崔永強(qiáng)，孔德明，張曉丹，孔德瀚，袁 麗

1. 燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066000 2. 燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066000 3. 河北環(huán)境工程學(xué)院信息工程系，河北 秦皇島 066000

引 言

隨著海上石油運(yùn)輸、開采的快速發(fā)展，輪船排污、運(yùn)油船只及海上鉆井平臺(tái)泄漏等溢油事故的發(fā)生，海上溢油污染問(wèn)題已經(jīng)十分突出[1-2]。及時(shí)獲取海水表面溢油信息，鑒別溢油種類，估算溢油范圍及污染量，對(duì)溢油污染的快速處理和水體環(huán)境的保護(hù)具有重要意義[3]。

近年來(lái)多種遙感技術(shù)被用于溢油監(jiān)測(cè)，其中激光誘導(dǎo)熒光(laser induced fluorescence，LIF)探測(cè)技術(shù)是目前被認(rèn)為最有效的海面溢油探測(cè)技術(shù)之一[4-5]。研究人員可以利用LIF技術(shù)鑒別海面溢油的污染情況與溢油種類[6-9]，但對(duì)于油膜厚度的監(jiān)測(cè)目前尚未形成一套可以有效適用于各種不同厚度油膜的評(píng)估方法。因此，利用LIF探測(cè)技術(shù)評(píng)估海面溢油范圍及其污染程度已成為近期該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

對(duì)于海面油膜厚度的評(píng)估，傳統(tǒng)方法是根據(jù)《波恩協(xié)議》油膜色彩與油膜厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系人工確定油膜厚度。Kung等提出了利用LIF探測(cè)技術(shù)評(píng)估海面溢油的建模方法[10]，1980年，Hoge等基于該方法提出了一種利用拉曼散射光評(píng)估油膜厚度的積分反演算法并進(jìn)行了溢油探測(cè)實(shí)驗(yàn)[11]。我國(guó)對(duì)海面溢油也進(jìn)行了大量的研究，中國(guó)海洋大學(xué)成功研制了用于海洋參數(shù)測(cè)量的激光雷達(dá)系統(tǒng)并于2006年完成了水面油膜的探測(cè)實(shí)驗(yàn)[12]。上述研究?jī)H適用于薄油膜厚度評(píng)估，目前尚無(wú)適用于較厚油膜的反演算法。鑒于此，本文提出了一種基于LIF技術(shù)采用油膜熒光信號(hào)評(píng)估較厚油膜的反演算法，研究了該算法的適用范圍, 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 算法原理

1.1 薄油膜反演算法

如前所述，Hoge等提出了一種適用于評(píng)估薄油膜厚度的積分反演算法，其原理是海水受紫外激光束照射激發(fā)的拉曼散射光由于海面油膜的吸收呈指數(shù)衰減，據(jù)此依據(jù)拉曼散射光衰減程度反演出油膜厚度，油膜厚度d可表示為[11]

(1)

式中：ke和k分別為油膜在激發(fā)波長(zhǎng)和波長(zhǎng)λ的消光系數(shù)；R′為油膜覆蓋海面時(shí)海水的拉曼峰信號(hào)強(qiáng)度；R為純凈海水的拉曼峰信號(hào)強(qiáng)度。其原理如圖1所示[11]。

圖1 薄油膜厚度反演算法原理圖Fig.1 Principle diagram of inversion algorithm for thin oil film

積分拉曼法依賴?yán)⑸涔庑盘?hào)，當(dāng)海面油膜較厚，拉曼散射光被油膜吸收而無(wú)法監(jiān)測(cè)到拉曼散射光信號(hào)時(shí)，該算法無(wú)法反演油膜厚度，因此該算法僅適用于具有拉曼散射光信號(hào)的薄油膜(≤10～20 μm)，而不適用于較厚油膜的評(píng)估。

1.2 較厚油膜反演算法

Kung等提出了利用LIF探測(cè)技術(shù)對(duì)海面溢油建模的方法，采用LIF技術(shù)探測(cè)溢油覆蓋的海面，探測(cè)器接收到波長(zhǎng)λ的信號(hào)K包括油膜熒光信號(hào)、海水背景熒光信號(hào)和海水拉曼散射光信號(hào)三部分, 該信號(hào)可以表示為[10]

K=ηP0{1-exp[-(ke+k)d]}+

(ξP0+δrΨP0)exp[-(ke+k)d]

