование высококонтрастного изображения
Пленка нефти, нефтепродуктов или дизельного топлива на поверхности воды выглядит совершенно иначе, чем сама вода в ИК-диапазоне, что придает плавающим пленкам нефти отчетливый вид. ИК-изображения нефтяных пленок гораздо менее чувствительны к факторам преломления солнечного света, особенно в длинноволновом ИК диапазоне, где отражение солнечного света от воды незначительно. Экспериментальным путем мы обнаружили, что тонкие поверхностные пленки нефти и дизельного топлива выглядят темнее воды в длинноволновом ИК диапазоне и светлее воды в средневолновом ИК диапазоне. Причины такой изменчивости внешнего вида обусловлены сложным сочетанием явлений, включающих коэффициенты преломления воды и масла, интерференционные эффекты, которые наблюдаются в пропускающих тонких пленках, а также излучательной способностью нефти и воды в тепловом ИК диапазоне волн. Например, оптически толстая пленка нефти будет более отражающей, чем вода, в тепловом ИК-диапазоне из-за более высокого объемного показателя преломления нефти.
Оптически плотные пленки нефти, находящиеся в тепловом равновесии (при одинаковой температуре) с поверхностью воды, всегда будут излучать меньше ИК-излучения, чем вода, и, следовательно, всегда будут казаться темнее воды. Кроме того, оптически плотные пленки будут отражать холодное небо над головой в объектив камеры, что еще больше увеличивает их темный вид по сравнению с водой. Экспериментально наблюдаемые нефтяные пленки выглядят оптически плотными в длинноволновом ИК диапазоне почти до самого края, потому что длинноволновый ИК свет сильно поглощается в самом верхнем слое молекул нефтяного слоя. Эти же нефтяные пленки обладают меньшим поглощением средневолнового ИК-излучения, и поэтому могут иметь гораздо более разнообразный вид, поскольку пленки уже не являются оптически плотными; т.е. через тонкую пленку проходит средневолновый ИК-излучение, что позволяет отражаться от границы раздела воздух-нефть и нефть-вода, это приводит к интерференционным эффектам тонкой пленки. Это те же эффекты, которые заставляют разлитый в луже бензин выглядеть как радужно окрашенные пятна. Результатом этих оптических эффектов является то, что в средневолновом диапазоне нефтяные пленки на воде имеют пятнистый вид. Они могут выглядеть попеременно светлыми и темными в сложных узорах с менее четкими границами общей пленки. Контраст между нефтехимическими пленками и морской водой в средневолновом диапазоне всегда меньше по сравнению с длинноволновым диапазоном.
Итоги экспериментов
Эксперименты, проведенные сотрудниками FLIR на испытательном полигоне Ohmsett в прибрежном Нью-Джерси, подтверждают, что длинноволновые ИК-камеры позволяют получить изображение нефтехимических разливов на поверхности морской воды лучше, чем изображение, полученное при видимом свете или средневолновое ИК-изображение. На рис. 2 показаны три синхронных снимка разлива сырой нефти Doba/ Chad, на поверхноси морской воды при спокойном состоянии моря. Угол обзора составляет 45 градусов.
Разлив сырой нефти на месторождении Доба, республика Чад в спокойном состоянии моря.
Слева – Цифровая камера; Посередине – ИК-камера средневолнового спектра; Справа – ИК-камера длинноволнового спектра.
Нефтяная пленка выглядит как высококонтрастное темное пятно на поверхности воды на длинноволновом ИК-изображении, поскольку, как было сказано ранее, нефтяная пленка имеет более низкую объемную излучательную способность и, следовательно, более высокую отражательную способность по сравнению с водой. Нефтяная пленка отражает в камеру холодное небо над ней. Средневолновое ИК-изображение той же нефтяной пленки показывает яркую центральную область, окруженную более тусклым кольцом, где нефтяная пленка тоньше. Изменение отражательной способности вызвано интерференционными эффектами, возникающими из-за частичной прозрачности нефтяной пленки для средневолнового ИК-излучения.
В результате этого явления снижается контраст между водой и масляной пленкой, и средневолновое ИК-излучение становится менее эффективным способом визуализации масляной пленки на воде. Также солнечный свет частично отражается от ряби на воде - это приводит к формированию солнечных помех, которые мешают формированию средневолновых ИК-изображений. На изображении в видимом свете виден сильный контраст между нефтью и водой, но по мере распространения нефти ее становится труднее разглядеть. В видимом диапазоне нефть выглядит довольно темной там, где она образовала плотные пятна. Сама нефть довольно прозрачна для видимого света - мы видим частицы углерода и другие примеси, взвешенные в пленке. Обратите внимание, что вся картинка сильно искажена изменяющимися отражениями окружающего света от движущейся поверхности воды, что делает нефть гораздо более трудноразличимой в видимом диапазоне.
Снимок разлива дизельного топлива на воде в сумерках. Испытательный полигон Ohmsett, Нью-Джерси.
Слева – цифровая камера; Посередине – средневолновая ИК-камера; Снизу – длинноволновая ИК-камера.
На рисунке 3 показаны результаты эксперимента, в ходе которого на воду было налито дизельное топливо. На снимке в видимом свете топливо слабо различимо. Этот снимок был сделан в сумерках, когда окружающий свет был ослаблен, а контрастность была низкой. На средневолновом ИК-изображении разлив светлого цвета, а на длинноволновом ИК-изображении разлив темный. Обратите внимание, что на ИК-изображения не повлияло отсутствие солнечного света.