文摘
我们报告一个小型光探测和测距传感器(激光雷达),提供在领域中使用的可能性在石油泄漏事件。在目前的研究中,我们开发一个算法,可以区分海水和油通过使用波长905纳米的激光。我们调查能力的传感器来检测三种不同的油(轻质原油,地堡,地堡C)通过实验和分析之间的差异的类型和数量溢油(1、5、10、15、20、25、30、35岁,40岁和50毫升)。结果表明,我们的算法检测石油泄漏在海水是成功的:激光雷达传感器能够探测不同油类型和数量。溢油区域范围不等,50%以上的检测区域,和地堡C油的粘度达到73%。此外,实验石油漏油主要是形成影片的1毫米和2毫米厚度,证实了几何属性。后续研究应进一步研究浮油的特征厚度测量激光雷达系统,进行现场测试,以评估在污染事件使用激光雷达系统的可行性。
1。介绍
经济发展通常导致海洋运输体积的增加,随后增加环境污染的海洋1]。特别是,从血管会导致灾难性的石油泄漏污染,会导致事件结果的各种因素包括气候条件和人为错误。这类事件反过来会导致社会和经济损失以及环境污染。在石油泄漏的情况下,因此非常重要的迅速应对涉及的船只。石油泄漏的历史事件凸显了需要一个方法,可以快速识别溢油信息为了方便及时、积极的应对活动。2017年,有250个小事件在韩国(< 1 kL),占事故总数的92.3% (2]。
在一开始的事件,报道有关各种条件是至关重要的建立污染的性质和规模。获得了解溢油量是一个重要的元素有效的应对大多数石油泄漏,对石油污染的位置和程度评估和验证预测的运动和命运的海上浮油(3]。
目前,石油泄漏是观察使用卫星和飞机,随后他们的扩散路径使用计算机模拟预测。然而,卫星是昂贵的使用和只提供非常有限的信息。此外,计算机建模的传播与不确定性相关的石油泄漏是由于结果根据输入条件的环境和石油泄漏参数。
各种技术研究了探测海洋石油泄漏,包括石油类型和组件的质量分析方法(4),紫外线(UV)荧光测量水和油的电气性能检测(5,6),测量体积变化硅橡胶对石油(7),并使用不同的吸光度检测(8- - - - - -11]。
可见光相机依赖广泛用于记录石油在海洋表面的分布;然而,他们要么是白天还是晚上。最常使用的组合传感器包括侧视机载雷达和向下方向(SLAR)可以热红外(IR)和紫外线(UV)成像系统。其他系统如前视红外(FLIR),微波辐射计(MWR),激光fluorosensors(低频),和紧凑的机载光谱成像仪(属于接近)也提供信息3]。
紫外线、热红外、FLIR MWR,属于接近被动传感器,测量发射或反射辐射。MWR可能是个例外,他们无法穿透云层,雾、霾或下雨。MWR可以提供石油在海洋表面的厚度信息但不能这样做,如果石油乳化。雷达系统可以穿透云和雾,白天或晚上,和能在大多数情况下,尽管他们不太有效的在平静的条件和强风。然而,雷达图像常常包含许多反常特性或假阳性,可以被误认为是石油、海冰等藻类大量繁殖,风的影子,和雨暴风,因此需要专家解释(3]。
此外,技术进步减少了设备的大小,许多遥感系统体积很大,只能用在它们安装专用的飞机。许多这些方法的发展还需要额外的功能激活源和图像处理等检测。此外,现有的方法通常需要额外的设备,例如,频率发生器、频谱分析仪、电容表。虽然可以检测水和溢油使用上述方法,技术上的限制(即。,equipment size, data processing functions, and extra equipment) occur when they are applied in situ to real spill incidents.