(2)

式中，P0為入射的激光能量，ke和k分別為油膜在激發(fā)波長(zhǎng)和波長(zhǎng)λ的消光系數(shù)，d為油膜厚度，η，ξ和Ψ分別為在波長(zhǎng)λ的油膜熒光轉(zhuǎn)換效率、海水熒光轉(zhuǎn)換系數(shù)和海水拉曼轉(zhuǎn)換系數(shù)，δr為δ函數(shù)。

由式(2)可知，隨著油膜厚度的增加，海水的拉曼散射光信號(hào)由于油膜的吸收呈指數(shù)衰減，而油膜熒光信號(hào)呈指數(shù)增強(qiáng)，在無(wú)法監(jiān)測(cè)到拉曼散射光信號(hào)時(shí)，可以采用油膜熒光信號(hào)反演較厚油膜的厚度。

采用LIF技術(shù)探測(cè)無(wú)溢油覆蓋的海面，此時(shí)探測(cè)器接收到的信號(hào)為海水的背景熒光和拉曼散射光信號(hào)，波長(zhǎng)λ的信號(hào)Kw可表示為

Kw=ξP0+δrΨP0

(3)

采用激光照射被測(cè)油品，可以獲取該油品的熒光特征光譜，此時(shí)探測(cè)器接收到波長(zhǎng)λ的熒光信號(hào)Ko可表示為

(4)

將式(3)和式(4)代入式(2)，化簡(jiǎn)可得

K=Ko-(Ko-Kw)exp[-(ke+k)d]

(5)

式(5)化簡(jiǎn)可得油膜厚度的反演公式

(6)

式(6)中，Kw為海水的背景熒光和拉曼散射光在波長(zhǎng)λ的信號(hào)強(qiáng)度，Ko為油品在波長(zhǎng)λ的熒光信號(hào)強(qiáng)度，因此該算法需要獲取該油品的熒光特征光譜、海水的背景熒光和拉曼散射光光譜以及在激發(fā)波長(zhǎng)和波長(zhǎng)λ處的消光系數(shù)。如文獻(xiàn)[11]所述，采用LIF技術(shù)反演油膜厚度需要利用油品的一些物理參數(shù)，本文假定油品的消光系數(shù)和熒光轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室獲得。

1.3 油膜厚度評(píng)估方法

常見油品的熒光特征峰波長(zhǎng)一般在430～520 nm范圍內(nèi)，因此采用波峰光譜信號(hào)即可反演油膜厚度，考慮到現(xiàn)有探測(cè)器熒光接收設(shè)備具有較高的光譜分辨率，僅采用單個(gè)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)反演油膜厚度會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，因此選擇一組波段，對(duì)其中的每個(gè)波長(zhǎng)分別反演油膜厚度，采用反演結(jié)果的平均值作為油膜厚度評(píng)估結(jié)果。

由式(6)可知，Ko-K與油膜厚度d為指數(shù)關(guān)系，選擇Ko-K的值顯著的波段反演油膜厚度可以有效降低測(cè)量誤差的影響，本文采用最大類間方差算法(Otsu)選取波段，將Ko-K轉(zhuǎn)換為0～255的整數(shù)值，采用Otsu算法計(jì)算閾值，篩選出Ko-K的值顯著的波段評(píng)估油膜厚度。

設(shè)選取的波段為D={λ1,λ2,λ3, … ,λn}，油膜厚度評(píng)估方法如式(7)所示

(7)

式(7)中，dλi為波長(zhǎng)λi的反演厚度；n為選取的波段總數(shù)。

1.4 評(píng)估范圍分析

海面油膜厚度的有效評(píng)估范圍與測(cè)量誤差和油品的消光系數(shù)有關(guān)，因此本文從測(cè)量誤差和消光系數(shù)兩個(gè)方面分析評(píng)估范圍。

1.4.1 測(cè)量誤差對(duì)評(píng)估范圍的影響

由于設(shè)備精度、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素的影響，采集到的數(shù)據(jù)存在一定的測(cè)量誤差，當(dāng)油膜熒光強(qiáng)度趨于飽和時(shí)，測(cè)量誤差對(duì)反演結(jié)果有較大的影響，因此該算法能夠有效評(píng)估油膜厚度的范圍與測(cè)量誤差相關(guān)。一般情況下，海水的背景熒光信號(hào)和拉曼散射光信號(hào)Kw遠(yuǎn)小于較厚油膜的探測(cè)信號(hào)K，Kw的測(cè)量誤差對(duì)反演計(jì)算的結(jié)果影響很小，因此本文僅分析K的測(cè)量誤差對(duì)反演計(jì)算的影響。

