張曉丹，孔德明，袁 麗，孔德瀚，孔令富

1. 燕山大學信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066004 2. 燕山大學電氣工程學院，河北 秦皇島 066004 3. 河北環(huán)境工程學院信息工程系，河北 秦皇島 066000

引 言

隨著海上石油運輸和石油開采業(yè)的快速發(fā)展，海面溢油事故頻發(fā)[1]。及時監(jiān)測海面溢油信息、鑒別溢油種類、估算溢油量及污染程度是快速有效治理溢油污染的基礎與前提。近年來遙感技術已廣泛應用于海面溢油監(jiān)測中，其中激光誘導熒光(laser induced fluorescence, LIF)探測技術不僅能識別溢油種類，且對溢油范圍和污染程度的評估同樣具有巨大潛力，已被公認是目前海面溢油遙感領域最先進的探測技術[2-3]。

溢油進入海域將迅速擴散成油膜，并受海面風浪、光氧化、生物降解等作用逐漸形成了水包油或油包水乳化液。近幾年國內外對海面溢油檢測已開展了大量研究[4-5]。但都是針對海面溢油污染中未乳化階段油膜和乳化階段水包油進行的建模與研究，而對乳化階段油包水這一重要內容的研究較少，且目前僅集中在微觀結構特征、分散相水滴粒徑分布方面[6]，光學特性方面的研究鮮有相關文獻報道。雙向反射再輻射分布函數(shù)(bidirectional reflectance and reradiation distribution functions, BRRDF)可表征目標在激光照射下的熒光特性[7]。張曉丹等[8]利用BRRDF分別對未乳化階段油膜和乳化階段水包油進行了熒光特性研究，將BRRDF引入到了海洋遙感領域的研究中。

我們基于蒙特卡羅方法和Mie散射理論，應用雙向反射再輻射分布函數(shù)，針對油包水乳化液建立光子傳輸模型，開創(chuàng)性地模擬油包水乳化液的fBRRDFcosθrcosθi，分析fBRRDFcosθrcosθi與油包水的含油率、厚度、探測時入射接收角度等相關探測參數(shù)的關系。

1 油包水乳化液的仿真模型描述

采用蒙特卡羅方法建立光子傳輸模型。此模型的設定條件為： 氣水界面水平、海水無限深、水體內無其他光源； 為能接收到各個方向的熒光信號，探測器位置盡可能遠。在給定角度處入射1億光子，在海面上半球1 296個立體角內分別固定一個虛擬探測器以接收逃離海面的熒光光子，通過統(tǒng)計所有熒光光子在各立體角內的權重得到BRRDF數(shù)值。圖1(a)為光子在介質中的傳輸示意圖。其中油包水乳化液的顯微結構放大圖如圖1(b)所示。

圖1 光子在介質中傳播的切面示意圖(a)及油包水乳化液的顯微結構圖(b)Fig.1 Cross-section of photon propagation in medium (a) and microstructure of water-in-oil emulsion (b)

如圖1(a)所示，激光入射到介質，可能發(fā)生的折射、散射、吸收和輻射熒光等由介質的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和體散射相函數(shù)來確定。由于油包水乳化液水滴粒徑尺度集中分布在0.01～15 μm范圍內，這與可見光波段相當，因此利用Mie散射理論可計算得到介質的光學參數(shù)。本工作的油包水乳化液和文獻[8]中水包油乳化液的熒光物質分別以連續(xù)相油和分散相油滴形式存在，故在整個傳輸模型中涉及的吸收系數(shù)、散射系數(shù)等光學參數(shù)存在差異性。油包水乳化液的吸收系數(shù)、散射系數(shù)表達式為

a(λ)=ρao(λ)+aw(λ)

(1)

b(λ)=bw(λ)

(2)

式(1)和式(2)中：λ為波長，ρ為油包水乳化液的含油率，ao(λ)為純油的吸收系數(shù)。aw(λ)和bw(λ)分別為相應濃度乳化液水滴粒子系的吸收系數(shù)、散射系數(shù)。表達式分別為

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：Qabs和Qsca分別為吸收、散射系數(shù)效率因子，α為水滴粒子的尺寸參數(shù)，m為水滴粒子的復折射率，r為水滴粒子半徑，f(r)為水滴粒徑分布概率密度函數(shù)。

fBRRDF是描述目標表面出射微分輻亮度與入射微分輻照度比值關系的函數(shù)?；贚IF技術探測海面溢油時，相同入射接收條件，LIF系統(tǒng)在某一接收波長處的熒光功率Pr正比于fBRRDF與入射接收天頂角余弦的乘積即fBRRDFcosθrcosθi[8]。故建立海面溢油油包水乳化液的BRRDF仿真模型，獲得fBRRDFcosθrcosθi與基于LIF技術油包水乳化液探測參數(shù)的關系，為實際LIF探測及通過LIF系統(tǒng)接收的熒光信號判斷海面溢油油包水污染情況提供理論指導和重要依據(jù)。