激光雷达是使用一个安装在一架飞机的激光器,无人驾驶飞机,船,或其他固定平台在各种水环境中包括海洋、海岸、河流和河口。激光雷达可以应用到各种各样的情况下,为特定的参数(例如,障碍检测12,13),估计海洋表面上的浮子浓度(14),验证卫星测量数据(15- - - - - -17船舶),观察围/对象检测、识别和跟踪的算法的发展船舶的位置(18- - - - - -20.]。
激光雷达能够正常运行在云层中,雾、霾、或雨,白天,晚上(21- - - - - -26),小型足以允许它被安装在一个小型无人驾驶飞机或船27,28]。检测到的数据也直观的查看,这样,专家解释不是必需的(29日- - - - - -36]。激光雷达传感器有更高的测量距离和特别决议相比,微波设备。此外,它提供了能够测量的优势2 d和3 d空间分布进行实时检测。
在这项研究中,我们旨在解决天气条件的限制,专家解释,设备尺寸,通过使用一个小型激光雷达和成本,可以使用在石油泄漏事件迅速在该领域,提供的可能性被安装在各种类型的设备。我们提出了一个算法开发区分海水和油通过使用波长905纳米的激光。我们进一步调查之间的差异的类型和数量溢油通过实验和分析的结果。
2。材料和方法
2.1。测量方法
在目前的研究中,激光雷达系统(三通道扫描方法)使用近红外波长905纳米的激光是为了石油海水表面的感觉。
激光雷达传感器最初是在1960年代开发的激光测距技术的发明。自1970年代以来,激光雷达传感器被开发和应用于各个领域,和它的范围已经扩大到应用,如航空测绘、船舶设计、制造、和气象观测,以及已经被安装在宇宙飞船探索机器人。
激光雷达是一种有效的远程探测和测距方法就像雷达、红外发射光脉冲,而不是无线电波和测量他们花多长时间回来后击中附近的对象。输出激光脉冲之间的时间和反射的脉冲激光雷达传感器可以精确计算出每个对象的距离,基于光的速度。激光雷达捕获数百万这样的精密距离测量分第二,从一个三维矩阵的环境可以产生。信息对象的位置、形状和行为可以从这个综合环境的映射(37)(图1)。
辐射和接收光束的效率取决于光路。激光雷达使用激光二极管拍摄从一个点光源,光束准直是增强反射式光学系统,而不是折射光学系统。图2显示了光路的设计基于反射光学系统。在设计,激光辐射水平扫描方法。每个三角镜设计1°的角度,0°,1°。通过实现不同的镜子的角度,三个频道可以使用单个激光二极管。
(一)
(b)
(c)
本文中使用的激光雷达的感官的范围120°水平视场和2°垂直视场3通道30 Hz扫描频率(表1)。
当感应到周围地区,激光雷达返回接收数据从目标中每个点的激光。实时显示接收到的激光点根据反射的时间和位置,和每一个点可以随后在2 d或3 d显示,如图3。
在这项研究中,一束激光反射或折射时接触到的表面海水和油;他们中的一些人回国后激光雷达和允许的距离测量。测量厚度的浮油,海水表面的感应条件首先分析。激光雷达和海水表面之间的距离然后计算是石油厚度(图的差异4)。激光雷达不断感觉海水表面。当检测到浮油,距离的差异之间的激光雷达测量的表面光滑的表面和周围的海水用于确定浮油厚度。因为激光雷达数据可能反映在海水表面,溢油识别的检测算法。
激光雷达系统是用于海水只(图5(一个)),然后海水+ 1的主要的三种类型的油油参与石油泄漏造成的船舶:轻原油,地堡C石油,石油(图和地堡5 (b))。三个独立的实验进行了使用每个油调查油厚度的20毫升。然后,每个油实验进行了增加卷(1、5、10、15、20、25、30、35岁,40岁和50毫升)为了调查石油扩散。实验是在一个正常的环境进行暴露在阳光和暴露于一个电灯被设置为模拟自然条件。
(一)
(b)
测试夹具是由执行和记录激光雷达测量(图6)。激光雷达系统是固定在上部的感知情况下,水箱是放置在底部。激光雷达系统维持在1.03米以上的距离水箱表面。测试传感时间是10秒,和遥感测量每秒8次,从而允许总共180000测量(例如, )。
2.2。溢油检测算法
为了确定正确的石油泄漏在海水表面的连续性试验装置,激光点在一个二维空间投影查看器程序。我们判断激光投影的基础上从位置距离和角度等的信息矩阵。这个方法不适合实时分类,因为它需要大量计算资源需求;因此,我们分类的点之间的距离测量的激光雷达激光使用三角函数。然后我们计算激光雷达设备和点之间的距离建立一个算法确定溢油的连续性。本研究中使用的激光雷达系统有一个水平的视野(FoV) 120°,能够测量750点。点之间的距离以及它们之间的角度可以使用计算 在哪里点的距离吗 , 点的距离吗来 ,和点之间的角度吗和 。
如果两个计算点存在一定距离内,他们被认为有连续性和添加到矩阵的连续点。然而,连续性的确定是影响不仅通过废水也从海面杂波反射。因此,连续性的决心是延迟即使两个点之间的距离不满足。在这种情况下,连续性是由比较前面的点之间的距离和下一个推迟点延迟的点。然而,如果有一个情况需要推迟一遍,每个点之间的距离和激光雷达系统进行比较的判断点是否存在类似的距离。
尽量减少噪音和验证连续性在激光雷达数据的连续点矩阵,使用了一个线性回归模型。我们使用Python的Pygame库检查模型的实现。最低线和趋势线估计距离之和最小的点计算。每个点投影在一个二维空间,和和计算每个点的位置。为此,每个点措施120°的范围从激光雷达装置的起源。
坐标点的价值( )被定义为( , )在测量的距离从任意角度测量水平空间分辨率为0.16°。的 - - - - - -价值决定的测量数据 - - - - - -位置是对称的。为了快速处理数据和确定测量位置,价值观是对称的基于60°。的 - - - - - -的价值以同样的方式计算的吗 - - - - - -所示值 在哪里激光雷达的距离点吗 ,和是数据的数量。
