秦華偉, 陶辰超, 蔡 真, 范相會

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基于光學(xué)技術(shù)的水下氣泡探測實驗研究

秦華偉1, 陶辰超1, 蔡 真2, 范相會1

(1. 杭州電子科技大學(xué), 機(jī)械電子工程研究所, 浙江 杭州 310018; 2. 浙江大學(xué), 海洋學(xué)院, 浙江 舟山 316021)

熱液/冷泉溢出含有硫化氫、甲烷、二氧化碳等化學(xué)成分的氣泡。實驗室模擬海底熱液/冷泉資源溢出氣泡環(huán)境搭建了實驗平臺, 以甲烷氣體為實驗氣體, 在黑暗環(huán)境下用高速光電探測器對氣泡后向散射光進(jìn)行接收, 用拉曼光譜儀實現(xiàn)甲烷氣體氣泡后向散射光的拉曼檢測, 并與計算拉曼光譜比較。由結(jié)果可知激光拉曼光譜可以探測到氣泡后向散射光, 并識別氣泡中含有的氣體成分。通過探測氣泡成分, 從而判定這些氣泡是否來自海底熱液/冷泉等甲烷資源溢出。這樣的探測方式, 探測準(zhǔn)確率高, 緩解探測深度, 同時避免探測設(shè)備直接與海底資源直接接觸而造成的壽命縮減, 為將來的海洋探測與實際應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

甲烷氣體; 氣泡后向散射光; 光電探測器; 拉曼光譜; 計算拉曼光譜

熱液/冷泉相關(guān)領(lǐng)域的研究越來越引起海洋、生命研究領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注。深海熱液其突出物理特征在于熱液噴口上方形成的熱液羽狀流[1], 在部分熱液噴口, 伴隨有大量的氣泡存在, 熱液氣體成分主要包括硫化氫、甲烷和二氧化碳等。對于大洋底部熱液的調(diào)查手段而言, 主要利用熱液區(qū)域和上覆水體的物理以及化學(xué)異常, 通過對大洋中熱流的測量、熱液周圍及其噴口甲烷、錳等化學(xué)物質(zhì)的異常觀測、熱液柱海水溫度、鹽度、密度等的觀測、海底照相、聲吶側(cè)掃、深海潛水艇直接調(diào)查等實現(xiàn)對熱液地帶的分布調(diào)查以及具體探測[2-3]。所謂冷泉, 是指從洋底緩緩滲出的冰涼液體, 對于深海冷泉, 其突出物理特征在于冷泉上方大量氣泡形成的氣泡羽柱或氣泡幕, 冷泉?dú)怏w成分以CH4和CO2為主[4]。其富含的天然氣水合物具有巨大的發(fā)展前景同時也可能引發(fā)環(huán)境災(zāi)害[5], 并孕育著圍繞其生存的特異生物群。相對于熱液地帶的關(guān)注度以及探測研究技術(shù)方法, 對冷泉活動區(qū)的探測研究手段還略顯單薄。目前, 主要集中于應(yīng)用聲納技術(shù)對海底地形以及地貌進(jìn)行探測、地震波的測量、大洋化學(xué)成分分析及海底拍照攝像等手段對冷泉活動區(qū)實現(xiàn)識別和分布調(diào)查[6-7]。這些傳統(tǒng)水下探測手段在水下探測領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。各類化學(xué)傳感器、溫度傳感器、密度傳感器等由于直接與探測源接觸, 導(dǎo)致故障率高使用壽命短的缺陷。地貌、地震波探測手段也會存在精確度不高、周期性長的問題。對散射光測量方法主要有CDD相機(jī)拍攝成像, 再用圖像處理獲取圖片灰度與散射光強(qiáng)關(guān)系, 用光電探測器接收散射光, 將光信號轉(zhuǎn)換成電信號獲取數(shù)據(jù), 用光譜儀探測散射光, 獲取光譜圖等。散射方向在90°~180°方向的散射叫后向散射。后向散射光是在介質(zhì)內(nèi)部多次散射后逃逸出入射表面的光, 因此它必然攜帶了介質(zhì)內(nèi)部異常物體的情況信息。這樣我們就可以通過對后向散射光的研究,達(dá)到研究散射介質(zhì)的目的。在海水、大氣、醫(yī)療等檢測中后向散射探測運(yùn)用廣泛。而在水下拉曼技術(shù)方面, 歐美等海洋發(fā)達(dá)國家取得了一定進(jìn)展[8-11]。其中具有代表性的是美國研發(fā)并制造的已在海底探測領(lǐng)域獲得較得理想結(jié)果的DORISS系統(tǒng)。與西方發(fā)達(dá)國家相比, 我國將水下拉曼技術(shù)運(yùn)用于海底勘探領(lǐng)域的發(fā)展相對緩慢, 存在一定的距離。我國在2006年底啟動了國家863課題研究用以填補(bǔ)深海原位探測領(lǐng)域的空白并于2009年3月首試成功進(jìn)行海試[12-13]。對于大洋底部熱液/冷泉, 本文提出一種新的探測方法: 用激光拉曼光譜技術(shù)對深海熱液/冷泉的氣泡進(jìn)行后向散射光的探測, 對含有上述氣體成分的氣泡進(jìn)行識別, 從而判斷該區(qū)域下方是否存在熱液冷泉。這樣的一種間接式探測深海熱液/冷泉的方法, 具有準(zhǔn)確率高, 緩解探測深度的優(yōu)勢, 同時也避免設(shè)備長期過近與熱液/冷泉接觸造成設(shè)備使用壽命縮短。陸地能源日趨緊張, 迫切需要發(fā)展深海探測與資源開發(fā)技術(shù), 激光拉曼光譜技術(shù)在深海探測領(lǐng)域的運(yùn)用有利于推進(jìn)開發(fā)利用海洋資源, 加快了解海洋環(huán)境和利用深海資源的進(jìn)程, 為國家能源安全, 資源安全分憂解難, 加快實踐社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。