由式(6)化簡(jiǎn)可得

(8)

(9)

圖2 測(cè)量誤差與R的關(guān)系Fig.2 The relationship between measurement error and R

1.4.2 消光系數(shù)對(duì)評(píng)估范圍的影響

由式(8)可知，ke+k與油膜厚度d為反比關(guān)系。如前所述Kw遠(yuǎn)小于K，因此忽略Kw的影響，可得在不同測(cè)量誤差情況下ke+k與有效反演油膜厚度最大值的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同測(cè)量誤差下ke+k與有效 反演厚度最大值的關(guān)系

由圖3可見，在相同測(cè)量誤差的影響下，ke+k值越大，能夠有效反演油膜厚度的最大值越小。在測(cè)量誤差為1%的情況下，ke+k=20的油品，能夠有效反演的油膜厚度在1 500 μm左右；ke+k=50的油品，能夠有效反演的油膜厚度在600 μm左右；ke+k=100的油品，能夠有效反演的油膜厚度在300 μm左右。一般情況下，重油消光系數(shù)較大，中質(zhì)油次之，輕質(zhì)油較小，可以根據(jù)消光系數(shù)確定不同種類的油品有效反演厚度的最大值。因此，輕質(zhì)油有效反演厚度的最大值要大于1 000 μm，重油有效反演厚度的最大值約為300 μm。

對(duì)于熒光效率較低的油品，不滿足Kw遠(yuǎn)小于K的條件，此時(shí)能夠有效反演油膜厚度的最大值要小于該分析結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 裝置

實(shí)驗(yàn)裝置和材料包括： AvaSpec-ULS2048光譜儀、NDV4542激光二極管、手柄支架、500 mL燒杯和移液器, 實(shí)驗(yàn)油品為原油和白油的混合油(1∶50)，實(shí)驗(yàn)海水采用渤海海水。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4 Experimental equipment structure

2.2 數(shù)據(jù)采集

由式(8)可知，以海水的背景熒光和拉曼散射光作為背景光信號(hào)，采集到的不同厚度水面油膜和實(shí)驗(yàn)油品的熒光信號(hào)即為K-Kw和Ko-Kw，因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

(1) 在燒杯中放置500 mL海水，采集海水的背景熒光和拉曼散射光光譜，并以此作為背景采集其他光譜數(shù)據(jù)。

(2) 在燒杯中放置足夠厚油膜(10 000 μm)，采集實(shí)驗(yàn)油品的熒光特征光譜。

(3) 在燒杯中放置500 mL海水，在水面分別放置25，50，100，200，400，600，800，1 000，1 200和1 400 μm厚度油膜，靜置約30 min，待油膜擴(kuò)散均勻后，采集樣品熒光光譜。

光譜采集過(guò)程中，保持探頭與樣本距離、角度不變，采用Avasoft8軟件采集光譜信號(hào)，積分時(shí)間為200 ms，采集波長(zhǎng)范圍為420～750 nm，每次采集30組數(shù)據(jù)，采用平均值作為光譜數(shù)據(jù)。

圖5給出了實(shí)驗(yàn)采集的海水背景熒光和拉曼散射光光譜、實(shí)驗(yàn)油品的熒光特征光譜、厚度為200 μm油膜熒光光譜的30次采集光譜以及不同厚度油膜的熒光光譜。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

由圖5(d)可見，熒光強(qiáng)度隨著油膜厚度的增加不斷增加，但增加值逐漸變小，最終趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)油品的主波峰在456 nm附近，在420～500 nm附近波段，不同厚度油膜的熒光強(qiáng)度區(qū)別明顯，而在500～750 nm波段，不同厚度油膜的熒光光譜有較多的重疊，熒光強(qiáng)度不能有效區(qū)分不同厚度的油膜。

對(duì)不同厚度油膜的熒光光譜計(jì)算各波段Ko-K的值，采用Otsu算法選擇差異顯著的波段，結(jié)果如表1所示。

表1 不同厚度油膜的波長(zhǎng)選取范圍Table 1 Wavelength selection of oil filmswith different thickness

