Suplemento 2.18: El Escáner UV-IR
Principio de Funcionamiento
Los escáneres de línea IR / UV se han establecido como herramientas estándar en la detección remota de derrames de petróleo por aire durante algún tiempo. Son capaces de mapear simultáneamente la extensión total del derrame de hidrocarburos, desde capas delgadas (>0,01 μm de espesor) hasta hidrocarburos de superficie espesa (>100 μm de espesor). El instrumento utiliza dos sensores diferentes:
- un detector óptico sensible a la luz en el rango casi ultravioleta (UV), típicamente 320-380 nm, y
- un detector de infrarrojos (IR) sensible a la radiación en el rango térmico, típicamente 8-12 μm.
Ambos sensores escanean a través de la pista como se muestra a la derecha, construyendo una fila de píxeles para cada línea de escaneo. El tamaño de píxel a lo largo de la trayectoria está determinado por el campo de visión instantáneo (IFOV) y la altitud de vuelo; el tamaño de píxel a lo largo de la trayectoria está determinado por la tasa de exploración y la velocidad de vuelo de la aeronave. Debido a que la velocidad de escaneo y el IFOV son iguales para ambos sensores, éstos producen imágenes co-registradas de la superficie del agua.
Detección de Hidrocarburos midiendo el Contraste Agua-Aceite
Los sensores UV e IR operan en partes muy diferentes del espectro electromagnético, por lo que los principios físicos detrás de la detección de hidrocarburos son muy diferentes. Los sensores miden diversas propiedades del petróleo y del agua circundante, y la gama de fenómenos naturales (por ejemplo, luz solar, temperatura del aire y del agua, viento y olas) que pueden dar lugar a "falsos positivos" es generalmente diferente para los dos sensores. Ésto hace que su combinación sea un instrumento más confiable para la detección de hidrocarburos que cualquier sensor por sí solo.
Para el control de derrames de hidrocarburos, el parámetro importante es el contraste agua-aceite. Éste generalmente se define como la señal de un parche de petróleo menos la señal del agua circundante dividida por la señal del agua. Cuando el contraste es 0, no se puede detectar el petróleo. El contraste negativo o positivo permite detectar petróleo si el contraste es mayor que el nivel de ruido de los instrumentos.
Contraste Aceite-Agua en Imágenes Térmicas IR
La detección de aceite superficial en datos térmicos se basa en principios físicos muy diferentes de los responsables del contraste entre aceite y agua en la parte UV del espectro. El aceite es detectable en imágenes térmicas por dos razones:
- La emisividad térmica el aceite es menor que la del agua.
- La temperatura del aceite de la superficie es a menudo diferente de la temperatura del agua circundante.
Radiación de cuerpo negro
Todas las superficies emiten radiación electromagnética en un amplio rango espectral. A temperaturas típicas de la superficie del mar, el pico de emisión es de 9-11 μm. Para un cuerpo negro ideal, el espectro de radiación térmica está determinado por la ley de radiación de Planck (ver figura), y la radiación emitida se conoce como radiación de cuerpo negro. La intensidad de la radiación emitida por una superficie real es habitualmente menor que la radiación del cuerpo negro y depende de la emisividad de la superficie. La emisividad del agua de mar en el IR térmico es del 98 al 99% de la emisividad de un cuerpo negro a la misma temperatura. La emisividad del petróleo suele ser del 94 al 97%, según el tipo y el grado de meteorización, por lo que el petróleo parecerá más frío que el agua a la misma temperatura. Las películas de aceite más delgadas (‹ 50-1000 μm) están esencialmente en equilibrio térmico con el agua y, por lo tanto, darán un contraste negativo. Sin embargo, para películas más delgadas que 1-2 veces la longitud de onda de la radiación (10-20 μm), la mayor parte de la señal emitida proviene del agua debajo del petróleo, por lo que el contraste es demasiado bajo para ser detectado. El rango de espesor mínimo detectable suele estar entre 20 y 70 μm.
Imagen IR del crudo de Forties
Cuando el petróleo se libera por primera vez, la evaporación de los componentes volátiles enfriará la superficie, por lo que puede estar más frío que sus alrededores. Una vez que se detiene la evaporación, las capas más delgadas alcanzarán el equilibrio térmico con el agua.
Pero el petróleo más espeso puede comenzar a calentarse. El coeficiente de absorción del petróleo es típicamente muchos miles de veces mayor que el del agua en longitudes de onda visibles (donde la radiación solar alcanza su punto máximo). Una capa de petróleo crudo de sólo 200-500 μm de espesor (según el tipo y la intemperie) absorbe prácticamente toda la radiación incidente en la superficie. La mayor parte de la energía radiante se convierte en calor. Parte de dicho calor se transfiere al aire y al agua, pero la conductividad térmica del petróleo es baja, por lo que una capa espesa suele estar más caliente que el agua circundante durante las horas del día.