1 水下激光與激光拉曼技術(shù)簡介

激光在海水中傳輸時將被海水中的水分子、溶解物質(zhì)、固體懸浮物或者海水中的氣泡吸收和散射, 他會限制光波在海水中的傳輸距離。海水中光的消光特性與光的波長、海水所含的物質(zhì)、海水的深度等因素密切相關(guān)。海水的吸光表現(xiàn)為入射到海水中的部分光子能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量, 如熱動能和化學(xué)勢能, 同時激光在海水中也會產(chǎn)生不同方向的散射光, 所以激光在水下傳輸時表現(xiàn)出衰弱機(jī)制[14]。在散射光中典型的有前向散射和后向散射, 針對激光在水下的后向散射主要表現(xiàn)為水的后向散射和氣泡的后向散射。后向散射光是在介質(zhì)內(nèi)部多次散射后逃逸出入射表面的光, 因此它必然攜帶了介質(zhì)內(nèi)部的情況信息。

拉曼散射現(xiàn)象由印度科學(xué)家拉曼于1928年發(fā)現(xiàn)。其闡述了光照射到特定物質(zhì)上時, 入射光的光子與分子發(fā)生的不同碰撞以及相互之間能量和頻率的變化; 光子與分子之間沒有能量交換, 光子只改變運(yùn)動方向而不改變頻率, 這種散射過程稱為瑞利散射; 光子改變運(yùn)動方向且與分子間有能量交換, 光子頻率得到相應(yīng)改變, 這種散射過程稱為拉曼散射; 拉曼散射又分為斯托克斯散射和反斯托克斯散射[15]。根據(jù)光照射到特定物質(zhì)上散射光發(fā)生的頻率變化, 被運(yùn)用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析, 實際運(yùn)用中拉曼實驗一般監(jiān)測到的是斯托克斯散射。拉曼譜線的數(shù)量, 頻移取決于分子本身固有的振動和轉(zhuǎn)動能級的結(jié)構(gòu), 反映的是分子內(nèi)部各種簡正振動及有關(guān)振動能級的情況。激光拉曼光譜技術(shù)運(yùn)用在海底熱液/冷泉等甲烷資源的探測, 探測的是激光穿過含有化學(xué)成分的氣泡產(chǎn)生的后向散射光, 這是本項目的創(chuàng)新之處, 不直接接觸熱液/冷泉, 準(zhǔn)確率高, 檢測的長期穩(wěn)定性好。