2 油包水乳化液的仿真研究

2.1 仿真參數(shù)處理

計算不同油品不同含油率的油包水乳化液在405和500 nm波段的吸收系數(shù)、散射系數(shù)如表1和表2所示?？煽闯?，油包水乳化液隨含油率的升高其吸收系數(shù)逐漸增大，散射系數(shù)逐漸減小。這是由于原油主要表現(xiàn)為吸收作用且吸收系數(shù)遠大于海水吸收系數(shù)的原故。

表1 1號油包水乳化液的吸收系數(shù)、散射系數(shù)Table 1 Absorption coefficient and scattering coefficient of No.1 water-in-oil emulsion

表2 2號油包水乳化液的吸收系數(shù)、散射系數(shù)Table 2 Absorption coefficient and scattering coefficient of No.2 water-in-oil emulsion

乳化液發(fā)射的熒光強度受熒光量子產(chǎn)率影響，熒光量子產(chǎn)率與乳化液含油率的關系如圖2所示。可看出熒光量子產(chǎn)率隨含油率的升高呈下降趨勢。

圖2 熒光量子產(chǎn)率與含油率的關系曲線Fig.2 Relationship between fluorescence quantum yield and oil content

2.2 仿真與分析

目標的輻射特性是其相關參數(shù)對LIF探測及系統(tǒng)設計等有重要影響。研究油包水乳化液含油率、厚度及探測時入射接收角等參數(shù)下的fBRRDFcosθrcosθi對基于LIF的海面溢油監(jiān)測、溢油量評估、溢油污染處理等有重要意義。

2.2.1 不同濃度的仿真與分析

仿真中構建三維圓柱坐標系表示fBRRDFcosθrcosθi的分布，縱坐標為fBRRDFcosθrcosθi，上方圓盤表示極坐標和角度坐標，分別代表光子的天頂角和方位角。

在激光波長405 nm，熒光波長500 nm時，對厚度30 μm，不同含油率的油包水乳化液進行fBRRDFcosθrcosθi仿真，其中含油率為60%時fBRRDFcosθrcosθi的三維分布如圖3所示。并在文獻[8]的基礎上得到水包油乳化液高濃度下的fBRRDFcosθrcosθi，與油包水的對比結果如圖4所示。根據(jù)油包水和水包油乳化液各自物理結構與分布等因素，對含油率分別為60%～90%、10%～40%的乳化液進行研究。

圖3 油包水乳化液在含油率為60%時fBRRDFcosθrcosθi的三維分布圖Fig.3 Three dimensional distribution map of fBRRDFcosθrcosθi in water-in-oil emulsion with oil content of 60%

圖4 兩種乳化液不同含油率的對比結果(a)： 油包水乳化液； (b)： 水包油乳化液； (c)： 45°接收角處各含油率的fBRRDFcosθrcosθi值Fig.4 Comparison of two emulsions with different oil contents(a)： Water-in-oil emulsion; (b)： Oil-in-water emulsion;(c)： Value of fBRRDFcosθrcosθi of each oil content at the acceptance angle of 45°

由圖3可看出，油包水乳化液fBRRDFcosθrcosθi的形狀大致關于中心對稱，與光子出射的方位角無關，這是由于輻射熒光是各向同性的。由圖4可知，兩種乳化液的fBRRDFcosθrcosθi值均隨含油率的升高呈下降趨勢，且油包水的下降速率及fBRRDFcosθrcosθi的整體值較水包油的低。這主要是隨乳化液含油率的升高，熒光量子產(chǎn)率下降導致的(見圖2)。

為進一步驗證仿真的正確性，利用實驗室搭建的便捷式LIF系統(tǒng)對不同含油率的原油油包水進行熒光光譜測量，并與fBRRDFcosθrcosθi進行趨勢對比。實驗中激發(fā)光源由NDV4542激光二極管和電源組成，激發(fā)波長為405 nm，光譜儀采用AvaSpec-ULS2048型號光纖光譜儀。將Span80和Tween80兩種乳化劑以10∶1比例分別與一定量的原油和水混合，再將兩者混合倒入燒杯，利用高速攪拌機攪拌30分鐘以制備出一定含油率的油包水乳化液。制備的樣本含油率分別為60%，70%，80%，90%。在采集光譜過程中，固定激光二極管、光纖探頭與樣本間的角度、距離。選用Avasoft8軟件采集光譜信號，波長范圍為420～750 nm，積分時間為400 ms，每組樣本進行多點多次采集光譜，將采集到的光譜扣除背景光后求得平均值作為最終的光譜數(shù)據(jù)如圖5(a)所示，取各光譜波長500 nm處熒光與仿真進行對比如圖5(b)所示。油包水乳化液的熒光強度隨含油率的升高基本呈下降趨勢，因此利用fBRRDFcosθrcosθi函數(shù)得到的油包水乳化液隨含油率增長的變化趨勢是正確的。

圖5 實驗數(shù)據(jù)與仿真對比(a)： 不同含油率下的熒光光譜； (b)： 趨勢對比Fig.5 Comparison of experimental and simulation data(a)： Fluorescence spectra under different oil content;(b)： Trend comparison