A un cierto espesor, el efecto de la temperatura más alta compensará el efecto de la emisividad más baja del petróleo, y su temperatura luminosa será la misma que la temperatura luminosa del agua. Por encima de este umbral de espesor, el petróleo aparecerá más brillante que el agua en las imágenes térmicas. El espesor del umbral depende del petróleo (propiedades de absorción, meteorización) y su entorno (luz incidente, temperatura del agua y del aire, estado del mar, etc.). Normalmente, la transición se produce entre 70 y 150 μm de espesor.
Los sensores infrarrojos a menudo no detectan las emulsiones de agua en aceite. Probablemente esto se deba a que normalmente contienen un 70% de agua, por lo que la diferencia de emisividad es pequeña. El agua en la emulsión también aumenta la conductividad térmica, por lo que es más probable que el aceite esté en equilibrio con su entorno.
Varias "semejanzas" de petróleo pueden dar lugar a una identificación falsa del mismo en las imágenes térmicas. Éstos incluyen malezas, costas y frentes oceánicos.
Geometría de la operación de escaneo de líneas UV / IR
Especificaciones típicas del sensor:
- Banda de ondas UV: λ = 320 - 380 nm
- Banda de ondas IR: λ = 8 - 12 μm
- Método de escaneo: escaneo a través de la pista
- Velocidad de escaneo: 20 Hz (20 líneas por segundo)
- Campo de visión instantáneo (IFOV): 2.5 mrad (= 0.014°)
- Campo de visión (FOV): 90°
- Altitud de operación: idealmente 1000 pies
Contraste Aceite-Agua en Imágenes UV
Los sensores UV detectan el petróleo en la superficie porque sus propiedades ópticas son muy diferentes a las del agua circundante:
- El aceite tiene un índice de refracción más alto que el agua, particularmente en los rayos ultravioleta; por lo que el petróleo de la superficie refleja más la luz incidente del sol y el cielo, y parece más brillante que el agua circundante.
- A la luz del sol brillante, la radiación UVA y UVB puede excitar la fluorescencia del aceite en longitudes de onda de aproximadamente 360 nm y más; esta fluorescencia inducida por la luz solar aumenta a medida que aumenta el espesor del aceite.
Imagen UV del petróleo crudo
El contraste aceite-agua en los rayos ultravioleta suele ser positivo. Un contraste positivo débil puede detectarse en espesores tan bajos como 0.01μm en condiciones tranquilas. El contraste aumenta a medida que aumenta el espesor del aceite. En una capa de unos pocos micrones de espesor, la fluorescencia inducida por el sol puede aumentar el brillo del petróleo. El petróleo emulsionado puede parecer particularmente brillante (fuerte contraste positivo). Algunos sensores UV tienen un ancho de banda que puede incluir violeta (390-450 nm) y azul (450-480 nm). Esto aumenta su sensibilidad a la fluorescencia inducida por el sol de los petróleos crudos, pero reduce la capacidad del sensor para detectar petróleos muy finos.
La interpretación de los datos UV no siempre es sencilla. Varios fenómenos pueden confundirse con el petróleo: entre ellos se incluyen las manchas de viento, la espuma o el sol, los reflejos de las nubes y el material biogénico. La detección es más confiable cuando está corroborada por datos de otros tipos de sensores.
Fusión de Datos UV / IR
La fusión de datos es la combinación de datos de diferentes sensores para obtener información que puede no ser obtenida de manera confiable por sensores individuales por sí solos. La técnica de combinar imágenes UV e IR en la detección de derrames de hidrocarburos se basa en varias décadas de detección de hidrocarburos exitosa con cámaras y videocámaras UV e IR, y más tarde con escáneres de línea capaces de producir imágenes digitales con referencias geográficas. Los sensores ultravioleta (UV) e infrarrojos térmicos (IR) son sensibles a rangos muy diferentes de espesores de petróleo, por lo que superponiendo imágenes de los dos sensores se pueden producir mapas fiables del espesor relativo del petróleo.
IR, UV e imagen artificial combinada de una marea negra, detectada en la primavera de 2000.
La fusión de datos requiere que las imágenes que se combinan cubran la misma área y sean virtualmente idénticas en resolución espacial. Con sensores que se operan de forma independiente con diferentes velocidades de muestreo, diferentes geometrías de sensores, anchos de franja, diferentes formatos de datos, etc., la fusión de datos requiere mucho tiempo y es difícil de lograr. Sin embargo, si se combinan dos sensores, para tener geometrías y velocidades de escaneo comunes, la fusión se vuelve mucho más simple, con mapeo directo uno a uno entre dos o más imágenes.