需要說明的是, 光在水中傳播其衰減嚴(yán)重, 且在拉曼光譜中, 瑞利散射線的強(qiáng)度只有入射光強(qiáng)度的10–6, 拉曼光譜強(qiáng)度又只有瑞利線的10–6左右, 常規(guī)水下拉曼光譜強(qiáng)度太弱, 因此其不能直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測, 只能用于近距離化學(xué)成分識別。

2 對氣泡后向散射光的探測研究實驗

2.1 實驗裝置

第一部分實驗裝置示意圖如圖1所示。由于實驗中所模擬的氣泡尺寸及范圍較小, 故選取長寬高為40 cm×50 cm×40 cm的玻璃水箱作為模擬容器, 并將水箱放置在光學(xué)平臺上以隔絕外界震動。

實驗裝置的主要部件包括: 激光光源及光學(xué)接收部分。

其中, 激光發(fā)射部分有激光光源和擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡構(gòu)成。本次實驗采用DPSS激光器, 即二極管泵浦固體激光器作為激光光源, 型號為FRANKFURT公司的FPYL-532-30T。該激光器工作模式為連續(xù)波長, 其輸出波長為532 nm, 輸出功率為0~30 mw可調(diào), 其出射光束半徑約為2.0 mm, 發(fā)散角度小于1.2 mrad。為了減小激光光束的發(fā)散角, 并使光束傳遞回更多的有用信息, 實驗中需要在光源后添加擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置, 本實驗采用開普勒擴(kuò)束鏡, 該類擴(kuò)束鏡將一個凸透鏡作為輸入, 激光通過該透鏡后, 束腰半徑被縮小且最小點(diǎn)與該透鏡焦點(diǎn)重合。之后使光束通過另一個焦距較大的凸透鏡, 擴(kuò)大光束半徑、減小發(fā)散角。

本次實驗采用10倍、20倍物鏡及焦距為60 mm的雙凸透鏡組成擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡, 其擴(kuò)束倍數(shù)為3倍或6倍, 擴(kuò)束準(zhǔn)直后發(fā)散角為0.4 mrad和0.2 mrad。

實驗中采用的散射光接收裝置為Thorlabs公司的DET36A高速光電探測器, 其光譜響應(yīng)范圍為350~1 100 nm, 峰值波長為970 nm, 響應(yīng)時間為14 ns, 響應(yīng)度0.65 A/W。

由于在實驗中不能完全保證環(huán)境的黑暗, 為避免其他波長的光對實驗產(chǎn)生影響, 故在探測器前放置濾光片, 在保證氣泡后向散射光盡可能多的進(jìn)入光電探測器之外、最大限度的阻止太陽光、燈光等其他背景噪聲, 實驗中復(fù)合濾光部分采用直徑為25 mm、厚度為0.6 mm的532 nm帶通濾光片。

實驗中分別利用扎了不同孔徑大小的軟管、帶流量控制的輸液管和氣泵作為氣泡發(fā)生裝置, 產(chǎn)生尺寸大小不一的氣泡群; 而帶有流量控制的輸液管用于產(chǎn)生單個氣泡, 通過流量控制可對氣泡產(chǎn)生速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

激光器發(fā)射出的光束經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)后, 經(jīng)一個與光束成45°的反射鏡從水箱側(cè)面進(jìn)入, 再通過在水箱中45°放置的反射鏡照射到氣泡上, 水箱中放置吸光裝置對出射光進(jìn)行吸收, 消除水箱玻璃上存在的光斑。針對激光在水中會發(fā)生散射現(xiàn)象, 還需要將遮光黑布放置在水箱底部及右側(cè), 用來減少折射光對實驗的影響。