由表1可見，在420～476 nm波段范圍內(nèi)，不同厚度的油膜都具有較大的差異，因此，采用該波段范圍進(jìn)行油膜厚度評(píng)估。

實(shí)驗(yàn)室獲取該實(shí)驗(yàn)油品的消光系數(shù)，在420～480 nm波段ke+k的值如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)油品ke+k的值Fig.6 ke+k value of experimental oil

利用實(shí)驗(yàn)獲取的油品特征光譜、海水熒光和拉曼光譜以及實(shí)驗(yàn)油品在激發(fā)波長(zhǎng)和波長(zhǎng)λ的消光系數(shù)，采用所選波段評(píng)估油膜厚度，評(píng)估結(jié)果如表2所示。

油膜厚度的評(píng)估結(jié)果與實(shí)際厚度如圖7所示。

由表2可見，當(dāng)油膜厚度≤800 μm時(shí)，該算法具有較好的評(píng)估精度，平均誤差為10.5%； 當(dāng)油膜厚度>800 μm時(shí)，評(píng)估誤差較大，并隨著油膜厚度的增加而快速變大。

表2 不同厚度油膜的評(píng)估結(jié)果Table 2 Estimate results of oil films with different thickness

圖7 不同厚度油膜的評(píng)估結(jié)果Fig.7 Estimate results of oil films with different thickness

3 結(jié)果與討論

利用測(cè)量誤差和實(shí)驗(yàn)油品的消光系數(shù)，可以分析得到能有效反演的數(shù)據(jù)結(jié)果。

表3 不同厚度油膜的值Table value of oil films with different thickness

根據(jù)不同厚度油膜的多次采集數(shù)據(jù)，估算測(cè)量相對(duì)誤差，計(jì)算方法如式(10)所示

(10)

式(10)中，Kmax和Kmin分別為測(cè)量的最大值和最小值，由式(10)估算測(cè)量相對(duì)誤差如表4所示。

表4 不同厚度油膜測(cè)量誤差Table 4 Error of oil films with different thickness

由圖6可知，實(shí)驗(yàn)油品在評(píng)估波段的ke+k的值約為34 cm-1，采用油品消光系數(shù)分析有效反演厚度，由圖3可得本次實(shí)驗(yàn)有效反演厚度最大值約為780 μm。

對(duì)比表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知采用測(cè)量相對(duì)誤差和油品消光系數(shù)的分析結(jié)果，與本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致： 油膜厚度≤800 μm時(shí)該算法具有較好的評(píng)估精度、油膜厚度>800 μm時(shí)評(píng)估誤差較大。

隨著熒光信號(hào)的增加，油膜厚度分辨率逐漸降低。采用實(shí)驗(yàn)油品的主波峰波段光譜信號(hào)可得，在25～50 μm厚度范圍內(nèi)，分辨率約為0.01 μm； 在600～800 μm厚度范圍內(nèi)，分辨率約為0.23 μm。

4 結(jié) 論

提出一種基于LIF探測(cè)技術(shù)利用油膜熒光強(qiáng)度評(píng)估較厚油膜厚度的反演算法，采用Otsu算法選擇光譜波段進(jìn)行厚度評(píng)估，并對(duì)油膜厚度的有效評(píng)估范圍進(jìn)行了分析，分析了有效評(píng)估范圍的最大值與測(cè)量誤差和消光系數(shù)的關(guān)系，并給出了評(píng)估油膜厚度最大值的估算方法。采用原油和白油的混合油(1∶50)作為實(shí)驗(yàn)油品對(duì)該算法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以有效評(píng)估較厚油膜厚度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析一致。本文計(jì)算方法并未考慮探測(cè)高度、角度以及探測(cè)環(huán)境如波浪等因素的影響，當(dāng)在高空進(jìn)行探測(cè)時(shí)，需要保持探測(cè)角度不變，同時(shí)對(duì)接收信號(hào)根據(jù)探測(cè)高度進(jìn)行校正。

溢油污染受風(fēng)、浪等環(huán)境因素的影響，會(huì)發(fā)生擴(kuò)散、乳化、溶解等一系列物理化學(xué)變化，形成水面浮油膜和懸浮水體中的油，該算法僅適用于海面油膜的厚度評(píng)估，對(duì)溢油乳化過(guò)程的評(píng)估將是下一步工作的重點(diǎn)。