从位置矩阵通过计算( , )从第一个数据 - - - - - -th数据,最小化的解决方案可以发现为了估计线性回归模型所示
获得方程的解(3),一个上三角矩阵计算方程(4通过一个正交矩阵)。然后,和满足 分解获得各自的价值观,和的结果吗 计算见方程(5)。 在哪里正交矩阵和吗是上三角矩阵。
3所示。结果与讨论
3.1。基线检测实验(海水)
基线实验涉及使用激光雷达测量水箱中只有海水。激光雷达的特点,为水下传感意味着它是有限的;因此,激光吸收的只是感知情况下,海水表面,和水箱的情况。
这证实了传感范围使用空传感情况(即激光雷达系统。,no tank), and the sensing range for the tank was then confirmed by inserting an empty water tank into the sensing case. The seawater was subsequently added to the water tank. Figure7显示了遥感结果默认激光雷达设置情况,空水箱,水箱然后海水。总180000传感数据的测量,我们删除不必要的数据,如感知情况下,25680年的数据测量海水表面的有效范围是感觉。
(一)
(b)
(c)
3.2。溢油检测实验
比较实验,用20毫升的三种类型的油(轻质原油,地堡,地堡C)在海水表面,我们把浮油厚度分为8个等级:0级(即表面。0毫米),水平1 - 2 0.01 - -0.1毫米,3 - 4水平0.1 - -1.5毫米,4 - 6水平为1.5 - -2.5毫米,7级> 2.5毫米。
实验表明粘度的差异,这取决于油类型,可以感觉到使用905纳米波长的小型激光雷达。测量结果显示在查看器程序作为水蓝色和粉红色的石油。厚浮油出现深粉色的图片,而薄油显示为亮粉色,和如前所述,蓝色对应海水(图8)。20毫升的三种类型的石油泄漏,被占领的感觉(我)轻原油的石油区域,(ii)燃料石油,和(3)地堡C是40.49%,58.91%,和58.80%,分别为10秒测量时间的总面积。
(一)
(b)
(c)
油厚度测量作为所有石油类型3 - 6水平。一般来说,最常见的分布式石油厚度3 - 4的水平。感觉到油轻质原油的油的面积测量覆盖>总面积的50%,而燃油覆盖>总面积的60%。油厚度1毫米和2毫米测量最常见(图9)。我们确定波长905纳米的激光雷达可以用来测量石油的分布和厚度。激光雷达无法确定厚度< 0.01毫米或这是无法感知的功能。
(一)
(b)
(c)
3.3。溢油量检测实验
石油泄漏被发现通过改变卷(15,25岁,35岁,40岁,45岁和50毫升)和类型(轻原油、石油燃料,石油和地堡C),随后和厚度测量(数字10- - - - - -12)。我们预期,随着泄漏量增加,定期检测范围会增加。然而,由于迁移和扩散的浮油流入水箱,都表现出不同的特征。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
感觉到石油领域覆盖测量如下:50 - 60%的原油,55 - 70%地堡石油,60 - 73%地堡C石油总面积。浮油厚度分布在2 - 6的水平。即使在相同的容量,粘度越高,覆盖范围越肯定被认为是高。2级主要是与轻原油,而形成的高粘度地堡油(A和C)三级及以上(数字13- - - - - -15)。因此,通过实验在这项研究中,石油和石油的厚度可以使用905纳米的激光雷达测量波长,和浮油的几何特征可以证实。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
4所示。结论
在这项研究中,我们提出一个算法使用905纳米波长激光的激光雷达探测海水溢油。我们使用了一个试验装置模拟自然光条件是典型的海洋和测量三个油石油泄漏事件。轻原油,地堡油,船用C石油泄漏在不同海水卷成槽:15毫升,20毫升,25毫升,35毫升,40毫升,45毫升,50毫升。遥感溢油时,我们的实验证实,几个阶段的厚度可以同时测量由于石油的变化特性和扩散。
根据油型和粘度,发现浮油的分布和油厚度是不同的。激光雷达可以证实的厚度不同的油通过使用本研究中给出的算法。
溢油扩散表面不同厚度的海水由于石油属性和天气状况的改变。在我们的实验中,溢油区域范围不等,50%以上的检测区域,和粉碎机C油的粘度达到73%。此外,实验石油漏油主要是形成影片的1毫米和2毫米厚度,证实了几何属性。
因此,我们得出这样的结论:小,使用905纳米波长及其算法提供低成本的激光雷达探测石油泄漏的可能性表面海水代替更大、更昂贵的设备目前使用。后续研究应该进行现场试验,以吸收波浪和潮流的影响和评估现场海水浮油的可行性,也应旨在提高激光雷达系统的性能,这样它可以检测提高检测距离和油类型的变化。
数据可用性
感觉数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者后公司的规定要求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究受到了基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由教育部资助(批准号2018 r1d1a1b07041296)。