對氣泡后向散射光的反射是利用收發(fā)合置裝置進(jìn)行實現(xiàn)的, 該裝置即為一塊中心帶小孔的反射鏡, 激光從反射鏡中心小孔通過后照射到氣泡上, 由于氣泡會對激光產(chǎn)生散射, 其后向散射光沿著入射方向返回到反射鏡上, 并最終反射出水箱, 由高速光電探測器進(jìn)行接收。同時, 由于散射光強(qiáng)度很弱且較發(fā)散, 直接探測會存在一定困難, 在水箱與探測器前放置一凸透鏡對散射光進(jìn)行聚焦, 以盡可能地獲得更多散射光。實驗裝置實物圖如圖2所示。

第二部分實驗裝置示意圖如圖3所示, 這一實驗采用顯微光譜儀, 型號為英國Renishaw公司的inVia, 實現(xiàn)氣泡后向散射光的拉曼檢測, 配有高穩(wěn)定性研究級德國Leica顯微鏡, 光譜分辨率為1 cm–1, 空間縱向分辨率為2 μm。實驗過程和上一實驗類似, 不過多闡述, 最后用計算機(jī)采集數(shù)據(jù)。氣體上我們選擇天然氣為實驗氣體。不同的是最后用光譜儀來探測散射光, 從而獲取拉曼散射光譜。

2.2 實驗結(jié)果及分析

在開始探測前首先對該實驗裝置進(jìn)行了測試。然后依順序打開光電探測器、激光器及氣泡發(fā)生器, 間隔一段時間后, 再依次關(guān)閉氣泡發(fā)生器、激光器及光電探測器, 光電探測器所接收到的信號用示波器記錄, 最終結(jié)果見圖4。

從圖4中可以看到, 當(dāng)氣泡發(fā)生器打開后, 探測器所接收到的信號開始有大范圍的上下波動, 出現(xiàn)了許多不同間距、不同幅值及寬度的脈沖信號; 當(dāng)氣泡發(fā)生器關(guān)閉后, 這些信號出現(xiàn)了明顯的減弱, 最后信號又恢復(fù)到最初值?？梢园l(fā)現(xiàn)在此過程中信號的變化與水中氣泡的數(shù)量及運(yùn)動特性有直接的關(guān)系:

當(dāng)氣泡剛產(chǎn)生時, 探測器所接收到脈沖信號的振幅和寬度都較小; 當(dāng)氣泡發(fā)生器開始穩(wěn)定工作后, 脈沖信號的振幅及寬度都有所增加; 在最后當(dāng)關(guān)閉氣泡發(fā)生器時, 由于水中氣泡并沒有馬上消失, 同時在水中還存在著各種懸浮顆粒, 所以使得接收到的光散射信號也存在平緩的過度。

為了獲得所需要的氣泡動態(tài)信息, 我們對所測得信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。由于探測器所接收到的是在不同時間范圍內(nèi)的光強(qiáng), 我們對該圖像中10~ 11.8 s的部分放大, 如圖5所示, 可以發(fā)現(xiàn)氣泡的散射信號在圖中表示為一系列的脈沖信號, 其振幅和寬度并無明顯的規(guī)律性。

對圖5中數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變化(FFT), 將信號變換到頻域, 獲取其頻率信息, 其計算結(jié)果如圖6所示, 該計算過程由Matlab實現(xiàn)。

由圖6可知, 低頻在所有能量中占據(jù)了大部分, 這是由于在所接收到的散射光中水體的后向散射光所占的比重很大; 但同時也可以發(fā)現(xiàn), 圖中存在著2種振幅較大的頻率信號, 分別為35 Hz、80 Hz左右, 這些頻率就是由氣泡散射光所引起的。

其他條件不變, 通過改變氣泡源的位置來改變探測的距離, 得到不同探測距離的電信號。表1為氣泡源距離遠(yuǎn)近與后向散射光強(qiáng)度大小的關(guān)系表。