2.2.2 不同入射接收角度的仿真與分析

為找到基于LIF系統(tǒng)探測海面油包水乳化液適宜的入射接收角度，必須探討入射接收角度與fBRRDFcosθrcosθi的關系。由圖3可知LIF系統(tǒng)接收的熒光功率與方位角無關，故對入射角分別為0°，25°，45°，65°和85°各接受角的fBRRDFcosθrcosθi進行仿真，結果如圖6(a)所示。同時利用2.2.1所述的實驗裝置和材料采集不同入射角度處油包水的熒光光譜以驗證仿真正確性。其他條件固定，采集激光入射角度分別為0°，20°，40°，60°，70°，80°時的熒光光譜，處理后的光譜數(shù)據(jù)如圖6(b)所示，取波長為500 nm處熒光的實測值與仿真進行對比結果如圖6(c)所示。

由圖6(a)可知接收角θr一定時，fBRRDFcosθrcosθi隨入射角θi的增大先平穩(wěn)后減小，尤其當θi>65°時下降迅速。當入射角θi一定，fBRRDFcosθrcosθi值隨接收角θr的增大逐漸減小，在θr=0°時獲得最大值。由圖6(b)和(c)發(fā)現(xiàn)實驗中獲得的不同入射角處的熒光光譜與仿真結果具有基本一致性的變化趨勢。以上說明基于蒙特卡羅光子傳輸模型進行油包水乳化液的fBRRDFcosθrcosθi仿真是正確的，且可利用此仿真研究其他參數(shù)與fBRRDFcosθrcosθi的關系。

圖6 仿真與實驗數(shù)據(jù)及對比結果(a)： 不同接受角的fBRRDFcosθrcosθi； (b)： 不同入射角的熒光光譜； (c)： 趨勢對比Fig.6 Comparison of simulation and experimental data(a)： fBRRDFcosθrcosθi at different acceptance angles; (b)： Fluorescence spectra at different incident angles; (c)： Trend comparison

2.2.3 不同厚度的仿真與分析

在以上實驗基礎上探討油包水乳化液的厚度與fBRRDFcosθrcosθi的關系，選擇1號重質、2號輕質原油油品為對象，對不同厚度的油包水乳化液進行仿真，結果如圖7所示。

圖7 兩種油的油包水乳化液不同厚度的fBRRDFcosθrcosθi(a)： 1號油品； (b)： 2號油品； (c)： 45°接收角處不同厚度的fBRRDFcosθrcosθiFig.7 fBRRDFcosθrcosθi of different thicknesses of water-in-oil emulsions of two oil products(a)： No.1 oil product; (b)： No.2 oil product; (c)： fBRRDFcosθrcosθi with different thicknesses at a acceptance angle of 45°

由圖7看出1號、2號的fBRRDFcosθrcosθi隨乳化液厚度的增加均表現(xiàn)為先上升后飽和的趨勢。這主要是隨乳化液厚度的增加，雖會產(chǎn)生更多熒光光子，但由于吸收作用使其不足以通過很厚的介質被接收，造成fBRRDFcosθrcosθi逐漸趨于飽和。同時，由表1、表2及圖2發(fā)現(xiàn)，1號乳化液的吸收系數(shù)較大，熒光量子產(chǎn)率較低，故導致1號的fBRRDFcosθrcosθi值更快飽和，且整體值低于2號。由此可通過fBRRDFcosθrcosθi得到海面油包水乳化液的最小厚度，并在一定程度上區(qū)分溢油類型。而在乳化液厚度未知的情況下，由于fBRRDFcosθrcosθi存在重疊區(qū)，故需結合新信號源進行溢油類型判別，這將作為下一步的工作重點。

3 結 論

結合蒙特卡羅方法和Mie散射理論，建立了海面溢油污染中油包水乳化液的BRRDF仿真模型，利用該模型得到基于LIF接收的熒光信號與探測各參數(shù)的關系。分析可知，海面油包水受激輻射的熒光信號隨含油率的上升呈下降趨勢。這可作為基于LIF探測評估海面溢油油包水乳化液含油率(濃度)的依據(jù)之一。在乳化溢油油包水的實際LIF探測中，入射接收角均不宜過大，入射角應小于65°，接收角為0°時可獲得最佳熒光信號。由fBRRDFcosθrcosθi與油包水乳化液厚度的關系得知，油包水受激輻射的熒光信號隨厚度的增加呈先上升后飽和的趨勢，且重質油達到飽和點的最小厚度遠小于輕質油。這可作為基于LIF探測海面溢油油包水乳化液最小厚度的判定參考，為評估溢油量提供數(shù)據(jù)源，同時為溢油油種的識別也提供了特征依據(jù)。

溢油進入海域，由于自身性質和海面風浪等環(huán)境的不斷作用與影響，會經(jīng)歷復雜的風化過程，通常被劃分為未乳化、乳化等階段。本文工作僅探討在氣水界面水平條件下，基于LIF技術海面溢油油包水乳化液探測參數(shù)的雙向反射再輻射分布函數(shù)。對未乳化油膜階段以及海面風浪、波紋等復雜環(huán)境下海面溢油的BRRDF研究將是今后的工作重點。